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地缘环境可视化方法综述
O 引言
可视化作为重要的空间认知和时空分析工具，在地缘环境研究中不可或缺。地缘环境可视化是通过采用科学合理的可视化方法来描述和表达地缘环境的时空特征、属性特征、关联关系、组成结构，探究地缘体、地缘关系和地缘结构中的时空机制和演变规律等。近年来可视化理论和技术的快速发展，为地缘环境研究打开了新视界。目前国内对地缘环境可视化的研究虽然处于探索阶段，但也涌现了一些有价值的理论和方法，有必要对此进行系统梳理和综合分析。本文通过对已有的研究进行归纳、分类、对比，明晰地缘环境可视化方法的特点及应用中存在的问题，寻求适用的解决方式，探究未来研究发展趋势。
1 地缘环境可视化内容与特点
1.1内容
地缘环境可视化内容由地缘环境的内涵决定。我国学者杨吾杨则认为地缘环境是放大了的地理环境，既包括人类生存环境的有形实体，也涉及介入其中的无形关系，科恩提出地缘环境是影响国家生存与发展的所有内、外部条件的总体。随着对地缘环境研究的深入，我国研究者认为地缘环境是地区、国家或国家辖区形成的地缘体、地缘关系、地缘结构及产生影响的所有内、外部地理环境条件的总和。
基于以上对地缘环境的释义，地缘环境可视化内容主要包括对地缘体、地缘关系和地缘结构的表达。在可视化表达过程中，涉及地缘环境空间数据分析，可视化方法选择和符号设计及效果评估等。
1.2特点
地缘环境可视化是认知和信息传输的过程，形成对事物的感知图像，以强化人的认识和理解，是创造性地描述客观世界的模型和作者创意的结果，同时可视化也是地缘环境机理研究和空间分析的重要工具：将地图学方法和其他信息表示方法相结合，对地理空间数据进行探索、分析、综合和表达，从而洞悉空间分布特征、模式和规律，即“视物致知”。地缘环境可视化的主要特点表现在4个方面。
1)内容丰富。地缘环境可视化涉及内容丰富，从要素属性上讲，包括自然地理要素和人文社会要素；从内容形态上讲，既有有形的实体，又有无形的关系、结构、时空过程等。
2)主题指向性。地缘环境可视化具有主题指向性，地缘环境通常是面向特定主题的地缘环境，如围绕政治的地缘政治环境、围绕经济的地缘经济环境等。
3)时空耦合。地缘环境可视化具有时空耦合性，地缘环境既有空间属性又有显著的时间属性．表现为同一地缘要素，在不同的空间或不同时期会形成不同的地缘环境，地缘关系和结构也因时空变迁而发生变化等。
4)尺度宏观。地缘环境可视化在时空尺度上多为较大尺度，通常表达国家、地区、全球地缘环境在数年甚至百年时间域内的时空特征，为国家战略或地区发展提供决策支持。
2 地缘体可视化研究现状
地缘体是地缘环境研究的对象或实体，是具有一定属性和空间特征的地域单元。大部分语境下，地缘体和地缘单元内涵一致，地缘体更倾向体现相对闭环的、与周边异质的内部结构，即“自成一体”，而地缘单元则蕴含了其与整体之间关联，但由于两者无本质区别，可视为相同概念。地缘体的空间范围通常基于行政边界，如国家、国际组织或者国家中的特定辖区。地缘体具有多形态特征：在二维空间中，地缘体一般表现为面状实体；在三维空间中，地缘体表现为基于面且高度为特定属性值的不规则体；在四维时空中，地缘体是在三维表达的基础之上加入时间维度。现有研究中地缘体可视化方法主要有基于地缘体边界划分的可视化和基于功能单元的可视化。
2.1基于地缘体边界线划分的可视化
地缘体边界确定是地缘体划分的基础性工作，是地缘研究不可忽略的地理空间基础，相比全球和地区尺度的地缘区划，地缘体边界可视化研究更加具体。尤其是争议地区的界线划定，一直是地缘体可视化的重要内容。在解决国家间争议区域的边界分割问题时，文献采用了六边形网格方法；文献针对特殊地区归属并顾及实际地形，提出了基于二分法的多边形自动分割方法等。
2.2基于功能单元的可视化
在对地缘体单元区划研究中，常通过建立指标体系进行评价，将评价结果聚类后，形成具有不同特征或功能的地缘体单元。因此质底法常用来表示地缘体单元的空间范围，即在对应范围内涂以颜色或填绘晕线、花纹，来显示连续的、布满全制图区域的地缘体属性差别。如有学者采用这种方法进行了南亚、东南亚地缘体单元划分，“一带一路”20个国家政局和军事实力单元区划。范围法也常用来表示地缘体或地缘体单元的分布范围，采用轮廓线、色彩等表示不同地缘体种类及其分布的区域，如文献采用范围法表达了地缘政治单元、地缘经济单元等划分结果。
3 地缘关系可视化研究现状
地缘关系是地缘体之间的相互作用（从属、依赖、共生、竞争等），包括动态的物质流动和能量转换，如人口、贸易、资本、通信、意识形态的流动。地缘关系的时空特点主要表现在两个方面：一是地缘关系在空间上可具象为由地缘体为端点的连接线，线形、颜色或线宽表达关系类型及强度；二是地缘关系在时间和形态上可表现为特定地缘体间的物质流或信息流，通过“流”的流向和流量来测度地缘体之间的关系。目前对地缘关系的研究多基于社会学研究方法，大部分采用了文字叙述方式。而采用可视化方法对地缘关系进行表达，不仅能够直观地反映地缘体之间关系的空间特征，还能表达其关系强弱，有助于分析其中蕴含的规律。现有研究中地缘关系可视化方法大体可归纳为基于关系链路的可视化和基于关系评价量值的可视化
3.1基于关系链路的可视化
用节点表示地缘体，用线或边表示关系的节点—链接布局是最常见的地缘关系可视化表达方法，易于建立地缘体之间的联系。一般用线形态和颜色的变化表示关系类型、线的粗细表示关系强度、标注箭头表示关系的方向。
在表达地缘关系时，若需强调地缘体的地理空间位置，那么节点可以是具有地理空间位置信息的点，如文献在表达地缘经济合作关系时在世界地图上采用了节点—链接的方法，较好地显示了多个地缘体间关系，但存在图幅边界处的关系线断开情况，易造成信息误读。文献利用线状符号表达中国与周边地缘经济关系，但由于线网较为复杂，当线条较粗时，出现了相互叠盖、交叉不清的问题。
在表达地缘关系时，若只突出关联关系属性，可采用地缘体名称作为节点，按照拓扑关系等布局原则来表达多个地缘体之间的地缘关系，如文献采用地名连接线表示国家之间的地缘影响关系，文献在研究世界海洋地缘环境图集时，将欧洲各国结盟关系、洲际结盟关系利用拓扑关系进行了表达。文献在分析中国及周边国家合作平均网络时，通过面状符号的大小和连接线来表示节点和关联关系特征，但同系列图中的用色不统一，易造成认知混淆。为避免出现这个问题，文献采用地理空间位置约束的气泡树图实现地缘关系的分层处理：以节点轮廓的形状来区分关系的稳定性，以气泡颜色来区分国家类型。文献在研究中利用Gephi软件，以节点的大小表示节点度数，节点的颜色表示所属社群，以显示地缘关系网络结构。
3.2基于关系评价量值的可视化
在对地缘关系进行定量可视化时，部分研究采用了基于某个特定地缘体，将其与相关地缘体间的关系进行测度，再将量化结果通过等值区域图或统计图表进行表达的方式。
等值区域图采用面状符号表达地缘关系量化值分级特征的空间分布，如文献采用等值区域图表达中国与中亚地区地缘经济关联度在空间域上的分布，通过地缘单元面域色彩饱和度的变化表示地缘关系的等级特征，但对复杂关系的表达则难以适用。
图表地图是包含图表的简单地图，在表达地缘体这种离散的对象之间关系时，可进行数据量值的比较或时空变化的表达。其中柱状图表可以有效显示地缘关系中某属性值，并可进行同类别变量间的比较。例如在比较中美在南亚地缘影响力时，文献采用双色柱状图在地图上表示了中美两国在南亚各国影响力分布及其差异，并通过多年份序列图对比显示了影响力的演变，但当图表置于地图背景之上时，出现了背景、注记压盖等问题；文献在分析中、美、日、德、韩5国在东南亚地缘权力影响时，使用了柱状图方法，表达了地缘关系中某种评价指标的比较结果，但难以直观表达确切的数量概念。
单就地缘关系中非空间数据可视化时，不少、研究采用折线图进行特定地缘属性值比较和时序变化的显示。如文献利用折线图表示国家双边关系的定量变化；文献利用彩色折线图表达了中国与“一带一路”沿线部分亚洲国家十年间的国家间双边关系变化。但当显示对象增多时，容易造成视觉混乱。文献采用竖式2D折线图表示了中国及周边国家合作分数占比的年度变化，又对年度进行聚类，从而划分时间阶段，这是对地缘关系时序特征表示较为直观的方法。
4 地缘结构可视化研究现状
地缘结构，或称地缘格局，是多个地缘体依据各自的空间位置、地理环境、地缘关系等形成的一定形式排列、布局、组织的方式。科恩提出地缘政治结构由地缘政治模式和特征组成，将其推而广之，可认为地缘结构是地缘体特征和地缘关系构成的模式。
在进行地缘结构表达时，应体现3方面的特征：①构成地缘环境系统的地缘体时空特性和属性表达；②基于地缘体之间、地缘体与地缘环境整体之间的关系模式；③抽象出具有规律性的空间结构模式。但由于地缘结构表达的复杂性，目前对于地缘结构的研究多为讲“理”，还没有广泛认可的概念模型、测度体系和成熟的可视化应用实例。在由“象”上升到“理”的过程中，要“格物”才可致知，因此，可视化表达对明晰地缘结构具有必要性。现有研究中地缘结构可视化方法主要有基于空间区位的可视化和基于功能区划的可视化。
4.1基于空间区位的可视化
地缘结构研究中的可视化成果并不多，较为常见方法是范围法和线状符号法。很多研究采用轮廓界线、颜色、纹理、注记及面状符号明确相应地缘区域边界和范围，来表达地缘结构。如文献在《地缘政治学》一书中采用范围法划分具有特定地缘功能的区域，来表征地缘结构，并用同样的方法还原了麦金德等人的地缘结构思想。文献借助动线法对世界地缘格局进行了说明。地缘通道是地缘结构中的骨架．不少研究采用线状符号法表达地缘通道的空间位置，并结合注记对地缘通道的相关属性详细说明。
4.2基于功能区划的可视化
有研究通过对地缘体的功能指标评价来划分地缘功能区，从而间接表达地缘结构。如文献通过指标评价确定地缘冷点、热点地区，采用质底法绘制了欧洲地缘政治格局集聚图。文献将质底法和注记法相结合来实现多属性的表达，对美国地缘战略空间格局进行了可视化，虽然采用不同颜色来区分地缘空间类型，但由于缺少区域边界，致使注记和空间范围的对应关系不明确。文献则进一步结合柱状图与等值区域图，来体现地缘政治风险结构。文献在地缘安全评价的基础上，利用2.5维可视化手段显示了全球地缘安全格局。也有学者基于国家影响力范围来映射地缘结构。除此，文献从地图投影的视角，基于历史地图的对比分析，对二战背景下不同的地图投影透视出的美国地缘战略空间结构观念变迁进行了讨论，是表达地缘结构较为独特的视角。
5 分析与展望
5.1现状分析
由上文可见，在表达地缘环境要素空间范围和布局特征等空间及属性信息时，大部分研究将地图可视化方法中的范围法、质底法、等值区域图法等进行综合、重组或扩展，并根据地缘环境内容的特点进行符号设计；在表达非空间属性时则多借助传统数据统计图表，如饼状图、折线图、柱状图等数据可视化方法，主要用来表达地缘环境特定属性之间的量值对比和时序变化。综合上文所述可视化方法，其基本特点和适用性可归纳。
5.2发展趋势
地缘环境可视化效果直接影响地缘环境研究的深入和成果的应用价值，虽然已逐渐得到关注，但由于地缘环境研究多基于社会学方法，对可视化在研究中的地位和作用认识仍然不足。地图可视化往往作为配属或文字的辅助表达方式，方法相对简单，其作为认知和信息传输重要工具的功能未能得到充分体现，因此在未来的研究中应重点关注以下几个方面。
1)地缘环境可视化内容的多元融合。地缘环境是一个复杂的、多要素交互的系统，但目前可视化的内容普遍比较简单，往往面向单一要素或单一属性，表达的信息量有限、效率不高，空间和时间属性是割裂的，不易发现各要素之间的关联和变化规律。尤其对地缘环境演化过程的可视化成果有限，虽然有研究利用历史数据体现了地缘环境特定内容的时序变化，如地缘关系变化、地缘影响力年度变化、地缘格局变化，但难以体现地缘环境的时空变化特点和演变趋势，缺乏对地缘环境复杂多要素的时空耦合演变过程的综合描述与表达。因此在地缘环境可视化研究中应利用可视化压缩知识的优势，针对可视化需求对地缘环境多尺度、多要素、多属性、多时态融合，来综合表达地缘环境中的关系、结构、演化过程等。如地缘体空间范围变化与地缘关系演化的综合过程表达、地缘体自然资源与社会人文属性与地缘结构的协同表达等等，以增强可视化内容的表现力和有效性，为深入地进行地缘环境分析提供支撑。
2)地缘环境可视化方法的优化。大部分地缘环境信息表达仍采用二维静态显示方法，不能满足地缘环境复杂、多维、动态特征表达的要求，因此科学的利用、组合、扩展、开发可视化方法是地缘环境可视化研究的重要方面。地缘体可视化除了可采用目前常用的质底法、等值区域法等之外，还可考虑加权Voronoi图、Cartogramn、统计曲面等方法表达地缘体的数量、等级特征或连续属性等；地缘关系可视化应充分利用和扩展关联关系可视化方法，如边捆绑图、Sankey diagram、 Flow-map等，通过地缘体之间的物质、能量、信息等的流向、流量，来表示地缘关系的定性、定量特征；地缘结构可视化应在深入研究地缘结构理论基础上，综合应用适合复杂场景的多样化可视化方式，如混合树图、聚合图等；对地缘环境演化过程可视化则可在耦合地缘要素时空特性的基础上，利用地图图谱来表达地缘环境的时序特征，采用时态图、动画等来表达地缘环境演化的连续过程等。
3)地缘环境可视化分析功能的拓展。地缘环境可视分析是在可视化基础上洞察地缘环境内涵和发现规律的手段，是一种结合了可视化、人以及自动分析方法的完整体系，尤其是考虑了人的因素在人与计算机交流以及决策制定过程中的作用。但目前地缘环境可视化还仅处于描述事实和状态的阶段，缺少有效的可视化分析方法和模型来实现因果关联、推导过程、趋势预测的表达效果，如全球气候变化背景下地缘关系演化的可视化分析、基于空间模式挖掘的地缘风险预测等等。因此需要通过构建地缘环境分析模型，利用人机交互系统，探索空间结构特征、影响要素，解析地缘环境演进机制，增强地缘环境可视化知识表达能力，这应是未来地缘环境分析的重要途径。
6 结束语
地缘环境研究依赖于对地缘体、地缘关系和地缘结构等内容的准确描述、表达及分析。以时空大数据密集型计算为特征的地图学科学范式，使可视化成为表达地缘环境时空特征、发现知识和规律的有力手段，可有效减少地缘环境研究中因研究者知识背景和个人观点造成的认识偏差。通过对地缘环境种各种可视化方法的梳理、归纳、分类，分析各种方法的特点和适用性，以及展望未来发展趋势，为拓展可视化方法在地缘环境研究中的应用提供参考。在未来研究中，用负载着信息的可视化产品来说话，客观地反映事实和规律，是地缘环境可视化研究的重要任务。
摘自：《测绘科学》2022年1期
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