GIS專題制圖模式及其優(yōu)化的探討

馮 濤，江 南，張亞軍

(信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南鄭州450052)

GIS專題制圖模式及其優(yōu)化的探討

馮 濤，江 南，張亞軍

(信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南鄭州450052)

基于地圖學(xué)的若干理論，提出強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理的參數(shù)化圖例專題制圖模式，并對(duì)該模式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行分析。該模式是對(duì)目前流行的GIS參數(shù)化圖例專題制圖模式的改進(jìn)與優(yōu)化，可以在較大程度上彌補(bǔ)當(dāng)前GIS專題制圖的一些不足。

參數(shù)化圖例;數(shù)學(xué)模型;制圖模式;地圖理論

專題信息(尤其是定量統(tǒng)計(jì)信息)可視化一直是GIS研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，大多數(shù)GIS軟件，例如 ArcGIS、MapInfo、SuperMap等，都提供了向?qū)侥０逯茍D的解決方案［1］。這種方法把數(shù)據(jù)處理模型和地圖符號(hào)綁定在地圖類型的框架約束下，在降低制圖門檻的同時(shí)，卻弱化了數(shù)據(jù)處理，增加了專題制圖功能改進(jìn)和優(yōu)化的難度。

一、參數(shù)化圖例的概念和特點(diǎn)

圖例是帶有文字說明，指導(dǎo)用圖者在地圖上應(yīng)如何使用地圖符號(hào)的一覽表。它有雙重的作用:在編圖時(shí)作為圖解表示地圖內(nèi)容的準(zhǔn)繩，在用圖時(shí)作為必不可少的參考資料［2］。圖例符號(hào)是構(gòu)成圖例的符號(hào)單元，對(duì)應(yīng)于某類地圖要素。圖例符號(hào)(以下簡(jiǎn)稱圖例)和地圖符號(hào)是兩個(gè)不同的概念［3］，尤其在專題地圖中，表現(xiàn)得尤為明顯。在GIS專題制圖中，圖例有了新的功能，即提供參數(shù)接口(包括數(shù)據(jù)接口、數(shù)學(xué)模型接口、符號(hào)化接口)，起著專題制圖紐帶的作用。圖1顯示了MapInfo專題餅圖制作過程中地圖類型、餅圖圖例、專題地圖符號(hào)三個(gè)概念的圖形化表示。筆者從三者的角度探討圖例的數(shù)據(jù)相關(guān)性、不確定性、數(shù)學(xué)模型相關(guān)性和制圖模型相關(guān)性。

圖1 地圖類型、圖例、專題符號(hào)三個(gè)概念的圖形化表示

1.數(shù)據(jù)相關(guān)性

從地圖類型到圖例，再到具體專題符號(hào)，是一個(gè)由抽象到逐步具體化的過程，這種改變的動(dòng)因是對(duì)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)特征的不同層次提取。其中圖例關(guān)聯(lián)著專題數(shù)據(jù)的整體特征，如餅圖中扇形個(gè)數(shù)由糧食的種類決定;而具體符號(hào)除了具有圖例所表現(xiàn)的整體數(shù)據(jù)特征外，還關(guān)聯(lián)著某一具體數(shù)據(jù)的特征，如圓半徑由某個(gè)市糧食總量決定，扇形角度大小由某個(gè)市各種糧食所占總產(chǎn)量的比例決定。

2.不確定性

地圖類型和圖例是一對(duì)多的關(guān)系，圖例和具體符號(hào)也是一對(duì)多的關(guān)系。這種一對(duì)多的關(guān)系，除了數(shù)量上的考慮外，更有質(zhì)的不同。即使知道了地圖類型或圖例，也并不能知道其具體圖例或符號(hào)，這和普通地圖是不同的。如對(duì)于餅圖類型，其對(duì)應(yīng)的圖例既可以是糧食產(chǎn)量，也可以是不同年齡階段人口數(shù);其組成扇形既可以是4，也可以是3。對(duì)于餅圖圖例，其對(duì)應(yīng)的具體符號(hào)半徑和扇形角度一般都不相同。

這種不確定性表明了專題地圖符號(hào)不同層次的數(shù)據(jù)相關(guān)性，而這種不確定性的消除也需要不同層次數(shù)據(jù)的支持。

3.數(shù)學(xué)模型相關(guān)性

數(shù)學(xué)模型相關(guān)性包括兩個(gè)方面，一是用于數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型;二是用于圖形變換的數(shù)學(xué)模型。如對(duì)于糧食產(chǎn)量分級(jí)餅圖，數(shù)據(jù)分級(jí)區(qū)間和代表數(shù)據(jù)分級(jí)的圖形半徑離散值的獲得，都由具體數(shù)學(xué)模型決定。對(duì)于數(shù)據(jù)分級(jí)模型，如數(shù)列分級(jí)、級(jí)數(shù)分級(jí)等［4］;對(duì)于半徑的確定模型，如符號(hào)梯尺模型［5］。數(shù)學(xué)模型相關(guān)性涉及圖例和符號(hào)，與地圖類型無(wú)關(guān)。

4.制圖模型相關(guān)性

圖例決定了專題符號(hào)所涉及的視覺變量，而這些視覺變量的具體值由某具體數(shù)據(jù)值和數(shù)學(xué)模型共同決定。如圖1所示，餅狀圖涉及形狀(圓、扇形)、尺寸(扇形個(gè)數(shù)、扇形角度、圓半徑)、色彩等視覺變量。僅從數(shù)據(jù)相關(guān)性角度出發(fā)，扇形個(gè)數(shù)、色彩在圖例階段確定;扇形角度和圓半徑在具體符號(hào)化時(shí)由具體數(shù)據(jù)和所選用的數(shù)據(jù)處理模型決定。

二、基于參數(shù)化圖例的GIS專題制圖模式

目前，一些著名的GIS軟件，例如ArcGIS、Map-Info、SuperMap等，都有著自己的專題制圖模塊，遵循著共同的制圖模式——向?qū)綄ｎ}制圖。其實(shí)質(zhì)都是設(shè)置參數(shù)化圖例，然后用圖例相關(guān)參數(shù)去接收數(shù)據(jù)，通過對(duì)圖例的選擇、調(diào)整生成具體的專題地圖符號(hào)，如圖2所示。其差別在于:SuperMap的制圖過程為數(shù)據(jù)選取(表現(xiàn)為圖層、字段選擇)→地圖類型選擇→圖例設(shè)計(jì);MapInfo制圖過程為地圖類型選擇→數(shù)據(jù)選取→圖例設(shè)計(jì);而ArcGIS在選擇完圖層后，其地圖類型選擇和圖例設(shè)計(jì)集中在一個(gè)向?qū)Ы缑?，沒有固定的先后順序，較為靈活。圖3～圖5顯示了三者的圖例參數(shù)設(shè)計(jì)界面。

圖2 基于參數(shù)化圖例的GIS專題制圖模式

圖3 SuperMap圖例參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖4 MapInfo圖例參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖5 ArcGIS圖例參數(shù)設(shè)計(jì)界面

三、當(dāng)前GIS專題制圖模式的缺點(diǎn)

1)數(shù)學(xué)模型少，處理功能弱。數(shù)據(jù)處理和符號(hào)化是專題制圖的核心。數(shù)據(jù)處理是符號(hào)化的前提，其結(jié)果直接影響到專題地圖的科學(xué)性和實(shí)用性［6］。但目前，主要的GIS軟件專題制圖模塊普遍存在數(shù)據(jù)處理數(shù)學(xué)模型少、處理功能弱等問題。以MapInfo為例，制作如圖1所示的專題地圖，其可選數(shù)學(xué)模型只有平方根、常數(shù)、對(duì)數(shù)。傳統(tǒng)專題制圖豐富的數(shù)學(xué)模型在GIS中并沒有得到充分應(yīng)用。

2)地圖類型單一。目前，在計(jì)算機(jī)支持下，專題地圖的地圖類型已經(jīng)得到很大擴(kuò)展［7］。但目前，GIS制圖模塊、制圖方式還相對(duì)單一，即便是提供了靈活圖例操作設(shè)置接口的ArcGIS，在制圖方面也要比Illustrator遜色得多。這一方面與GIS面向的用戶群廣泛、制圖素養(yǎng)得不到保證有關(guān)，另一方面，GIS開發(fā)者沒有很好地引進(jìn)和消化制圖知識(shí)和理論也是原因之一。

3)制圖過程緊耦合，靈活性不足。從本文第二章中可知，目前GIS普遍依賴的參數(shù)化圖例制圖模式，是把地圖數(shù)據(jù)處理、專題符號(hào)緊密耦合，并作為專題地圖類型的“附庸”。這樣做的好處是減小了制圖的難度，降低了對(duì)制圖者的要求，但卻失去了數(shù)字環(huán)境下制圖的靈活性。如選定了地圖類型后，所能用的數(shù)學(xué)模型和表達(dá)模型都已固定，同樣的分級(jí)數(shù)學(xué)模型處理后的數(shù)據(jù)只能用特定的地圖類型。

4)自適應(yīng)性差。GIS制圖軟件把數(shù)據(jù)處理、專題符號(hào)附庸在地圖類型下，在實(shí)際應(yīng)用中并沒有真正降低專題地圖的難度。因?yàn)楣P者面對(duì)的是原始數(shù)據(jù)(由選定的專題圖層決定)，制圖軟件沒有地圖類型選擇的自適應(yīng)提醒功能(這牽涉到地理環(huán)境的分布規(guī)律、構(gòu)圖表達(dá)規(guī)律等方面的知識(shí)總結(jié)，本身很復(fù)雜)，所以即使制圖專家，制作一幅專題地圖也需要進(jìn)行多次的試探。

產(chǎn)生以上不足，主要是因?yàn)镚IS以空間分析為主要功能導(dǎo)向，制圖模塊的設(shè)計(jì)是以降低專題制圖難度、擴(kuò)大用戶人群為出發(fā)點(diǎn)，卻忽視了地圖理論的指導(dǎo)，結(jié)果造成了靈活性不足、功能低下。地圖學(xué)已成為地理信息科學(xué)與技術(shù)的一門基礎(chǔ)學(xué)科［8］，地圖學(xué)為地理信息系統(tǒng)提供方法論基礎(chǔ)［9］。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該吸收地圖學(xué)，包括數(shù)字地圖學(xué)的一些理論，來(lái)提高和優(yōu)化GIS專題制圖功能。

四、基于地圖理論的參數(shù)化圖例專題制圖模式優(yōu)化

1.傳統(tǒng)專題制圖模式

傳統(tǒng)的專題制圖，數(shù)據(jù)處理和符號(hào)化在操作和執(zhí)行順序上都有著比較嚴(yán)格的區(qū)分［6］。目前的專職制圖人員在制圖時(shí)還普遍采用這種模式，只不過制圖工具由原來(lái)的筆、尺，變?yōu)楝F(xiàn)在的鼠標(biāo)、鍵盤;制作環(huán)境由原來(lái)的桌板變?yōu)楝F(xiàn)在的Illustrator等制圖軟件。

傳統(tǒng)專題制圖模式的特點(diǎn)是:以制圖人員為主導(dǎo)，對(duì)制圖人員要求較高，但在表達(dá)效果、靈活性、數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。在GIS專題制圖模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能引進(jìn)這種模式。

2.GIS地圖表達(dá)的特點(diǎn)

高俊針對(duì)數(shù)字地圖的出現(xiàn)，提出了地圖四面體的概念，即把傳統(tǒng)地圖三面體中的地圖拆解為數(shù)字地圖和地圖，并論述了它們之間的關(guān)系［10］。高俊的這一論斷也指出了GIS環(huán)境下地圖表達(dá)的一個(gè)最大特點(diǎn)，即制圖數(shù)據(jù)和地圖表達(dá)的分離。地理數(shù)據(jù)和地圖表達(dá)的分離使得GIS環(huán)境下的地圖表達(dá)可以實(shí)現(xiàn)一幅數(shù)據(jù)多種表達(dá)，多幅數(shù)據(jù)同種表達(dá)。前者是地圖表達(dá)靈活性和藝術(shù)性的根源，如同樣的數(shù)據(jù)既可以二維地圖表示，也可以三維地圖表示;同樣的分級(jí)數(shù)據(jù)既可以柱狀圖表示，也可以餅狀圖表示，甚至采用動(dòng)態(tài)表示以突出變化。后者則是地圖(尤其是專題地圖)表達(dá)自動(dòng)化和智能化的出發(fā)點(diǎn)。將地圖進(jìn)行分類，針對(duì)同類地圖總結(jié)其數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)、地圖表達(dá)特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同的制圖方案，這是GIS向?qū)е茍D、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)地圖表達(dá)、模板制圖等提高專題地圖制作自動(dòng)化、智能化的共同思維起點(diǎn)。

3.強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理的參數(shù)化圖例專題制圖模式

基于以上地圖理論，筆者對(duì)GIS參數(shù)化圖例專題制圖模式進(jìn)行了改進(jìn)，即把數(shù)據(jù)處理從參數(shù)化圖例設(shè)計(jì)中分離出來(lái)。如圖6所示，在參數(shù)化圖例設(shè)計(jì)之前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果選擇地圖類型，設(shè)置圖例相關(guān)參數(shù)。

圖6 強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理的參數(shù)化圖例專題制圖模式

與目前大多數(shù)GIS制圖模式相比，這種模式最大的特點(diǎn)是在得到整體特征后再?zèng)Q定選取什么地圖類型，做什么類型的專題地圖。

以河南省糧食產(chǎn)量分級(jí)專題圖為例，其步驟為:①數(shù)據(jù)整體特征提取。選擇分級(jí)數(shù)學(xué)模型，如等差數(shù)列分級(jí)模型，得到的數(shù)據(jù)整體特征為:數(shù)據(jù)種類為4，數(shù)據(jù)分級(jí)數(shù)為6，分級(jí)區(qū)間為(0，40)(40，60)(60，80)，(80，100)(100，120)(120，∞);② 選擇地圖類型。既可以是餅圖(二維或三維)，也可以是柱圖;③圖例設(shè)置。該步驟和目前GIS所采取的方式大致相同，以餅圖為例，包括設(shè)置扇形的個(gè)數(shù)(自動(dòng))、給每個(gè)扇形關(guān)聯(lián)色彩、給不同的數(shù)據(jù)分級(jí)區(qū)間關(guān)聯(lián)不同的半徑。

符號(hào)繪制機(jī)理也和目前大多數(shù)GIS軟件相同，如圖2所示，即根據(jù)具體數(shù)值選擇、調(diào)整圖例得到具體符號(hào)。以分級(jí)餅狀圖為例，包括判斷具體數(shù)據(jù)所屬分級(jí)區(qū)間、選擇相應(yīng)的圓半徑;根據(jù)分量占總量比例調(diào)整扇形角度等。

五、模式的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性分析

1.模式的優(yōu)勢(shì)

(1)突出強(qiáng)調(diào)了數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)處理

數(shù)學(xué)模型是專題制圖科學(xué)性的保障。制圖之前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的處理，然后再進(jìn)行制圖，會(huì)大大提高專題制圖的科學(xué)性，減少地圖類型選擇和專題制圖的盲目性。

(2)提高了制圖自適應(yīng)性

處理后的數(shù)據(jù)，比起處理前的數(shù)據(jù)，制圖者更容易發(fā)現(xiàn)制圖規(guī)律，并根據(jù)制圖規(guī)律選擇地圖類型。比起先選擇地圖類型，然后在地圖類型的框架約束下，選擇數(shù)學(xué)模型處理數(shù)據(jù)，成功幾率會(huì)大大提高。這樣可以很大程度上解決GIS專題制圖中普遍存在的需反復(fù)試探才能制圖的缺點(diǎn)，從而提高制圖效率。

(3)提高了制圖靈活性

數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型和地圖表達(dá)分離，符合數(shù)字時(shí)代地圖四面體的理念［10］。同樣的數(shù)據(jù)，既可以用等差分級(jí)數(shù)學(xué)模型處理，也可以用等比數(shù)學(xué)模型處理，還可以用級(jí)數(shù)數(shù)學(xué)模型處理;而同樣的整體數(shù)據(jù)特征，既可以用餅狀分級(jí)地圖表示，也可以用柱狀分級(jí)地圖表示，大大提高了專題制圖的靈活性。

(4)功能低耦合

現(xiàn)有的大多數(shù)GIS專題制圖模式，數(shù)學(xué)模型、地圖表達(dá)、數(shù)據(jù)緊耦合，不利于數(shù)學(xué)模型功能和地圖表達(dá)功能的擴(kuò)展。本模式下，軟件開發(fā)者可以分別針對(duì)數(shù)學(xué)模型和地圖符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)充，只要留出數(shù)據(jù)交流的接口即可。

2.模式的適應(yīng)性分析

技術(shù)的局部?jī)?yōu)化往往會(huì)犧牲其他方面的一些優(yōu)點(diǎn)，本文所提出的專題制圖模式也不例外。相比原來(lái)的模式，本文的模式更加符合制圖理論，但卻增加了專題制圖難度，提高了對(duì)制圖者制圖知識(shí)的要求。但相對(duì)目前普遍存在的用Illustrator制作專題地圖，這種模式會(huì)提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度;相對(duì)于GIS專題制圖，會(huì)提高其可用性。因此，對(duì)于廣大制圖者來(lái)說，該模式是不錯(cuò)的選擇。

由于GIS的普及性，更多的用戶都不具備制圖的基本素養(yǎng)，這也限制了本文所提模式的適用人群。為了增加專題制圖的自動(dòng)化和智能化，在該模式基礎(chǔ)上，今后要加強(qiáng)以下三個(gè)問題的研究:①地圖類型的適應(yīng)性。對(duì)不同的數(shù)據(jù)，GIS在選擇地圖類型時(shí)有提醒推薦功能。② 數(shù)據(jù)處理模型的適應(yīng)性。對(duì)不同的數(shù)據(jù)，GIS在選擇處理模型時(shí)有提醒推薦功能。③地圖制圖效果評(píng)價(jià)。對(duì)制圖效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并能反饋到制圖過程，使制圖過程中的選擇更加科學(xué)。

六、結(jié)束語(yǔ)

目前，GIS普遍遵循著參數(shù)化圖例專題制圖模式，這種模式通過功能綁定(如對(duì)地圖類型、數(shù)學(xué)模型等的綁定)，降低了對(duì)制圖用戶的專業(yè)要求，提高了GIS的大眾化、普及化。但因?yàn)橹茍D數(shù)據(jù)的不確定性和多樣性，在實(shí)際操作中，這種模式并不成功。筆者結(jié)合地圖學(xué)相關(guān)理論提出的優(yōu)化措施，旨在增加專題地圖表達(dá)的科學(xué)性，提高GIS制圖效率，降低制圖的盲目性。這種模式雖然提高了對(duì)制圖人員具備的制圖知識(shí)的要求，但對(duì)于希望提高專題制圖的自動(dòng)化，希望對(duì)GIS的豐富數(shù)據(jù)進(jìn)行專題地圖表達(dá)的制圖用戶，無(wú)疑是一種不錯(cuò)的努力方向。

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Discussion on the Thematic-Map-Making Pattern and Its Optimization

FENG Tao，JIANG Nan，ZHANG Yajun

0494-0911(2011)03-0034-04

P208

B

2010-05-07

馮 濤(1980—)，男，河南滎陽(yáng)人，博士生，主要研究方向?yàn)镚IS專題信息可視化。