【院士】王家耀：新時代中國地圖學快速發展之路

摘要：

本文系統梳理了中國地圖學從傳統制圖向數智化轉型的歷史脈絡，揭示了科學抽象方法、空間認知理論與技術創新協同驅動的學科發展機制。通過解析地圖投影、符號系統、制圖綜合三大科學抽象方法，探討了時空大數據與人工智能技術對地圖學范式革新的深刻影響，并提出地圖哲學引領、數據文化鑄魂、時空智能賦能的三維發展框架，為新時代地圖學的持續創新提供理論支撐與實踐路徑。

關鍵詞：中國地圖學；時空大數據；人工智能；創新性發展

引用：王家耀，程士源，熊思奇，等.創造性傳承與創新性發展：新時代中國地圖學快速發展之路[J].測繪科學技術學報，2025（4）

引言

地圖學作為一門兼具科學性與社會性的學科，在人類認知和表達地理空間的過程中發揮著重要作用。隨著信息技術的快速發展，地圖學正經歷著從傳統制圖向數字化、智能化的轉型過程。這一轉型既源于學科自身發展的內在需求，也受到信息論、控制論和系統論等跨學科理論的影響。計算機技術和大數據的發展，為地圖學的智能化研究提供了技術支持。當前，地圖學的發展呈現出以下特點：學科理論體系不斷完善，從經驗科學向理論科學轉變；地圖作為數據載體，在社會空間認知和決策中的作用日益凸顯；人工智能和機器學習技術與時空大數據分析的結合，推動了地圖制圖的智能化發展。同時，地圖學與地理信息科學、計算機科學等領域的交叉融合，促進了空間認知計算等新興研究方向的發展，智慧城市等應用需求也推動了地圖學在實際應用中的深入發展。本文旨在系統梳理中國地圖學從傳統制圖向數智化轉型的發展歷程，分析其學科發展機制，并探討未來發展的理論框架與實踐路徑。

地圖學是一門經歷數千年發展且任何時期任何社會都不可或缺的科學

01

人類對地球形狀和大小認識的漫長過程

人類對地球形狀和大小認知的歷程已存在千年之久[1-4]。在古地圖萌芽時代，今捷克境內巴甫洛夫附近、古巴比倫和埃及東部沙漠地區都曾出現過地圖，但并未涉及到地球的形狀和大小，人們也沒有地球的概念。古希臘、古羅馬時代，人們最早“感悟”到地球為“球”形，并進入地球為“球”的孕育期，古希臘唯物主義哲學家米勒人阿那克西曼德（公元前610——前545），提出地球形狀的假說，繪制了當時已知世界的地圖；古希臘哲學家和數學家畢達哥拉斯（愛奧尼亞薩摩斯、卡卡尼亞梅塔蓬閨姆）第一次提出地球為球形的概念；之后，柏拉圖、亞里士多德、古希臘地理學家狄凱阿科斯以及中國戰國時期的哲學家惠斯也相繼提出相似的觀點。在這之前，人們對地球形狀的認識稱為“地圓說”，還局限在哲學思辨的層面上，還不能準確的測量地球的半徑。埃拉托色尼（公元前276-前194年）是已知采用幾何學、天文學和測地學相結合的方法測量過地球周長的第一人，其著作《地球大小的修正》可精確測算地球圓周，而《地理學概論》一書則論述了世界地圖的繪制，系統提出了采用經緯度法編繪世界地圖的方法，全面改繪了古老的愛奧尼亞地圖。地球作為球體，要將球面描繪在平面地圖上必須采用數學方法——地圖投影，天文學家吉帕爾赫（公元前165-前125年）創立了透視投影法，利用天文測量方法測定地面點的經緯度；古希臘數學家、天文學家、地理學家和地圖學家克羅狄斯·托勒玫（公元90-168年）的《地理學指南》一書提出了球面投影和普通圓錐投影方法，被譽為古代地圖學的一部巨著。英國著名物理學家艾薩克·牛頓（1643年1月4日-1727年3月31日）創立的牛頓三大定律和萬有引力定律，奠定了物理大地測量學的基礎，成為研究地球形狀及其外部重力場的學科。到文藝復興、工業革命、地理大發現和以大規模三角測量為基礎實測地形圖時期，需要也有可能更加精準地認知和測定地球的形狀和大小，德國數學家高斯（1777-1855）的“內蘊曲面論”用數學方法測定地球表面的形狀和大小，其學生黎曼受“內蘊曲面論”的啟發，發展成了三維或多維空間的一般“內蘊幾何學”。之后，科學家們發現人類的測量活動雖是在地面進行的，但地球自然表面極不規則，無法用數學模型來描述，也不能作為測量計算和地圖制圖的基準面，因此開始探索和尋求一種同地球自然表面非常接近的規則曲面，1743年法國的克萊洛證明了重力值與地球扁率之間的數學關系；19世紀初，法國的拉普拉斯和德國的高斯相繼指出地球非橢球性；1849年，英國的斯托克司提出由重力測量資料（數據）確定地球形狀的完整理論和實際計算方法；1873年，利科汀首次提出大地水準面的概念，并以大地水準面表示地球形狀；1945年，前蘇聯的莫洛堅斯基創立用重力測量數據直接研究真實地球自然表面形狀的理論，稱之為莫洛堅斯基理論。人類對地球形狀的認識經歷了：“圓球→橢球→大地水準面→真實地球自然表面”的過程。這既反映了科學技術的進步，也反映了人類關于地球形狀的認識論和實踐論規律。之后，在科學家們的不斷探索下，開始了地球橢圓大小與（似）大地水準面的精細化研究，測定了地球橢球的形狀和大小與地球重力場，發現了地球橢球體與大地水準面最佳密合的條件，并進行了似大地水準面的精細化研究。

02

人類對復雜非線性地球系統的認識

人類對地球形狀和大小的探索與認知并不支持人類全面的認識地理世界，還需要有對復雜非線性地球系統的科學認知。近代以前，由于人們還沒有地球的概念，主要研究的是人類生活在地球系統中的地理環境，“地理學”一詞始于我國《易經·系辭》和古希臘埃拉托色尼的《地理學概論》，主要對當時已知世界的地理情況進行羅列式描述；從我國航海家鄭和揭開15世紀海上探險序幕，到哥倫布、達·伽馬和麥哲倫等的地理大發現，基本上奠定了世界地理和世界地圖的海陸輪廓，大大豐富了當時的世界地理內容，其資料和數據成果也迅速反映在當時的地圖、地圖集和地球儀上。近代地理學始于18世紀末和19世紀初，人們開始強調因果關系研究[4]。20世紀80年代~90年代，人們開始從靜態的定性描述向動態定量分析，通過時序數據、大數據統計分析和衛星對地觀測所獲取的地面變化數據分析挖掘，開展時空變化和分布規律的原理和預測研究，并進一步探索把地球作為一個復雜非線性系統科學來研究。地球系統指由大氣圈、水圈、陸圈（巖石圈）和生物圈（包括人類本身）等四大圈層組成的作為整體的地球——復雜非線性地球系統，其間存在著四大圈層之間的相互作用，物理、化學和生物三大過程之間的相互作用，以及人與地球系統之間的相互作用（人地關系）。20世紀80年代中期，地球系統科學作為一個完整的和綜合性的觀點，是一個新興科學前沿領域[5]，它的產生和發展是人類為解決所面臨的重大全球性環境問題的需要，也是科學技術向深度和廣度發展的必然結果。全球衛星導航定位系統（GNSS）、衛星遙感（RS）和地理信息系統（GIS）組成的現代地球觀測系統，為人類提供了對整個地球系統進行長期的，立體的監測能力，為搜集、處理和分析地球系統變化的大規模海量數據——時空大數據，建立復雜非線性地球系統的數學模型提供了工具。

03

地圖學是一門構建非線性復雜地理世界的科學

3.1 地圖如何構建復雜非線性地理世界（地理世界→地圖世界）

地圖作為一門科學語言，是表達復雜地理世界的偉大創新思維，在重構復雜非線性地理世界方面經歷了漫長的過程[6]，“科學抽象”作為地圖構建復雜非線性地理世界的核心，其方法有三：

一是解決地圖平面與地球曲面之間的矛盾——地圖投影，建立重構復雜非線性地理世界的數學基礎。地圖投影本質上是地球曲面與平面之間點位坐標的數學轉換方法。地球曲面與平面之間的矛盾是推動地圖投影及其變換理論持續發展的根本動力，同時也為構建復雜非線性地理空間的數學模型奠定了基礎。

二是解決地圖的抽象性與地理世界的復雜性之間的矛盾，創立地圖符號系統——地圖語言。地圖符號系統具體表達地理世界各要素及其相互關系及其組合，反映了增強符號的概括性、減少符號數量的發展趨勢，導致了人們研究作為地圖語言的語法、語義、語用學及地圖符號的視覺感受效果的理論和方法。

三是解決地圖比例尺縮小（由“小尺度”即“大比例尺”到“大尺度”即“小比例尺”）引起的地圖內容的詳細性與清晰性之間的矛盾，創立地圖內容制圖綜合的理論與方法。本質上是不同尺度下地圖內容之間的轉化，經歷了由“主觀過程”到“客觀的科學制圖方法”、由“定性描述”到“定量描述”、由基于“地圖模型”到基于“模型算法和知識”的單要素自動制圖綜合再到基于“自動制圖綜合鏈”的全要素、全過程可控制的智能化地圖制圖綜合。

3.2 虛擬現實（virtual reality, VR）技術為人們提供構建真實地理環境新方法

隨著信息通信技術的發展，虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）、擴展現實（XR）和數字孿生等技術的興起，搭建了現實空間與“元宇宙”之間的橋梁[7]，為地圖學的發展給出了新方向。虛擬現實（VR），指基于頭顯設備構建全數字環境，實現視覺/聽覺/觸覺多維感知；增強現實（AR），是通過光學投影技術將虛擬信息疊加現實場景；混合現實（MR），即融合物理與數字對象實現實時互動，如影視虛擬拍攝系統；擴展現實（XR），指通過計算機和可穿戴設備將真實與虛擬環境相結合，實現人機交互的沉浸式體驗。所以，擴展現實（XR）是虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）等的統稱，其核心在于模糊物理世界與數字世界的邊界。按照用戶參與度和沉浸感差異，虛擬現實技術可以分為四類：

一是桌面虛擬現實系統，其特點是借助電腦（計算機）屏幕實現交互，適用于常規應用場景；

二是沉浸式虛擬現實系統，采用封閉式設備為用戶提供深度沉浸體驗；

三是增強虛擬現實系統，是通過融合虛擬與現實元素來擴展用戶感知維度；

四是分布式虛擬現實系統，指基于網絡技術實現多用戶虛擬環境的共享。而數字孿生（Digital Twin）則是通過數字模型對物理實體進行全生命周期動態映射的虛擬現實技術，實現現實空間與虛擬空間的實時交互與優化。因此，VR/AR/MR和數字孿生都是為人們構建一個虛擬的地理世界，使認知地理世界更具沉浸感和真實感。

04

地圖（學）是任何社會任何時期都不可或缺的一門科學

地圖學是地球空間信息的抽象、概括、表達和傳輸的科學[8，9]，是人類社會的偉大創新思維。地圖學既是跨越時間和空間的科學，能表達過去（歷史地圖）、現在（現實地圖）和未來（預測和規劃地圖），也是跨越自然和人文的科學，可以表達自然要素、人文要素及人地系統。例如《貴州省自然資源地圖集》《陜西省文化旅游名鎮》《中國西部山區人地系統地圖集—秦巴山區卷》。

地圖學是一門經歷數千年發展且任何社會任何時期都不可能沒有的科學，是國際上三大通用語言之一，具有普適性，一直是東西方文明的中心。此外，地圖同時具有科學性和泛在性，既可以揭示科學規律，反映科技進步，也能廣泛應用于科學研究、國民經濟、軍事，以及人們工作、學習和生活中。人們工作、學習和生活中，天氣圖已成為現代地理中最偉大的發明之一；地理信息系統作為地理學的第三語言，其應用領域得到了極大的擴展，數據資源不斷擴展，功能不斷擴充和深化，體系結構不斷演進，系統開發模式不斷進步，導航電子地圖在人們出行方式上帶來了革命性的變化。

05

人們是怎樣通過地圖認知復雜非線性世界（地圖世界→地理世界）的

5.1 傳統的地圖空間認知范式及其面臨的困境

人們通過地圖認知復雜非線性地理世界，本質上是一個地圖信息傳輸和空間認知過程，兩者關系十分密切。

1） 地圖信息

指表示在地圖上可被人們認識、理解并獲得新知識的客體、現象及其時間、空間關系的內容和數據。包括直接信息（來自地圖上符號本身的信息——位置、注記、語義和顏色信息）和間接信息（利用分析、判斷方法所獲得的信息——與要素的相互關系相聯系的信息），它們都是可測度的。除具有一般“信息”的特點外，還具有自身的一些獨有特性，如嚴格的空間定位、科學的概括取舍（制圖綜合）、以符號（圖解形式）和數據（離散的數字形式）作為載體。

2）地圖信息傳輸

指從整體上研究地圖制圖者、地圖信息、地圖、地圖使用者、地圖使用效果五個部分之間的相互作用。主要研究四個問題：

一是地圖信息傳輸過程中的三個轉換。包括地理環境到理解了的地理信息的轉換、地理信息到地圖的轉換、地圖到地理環境映像的轉換，即制圖者（信息發送者）把對客觀世界（制圖對象）的認識加以選擇、分類、簡化等信息加工并經過符號化（編碼），通過地圖（通道）傳遞給用圖者（信息接收者），用圖者經過符號識別（譯碼），同時通過對地圖的分析和解釋形成對客觀世界（制圖對象）的認識，并指導自己的行動。

二是認識（認知）在地圖信息傳輸中的作用。包括在地圖信息傳輸的三個轉換過程中，制圖者和用圖者認識（認知）能力的作用，并盡可能減少認識（認知）的不完善性。

三是地圖信息傳輸過程中的信息損失和傳輸效率。包括地圖信息傳輸過程中的誤差來源、信息損失和傳輸效率的邏輯表達。

四是地圖信息傳輸的可控性。包括地圖信息傳輸的可控性空間及其可控性、地圖信息傳輸的控制過程、地圖信息傳輸過程中的控制模型。

地圖信息傳輸的觀點，是由捷克地圖學家柯拉斯尼（Kolacny）于1969年在《制圖信息——現代地圖制圖學的一個基本概念和術語》一文中提出的。他認為地圖的用途就是在地圖作者和地圖讀者之間傳輸信息，試圖“把地圖的制作和使用看是一個統一過程的兩個階段。在這一過程中，地圖信息產生、傳遞、最終產生效能。”他還提出了第一個地圖信息傳輸過程模式，如圖1所示。其后，波蘭地圖學家拉塔依斯基（L·Ratajski）和美國地圖學家莫里斯（Morrison）先后于1973年和1976年都提了自己的地圖信息傳輸模式，實際上是柯拉斯尼地圖信息傳輸模式的進一步發展。這個時期的地圖信息傳輸模式，我們稱之為“傳統的地圖信息傳輸模式”。

圖1 Kolacny（1969年）的地圖信息傳輸與認識模式

3）地圖空間認知

空間認知是人類大腦的核心功能之一。高俊院士認為“地圖是人類空間認知的工具”。地圖空間認知，指人們借助地圖對自身賴以生存的地理環境進行理解的過程，包括對地理環境中各類事物和現象的空間位置、空間分布、相互關系及其時空變化規律。地圖空間經由感知、表象（心象）、記憶和思維四個過程。其中，地圖空間認知的感知過程，即研究地圖圖形（刺激物）作用于人的視感覺器官產生對地理世界的感覺和知覺的過程；地圖空間認知的表象（心象）過程，是在地圖感知的基礎上產生的，即通過回憶聯想，使在知覺基礎上產生的映像再現出來而形成的表象（心象）地圖，具有一定的間接性和概括性；地圖空間認知的記憶過程，是人的大腦對過去經驗中發生的事物的反映，將當前的反映和過去的反映聯系起來（心理在時間上的持續）形成的對地理空間整體的、動態的、連續的認識，可使反映更全面更深入；地圖空間認知的思維過程，是地圖空間認知的高級階段，提供關于現實地理世界客觀事物的本質特性和空間關系的知識，實現“從現象到本質”的轉化，包括邏輯思維（抽象思維）、形象思維和靈感思維。

4）傳統地圖信息傳輸地圖空間認知范式面臨的困境

已于前述，地圖信息傳輸與地圖空間認知的關系是十分緊密的。自1969年拉斯尼提出第一個地圖信息傳輸和空間認知范式以來，50多年過去了，該領域的研究取得了某些進展，但也還面臨著一些困境。主要表現在：

一是地圖制圖者腦中的客觀地理世界從何處來？僅靠閱讀已有地圖、文獻和統計資料能夠構成制圖者腦中的現實地理世界嗎？就是實地考察其地域范圍也是有限的。顯然，制圖者腦中這種有缺失的現實地圖世界經“符號化”后構成的地圖很難反映客觀存在的地理環境，用圖者很難據此有效指導自己的行動；

二是傳統的地圖信息傳輸和地圖空間認知范式是一個單向過程，至于“地圖使用者所理解的地理環境”與“地圖制圖者理解的地理環境”的一致性如何，以及用圖者指導行動的效果如何，沒有逆向反饋，也就是整個地圖信息傳輸與地圖空間認知的過程未構成一個完整的“閉合鏈”；

三是對地圖空間認知在地圖信息傳輸三個轉換過程中的作用、信息損失和傳輸效率缺乏深入研究，缺少彌補認知不完善性并提高認知效率的技術手段，因而用圖者很難有效地指導自己的行動。

5.2 人工智能時代的時空信息傳輸與認知模式躍升及其面臨的挑戰

天空地一體對地觀測（網）、人工智能（AI）、腦科學、量子計算等技術的快速發展，現實世界地理環境的空間認知正經歷著從“單一靜態地圖為主”向“天空地一體動態對地觀測數據”、從“人腦認知為主”向“人機協同”、從“認知的單一（正向）過程”向“兼顧逆向反饋的完整認知閉合鏈”的智能時空認知范式的提升。

人工智能時代的時空信息傳輸與認知模式如圖2所示。首先，通過天空地一體對地觀測傳感網，獲得接近“現實地理世界”的智能感知效果，即現實地理世界的第一次模型表達；接著，通過多源異構時空大數據融合、構建集二、三維于一體和基于虛擬現實（VR）地理環境且具備數據分析和數據挖掘功能的重構的“現實地理世界”，即現實地理世界的第二次模型表達；然后，使用者（用戶）利用具有的理解分析和挖掘功能，構建認知的“現實地理世界”，即用戶對“現實地理世界”的智能認知模型，并指導行動；同時，用戶指導行動的效果要實施逆向反饋，形成一個智能時空信息傳輸與智能認知模型的完整“閉環”。

圖2 智能時空信息傳輸與智能認知模型示意圖

然而，人工智能時代的智能時空信息傳輸與智能認知模型也面臨一些挑戰。主要表現在：

一是地理世界的智能感知。這是智能認知的基石，需要構建天空地一體的泛在智能感知網絡，實現全域全頻全時現實地理世界的智能感知探測；需要構建天地協同對地觀測大規模海量數據在軌處理，實現基于“云-邊-端”一體的分布式“數據-算法-算力”協同調用；需要利用算法進行多源異構數據智能融合，為用戶（使用者）提供全球一致、陸海一體、無縫連續的全域應用場景。

二是地理世界的智能理解。這是現實地理世界智能認知的核心，關鍵是通過現實世界地理環境的多模態語義解析與深度分析，實現對地理環境的深刻洞察；利用知識圖譜技術構建現實世界地理環境各要素對象、實體及其相互關系的大型知識庫，為用戶高效理解地理環境提供科學工具，實現“由此及彼、由表及里”與“不僅能知其然更能知其所以然”的深度理解。

三是用戶行為的智能決策及效能逆向反饋。這是地理世界智能認知的最終目的。用戶智能理解的現實世界地理環境，是用來指導自己的行動的，行動的效果如何要逆向反饋，深刻逆向審視智能認知的“地理世界”、重構的“地理世界”、感知的“地理世界”（天空地一體智能傳感器網），基于逆向反饋找到的問題，再智能感知、智能理解、智能決策，如此循環，直到成功地指導行動，從而促進智能即人機協同認知的一致性，提升智能即人機協同認知的可靠性。

中國地圖學的數智化轉型及快速發展

01

中國地圖學的快速發展是從現代計算機數字地圖制圖取代傳統手工地圖制圖的革命性變革開始的（20世紀70年代到90年代初）

1.1 傳統地圖學（近代地圖學）的形成

傳統地圖學于20世紀50年代形成，在近代地圖測繪的基礎上建立，是地圖生產之本。盡管如此，傳統地圖學卻是一個“封閉體系”，存在不可忽視的缺陷。主要表現在，傳統地圖學以經驗總結為主，忽視基本理論研究與建設；以聯系對本學科存在直接關系的學科為主，忽視同更高層次學科之間的聯系；以地圖制作為主，忽視地圖應用的研究，尤其忽視地圖制圖者自身認識論和使用者認識活動規律的研究[15]。

1.2 推動傳統地圖學進入數字化時代的力量

傳統地圖學向數字化時代的轉型主要由以下四方面力量推動：

1）地圖內部矛盾的對立統一。傳統地圖學是一個“封閉體系”，要想在這種封閉體系內獲得實質性、突破性進展是困難的，甚至是不可能的；只有走出這種“封閉體系”，向系統外部從深層次結構來尋求地圖學進一步發展的源泉[16]，才能促進地圖學的進步。

2）科學家思維方式的變革。20世紀50年代信息論、控制論和系統論三大科學理論問世，繼相對論和量子力學之后又一次“徹底改變了世界科學圖景和當代科學家的思維方式”，無疑也為地圖學的發展指明了前進的方向。主要標志是地圖信息傳輸理論和模式的提出，其中最有代表性的是捷克人柯拉斯尼（A Kolacny），他于1969年提出了第一個地圖信息傳輸的模式[16-17]。地圖信息傳輸的觀點，是對地圖學本質特征的揭示，給地圖學家們重要啟示，對推動傳統地圖學進入數字化時代具有思想解放的作用。

3）理論上的準備。英國學者C.Board曾于1967在《作為模型的地圖》一書中提出“把地圖作為模型”這一想法。地圖作為模型，具有抽象模型中的概念模型、模擬模型和數學模型的特點。從系統論的觀點來看，人們既可以直接研究系統的原型，又可以從研究系統的模型著手，而將研究結論推廣到原型。通過模型來研究系統，是系統論觀點的一種重要方法[18]。把地圖作為模型可以使我們更深刻的理解與更深入的研究地圖系統模型，推動地圖學的發展。

4）技術上的準備。計算機硬軟件的出現為傳統地圖學進入信息時代做了技術上的準備。

地圖學在其長期的發展歷程中，經歷了由“圖形思維”到“時空大數據思維”的轉變[19]。數據、大數據、時空大數據成為推動地圖學數字化轉型的不竭動力，數據改變了地圖學家們的思維。

在長期手工地圖制圖時代，地圖制圖面對的是已出版的圖形符號地圖資料和相關文獻與統計資料。這種情況下，普通地圖制圖是通過對編圖資料的加工處理和圖形制圖綜合，完成地圖編繪作業；而對于專題地圖制圖，則是對相關文獻資料描述的專題內容經過處理后以相應的符號表示，或對相關統計數據進行分類（級）處理并選用相應用的表示方法[20]。

在以數值數據為地圖學信息源的時代，數據處理成為了地圖制圖的核心，形成了“原始數據的特征分析與預處理→數學模型的設計與建立→數據處理→制圖模型的設計建立及解釋”的新體系。這是地圖學家們的一次重大思維轉變。不過，這個時期（20世紀90年代）的地圖制圖數據是以“樣本”數據為基礎的。

在現今的大數據時代，大數據的多樣性、巨量性、低值性和快速性等特性給地圖學家帶來了新的工作方式，為地圖學的發展增添新的活力[20]。大數據的巨量性需要強大的數據存儲管理和處理能力；多樣性需要多源異構數據融合的模型算法；大數據的快速性需要強大的計算能力和計算方法；而大數據的低值性則需要有數據分析、數據挖掘和知識發現模型、算法與知識表達方法。這些領域的研究，推動了空間數據庫和空間數據倉庫理論、方法與技術的發展，為地圖學理論、工程技術和應用研究的深化和系統化奠定了基礎。

在如今的大數據時代，時空大數據已成為地圖學發展的核心驅動力。主要表現在兩個方面：一是，為地圖學的發展提供了時空觀和方法論支撐。地圖學從一開始就是人類活動（社會、科學、生產活動）在一定空間和時間認知世界和改造世界的產物，同空間和時間密不可分[21]。地圖學是跨越時間和空間的科學，地圖則是詮釋世界的杰作，是濃縮歷史的經典。二是，推動地圖學由60多年前的第三科學范式進入以“數據密集型計算”為特征的第四科學范式的新時代，為地圖科學的發展帶來了前所未有的機遇，全面推進當代地圖科學向更高水平發展。

02

中國地圖學的學科體系建設日趨科學化

中國地圖學學科體系的構建遵循四大原則[22]：

1）學科體系的整體性。以錢學森倡導的系統論思想為指導，將體系的各個部分視為一個整體。

2）學科體系的層次性。體系內部由理論地圖學、地圖制圖學、地圖應用學三部分構成，外部由3個“圈層”構成。

3）學科體系的關聯性。體系各部分、各層次之間具有密切的關聯關系。

4）學科體系的開放性。由“封閉體系”轉向“開放體系”，不斷探索地圖學功能的拓展和延伸，進一步尋找地圖學新的生長點，充分發揮地圖學的“四大功能”。

地圖學的學科體系框架如圖3所示。

圖3 地圖學的學科體系框架圖[21]

03

中國地圖學“數字化”到“智能化”的快速推進（20世紀90年代以來）

3.1 20世紀80~90年代地圖制圖專家系統研究熱潮

20世紀80年代末至90年代中10余年間，國內外掀起了地圖制圖專家系統研究的熱潮，如表1所示。但在此后的十多年間，由于并未重視基礎理論研究，地圖制圖專家系統熱潮已不存在，之前研究的制圖專家系統在地圖制圖生產中基本未得到應用。

究其原因，正如錢學森先生早在1984年9月1日給戴汝為的信中所做的精僻分析，“外國人人工智能工作，似乎急于求成，而基礎理論工作不扎實。”

也如在其17年后的2011年《科學導報》第14期刊登的文章“被批20年無進展，人工智能需要重啟”中指出的，“問題發生在20世紀80年代，AI研究的資金開始枯竭，研究人員嘗試探索商業化AI，由此產生的最大問題是AI研究的狹窄和專業化，而基礎問題研究無人問津，沒有進展，……。沒有理論指導，研究工作就不能持久。”

表1 20世紀80年代末至90年代中地圖制圖專家系統研究熱潮

3.2 人工智能在地圖學研究中的發展

進入21世紀以來，尤其是近20余年，AI大模型順應時代蓬勃發展，人工智能應用于地圖學的研究也出現了好的勢頭，在理論上有了很大提升，代表性的學術成果有《不確定性人工智能》《自適應地圖可視化原理與方法》《面向地圖自動綜合的空間信息智能處理》《地圖自動綜合質量評估模型》《地圖群（組）目標描述與自動綜合》《數字地圖綜合進展》《自動制圖綜合及其過程控制的智能化研究》《GIS與地圖信息綜合基本模型與算法》《居民地增量級聯更新理論與方法》等多本專著。

人工智能在智能制圖系統中的廣泛應用表明地圖學由“數字化”到“智能化”的轉型升級已取得了系列性研究成果，主要表現在首創多尺度地圖目標空間關系定量計算基礎理論與描述模型；創建地圖信息度量準則、智能識別與變化發現方法；首創地圖自動“綜合鏈”理論、質量評價體系和可視可編輯的過程控制模型和研制自主可控的全要素、多尺度地圖自動綜合與更新軟件平臺及應用系統。

3.3 地圖學的數智化轉型推動了地圖集的創新發展熱潮

近十余年獲得“裴秀獎”的地圖集多達270多部，出版的代表性地圖集可分為：

歷史地圖集（如《安徽省歷史地圖集·古舊地圖卷上中下卷》）；航海與陸地跨境區域地圖集（如《世界航海地圖集》和《中國·云南面向南亞東南亞輻射中心地圖集》）；

自然資源和生態環境地圖集（如《貴州省自然資源地圖集》和《中國黃河上中游流域自然資源地圖集》）；

文化旅游地圖集（如《陜西省文化旅游名鎮地圖集》和《華東師范大學校園地圖集》）；

城市（群）地圖集和省區市地圖集（如《上海市地圖集》）；人地系統地圖集和綠色發展地圖集（如《青藏高原城鎮化綠色發展地圖集》和《中國西部山區人地系統地圖》——秦巴山區卷）。

近些年來出版的地圖集的特點多樣。

一是服務國家戰略要求成為地圖集的重要選題。服務國家戰略，就是服務國家需求，作為地圖科學技術產出的地圖集充分體現了這一特色。

二是面向社會廣大用戶為地圖集提供了很大空間和潛力。一方面，地圖集已成為人們認識世界和改造世界的一種科學工具；另一方面，地圖集經過長期發展已深深扎根于社會的土壤之中。

三是大數據、云計算、人工智能為地圖集的繁榮發展釋放了強大動力。地圖集制作的周期進一步縮短，網上電子地圖集的傳播使用效率越來越高，受眾面越來越大。

四是實現科學性、藝術性、實用性有機統一的“最佳”地圖集可視化效果得到了很大提升。

五是由于采用了數字化/智能化技術，地圖集從設計編繪到出版的周期大大縮短了。

中國地圖學的數智化轉型及創新發展的取得的輝煌成就，為國際地圖學的發展做出了重大貢獻。

新時代中國地圖學的持續創新發展是時代之大勢

當今，新時代中國地圖學的持續創新發展已成為時代之大勢，現代地圖學創新發展的因素眾多，其中以地圖哲學引領、地圖（數據）文化鑄魂、時空智能賦能、學科交叉出新和社會需求植根為五大核心支撐。

01

地圖哲學引領

哲學，是理論化、系統化的世界觀和方法論，是關于自然界、社會和人類思維及其發展的最一般規律的學科。地圖哲學，是地圖學與哲學的匯合，有著嚴密邏輯系統的地圖學時空觀，是關于地圖同其表達對象、地圖同制圖者、地圖同用圖者、制圖者同用圖者、地圖同地圖之間的關系的總體思考，是關于地圖設計生產與應用、地圖學理論技術與工程、地圖學的過去現在與未來的基本規律[46]。從整體上研究地圖學的哲學思維、地圖史、地圖演化和地圖文化等，屬于地圖學與哲學相結合的科學技術哲學或應用哲學的范疇。

地圖哲學是地圖科學活動的最高總結，對地圖學的發展有著重要的作用和意義。地圖學要持續發展，就必須用哲學思維后思地圖學的過去、分析認識地圖學的現在和前思地圖學的未來，這樣才能把握地圖學發展的規律，并站在地圖科學技術發展的前沿，引領地圖學的發展。

地圖哲學可以細分為地圖科學哲學、技術哲學和工程哲學。地圖科學哲學引領地圖學基礎理論和應用理論的深化研究。地圖技術哲學以地圖科學哲學為指導，研究地圖制圖技術的過去現在與未來的演進規律。地圖工程哲學把地圖“設計-制圖（生產）-應用（服務）”作為工程活動，其本質可以理解為對相關地圖制圖技術進行選擇、整合、協同而集成的相關地圖制圖技術群，并通過與相關基本經濟要素的優化配置而構建的有結構、有功能 、有效率地體現價值取向的地圖制圖技術集成系統。

02

地圖（數據）文化鑄魂

地圖文化是地圖活動（設計、生產、應用）過程中形成的文化，是不同時期、不同地域、不同社會的地圖所承載的相應的特殊文化形態，同時也是地圖“科學-技術-工程=產業”知識鏈和“地圖設計→處理（生產）→應用”產業鏈實現過程中創造的精神財富和物質財富的總和[47]，具有時間性空間性科學性審美性大眾性及其統一和整體性滲透性及其統一等特性[48]。數據文化則是在數據活動（獲取→處理→應用）過程中形成、直接影響到整個社會文化面貌的一種特殊的文化類型和文化現象（一切靠數據說話，一切憑數據決策），是尊重事實、強調精確、推崇理性和邏輯的文化。

新時代地圖學的核心是數據處理，地圖數據處理的過程必然伴隨著數據文化。因此，推崇地圖（數據）文化，必將有助于大興“一切靠數據說話，一切憑數據決策”，確保地圖的真實性。

地圖（數據）文化為地圖學發展鑄魂，需要通過地圖博物館和科普基地加大宣揚和弘揚地圖（數據）文化；認識到地圖（數據）文化是地圖學（數據科學）的靈魂，是地圖學（數據科學）可持續發展的根脈；更要把地圖和數據密切關聯起來，這是地圖學可持續創新發展的基礎。[49]

03

時空智能賦能

時空智能是時空人工智能（Spatio-Tempgal AI）的簡稱，是人工智能（AI）的創新性應用技術，指以時間和空間為索引對地球和地外空間進行智能感知、智能處理和智能服務的能力。或者說，時空智能旨在以時間維和空間維為對象，對地球及其他星球（地外空間）實施天空地一體的智能感知，對多源異構時空大數據進行智能融合處理，提供全球一致、陸海一體、無縫連續的時空大數據智能服務，并利用智能算法對時空大數據進行分析與數據挖掘以發現知識并輔助決策。

地圖學可持續創新發展需要時空智能賦能。時空智能是一個完整的集“時空智能感知（天地一體智能感知網）→存儲管理（資源池）→多源異構時空大數據智能融合處理→時空大數據智能分析挖掘與知識發現→時空大數據地理信息產品生成→智能服務與認知決策支持”于一體的地理信息產業鏈和時空智能地理信息“理論→技術→工程”的知識鏈，在地圖學的可持續創新發展中有著舉足輕重的作用。

就人工智能賦能地圖學新時代到來可持續創新發展而言，應著重研究4個方面的問題。

一是進一步開展地圖學領域深度學習算法的研究和應用，解決地圖學創新發展的“知識工程”瓶頸；

二是抓住“類腦智能”這個AI領域的新方向，開展面向智能地圖制圖的基礎研究，涉及“人腦地圖”與人類大腦皮層成像和重組機理、腦機接口與類腦計算模型和算法；

三是抓住人工智能“三要素”（數據、算法、算力），采用分布、并行、協同模式，支撐“地圖制圖數據”處理的分布式、協同化和智能化；

四是加強AI大模型的研究及其在地圖設計、編繪創新中的應用，重點研究生成式AI下的地圖（集）設計、制圖綜合、專題地圖數據處理等大模型。

04

學科交叉出新（衍生新的領域和方向）

站在21世紀20年代的新起點上，按照系統科學和系統工程理論[50，51]，地圖學正呈現出同其所屬的測繪科學與技術和地理科學各分支學科的交叉融合，與其所屬學科以外高層次的認知科學、系統科學、信息科學、神經心理科學，語言學、計算機科學、人工智能的交叉融合，與其所屬學科以外更高層次的自然科學、社會與人文科學、技術與工程科學、數學、哲學的交叉融合。這種多層次的學科之間的交叉融合，必然會衍生出各種新的研究領域，甚至會形成新的分支學科。如圖4所示。

圖4

當代科學技術的發展和科技創新步伐的加快，科學范式的演進周期越來越短，地圖學正處在數據密集型計算新范式時代，地圖學領域的各種新思想、新概念、新名詞、新方法、新技術和新成果“潮水般”涌現出來，高度分化已成為當代地圖學發展中一個值得重視的特點，地圖類型和品種除定制化的國家基本地圖和各部門專業用圖外，滿足社會需求的內容個性化、形式多樣化的地圖越來越多，與之相應的地圖學的內涵和外延也在不斷深化和拓展。

地圖學的“高度分化”必然導致“高度綜合”，這就是“變”與“不變”的辯證關系。主要表現在，地圖是詮釋世界的杰作，是濃縮歷史的經典[52]，是任何社會任何時期都不可或缺的科學工具，地圖的科學價值、社會價值、權屬價值、軍事價值和文化價值是不變的；而地圖學是用科學抽象方法構建復雜非線性地理世界的科學，是跨越時間和空間、自然和人文、技術和工程的科學，地圖學的科學屬性、技術屬性和工程屬性也是不變的[48, 49]。

05

社會需求植根

社會需求是地圖學可持續發展的根。主要體現在科學研究需求、經濟建設需求、國家管理和社會治理需求、軍事需求、人們工作學習和生活需求等各方面。地圖是最古老也是最強大、最持久的地理思想之一，過去數千年，在地理學家探索和發展的所有新思想中，地圖都是東西方文明的中心，過去如此，現在如此，將來也如此。地圖產品的多樣化、個性化反映了當今社會的多樣化需求，例如青島老街、武漢民生女人地圖、南京城墻聲音地圖、紅色旅游地圖，等等。沒有社會需求，也就沒有了地圖學長期可持續創新發展的土壤。

結束語

地圖是人類最偉大的創新思維之一，地圖是詮釋復雜非線性地理世界的杰作、濃縮過去現在與未來的經典，地圖一直是人類文明的中心。

地圖學是一門經歷數千年發展且任何時期任何社會都不可或缺的科學。人類對地球形狀和大小及對復雜非線性地球系統的認知經歷了漫長的過程，這是地圖構建復雜非線性地理世界即實現由“地理世界”到“地圖世界”的基石。正因為有了地圖，人們才能利用地圖認知復雜非線性地理世界，即實現由“地圖世界”到“地理世界”的轉變。這是國際地圖學界共同擁有的寶貴財富。

中國地圖學的數智化轉型和快速發展，是從以現代計算機數字地圖制圖取代傳統手工地圖制圖的革命性變革開始的，經過后續艱苦努力，形成了具有整體性、層次性、關聯性和開放性特征的地圖學科學體系，促進了地圖學由數字化到智能化的轉型和創新發展，取得了一系列前所未有的地圖學理論、技術與應用成果，為國際地圖學的發展做出了重大貢獻。

新時代中國地圖學的持續創新發展是朝代之大趨勢，其核心動力是地圖哲學引領、地圖（數據）文化鑄魂、時空智能賦能、學科交叉出新和社會需求植根。站在21世紀20年代的新的起點上，新時代中國地圖學的持續創新發展，有望為國際地圖學的發展做出更大的貢獻。

來源：《測繪科學技術學報》2025年第4期