面向空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)的地圖表達(dá)研究

譚曦

摘 要：從地圖到空間數(shù)據(jù)表達(dá)造成了地圖信息的損失，空間數(shù)據(jù)到地圖表達(dá)（不考慮綜合）過(guò)程中需要進(jìn)行地圖信息的補(bǔ)充，才能實(shí)現(xiàn)地圖的完整表達(dá)。本文基于筆者多年從事GIS與地圖制圖兩方面工作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以集成地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的地圖制圖技術(shù)為研究對(duì)象，以空間數(shù)據(jù)更新為研究目標(biāo)，探討了空間數(shù)據(jù)與地圖制圖集成結(jié)合的應(yīng)用思路，全文是筆者長(zhǎng)期工作基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有所裨益。

關(guān)鍵詞：GIS空間數(shù)據(jù)，地圖制圖，融合

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1 GIS空間數(shù)據(jù)的第四個(gè)特征

從地圖到空間數(shù)據(jù)表達(dá)造成了地圖信息的損失，空間數(shù)據(jù)到地圖表達(dá)（不考慮綜合）過(guò)程中需要進(jìn)行地圖信息的補(bǔ)充，才能實(shí)現(xiàn)地圖的完整表達(dá)。

要完整地描述空間實(shí)體或現(xiàn)象的狀態(tài)，一般需要同時(shí)只有空間定位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，如果要描述空間實(shí)體或現(xiàn)象的變化，則還需記錄空間實(shí)體或現(xiàn)象在某一時(shí)刻的狀態(tài).所以一般認(rèn)為空間數(shù)據(jù)具有三個(gè)基本特征：空間特征、屬性特征和時(shí)間特征，空間數(shù)據(jù)的三個(gè)特征反映了所表現(xiàn)空間實(shí)體的本質(zhì).但是對(duì)空間數(shù)據(jù)來(lái)講，它并不是不受限的反映空間實(shí)體，在描述空間目標(biāo)時(shí)有一定的限制，不能無(wú)限膨脹，這個(gè)限制就是空間數(shù)據(jù)的第四個(gè)特征——地圖約束性特征。

我們知道空間數(shù)據(jù)是地理環(huán)境的數(shù)據(jù)抽象，這種抽象的過(guò)程也是地圖制圖的過(guò)程，空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)，人們自然不會(huì)拋棄人類千百年來(lái)認(rèn)知、抽象地理環(huán)境的成果——地圖，因此幾乎所有的空間矢量數(shù)據(jù)的生產(chǎn)都是基于地圖數(shù)字化來(lái)完成（至少最初是這樣），這樣空間數(shù)據(jù)就繼承了人類的知識(shí)成果，同時(shí)也繼承了地圖自身的特性，如地圖用途，比例尺，地圖要素，要素關(guān)系等等，這也就意味著空間數(shù)據(jù)必然會(huì)受到來(lái)自原始地圖的約束。在使用其他途徑對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，這種約束性也是實(shí)時(shí)存在的，例如使用航片或者遙感影像，則空間數(shù)據(jù)也會(huì)受到航片、遙感影像分辨率的限制，同時(shí)在使用者的腦海中一直會(huì)存在“一幅地圖”，對(duì)信息進(jìn)行綜合加工。因此不管使用哪種數(shù)據(jù)源，空間數(shù)據(jù)都會(huì)受到來(lái)自數(shù)據(jù)源的約束，而地圖的約束最具有代表性，因而統(tǒng)稱為“地圖約束性”。由此看來(lái)，不存在所謂“無(wú)級(jí)”的空間數(shù)據(jù)。

空間數(shù)據(jù)的地圖約束性是對(duì)由Kate Beard提出的地圖概括約束概念的繼承。Kate Beard將地圖概括約束分為圖形約束隸、結(jié)構(gòu)約束、應(yīng)用約束和過(guò)程約束四種類型。圖形約束是反映距離、長(zhǎng)度、面積等度量關(guān)系，與地圖符號(hào)相關(guān)。桔構(gòu)約束則要求保持對(duì)象間的空間和語(yǔ)義聯(lián)系以反映對(duì)象的本質(zhì)特點(diǎn)。應(yīng)用約束則與地圖目的相聯(lián)系，過(guò)程約束控制地圖概括操作的執(zhí)行順序及其相互作用。從這里可以看出?？臻g數(shù)據(jù)的地圖約束性主要反映在前三個(gè)約束上，而空間數(shù)據(jù)及其地圖表達(dá)具有一致的目的，因此空間數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)了地圖的圖形約束和結(jié)構(gòu)約束。

空間數(shù)據(jù)的地圖約束性特征是實(shí)現(xiàn)根據(jù)空間數(shù)據(jù)直接進(jìn)行地圖等尺度表達(dá)的基礎(chǔ)，且反映了地圖符號(hào)、地理屬性和拓?fù)潢P(guān)系的相互依賴關(guān)系。

2 空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)的矛盾

在地圖到空間數(shù)據(jù)表達(dá)的過(guò)程中，空間數(shù)據(jù)的要求決定了在數(shù)據(jù)采集中不會(huì)把地圖全部信息采集下來(lái)，這就構(gòu)成了地圖信息傳遞中的第一次轉(zhuǎn)換矛盾，損失了部分地圖信息。而空間數(shù)據(jù)到地圖表達(dá)是地圖信息的第二次轉(zhuǎn)換，它是第一次轉(zhuǎn)換的逆運(yùn)算。因?yàn)榈谝淮无D(zhuǎn)換矛盾的存在，導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)不可能完全恢復(fù)到地圖原來(lái)的面貌，這造成了第二次轉(zhuǎn)換矛盾，這兩個(gè)轉(zhuǎn)換矛盾互為因果關(guān)系。

數(shù)字制圖目前要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)屬。是消除第二次轉(zhuǎn)換矛盾，也就是補(bǔ)充第一次轉(zhuǎn)換時(shí)損失的地圖信息。由于這個(gè)問(wèn)題復(fù)雜、難度較大（“創(chuàng)造”要比“丟棄”困難的多），因此有人為了回避它而提出了“地圖應(yīng)該適應(yīng)空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)，不必嚴(yán)格遵循紙質(zhì)地圖的編繪要求”。這樣的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的，地圖作為人類智慧的結(jié)晶應(yīng)該隨著社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越美觀、完善，而不是倒退。

造成空間數(shù)據(jù)與地圖之間不能完全匹配的根本原因是它們之間存在以下的主要矛盾：（1）概括范圍上的矛盾，最為詳細(xì)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不能完全匹配圖形規(guī)范。（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中要素的描述不對(duì)應(yīng)田形標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)規(guī)范。（3）在地圖上的要素不對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的編碼。

3 空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)過(guò)程

空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)實(shí)際上就是恢復(fù)地圖直接信息的過(guò)程，分為兩個(gè)步驟，第一步按照空間數(shù)據(jù)的地理編碼與地圖符號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)地圖符符號(hào)化；第二步，由于空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)之間的矛盾，造成地圖的空間數(shù)據(jù)表達(dá)的過(guò)程是一個(gè)地圖信息損失的過(guò)程，因此在實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)時(shí)，必須進(jìn)行地圖信息的補(bǔ)充，才能得到符合地圖規(guī)范要求的地圖。

3.1 空間數(shù)據(jù)按對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換

在空間數(shù)據(jù)地圖表達(dá)過(guò)程中，空間數(shù)據(jù)與地圖符號(hào)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體表現(xiàn)就是依據(jù)要素編碼實(shí)現(xiàn)地圖符號(hào)化及其附加處理。所謂附加處理是指除去地圖符號(hào)以外的其它信息符號(hào)化，這些信息與該目標(biāo)無(wú)關(guān)，例如，高程點(diǎn)的符號(hào)化，其高程注記顯示的位置、形式與該目標(biāo)有關(guān)。

空間數(shù)據(jù)到地圖表達(dá)按照規(guī)則轉(zhuǎn)換的步驟如下：

（1）地圖表達(dá)主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線面要素的符號(hào)化，而一般的空間數(shù)據(jù)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，面狀要素通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系推算出來(lái)，因此在實(shí)現(xiàn)地圖表達(dá)的第一步就是要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淠Ｐ拖蚧灸Ｐ偷霓D(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)面狀目標(biāo)的生成；（2）根據(jù)空間數(shù)據(jù)中地圖要素編碼與地圖符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)過(guò)程可以使用程序自動(dòng)完成。

3.2 地圖信息的補(bǔ)充

下面的一些具體問(wèn)題；

（1） 屬性注記的配置，例如橋梁的分式注記，等高線注記。（2） 地名注記的配置，沒(méi)有地圖注記的位置信息（國(guó)家測(cè)繪局?jǐn)?shù)據(jù)）。（3） 河流漸變問(wèn)題，空間數(shù)據(jù)不能反映河流的圖形寬度變化。（4） 地圖整飾，地圖整飾內(nèi)容不作為空間數(shù)據(jù)的一部分。（5） 同色要素的S蓋處理問(wèn)屬。（6） 不同要素的壓蓋優(yōu)先問(wèn)題。

這些問(wèn)題都是實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)時(shí)，地圖編輯和地圖出版處理才能解決。

4 地圖制圖與空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)結(jié)合

空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)是為地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，并建立基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織反映了地理信息系統(tǒng)的要求，使用“屬性編碼十定位數(shù)據(jù)”的形式。數(shù)據(jù)采集雖然不是地理信息系統(tǒng)軟件的主要功能，但其處理地理信息的方便性，決定了在空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)中使用的非常頻繁，如ARC/INFO等，這是由空間數(shù)據(jù)的按地理屬性編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)組織的特性決定的，由于地圖制圖不是空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)的主要目的，因此在空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)中不會(huì)提出與地圖制圖結(jié)合的要求。但從制圖者的角度來(lái)看，地圖制圖與空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)能結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一到一個(gè)軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)融合生產(chǎn)，則會(huì)起到事半功倍的效果，可以節(jié)省大量的資源。因?yàn)樯婕叭珖?guó)或整個(gè)地區(qū)的地圖生產(chǎn)以及空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)都是巨大的工程，需要很大的投入。而我國(guó)目前兩者都要生產(chǎn)（各自有不同的用途），但整體的經(jīng)濟(jì)投入還很有限，在這種情況下，能保證兩者內(nèi)容的一致性，使用更加方便的融合的生產(chǎn)技術(shù)方法更具現(xiàn)實(shí)窟義和應(yīng)用價(jià) 地圖制圖過(guò)程與空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)既有相似性又有差異性，相似性是融合生產(chǎn)的基礎(chǔ)，差異性是造成兩者不同的主要矛盾，找出矛盾并解決矛盾就能把兩者結(jié)合起來(lái)， 從圖1的生產(chǎn)流程可以看出，地圖制圖過(guò)程中，從地圖中采集的是圖形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地圖出版，而空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中則是從地圖中采集空間數(shù)據(jù)。如果通過(guò)地圖符號(hào)化方法，可以把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的地圖信息補(bǔ)充（地圖出版處理），就可以把兩個(gè)流程結(jié)合起來(lái)，得到空間數(shù)據(jù)和紙質(zhì)地圖兩種產(chǎn)品。

圖 1 地圖制圖與空間數(shù)據(jù)融合生產(chǎn)流程

5 系統(tǒng)的更新效應(yīng)

如果融合系統(tǒng)中可以接受系統(tǒng)所產(chǎn)生的空間數(shù)據(jù)（這是地圖生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)源），則系統(tǒng)就具有了空間數(shù)據(jù)的再生能力。如圖2所示，空間數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)i的接收、處理和輸出的對(duì)象，又成為系統(tǒng)i+1的接收對(duì)象。這樣空間數(shù)據(jù)不斷更新，使系統(tǒng)一直具有生命力，產(chǎn)生良性循環(huán)。系統(tǒng)的這種該特性，為空間數(shù)據(jù)的更新提供了一個(gè)舞臺(tái)，同時(shí)有助于建立相應(yīng)的地圖和空間數(shù)據(jù)的更新機(jī)制。

圖2 空間數(shù)據(jù)的更新過(guò)程

6 融合生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用

以融合生產(chǎn)技術(shù)為支持的數(shù)字制圖系統(tǒng)，可以有四個(gè)應(yīng)用方向：

圖3 使用融合技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展

（1）沒(méi)有地圖數(shù)據(jù)庫(kù)支持的情況下，通過(guò)采集編輯屬性完整的空間數(shù)據(jù)，完成地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)任務(wù)。（2）通過(guò)其他方式獲取的空間數(shù)據(jù)有時(shí)存在一些非常隱蔽的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，如屬性錯(cuò)誤，指針錯(cuò)位等等，這些問(wèn)題只有空間數(shù)據(jù)可視化手段（如地圖符號(hào)化等）才能發(fā)現(xiàn)，在此平臺(tái)下可直接修改錯(cuò)誤，得到正確的空間數(shù)據(jù)。（3）在此環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)基于地理屬性的地圈編輯。相對(duì)基于圖形符號(hào)的編輯來(lái)說(shuō)，可以大大提高編圖效率，并最終能實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)地圖的出版。（4）為空間數(shù)據(jù)的更新提供了手段和方法，它把在地圖編輯中新增的地圖內(nèi)容和更新信息保留下來(lái)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的更新，完成地圖數(shù)據(jù)庫(kù)更新任務(wù)。

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