GIS專題制圖模式及其優化的探討

馮 濤，江 南，張亞軍

(信息工程大學測繪學院，河南鄭州450052)

GIS專題制圖模式及其優化的探討

馮 濤，江 南，張亞軍

(信息工程大學測繪學院，河南鄭州450052)

基于地圖學的若干理論，提出強調數據處理的參數化圖例專題制圖模式，并對該模式的優缺點和適用性進行分析。該模式是對目前流行的GIS參數化圖例專題制圖模式的改進與優化，可以在較大程度上彌補當前GIS專題制圖的一些不足。

參數化圖例;數學模型;制圖模式;地圖理論

專題信息(尤其是定量統計信息)可視化一直是GIS研究的熱點和難點。目前，大多數GIS軟件，例如 ArcGIS、MapInfo、SuperMap等，都提供了向導式模板制圖的解決方案［1］。這種方法把數據處理模型和地圖符號綁定在地圖類型的框架約束下，在降低制圖門檻的同時，卻弱化了數據處理，增加了專題制圖功能改進和優化的難度。

一、參數化圖例的概念和特點

圖例是帶有文字說明，指導用圖者在地圖上應如何使用地圖符號的一覽表。它有雙重的作用:在編圖時作為圖解表示地圖內容的準繩，在用圖時作為必不可少的參考資料［2］。圖例符號是構成圖例的符號單元，對應于某類地圖要素。圖例符號(以下簡稱圖例)和地圖符號是兩個不同的概念［3］，尤其在專題地圖中，表現得尤為明顯。在GIS專題制圖中，圖例有了新的功能，即提供參數接口(包括數據接口、數學模型接口、符號化接口)，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、專題地圖符號三個概念的圖形化表示。筆者從三者的角度探討圖例的數據相關性、不確定性、數學模型相關性和制圖模型相關性。

圖1 地圖類型、圖例、專題符號三個概念的圖形化表示

1.數據相關性

從地圖類型到圖例，再到具體專題符號，是一個由抽象到逐步具體化的過程，這種改變的動因是對關聯數據特征的不同層次提取。其中圖例關聯著專題數據的整體特征，如餅圖中扇形個數由糧食的種類決定;而具體符號除了具有圖例所表現的整體數據特征外，還關聯著某一具體數據的特征，如圓半徑由某個市糧食總量決定，扇形角度大小由某個市各種糧食所占總產量的比例決定。

2.不確定性

地圖類型和圖例是一對多的關系，圖例和具體符號也是一對多的關系。這種一對多的關系，除了數量上的考慮外，更有質的不同。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，這和普通地圖是不同的。如對于餅圖類型，其對應的圖例既可以是糧食產量，也可以是不同年齡階段人口數;其組成扇形既可以是4，也可以是3。對于餅圖圖例，其對應的具體符號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不同層次的數據相關性，而這種不確定性的消除也需要不同層次數據的支持。

3.數學模型相關性

數學模型相關性包括兩個方面，一是用于數據處理的數學模型;二是用于圖形變換的數學模型。如對于糧食產量分級餅圖，數據分級區間和代表數據分級的圖形半徑離散值的獲得，都由具體數學模型決定。對于數據分級模型，如數列分級、級數分級等［4］;對于半徑的確定模型，如符號梯尺模型［5］。數學模型相關性涉及圖例和符號，與地圖類型無關。

4.制圖模型相關性

圖例決定了專題符號所涉及的視覺變量，而這些視覺變量的具體值由某具體數據值和數學模型共同決定。如圖1所示，餅狀圖涉及形狀(圓、扇形)、尺寸(扇形個數、扇形角度、圓半徑)、色彩等視覺變量。僅從數據相關性角度出發，扇形個數、色彩在圖例階段確定;扇形角度和圓半徑在具體符號化時由具體數據和所選用的數據處理模型決定。

二、基于參數化圖例的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——向導式專題制圖。其實質都是設置參數化圖例，然后用圖例相關參數去接收數據，通過對圖例的選擇、調整生成具體的專題地圖符號，如圖2所示。其差別在于:SuperMap的制圖過程為數據選取(表現為圖層、字段選擇)→地圖類型選擇→圖例設計;MapInfo制圖過程為地圖類型選擇→數據選取→圖例設計;而ArcGIS在選擇完圖層后，其地圖類型選擇和圖例設計集中在一個向導界面，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設計界面。

圖2 基于參數化圖例的GIS專題制圖模式

圖3 SuperMap圖例參數設計界面

圖4 MapInfo圖例參數設計界面

圖5 ArcGIS圖例參數設計界面

三、當前GIS專題制圖模式的缺點

1)數學模型少，處理功能弱。數據處理和符號化是專題制圖的核心。數據處理是符號化的前提，其結果直接影響到專題地圖的科學性和實用性［6］。但目前，主要的GIS軟件專題制圖模塊普遍存在數據處理數學模型少、處理功能弱等問題。以MapInfo為例，制作如圖1所示的專題地圖，其可選數學模型只有平方根、常數、對數。傳統專題制圖豐富的數學模型在GIS中并沒有得到充分應用。

2)地圖類型單一。目前，在計算機支持下，專題地圖的地圖類型已經得到很大擴展［7］。但目前，GIS制圖模塊、制圖方式還相對單一，即便是提供了靈活圖例操作設置接口的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、制圖素養得不到保證有關，另一方面，GIS開發者沒有很好地引進和消化制圖知識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普遍依賴的參數化圖例制圖模式，是把地圖數據處理、專題符號緊密耦合，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，降低了對制圖者的要求，但卻失去了數字環境下制圖的靈活性。如選定了地圖類型后，所能用的數學模型和表達模型都已固定，同樣的分級數學模型處理后的數據只能用特定的地圖類型。

4)自適應性差。GIS制圖軟件把數據處理、專題符號附庸在地圖類型下，在實際應用中并沒有真正降低專題地圖的難度。因為筆者面對的是原始數據(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提醒功能(這牽涉到地理環境的分布規律、構圖表達規律等方面的知識總結，本身很復雜)，所以即使制圖專家，制作一幅專題地圖也需要進行多次的試探。

產生以上不足，主要是因為GIS以空間分析為主要功能導向，制圖模塊的設計是以降低專題制圖難度、擴大用戶人群為出發點，卻忽視了地圖理論的指導，結果造成了靈活性不足、功能低下。地圖學已成為地理信息科學與技術的一門基礎學科［8］，地圖學為地理信息系統提供方法論基礎［9］。因此，筆者認為應該吸收地圖學，包括數字地圖學的一些理論，來提高和優化GIS專題制圖功能。

四、基于地圖理論的參數化圖例專題制圖模式優化

1.傳統專題制圖模式

傳統的專題制圖，數據處理和符號化在操作和執行順序上都有著比較嚴格的區分［6］。目前的專職制圖人員在制圖時還普遍采用這種模式，只不過制圖工具由原來的筆、尺，變為現在的鼠標、鍵盤;制作環境由原來的桌板變為現在的Illustrator等制圖軟件。

傳統專題制圖模式的特點是:以制圖人員為主導，對制圖人員要求較高，但在表達效果、靈活性、數據處理的科學性等方面都有較大的優勢。在GIS專題制圖模塊設計中，應盡可能引進這種模式。

2.GIS地圖表達的特點

高俊針對數字地圖的出現，提出了地圖四面體的概念，即把傳統地圖三面體中的地圖拆解為數字地圖和地圖，并論述了它們之間的關系［10］。高俊的這一論斷也指出了GIS環境下地圖表達的一個最大特點，即制圖數據和地圖表達的分離。地理數據和地圖表達的分離使得GIS環境下的地圖表達可以實現一幅數據多種表達，多幅數據同種表達。前者是地圖表達靈活性和藝術性的根源，如同樣的數據既可以二維地圖表示，也可以三維地圖表示;同樣的分級數據既可以柱狀圖表示，也可以餅狀圖表示，甚至采用動態表示以突出變化。后者則是地圖(尤其是專題地圖)表達自動化和智能化的出發點。將地圖進行分類，針對同類地圖總結其數據處理特點、地圖表達特點，并以此為基礎設計不同的制圖方案，這是GIS向導制圖、專家系統、自適應地圖表達、模板制圖等提高專題地圖制作自動化、智能化的共同思維起點。

3.強調數據處理的參數化圖例專題制圖模式

基于以上地圖理論，筆者對GIS參數化圖例專題制圖模式進行了改進，即把數據處理從參數化圖例設計中分離出來。如圖6所示，在參數化圖例設計之前，先對數據進行處理，根據處理結果選擇地圖類型，設置圖例相關參數。

圖6 強調數據處理的參數化圖例專題制圖模式

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

以河南省糧食產量分級專題圖為例，其步驟為:①數據整體特征提取。選擇分級數學模型，如等差數列分級模型，得到的數據整體特征為:數據種類為4，數據分級數為6，分級區間為(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，包括設置扇形的個數(自動)、給每個扇形關聯色彩、給不同的數據分級區間關聯不同的半徑。

符號繪制機理也和目前大多數GIS軟件相同，如圖2所示，即根據具體數值選擇、調整圖例得到具體符號。以分級餅狀圖為例，包括判斷具體數據所屬分級區間、選擇相應的圓半徑;根據分量占總量比例調整扇形角度等。

五、模式的優缺點及適應性分析

1.模式的優勢

(1)突出強調了數學模型數據處理

數學模型是專題制圖科學性的保障。制圖之前，先對數據進行數學模型的處理，然后再進行制圖，會大大提高專題制圖的科學性，減少地圖類型選擇和專題制圖的盲目性。

(2)提高了制圖自適應性

處理后的數據，比起處理前的數據，制圖者更容易發現制圖規律，并根據制圖規律選擇地圖類型。比起先選擇地圖類型，然后在地圖類型的框架約束下，選擇數學模型處理數據，成功幾率會大大提高。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試探才能制圖的缺點，從而提高制圖效率。

(3)提高了制圖靈活性

數據、數學模型和地圖表達分離，符合數字時代地圖四面體的理念［10］。同樣的數據，既可以用等差分級數學模型處理，也可以用等比數學模型處理，還可以用級數數學模型處理;而同樣的整體數據特征，既可以用餅狀分級地圖表示，也可以用柱狀分級地圖表示，大大提高了專題制圖的靈活性。

(4)功能低耦合

現有的大多數GIS專題制圖模式，數學模型、地圖表達、數據緊耦合，不利于數學模型功能和地圖表達功能的擴展。本模式下，軟件開發者可以分別針對數學模型和地圖符號進行擴充，只要留出數據交流的接口即可。

2.模式的適應性分析

技術的局部優化往往會犧牲其他方面的一些優點，本文所提出的專題制圖模式也不例外。相比原來的模式，本文的模式更加符合制圖理論，但卻增加了專題制圖難度，提高了對制圖者制圖知識的要求。但相對目前普遍存在的用Illustrator制作專題地圖，這種模式會提高工作效率，降低勞動強度;相對于GIS專題制圖，會提高其可用性。因此，對于廣大制圖者來說，該模式是不錯的選擇。

由于GIS的普及性，更多的用戶都不具備制圖的基本素養，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化和智能化，在該模式基礎上，今后要加強以下三個問題的研究:①地圖類型的適應性。對不同的數據，GIS在選擇地圖類型時有提醒推薦功能。② 數據處理模型的適應性。對不同的數據，GIS在選擇處理模型時有提醒推薦功能。③地圖制圖效果評價。對制圖效果進行科學評價，并能反饋到制圖過程，使制圖過程中的選擇更加科學。

六、結束語

目前，GIS普遍遵循著參數化圖例專題制圖模式，這種模式通過功能綁定(如對地圖類型、數學模型等的綁定)，降低了對制圖用戶的專業要求，提高了GIS的大眾化、普及化。但因為制圖數據的不確定性和多樣性，在實際操作中，這種模式并不成功。筆者結合地圖學相關理論提出的優化措施，旨在增加專題地圖表達的科學性，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制圖人員具備的制圖知識的要求，但對于希望提高專題制圖的自動化，希望對GIS的豐富數據進行專題地圖表達的制圖用戶，無疑是一種不錯的努力方向。

［1］周海燕，華一新.GIS中定量專題制圖模板的研究與實踐［J］.測繪通報，2000(10):9-11.

［2］劉萬青，劉詠梅，袁勘省.數字專題地圖［M］.北京:科學出版社，2007:89-96.

［3］張燕燕.專題地圖圖例和符號的比較及設計初探［J］.測繪通報，1992(5):31-33.

［4］何宗宜.地圖數據處理模型的原理與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2004:78-92.

［5］陳毓芬，江南.地圖設計原理［M］.北京:解放軍出版社，2001.

［6］王家耀，鄒建華.地圖制圖數據處理的模型方法［M］.北京:解放軍出版社，1992:1-4.

［7］王家耀，孫群，王光霞，等.地圖學原理和方法［M］.北京:科學出版社，2006:256-261.

［8］游雄，賈奮勵.戰場地理空間信息的知識表示［M］.張世濤，譯.北京:解放軍出版社，2007.

［9］王家耀.地理信息系統的發展與發展中的地理信息系統［J］.中國工程科學，2009，11(2):10-16.

［10］高俊.地圖學四面體:數字化時代地圖學的詮釋［J］.測繪學報，2004，33(1):6-11.

［11］黨安榮，喬彥友.地理信息系統圖例庫的研究［J］.地理科學，1996，16(4):370-376.

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，河南滎陽人，博士生，主要研究方向為GIS專題信息可視化。