電子專題地圖多尺度表達(dá)的相關(guān)問題及策略

曹亞妮，吳芳華，江 南，李嘉星

(1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 2. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054； 4. 61363部隊(duì)，陜西 西安 710054)

一、引 言

從空間認(rèn)知的角度出發(fā)，地理空間數(shù)據(jù)的多尺度表達(dá)是順應(yīng)人類認(rèn)知需求的圖形化表達(dá)方式[1]。電子地圖多尺度表達(dá)問題的研究是為了滿足人類從不同詳細(xì)程度、不同時(shí)間跨度、不同空間格局思考和解決問題的需要。電子專題地圖多尺度表達(dá)是電子地圖多尺度表達(dá)的重要組成部分。從本質(zhì)上講，電子專題地圖多尺度表達(dá)就是要解決基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)在尺度變化時(shí)引發(fā)的一系列問題，包括數(shù)據(jù)綜合和可視化圖形綜合兩個(gè)方面。在電子地圖環(huán)境下，多尺度表達(dá)首先是空間數(shù)據(jù)的抽象與處理，然后才是圖形的化簡(jiǎn)與綜合，這是由電子地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與可視化過程相分離的特點(diǎn)決定的。在實(shí)際研究過程中，這兩方面并不是截然分開的，而是相互影響、相互促進(jìn)、缺一不可的，應(yīng)當(dāng)融合在一起進(jìn)行考慮。

目前，針對(duì)基礎(chǔ)電子地圖多尺度表達(dá)的研究較多，而對(duì)電子專題地圖多尺度表達(dá)的研究較少。從專題地圖數(shù)據(jù)綜合的角度來看，專題數(shù)據(jù)綜合還沒有一個(gè)公認(rèn)的定義和范疇界定，一般認(rèn)為專題數(shù)據(jù)就是屬性數(shù)據(jù)，而專題數(shù)據(jù)綜合也只是地理數(shù)據(jù)綜合過程中的一個(gè)步驟，是與圖形綜合相并列的綜合操作[2]。高文秀等對(duì)專題屬性數(shù)據(jù)的綜合進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[3]，認(rèn)為專題數(shù)據(jù)綜合的范疇涵蓋了從復(fù)雜詳細(xì)的專題數(shù)據(jù)抽象和概括出反映較大范圍、較為宏觀、較為概略的專題數(shù)據(jù)的全過程，并分析了GIS專題數(shù)據(jù)綜合過程中需要遵循和運(yùn)用的綜合知識(shí)，重點(diǎn)研究了基于知識(shí)的土地利用數(shù)據(jù)的綜合，提出了適宜的綜合方案。此外，一些學(xué)者針對(duì)某種特定類型的專題數(shù)據(jù)綜合進(jìn)行了研究[4-8]，如艾廷華采用FDDM模型研究了城市地圖的綜合；季民等對(duì)海洋漁業(yè)專題屬性數(shù)據(jù)的多尺度綜合進(jìn)行了研究；J.C.Muller、Wang Zeshen、B.Peter、De Berg等曾針對(duì)類型數(shù)據(jù)的綜合作過不同程度的研究。從專題地圖可視化圖形綜合的角度來看，相關(guān)研究和文獻(xiàn)資料都較少，一般將其作為專題數(shù)據(jù)綜合中的附屬環(huán)節(jié)，還未形成一個(gè)完善的體系。劉海燕等從視覺變量的角度探討了不同尺度下在線專題地圖集的符號(hào)變換方法[9]；季民等針對(duì)海洋漁業(yè)專題屬性數(shù)據(jù)，重點(diǎn)從統(tǒng)計(jì)圖的角度對(duì)3種尺度下的專題數(shù)據(jù)可視化問題進(jìn)行了研究?？傊?，電子專題地圖多尺度表達(dá)方面還缺乏系統(tǒng)的研究，主要問題如下：

2) 研究未能較全面地涵蓋常用專題圖的類型，對(duì)類型圖、定性數(shù)據(jù)綜合的研究較多，而其他一些專題地圖的多尺度表達(dá)策略還比較缺乏，如興趣點(diǎn)專題圖、統(tǒng)計(jì)專題圖、等值區(qū)域圖等。

3) 對(duì)專題地圖可視化圖形綜合的研究還不夠完善。

4) 針對(duì)不同類型專題地圖特點(diǎn)的底圖數(shù)據(jù)多尺度表達(dá)策略的研究不夠。

因此，針對(duì)以上問題，本文分析了電子專題地圖多尺度表達(dá)的內(nèi)涵，提出了電子專題地圖多尺度表達(dá)的解決策略，從不同類型專題地圖地理要素的自動(dòng)選取、底圖數(shù)據(jù)的綜合及可視化、專題數(shù)據(jù)的綜合及可視化、底圖要素和專題要素的相互關(guān)系處理4個(gè)方面對(duì)電子專題地圖的多尺度表達(dá)進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究。

二、電子專題地圖多尺度表達(dá)的內(nèi)涵

電子專題地圖是突出而較完備地反映一種或幾種主題要素，面向某一領(lǐng)域或特殊用途的需要而制作的電子地圖[10]。電子專題地圖具有電子地圖和專題地圖的雙重特征，集交互性、動(dòng)態(tài)性、多尺度性于一身。隨著地圖學(xué)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展更新，電子專題地圖的類型和功能都大大拓展，出現(xiàn)了在線專題圖、快餐專題圖、屬性專題圖等個(gè)性化、人性化的專題圖種；其功能也不只是傳輸和表達(dá)地理信息，而是提供用戶自適應(yīng)和任務(wù)自適應(yīng)的、引導(dǎo)性的表達(dá)，傳輸深層次的信息，從而便于用戶“發(fā)現(xiàn)期盼中的，察覺意料之外的”知識(shí)，輔助分析決策。

關(guān)于尺度，已有眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了闡述[1，10-11]?？紤]到電子專題地圖的特點(diǎn)，本文認(rèn)為尺度的涵義應(yīng)當(dāng)包括空間尺度、時(shí)間尺度及語義尺度。多尺度即多個(gè)尺度，具有不同分辨率的多尺度和不同單元的多尺度雙層涵義。不同分辨率是指同一客觀對(duì)象的不同粒度、不同詳細(xì)程度或不同層次；而不同單元指同一粒度、同一詳細(xì)程度或同一層次上的多個(gè)并列對(duì)象，如圖1所示。其中，當(dāng)空間尺度的分辨率發(fā)生變化時(shí)，所引起的電子專題地圖要素的顯示內(nèi)容和表現(xiàn)方式發(fā)生的變化較大，因此不同分辨率空間尺度下的電子專題地圖表達(dá)是本文的研究重點(diǎn)。

與基礎(chǔ)電子地圖多尺度表達(dá)相比，電子專題地圖多尺度表達(dá)有其特殊之處：

1) 綜合的目的不僅僅是傳遞多個(gè)空間尺度的地理數(shù)據(jù)，更強(qiáng)調(diào)通過不同空間尺度、不同時(shí)間尺度及不同語義尺度的表達(dá)來為用戶提供多層次、多方面、多視角的深層信息和知識(shí)，從而輔助分析決策。

早上起床，手捧溫?zé)岬呐Ｄ?，一定要?duì)自己說一聲：節(jié)日快樂！愛你，愛自己！在上午的時(shí)候，給自己一束鮮花，并把它擺放到正午最溫暖的陽光下面；下午時(shí)光，一定要裹緊風(fēng)衣，走上街頭，并在五十米大街第二個(gè)紅綠燈路口向左轉(zhuǎn)，去新華文軒，給自己獻(xiàn)上一首詩；夜幕籠罩的時(shí)候，買一杯拿鐵，去電影院里，坐在倒數(shù)第三排七號(hào)位置上耐心地等待開場(chǎng)；十二點(diǎn)入睡之前，要點(diǎn)燃一根蠟燭，在暈紅的燭光里雙手合十，許下一個(gè)心愿——當(dāng)然，加上一杯紅酒，是再好不過的了——禮物呢，就是明天更好的自己吧。

2) 由于專題地圖的類型、要素內(nèi)容比普通地圖更為豐富，影響專題地圖多尺度表達(dá)的因素更加多樣化。

3) 從數(shù)據(jù)綜合的角度來說，空間數(shù)據(jù)綜合著重針對(duì)地理實(shí)體的選取、化簡(jiǎn)、概括、位移等；而專題屬性數(shù)據(jù)綜合主要是針對(duì)描述地理實(shí)體的質(zhì)量與數(shù)量特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合、重新分類、重新分級(jí)等[3]，同時(shí)要考慮專題數(shù)據(jù)和底圖數(shù)據(jù)的語義關(guān)系。從圖形綜合的角度來說，基礎(chǔ)電子地圖多尺度表達(dá)注重圖形關(guān)系的處理；而電子專題地圖多尺度表達(dá)在很多情況下都需要對(duì)專題符號(hào)重新設(shè)計(jì)，對(duì)底圖符號(hào)進(jìn)行淡化處理，同時(shí)考慮兩者之間的圖形關(guān)系。

圖1 電子專題地圖中多尺度的涵義

另外，為了更深刻地理解電子專題地圖多尺度表達(dá)的內(nèi)涵，還應(yīng)區(qū)別空間數(shù)據(jù)多尺度表達(dá)和電子地圖多尺度表達(dá)的關(guān)系。空間數(shù)據(jù)的多尺度表達(dá)更側(cè)重于數(shù)據(jù)處理的理論、方法及模型；而電子地圖的多尺度表達(dá)側(cè)重于地圖表達(dá)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理是為表達(dá)服務(wù)的[1]。因此，本文所研究的電子專題地圖多尺度表達(dá)在對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上也更側(cè)重于地圖表達(dá)，數(shù)據(jù)處理是為地圖表達(dá)服務(wù)的，地圖表達(dá)是研究的根本目的。

三、電子專題地圖多尺度表達(dá)的解決策略

根據(jù)電子專題地圖多尺度表達(dá)的特點(diǎn)，本文從實(shí)際需求出發(fā)，提出了電子專題地圖多尺度表達(dá)的解決策略，如圖2所示。整個(gè)方案有4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的規(guī)則庫或算子庫來支撐。

圖2 電子專題地圖多尺度表達(dá)的解決策略

1. 不同類型專題地圖地理要素的自動(dòng)選取

不同類型的專題地圖具有不同的用途和不同的制圖目的，底圖要素和專題要素的內(nèi)容都有所不同，這些都是多尺度表達(dá)過程中重要的約束條件。

專題地圖能夠反映專題信息的空間特征及分布規(guī)律等，但有些專題信息本身并不具有空間特征，只有將其描繪在具有地圖基本特征的地理底圖上，才能夠顯示專題信息的空間特征。為了分析更多專題要素的產(chǎn)生、分布、發(fā)展和變化規(guī)律，還需要專題要素與地理底圖的相互聯(lián)系。因此，底圖數(shù)據(jù)選取對(duì)于專題地圖意義重大，是電子專題地圖多尺度表達(dá)的首要環(huán)節(jié)。地理底圖數(shù)據(jù)選取應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：① 與專題地圖的用途要求相協(xié)調(diào)，綜合考慮專題地圖的主題、制圖目的、用途、比例尺及制圖區(qū)域的特點(diǎn)等；② 考慮專題地圖表示方法的差異性，因?yàn)椴煌谋硎痉椒〞?huì)影響地理底圖內(nèi)容的選取。如用定點(diǎn)符號(hào)法表示專題要素時(shí)，底圖內(nèi)容可以詳細(xì)些；而采用等值線法、質(zhì)底法時(shí)，底圖內(nèi)容就需概略表示。應(yīng)當(dāng)在綜合考慮以上因素的情況下，建立不同類型專題地圖底圖要素選取規(guī)則庫，從而保證不同類型專題地圖底圖要素的適宜性，同時(shí)提高底圖數(shù)據(jù)的選取速度。

專題要素的選取主要考慮專題地圖的主題和表示方法類型。通過調(diào)研、參考樣圖及需求分析，依據(jù)數(shù)據(jù)與主題的相關(guān)性，建立不同類型專題地圖專題要素選取規(guī)則庫，從而能夠快速選取所需的點(diǎn)、線、面等專題數(shù)據(jù)層。

2. 底圖數(shù)據(jù)的綜合及可視化

專題地圖底圖數(shù)據(jù)的綜合是根據(jù)各專題要素的特殊要求來確定的，不像普通地圖那樣有一定的編繪規(guī)范。與一般的空間數(shù)據(jù)綜合相比，專題地圖底圖數(shù)據(jù)的綜合程度較大，具體表現(xiàn)在多尺度的比例尺范圍減小、分級(jí)數(shù)目減少、每級(jí)之間的差異性變小，而且其綜合更注重內(nèi)容的選取，而不是圖形的化簡(jiǎn)。如筆者參與的交通專題圖的制作，底圖分為大、中、小比例尺3個(gè)級(jí)別，能夠滿足交通專題要素的顯示需求。

另外，專題地圖的圖種和使用的表示方法也對(duì)綜合方式有影響。如采用定點(diǎn)符號(hào)法、線狀符號(hào)法和動(dòng)線法表示專題要素時(shí)，底圖要素的綜合程度較小，主要表現(xiàn)為對(duì)居民地及附屬設(shè)施、陸地交通、水域/陸地、陸地地貌及土質(zhì)、境界與政區(qū)、注記六大類要素的選取和少量化簡(jiǎn)；而采用質(zhì)底法、等值線法、范圍法、等值區(qū)域法、點(diǎn)值法和分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖表法時(shí)，應(yīng)對(duì)底圖要素實(shí)施較大程度的綜合，主要表現(xiàn)為選取較少種類的地理要素，對(duì)政區(qū)等統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行等級(jí)合并與形狀化簡(jiǎn)。

在可視化表達(dá)方面，底圖的用色要少，而且色彩應(yīng)該淺淡，同時(shí)符號(hào)和注記樣式不宜繁雜。與普通電子地圖相比，應(yīng)對(duì)符號(hào)進(jìn)行淡化色彩、減少對(duì)比、減小尺寸、降低飽和度和設(shè)置透明度等方面的處理，從而使底圖要素處于背景層面，對(duì)專題要素起到烘托作用而不是干擾作用。

3. 專題數(shù)據(jù)的綜合及可視化

專題數(shù)據(jù)的綜合涉及內(nèi)容較多，為了更好地涵蓋常用專題圖類型，本文從常用專題要素的9種表示方法入手，針對(duì)每種表示方法從數(shù)據(jù)綜合和可視化圖形綜合的角度來設(shè)計(jì)相應(yīng)的綜合策略，進(jìn)而歸納出專題地圖常用的綜合方法，見表1。

表1 專題數(shù)據(jù)常用的綜合方法

從表1可以看出，與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)綜合相比，專題數(shù)據(jù)綜合的方法主要有選取、概括、分類分級(jí)和化簡(jiǎn)?？梢暬矫鎸ｎ}數(shù)據(jù)的符號(hào)在綜合后往往需要重新設(shè)計(jì)和依據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成，而不像基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)那樣依據(jù)屬性編碼直接配置符號(hào)，這是由專題地圖符號(hào)的數(shù)據(jù)相關(guān)性決定的[12]。

4. 底圖要素與專題要素的相互關(guān)系處理

考慮到電子專題地圖多尺度表達(dá)的整體顯示效果，還應(yīng)對(duì)底圖要素與專題要素的相互關(guān)系進(jìn)行處理。首先，要考慮專題要素與底圖要素的壓蓋關(guān)系，專題要素盡量不要壓蓋底圖的注記、境界線等要素。另外，專題要素符號(hào)的尺寸應(yīng)當(dāng)與底圖要素內(nèi)容相協(xié)調(diào)，如統(tǒng)計(jì)符號(hào)的尺寸要考慮底圖行政區(qū)劃的大小等。在色彩搭配方面，應(yīng)當(dāng)依據(jù)制圖目的和專題要素的內(nèi)容，為整幅專題地圖制定一個(gè)主色調(diào)，依據(jù)主色調(diào)來調(diào)整底圖要素的色彩，從而避免色彩過多，造成圖面層次混亂，主題不突出，確保專題信息與基礎(chǔ)地理信息顯示協(xié)調(diào)一致、主次分明。

四、結(jié)束語

人類本身就具有從不同尺度認(rèn)識(shí)、理解和分析客觀事物的愿望和能力，這種視覺認(rèn)知的本質(zhì)要求正是電子專題地圖多尺度表達(dá)的需求牽引；而計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)使專題地圖的多尺度表達(dá)問題更加凸顯，也更易于實(shí)現(xiàn)，是電子專題地圖多尺度表達(dá)的技術(shù)推動(dòng)。專題地圖在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，對(duì)電子專題地圖多尺度表達(dá)提出了越來越高的要求。電子專題地圖種類豐富、使用靈活、數(shù)據(jù)類型多樣化，這決定了其多尺度顯示策略的復(fù)雜性。本文從4個(gè)方面對(duì)電子專題地圖多尺度表達(dá)的解決策略進(jìn)行了探討，較為全面地涵蓋了電子專題地圖多尺度表達(dá)中的相關(guān)問題，以期為專題地圖的設(shè)計(jì)與制作、專題地理信息的可視化表達(dá)及基于專題地理信息的分析決策等提供參考。

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