数字地图的理论、方法和技术体系

1、【摘要本文探讨数字地图的理论、方法和技术体系,既介绍研究心得,更意在诚邀专家学者的合作。在理论体系方面,本文章阐述了数字地图的概念、体系结构、理论基础,以及数字地图带来的地图学新观念。在方法体系方面,文章阐述了数字地图能够解决的地学问题、数字地图的分析方法、数字地图的数据模型;在技术体系方面,文章阐述了数字地图制图系统、移动数字地图技术等内容。文章给出了数字地图的应用实例,包括国家自然地图集数据库、电子版、网络版,以及中国科学院资源环境数据库电子地图集等两内容。关键词数字地图;理论体系;方法体系;技术体系;应用实例【中图分类号】P28 献标识码A 文章编号】119-2307(22506-015

2、-04l 引言数字地图是现代地图学发展的重要标志之一,国际上已有许多总结和论述,但国内对这方面的研究似乎还不够重视。本文是对我们研究组近几年来在计算机地图编辑与制版一体化、电子地图、网络地图、手机地图等方面研究成果的一个总结,旨在抛砖引玉,引起对大家数字地图发展的更多关注。欢迎国内同行对本文观点提出批评意见。2 数字地圄的理论体系本文首先阐述数字地图的定义、概念和内涵,进而概述数字地图的信息流,建立其理论和模式框架,最后讨论数字地图信息产品的理论问题。2.l 数字地图的概念数字地图是出现在信息时代的以数字形式记录和存贮的一类地图新品种,已在军事及国民经济建设各个领域内发挥了重要的作用。它既便于

3、存贮、传输和更新,又可经计算机处理转换为纸质地图,或经可视化处理在计算机屏幕上显示。因此,数字地图的研究、制作和应用涉及到了传统的纸质地图和新型的电子地图两种地图品种的设计。编辑与生产过程。数字制图系统以其编辑的灵活性、数据和资料的丰富可选性、地图的现势性、反映对象的动态性等为其主要特征。在构成上分为前期处理、数据管理和支撑、可视化手段、应用系统等几个部分。从发展历史看,目前的数字地图制图系统实际上都是在以前的计算机地图制图系统基础上发展和完善起来的一种实用化系统。常见的数字地图制图系统和软件大致分为三类:一是国外的In-tergraph和Mercator 两种地图生产系统,它们均由一整套的实

4、用化地图生产软硬件组成;第二类是国产的MapCAD (MaPGIS微机地图编辑与制版系统和“方正智绘” 系统,中国自主版权的系统,受到科技部和信息产业部的大力推荐;第三类是一些商品化的可以用于地图生产的软件,例如Freehand、Coreld。、Illustrator等,主要基于交互式的CAD风格,很多处理局限在栅格数据上。但完全将计算机模拟印刷地图、电子地图、网络地图、移动式地图等所有数字地图的编辑与制作功能汇集于一身的数字地图系统在国内还没有见到。2.2 数字地图的体系框架数字地图的体系由内核和外围功能两部分构成。其中数字地图的内核包括数据(矢量地图、栅格地图、属性数据、平台和工具(交互界

5、面、图形图像操作、数据库操作、辅助资料(说明文字、实物图片、实景录像、声音资料等、模型与方法(符号模型、色彩模型、表达方法、分析模拟模型等内容。外围功能则包括测览和查询(地图目录阅览、分幅地图阅览、地图跳转切换、表达模拟(索引对比显示、交互图例显示、地图动模拟、三维立体显示、量测分析(长度量测、面积量算、剖面分析、专题分析、产品派生(生成印刷地图、生成电子地图、生成网络地图、生成移动地图等四项功能(图1。图数字地图的体系框架在研究内容上,本研究组的重点在理论体系(概念和内涵、信息流、理论模式、方法论系统(数据模型、集成与融合、多尺度转换和多重表达、虚拟一仿真一网络交互、技术系统(设计与生产一体

6、化、数字地图资源库、多种数字地图产品的制作平台,以及应用产品开发(纸质地图、电子地图和网络地图一体化制作,“4D” 数字地图产品的综合集成与分析应用,嵌人式和移动式导航地图和手机地图的开发与应用四方面(图2:2.3 数字地图的理论基础数字地图的理论基础很多,主要有数字地图的认知理论、语言学基础、信息传输理论、分析应用理论基础等几方面。这里主要阐述其中的认知和知识对象两方面。l地理认知理论目前国内关于地理认知的研究成果主要有地图认知环和多模式感知和认知理论两种。数字地目的研究和开发内容和多模式感知和认知理论两种。其中“地图认知环” 是指人类对地图信息的认知过程遵从一个连续的环或圈。首先用图者接受

7、到VR形式的地图客体,进而在头脑中进行信息处理和知识获取,然后根据他已有的知识对刚才所获取的知识进行修改,这样就产生了头脑中的信息图;再进一步,通过空间定向、方向校正等控制处理,对实地地理现象或实体进行探索性研究,最后得出所认知的地理实体,经过缩小和放大,能够显示出其不同的细节。这样,又回到了新的一轮认知环。“多模式感知和认知理论” 则是指在虚拟地图环境下,使用多种认知或感知手段(例如视觉的和听觉的两种分别进行知识获取,在一定的阶段(例如在短时记忆阶段将各种分别获取的知识加以比较和想象处理,进而形成各自的知识库(例如视觉知识库和听觉知识库,最后将各种知识库融合在一起,产生综合知识库。这种认知理

8、论特别适用于制图手段与各种多媒体技术以及虚拟现实技术等共同使用时的复合认知过程。2知识对象知识对象是指数字地图中的带有智能性特征的地理实体、地理要素或地图符号。作为智能性地理实体或地理要素:当与其它数据存放在一起时,它知道何时该被更新,或与何种数据不能相邻,它会自动请求更新或移位;作为智能性符号,它带有自身的信息,能够根据所处的环境和不同状况,自动判断它应该产生的变化,进而通过自动改变符号形状或颜色或“显” 与“隐”,自动地帮助用户很快地理解它所代表的含义。2.4 数字地困带来的地囹学的新观念数字地图的诞生和发展带来了地图学领域内的诸多则念的更新和改变。具体来说:l三个“观念改变”:首先,要求

9、我们从“拥有数据” 的想法变为“访问共据”的想法,即在网络时代不可能所有数据集中的一个一心,而是分布式的网络数据体系,因此应有把自己拥有口数据拿出来与人共享的现代观念;其次,要从“产品”0想法变为“服务”的观念,即要建立面向用户的观念,一切考虑为用户服务;第三,从考虑局部到考虑全球。即上全球观念出发,建立全球地理制图学。2传统地图学与新的地图学之区别:传统地图学好比是社会主义:地图是平面的、详尽的表态的、精确的,规范是统一的、通用的和不灵活的。s的地图学应该具有民主的资本主义或市场经济体制:地0是动态的、易感应的、立体的和允许模糊概念的,规范;灵活的、有差别的和个体的等。3地图学在网络时代的新

10、解释:在网络时代,地图学将会是空间信息领域中完成从信息专输到信息转换,再到用户使用的分支领域。因此,地图学为三个脑组成:一是“全球脑”,是网络信息存贮部分。它由全球的Internet 及其存贮于其中的数据构成;二是“手机仿”,是信息访问和转换部分。它由信息接收和信息转换两种功能构成,一方面类似于用手机接受和转换数据,另一方面也指未来真正使用移动无线通讯设备来进行地图信息的访问、转换、Ge定位和差分等。三是“人脑”,是信息处理部分,喻示地图学中的信息处理是仿照人脑的地图认知、信息感应、信息链接、信息处理、心理图像生成等的机制。4地图学的双层结构说数字时代地图学的双层结构说是指:“表层结构”:指地

11、图表达地理空间信息的功能,它所显示的信息主要“实地图”,即有实际存储介质的或能在屏幕上看到其形态的地图,属于通常意义上的地图学范畴。“深层结构”:指地图学挖掘未知的地理信息的功能或过程,所涉及的是“虚地图” 或“心象地图”,属于分析地图学和认知地图学的研究范围。5地图成功与否的新标准在数字地图时代,什么是“好的” 地囹?首先从总体来看,未来成功的地图应该具备现势性强(最好是实时的。具有高度适应性(适应不同空间尺度、时间尺度、分辨率和主题内等、交互性强、真实感强、能够反映动态、能够进行多维表达、能成声光文字等多媒体材料、具备可添加性(随时可增加新内容、新客体等特征。但具有从不同的角度又有不同的评

12、价标准。例如从从美学角度来看,成功的地图应该能使人眼产生愉悦的感觉,即图形色彩配置好看;从信息传输角度来看,一幅好的地图应该能使信息转换、传送和接收都清晰,并且简洁、层次明显;从认知角度来看,一幅高质量的地图应该能够使读图者将图上的内容与他头脑中已有的知识联贯起来,并能较容易地预知未来新知识;从GIS要求来讲,成功的地图应该能最大限度地支持空间数据分析和信息可视化,也就是制图综合的成功与否;就可视化角度而言,一幅好的地图不但能很好地反映已知的信息,而且能支持发现未知的知识或信息c这上述标准中,不同角度的标准相互间是有矛盾的,在具体运用中应视要求而确定以何者为主,何者最重要等。3 数字地图的方法

13、体系数字地图的方法体系主要包括信息分析、提炼和挖掘,数字地图的数据模型,信息集成与融合,尺度效应与多尺度转换,多维动态可视化等几方面。3.1 数字地图方法能够解决的地学问题数字地图面对的问题域有空间结构特征、时间结构犒征、具体的时一空复合问题等三个方面。其中空间结构从表现形式来看分为点、线、面状分布地物,从内容实质来看又分为分布范围、质量特征(类型系列、等级体系、数量特征(绝对数值、相对数值、空间拓扑关系等内容。时间等构特征则包括单向演化、急剧突变、周期性变化三种。体的时一空复合问题从具体的问题操作来看分为路径搜军和选取、空间定位选址和网点布局、资源分配和集散调度动态线段搜寻和管理等几种,从国

14、家和区域研究与规划9看又分为适宜性分析、区域规划、决策图3.数字地图方8能解决的问题示意图支持等几种,从研究发展过程来看还可分为区域空p现状评价、区域空间过程模拟和预测等几种。3.2 数字地图分析方法数字地图分析方法由数据转换和处理、空间量测、Z间分析、统计分析、智能化推理等几个方面组成。其中9图3 数字地图方法能解决的问题示意图据转换和处理包括几何纠正、投影转换、数据模式转换、数据复合和分解、图幅拼接等几项,空间量测分为质心量测、几何量测、形状量测等几种,空间分析则包括地形分析、缓冲分析和扩散分析、叠加分析、空间内插、分类分析、网络分析、邻域分析等内容,统计分析包括常用统计指标法、回归分析、

15、群分析、因子分析、主成分分析、聚类分析等内容,智能化推理则包括专家系统、智能化决策支持和仿真、神经元网络分析等内容。3.3 数字地图的数据模型数字地图的数据模型受诞生数字地图制图系统的前身系统的数据模型影响,同时又体现了现代新技术环境的影响,具体分为:ICAD数据模型:目前主要有传统的CAD数据,例如矢量的有DXF、DWG、DGN,栅格的有TIFF、RGB。COT等。2M维图层数据模型:主要是GIS系统的数据模型。目前最为流行是arc/info的Coverage、shaPe等图层数据,此外还有MGE的schema数据模型等。国内自主版权的GIS软件均有各自的数据模型。3面向对象的空间数据模型:

16、是一种最新的数据模型,但目前真正实用的不多。4面三维和体三维数据模型:面三维模型主要有TIN模型、GRID模型和等值线等。体三维数据模型主要有三维栅格模型、线性八叉树模型、四面体格同模型等。4 数字地图的技术体系数字地图的技术体系包含众多的内容,主要有多种信息产品的制作技术,数字地图的设计与生产一体化技术,数字地图自组织、自适应、自导航技术,数字地图的虚拟。仿真、网络交互技术,以及嵌人式、移动式数字地图技术等内容。这里主要论述数字地图制图系统、移动式数字地图两个部分。4.1 数字地图制图系统研究数字地图制图系统从流程上看应该包括数字地图的总体设计(地图主题上b例尺、内容、多源多类信息融合、产品

17、形式等的体设计、数字地图的自动综合(内容选取、类型合并、等级化简、图斑合并、位移处理等、地图信息可视化(地图符号、色彩库、表示方法、多重表达、动画仿真、虚拟环境等、地图成品制作(纸质地图与地图集、电子地图与地图集、网上地图、移动力插卡式手机地图等。数字地图制图系统有几项关键技术值得研究,它们是:资源库的编辑与制作技术:包括点、线、面、体状符号库,色彩库,文字库、印刷网点库等资源库技术;组版一分色技术的二次开发技术:包括一般地图的组版与分色、影像地图的组版分色、图一文一图片混排地图的组版与分色,一些特殊制图效果的解决,例如注记线边、图斑蒙版、色彩过渡和分层色带等,以及印刷地图与电子地图之间的互相

18、转换技术等。4.2 移动数字地图的技术移动数字地图的技术又分为外部环境技术、核心技术。支撑技术三个方面。其中,外部环境技术是指:移动式的B/S环境;有限的无线网络容量;有限的移动服务器和终端。移动数字地图的核心技术包括:数据结构和数据模型:以导航电子地图数据标准GDF为基础,在此之上加以扩充,确定其层次化的要素分类体系、逻辑表达模式等内容和技术;数据压缩技术:根据可扩展图形规范SVG和Mobile SVG的要求,重点解决几何数据的压缩;多重表达技术:分别按分尺度多重表达、分图层多重表达、分区域多重表达等几种要求来解决该项技术;实时信息交互技术:研究通过移动终端与固定(或分布式服务器之间的信息交

19、互处理技术,在WebGIS技术的基础上加以改造,使其适应手机、移动车船、PDA等设备的特殊要求。移动数字地图的支撑环境关键技术包括:嵌入式技术、移动数据库技术、无线通信技术、移动定位技术等几项内容。具体来说:l嵌人式技术:主要研究基于移动设备(主要包括智能手机和PDA的嵌人式技术,吸收目前流行的JZME协议和技术,并关注基于微软CE平台的SmartPhone的相关技术,将其与PDA 中的POcket PC开发相结合和互相参照,以求在军事国防、消费电子、交通旅游、网络通信、工业控制等各个领域中得到迅速的发展。2移动数据库技术:按照“任何时间、任何地点的立即通讯的移动计算的理念,在包含各种移动设备

20、、具有无线通信能力的服务网络的移动环境中,构建分布式数据库系统、B/A/S 多层结构的数据库系统、嵌入式数据库和移动数据库。同时解决移动数据库复制/缓存、移动查询、数据广播、移动事务处理、移动数据库安全等各个技术环节。3无线通信技术:面向未来第三化移动通信标准3G的技术要求,实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输网络,使移动客户端和服务器之间传输包括图形在内的大量地理数据、属性数据成为可能。4移动定位技术:在移动定位服务LBS的理论支撑下,按照基于移动终端的技术方案、基于移动网络的技术方案和两者的结合三种途径来解决问题,第一种方案是通过在移动终端内部加GPS接收机模块来实现,主动权全部决定

21、于移动终端;第二种是通过在网络上附加定位功能来实现,又分为起源蜂窝小区COO(Cell Of Origin定位、抵达时间TOA(Tim Of Anival定位、角度到达AOA(AtrivalOf Angle定位、抵达时间差异TDOA(Time Difference Of Ar一ival定位和增强型观测时间差E-OTD(ElltlancedobeervecToe D诬陷。定位等多项定位技术。5 数字地回应用实例这里首先阐述数字地图信息产品研究和开发中的苦于理论和技术方法问题.进而全面介绍本研究组关于数字地图信息产品方面的研究内容.最后才几种数字地图信息产品的实例加以分析,包括国家地图集信息系统.

22、资源与环填“n 数字地图产品,网络地图,移动式、嵌入式导航地图和手机地图等。5.1字地回怕息产品的研制与开发数字地图信息产品是地学信息产品大类中的一种。地学信息产品是一种以地学信息核心以软硬件运行环境为支撑和包技能够发挥信息传输、表达、模拟预测和分析等功能的信息产品。地图、电子地图等都是其中的子类.其组成结构由三个轴交互构成.一是信息形式.分别有图形形式、数字形式、文字形式、复合形式等。二是信息载体.有平面印刷类立体制作类、磁介质类非磁硬载体类、光电介质类以及复合介质类等;三是产品功能.分为信息传输类、演示说明类、决策分析类、复合功能类等。在数字地图信息产品的研制和开发中需要解决苦于理论、方法和技术问题.其中理论问包括地学信息产品的价值取向、信息的加工深度和培植潜力、最佳地学信息存储和表达模式、以及地学信息产品的著作权、制作权和版权问题。技术方法方面的问题则包括地学信息的采集、提炼和派生方法和技术.地学信息的多重表达方法和技术.地学信息产品的开发和制作技术.地学信息的共享、传播和应用中的技术等方面。5.2 几种数字地目旧思产品的实例分析这里重点介绍中华人民共和国国家自然地图集数据库、电子版和Inie。t版.中国