葛小三，馬 勇，盧小平，程 鋼

(河南理工大學礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，河南焦作454003)

一、引 言

現(xiàn)代地理設計是一種借助于多種科技手段強調(diào)多方參與的地理規(guī)劃設計過程，其設計理念是人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展。地理設計的出現(xiàn)為解決人口城市化、資源緊張、環(huán)境惡化、氣候變遷、食品安全、生物多樣化減少等諸多社會環(huán)境問題提供了一個新的途徑［1-3］。本文提出了網(wǎng)絡環(huán)境下地理協(xié)同設計理念，在對數(shù)據(jù)與語義支持等關(guān)鍵技術(shù)剖析的基礎上，構(gòu)建了利用語義服務支持下多方參與的地理協(xié)同設計模式，并對這種模式作了深入的探討。

二、地理設計

地理設計是在地理信息技術(shù)的支持下，與人類居住環(huán)境影響緊密結(jié)合的規(guī)劃設計方法，其內(nèi)涵在于使整個地理設計方案在制定與規(guī)劃的過程中，平衡并協(xié)調(diào)涉及的多方利益。地理設計不僅需要考慮地理設計單元的方案，還要考慮地理設計單元與自然生態(tài)環(huán)境之間的相互作用［4-5］。

地理設計被廣泛應用于不同空間尺度上，通過地理位置和取向的優(yōu)化來解決空間規(guī)劃與設計問題，通常具有綜合性和復雜性等特點。在整個地理設計過程中，地理概念表達、地理認知與計算、資源集成與共享、設計平臺功能與組成結(jié)構(gòu)、協(xié)同交互與感知模式、多Agent的設計行為模型等不僅涉及計算機技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等，還涉及地理學、規(guī)劃學、環(huán)境學、生態(tài)學等多學科的知識［6-9］。從相當程度上講，地理設計是一個新興的集多技術(shù)與多學科的綜合體。現(xiàn)代地理設計強調(diào)的是人類設計成果與自然的整體性和諧，從而達到提高地理規(guī)劃設計方案與空間決策的水平，因而需要共同利益相關(guān)者和設計者的積極參與。而一個有效的協(xié)同工作機制，則能保證設計交流過程中的有序性。

三、地理協(xié)同設計

1.多方參與的地理協(xié)同設計

地理設計項目的設計質(zhì)量取決于設計過程中對地理、環(huán)境、社會等諸多因素的綜合考慮，最大限度地降低對這些因素的不良影響。因而，設計過程往往涉及各個參與方利益的平衡與協(xié)調(diào)，同時還有人與自然的協(xié)調(diào)。設計本身需要超越單體設計思維局限，綜合考慮與自然和社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，需要各個參與方的共享協(xié)作進行地理協(xié)同設計，共同完成設計目標［10］。從這個視角出發(fā)，地理協(xié)同設計是指為了完成某一地理規(guī)劃設計目標，由多個設計主體，通過一定的信息交換和相互協(xié)同機制，分別完成不同的設計子任務達到整個地理設計目標。其特征體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)多智能體性:是指設計活動由兩個或兩個以上設計主體參與，這些設計主體通常隸屬于不同的領域，整個過程體現(xiàn)了群體交互性與智慧決策性。

2)協(xié)同性:由于設計目標涉及多方利益，因此需要各個設計方參與協(xié)同工作，共同完成地理設計任務。

3)動態(tài)性:由于不同參與方利益平衡，整個地理設計過程可能支持對地理設計方案進行快速和反復的影響評估，以產(chǎn)生改良的替代方案。因此是一個反復迭代的動態(tài)過程。

4)共享空間:多設計主體要協(xié)同實現(xiàn)設計目標，這就要求地理設計環(huán)境和上、下文信息一致。共享空間不僅為多設計主體提供了一個共享設計平臺，并且能從該平臺得到評估結(jié)果與其他設計者的反饋。

從以上地理協(xié)同設計的特征來看，地理設計主要體現(xiàn)在多用戶參與一個共享的地理設計空間，旨在使不同領域的專家都能充分利用地理信息設計技術(shù)進行交互設計。

2.地理協(xié)同設計的流程與模式

在常用設計工具支持下，傳統(tǒng)設計模式的缺陷不僅表現(xiàn)在設計目標的低自然融合度方面，而且表現(xiàn)在設計流程方面:設計過程缺乏交互性，設計流程缺乏動態(tài)性與可擴展性，不能支持對設計方案進行快速和反復的影響評估，也不支持設計方案的迭代性。

在Esri CityEngine等工具日益增強的3D表現(xiàn)支持下［11］，許多設計方法借助于GIS，使得對地理設計進行實時表達成為可能。一個可視化地理協(xié)同設計主要包括以下流程，如圖1所示。

1)問題域的定義:確定研究問題的范疇，如空間規(guī)劃、景觀設計等，分析設計過程中用戶知識空間和設計知識空間的關(guān)系，定義問題域，描述地理空間對象的各種狀態(tài)，建立表達模型。

2)地理設計目標確定:根據(jù)界定與描述的問題與問題域，確立地理設計具體領域目標，如將問題轉(zhuǎn)換成一個多線性空間優(yōu)化決策。

3)任務劃分與協(xié)同設計:描述設計對象的功能和動力機制，對象各要素之間的功能關(guān)系和結(jié)構(gòu)關(guān)系如何，并根據(jù)目標對任務進行細粒度的劃分，然后通過協(xié)同設計完成初步目標。

4)利益平衡與沖突解決:由于單體目標和個體利益問題，考察階段設計中設計對象的運行狀態(tài)，并根據(jù)各個相關(guān)因素建立評價模型，進行各方利益平衡，解決沖突。

5)迭代修改與群體決策:對不同設計過程進行迭代優(yōu)化，評估修改變化的差異和影響，設計群體作出合理的決策。

在以上流程中，主要包括兩個方面任務:一是對設計問題的認識與設計任務的描述;二是評價、協(xié)調(diào)與優(yōu)化。傳統(tǒng)的設計流程將分析的過程提前到設計認知之前，在設計過程中，不能隨時全面兼顧地理、環(huán)境、社會等諸多因素，最大限度地降低對這些因素的不良影響。因此，協(xié)同設計的優(yōu)勢體現(xiàn)在利用地理信息技術(shù)的支持，采取即時的適用性分析，降低設計方案的潛在影響，提高項目設計質(zhì)量。

四、地理協(xié)同設計關(guān)鍵技術(shù)

美國環(huán)境系統(tǒng)研究院地理設計研發(fā)主任William Miller認為未來地理設計技術(shù)所要解決的問題集中在設計框架、數(shù)據(jù)模型及設計支持工具方面［12］。從解決網(wǎng)絡環(huán)境下地理設計和分析的一體化問題視角出發(fā)，可以看出當前地理設計在數(shù)據(jù)支持與共享設計空間方面顯得尤為重要。

1.地理數(shù)據(jù)支持

地理設計以其對空間對象定位及空間分析與決策功能為基礎提供了設計框架。地理設計過程涉及空間分析和支撐地理模型運行的大量數(shù)據(jù)，因此，地理設計需要建立在海量的數(shù)據(jù)獲取和實時/準實時的數(shù)據(jù)處理基礎上。協(xié)同設計過程中，分布式、動態(tài)、平臺異構(gòu)的數(shù)據(jù)如何進行有效的組織、管理、發(fā)布、訪問、傳輸就顯得非常關(guān)鍵。

地理設計中數(shù)據(jù)處理的復雜性主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型異構(gòu)、數(shù)據(jù)算法繁多、數(shù)據(jù)處理流程復雜。因而地理設計過程本身也迫切需要空間分布式數(shù)據(jù)管理平臺的支撐，利用網(wǎng)絡的即時性、可達性、廉價性、集成性，如云計算技術(shù)，在地理數(shù)據(jù)/信息服務平臺的支持下，融合先進的地理計算技術(shù)，構(gòu)建一個支持多方參與的虛擬地理環(huán)境設計平臺。

2.地理數(shù)據(jù)語義共享

在共享的地理設計空間中，由于參與者來自不同的領域，因此會產(chǎn)生對同一個問題或同一個過程描述的差異性，數(shù)據(jù)的多源性也會造成同名數(shù)據(jù)異義或同義數(shù)據(jù)異名等語義交叉、模糊甚至沖突的不一致性。地理設計知識不僅有對空間定位的需求，還需要有對被定位空間設計對象及空間關(guān)系語義的考慮，以與廣泛的信息相連［13］。因此，地理數(shù)據(jù)需要在不同設計參與方間相互集成、融合、重組與轉(zhuǎn)換，即在語義一致性的前提下獲取數(shù)據(jù)與使用數(shù)據(jù)，最大限度地利用地理數(shù)據(jù)中蘊涵的空間知識，保證各個設計者之間協(xié)調(diào)一致、高效、智能化協(xié)同工作，完成復雜地理設計。

3.地理協(xié)同感知

地理設計是在地理信息技術(shù)的支持下，將規(guī)劃設計活動與實時、準實時動態(tài)地理環(huán)境影響模擬結(jié)合的決策支持方法［14］。在協(xié)同設計環(huán)境里，設計參與者需要在其設計的過程中獲取其他設計方的中間成果，以支持互動性設計過程，發(fā)揮設計利益相關(guān)設計者的創(chuàng)造能力。因此，需要為共享的地理設計空間提供相應協(xié)同感知機制，特別是能讓所有地理設計參與者共享設計空間的可視化虛擬地理設計環(huán)境。這樣，協(xié)同參與者不僅可以了解其他參與者的工作情形，還可進行問題協(xié)商與沖突解決。對于共享地理設計空間的參與者來說，他們必須得到或感知其他參與者所做設計的動態(tài)變化，即保證所有參與者所見的一致性，即地理設計空間的一致性，從而整合不同觀點與結(jié)論，避免對設計變化認知的不一致性，如圖2所示。協(xié)同感知按照時間域和空間域，可以將協(xié)作分為同時同地、同時異地、異步同地、異步異地等方式。

圖2 基于協(xié)同感知的虛擬共享地理設計空間

在協(xié)同感知支持下的虛擬網(wǎng)絡共享地理設計空間中，地理設計研究所涉及的數(shù)據(jù)等資源種類眾多、來源各異、標準不一，不同的參與方對同一地理設計問題存在語義不一致的問題，因而建立支持地理協(xié)同設計的語義服務顯得至關(guān)重要。

五、語義服務支持的地理協(xié)同設計模式

隨著科學技術(shù)的進步和人類改造世界能力的增強，地理設計的復雜程度也越來越高。如何綜合協(xié)調(diào)各個學科的設計知識，高效率地進行多學科地理協(xié)同設計，已成為地理設計的所要解決的關(guān)鍵問題［15］。語義共享是保證協(xié)同地理設計服務質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，在分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)源和異構(gòu)地理設計環(huán)境下，支持不同虛擬地理設計參與者進行相互訪問與使用網(wǎng)絡資源的語義服務就成了協(xié)同地理設計必須解決的基礎性問題:

面向地理設計的語義服務是基于地理信息服務、語義Web等技術(shù)構(gòu)建的一個高層應用的語義服務中間件。其功能是提供多種工具去輔助地理設計協(xié)作，如智能地理共享設計空間、地理設計資源本體標注、地理決策支持、問題處理、空間規(guī)劃等。從應用需求來看，本文提出語義服務支持下的3層地理設計協(xié)同服務架構(gòu)(如圖3所示)，主要包括資源層、地理設計服務層與地理設計應用層。在這個架構(gòu)中，支持地理協(xié)同設計語義服務模式主要包括以下幾個主要環(huán)節(jié):

圖3 基于語義服務的地理協(xié)同設計架構(gòu)

1)資源的描述、發(fā)現(xiàn)與使用。在地理設計中，基于特定分類的空間數(shù)據(jù)的表達方法將符號與語義聯(lián)系起來。分配在符號上的屬性語義與設計圖形結(jié)合可用于概念設計。擴展合適的設計領域語義表達對新的語義的需求，則通過對現(xiàn)在分類系統(tǒng)或地理本體系統(tǒng)的擴展實現(xiàn)。地理協(xié)同設計需要及時有效地處理分布式設計資源，包括設計、計算、服務等。應用服務應有效地發(fā)現(xiàn)與定位相應的資源，進行細粒度的訪問控制，同時要求對地理設計任務進行準確的描述，以支持對資源進行按需、有計劃地利用。

2)設計任務管理。地理設計任務建立后，要對任務進行管理，主要包括任務分解、分配及監(jiān)控等。用戶通過網(wǎng)絡提交設計任務，為任務指定所需要的設計資源，同時監(jiān)測任務完成狀態(tài)。設計者提交的任務調(diào)度功能按照任務類型、所需要的資源、可用資源等情況安排設計時間和相應的策略。

3)多設計者間語義互操作及設計流程描述、合成與組合。在多個地理設計者間建立異構(gòu)系統(tǒng)之間邏輯的連通性，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的語義互操作。地理協(xié)同設計需要支持對迭代與評估式的復雜設計流程的建模與描述，并基于語義來實現(xiàn)復雜的地理設計流程，通過語義化的流程來實現(xiàn)不同設計者之間的語義互操作，最終支持智能化虛擬動態(tài)協(xié)同設計。

4)支持設計質(zhì)量評估機制的異構(gòu)數(shù)據(jù)的交換及信息征訂與分發(fā)。中間設計結(jié)果評估每一部分的完成，需要獲取地理設計過程模擬的反饋信息，以便傳回到當前共享的設計編輯空間中，在此基礎上，才能依據(jù)領域知識對設計作出相應的質(zhì)量評價。由于在不同的分布式設計應用系統(tǒng)中，各設計者產(chǎn)生消息格式互不兼容，沒有統(tǒng)一定義消息的語義，因此，需要對信息需求采用精確語義進行描述，從而支持按需信息服務。

針對以上關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，支持地理協(xié)同設計的語義服務重點需要實現(xiàn)語義本體的建模、語義查詢與推理、服務的語義合成等方面，以便提供一個供地理設計參與者交互、協(xié)同設計與空間決策的網(wǎng)絡平臺。

六、結(jié)束語

地理協(xié)同設計是針對解決復雜地理工程設計過程優(yōu)化問題、通過加強科學與設計間的聯(lián)系而提出來的多方參與的面向群體智慧的空間決策平臺。對共享地理設計空間的要求，需要增強語義服務的智能空間信息服務，以支持地理設計的群體性、協(xié)作性與交互性。本文提出了網(wǎng)絡環(huán)境下地理協(xié)同設計的理念，并探討了語義服務支持下地理協(xié)同設計模式?？梢灶A見，基于分布式的網(wǎng)絡環(huán)境的協(xié)同式的地理設計將成為未來群體智慧空間決策發(fā)展的一個重要趨勢。

［1］GOODCHILD M F.Towards Geodesign:Repurposing GIS［J］.Cartographic Perspectives，2010(66):7-21.

［2］馬勁武.地理設計簡述:概念，框架及實例［J］.風景園林，2013(1):26-32.

［3］CARL S.Geodesign:Case Studies in Regional and Urban Planning［M］.Redlands:Esri Press，2012:160.

［4］MILLER W R.Introducing Geodesign:The Concept［M］.Redlands:Esri Press，2012.

［5］BATTY M.Defining Geodesign(=GIS+Design?)［J］.Environment and Planning B:Planning and Design，2013，40(1):1-2.

［6］STEINITZ C.A Framework for Geodesign:Changing Geography by Design［M］.Redlands:Esri Press，2012.

［7］ARTZ M.Geodesign:A bibliography.Retrieved from［EB/OL］.2009-08-13.http:∥ gisandscience.com/2009/08/13/geodesign-a-bibliography/.

［8］BISHOP I.Optimization in Geodesign［J］.Landscape Architecture Frontiers，2014，1(6):64-75.

［9］MILLER B.GeoDesign Philosophy，Theory，and Methods［EB/OL］.2012-01-06.http:∥ video.esri.com/watch/1005/geodesign-philosophycomma-theory commaand-methods.

［10］FREZ J，BALOIAN N，ZURITA G.Computer Supported Cooperative Work in Design(CSCWD)［C］∥2012 IEEE 16th International Conference on Digital Object Identifier.Hsmchu:IEEE，2012:350-357.

［11］Esri.Geodesign:Integrating GISwith geodesign.GIStrends and topics.Retrieved from［EB/OL］.［2014-08-22］.http:∥www.esri.com/technology-topics/geodesign，2013.

［12］MILLER W.Introducing Geodesign:The Concept［M］.Redlands:Esri Press，2012.

［13］FLAXMAN M.Fundamentals of GeoDesign［C］∥Proceedings of Digital Landscape Architecture.Wichmann:［s.n.］，2010:28-41.

［14］NYERGESTL.CyberGIS-enabled GeoDesign for Regional Sustainability Management.［EB/OL］.［2014-08-22］.http:∥video.esri.com/watch/197/cybergis dash enabledgeodesign-for-regional-sustainability.

［15］ERVIN K.GeoDesign Futures:Possibilities，Probabilities，Certainties，and Wild-cards［EB/OL］.［2014-08-22］.http:∥video.esri.com/watch/1010/geodesign-futures-possibilities comma-probabilities comma-certainties comma-and-wildcards.