面向空間數據生產的地圖表達研究

譚曦

摘 要：從地圖到空間數據表達造成了地圖信息的損失，空間數據到地圖表達（不考慮綜合）過程中需要進行地圖信息的補充，才能實現地圖的完整表達。本文基于筆者多年從事GIS與地圖制圖兩方面工作的相關經驗，以集成地理信息系統數據的地圖制圖技術為研究對象，以空間數據更新為研究目標，探討了空間數據與地圖制圖集成結合的應用思路，全文是筆者長期工作基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有所裨益。

關鍵詞：GIS空間數據，地圖制圖，融合

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1 GIS空間數據的第四個特征

從地圖到空間數據表達造成了地圖信息的損失，空間數據到地圖表達（不考慮綜合）過程中需要進行地圖信息的補充，才能實現地圖的完整表達。

要完整地描述空間實體或現象的狀態，一般需要同時只有空間定位數據和屬性數據，如果要描述空間實體或現象的變化，則還需記錄空間實體或現象在某一時刻的狀態.所以一般認為空間數據具有三個基本特征：空間特征、屬性特征和時間特征，空間數據的三個特征反映了所表現空間實體的本質.但是對空間數據來講，它并不是不受限的反映空間實體，在描述空間目標時有一定的限制，不能無限膨脹，這個限制就是空間數據的第四個特征——地圖約束性特征。

我們知道空間數據是地理環境的數據抽象，這種抽象的過程也是地圖制圖的過程，空間數據生產時，人們自然不會拋棄人類千百年來認知、抽象地理環境的成果——地圖，因此幾乎所有的空間矢量數據的生產都是基于地圖數字化來完成（至少最初是這樣），這樣空間數據就繼承了人類的知識成果，同時也繼承了地圖自身的特性，如地圖用途，比例尺，地圖要素，要素關系等等，這也就意味著空間數據必然會受到來自原始地圖的約束。在使用其他途徑對空間數據進行更新時，這種約束性也是實時存在的，例如使用航片或者遙感影像，則空間數據也會受到航片、遙感影像分辨率的限制，同時在使用者的腦海中一直會存在“一幅地圖”，對信息進行綜合加工。因此不管使用哪種數據源，空間數據都會受到來自數據源的約束，而地圖的約束最具有代表性，因而統稱為“地圖約束性”。由此看來，不存在所謂“無級”的空間數據。

空間數據的地圖約束性是對由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、結構約束、應用約束和過程約束四種類型。圖形約束是反映距離、長度、面積等度量關系，與地圖符號相關。桔構約束則要求保持對象間的空間和語義聯系以反映對象的本質特點。應用約束則與地圖目的相聯系，過程約束控制地圖概括操作的執行順序及其相互作用。從這里可以看出。空間數據的地圖約束性主要反映在前三個約束上，而空間數據及其地圖表達具有一致的目的，因此空間數據主要體現了地圖的圖形約束和結構約束。

空間數據的地圖約束性特征是實現根據空間數據直接進行地圖等尺度表達的基礎，且反映了地圖符號、地理屬性和拓撲關系的相互依賴關系。

2 空間數據與地圖表達的矛盾

在地圖到空間數據表達的過程中，空間數據的要求決定了在數據采集中不會把地圖全部信息采集下來，這就構成了地圖信息傳遞中的第一次轉換矛盾，損失了部分地圖信息。而空間數據到地圖表達是地圖信息的第二次轉換，它是第一次轉換的逆運算。因為第一次轉換矛盾的存在，導致了空間數據不可能完全恢復到地圖原來的面貌，這造成了第二次轉換矛盾，這兩個轉換矛盾互為因果關系。

數字制圖目前要重點解決的關鍵問屬。是消除第二次轉換矛盾，也就是補充第一次轉換時損失的地圖信息。由于這個問題復雜、難度較大（“創造”要比“丟棄”困難的多），因此有人為了回避它而提出了“地圖應該適應空間數據的表現，不必嚴格遵循紙質地圖的編繪要求”。這樣的認識是錯誤的，地圖作為人類智慧的結晶應該隨著社會的發展越來越美觀、完善，而不是倒退。

造成空間數據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，最為詳細的數據標準不能完全匹配圖形規范。（2）數據標準中要素的描述不對應田形標準中的符號規范。（3）在地圖上的要素不對應數據標準中的編碼。

3 空間數據的地圖表達過程

空間數據的地圖表達實際上就是恢復地圖直接信息的過程，分為兩個步驟，第一步按照空間數據的地理編碼與地圖符號之間的對應關系，實現地圖符符號化；第二步，由于空間數據與地圖表達之間的矛盾，造成地圖的空間數據表達的過程是一個地圖信息損失的過程，因此在實現空間數據的地圖表達時，必須進行地圖信息的補充，才能得到符合地圖規范要求的地圖。

3.1 空間數據按對應關系轉換

在空間數據地圖表達過程中，空間數據與地圖符號具有一定的對應關系，具體表現就是依據要素編碼實現地圖符號化及其附加處理。所謂附加處理是指除去地圖符號以外的其它信息符號化，這些信息與該目標無關，例如，高程點的符號化，其高程注記顯示的位置、形式與該目標有關。

空間數據到地圖表達按照規則轉換的步驟如下：

（1）地圖表達主要是實現點線面要素的符號化，而一般的空間數據具有拓撲結構，面狀要素通過拓撲關系推算出來，因此在實現地圖表達的第一步就是要實現拓撲模型向基本模型的轉換，實現面狀目標的生成；（2）根據空間數據中地圖要素編碼與地圖符號的對應關系，這個過程可以使用程序自動完成。

3.2 地圖信息的補充

下面的一些具體問題；

（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，沒有地圖注記的位置信息（國家測繪局數據）。（3） 河流漸變問題，空間數據不能反映河流的圖形寬度變化。（4） 地圖整飾，地圖整飾內容不作為空間數據的一部分。（5） 同色要素的S蓋處理問屬。（6） 不同要素的壓蓋優先問題。

這些問題都是實現空間數據的地圖表達時，地圖編輯和地圖出版處理才能解決。

4 地圖制圖與空間數據生產結合

空間數據生產是為地理信息系統提供基礎地理數據，并建立基礎地理信息數據庫。因此，空間數據的數據組織反映了地理信息系統的要求，使用“屬性編碼十定位數據”的形式。數據采集雖然不是地理信息系統軟件的主要功能，但其處理地理信息的方便性，決定了在空間數據生產中使用的非常頻繁，如ARC/INFO等，這是由空間數據的按地理屬性編碼進行數據組織的特性決定的，由于地圖制圖不是空間數據生產的主要目的，因此在空間數據生產中不會提出與地圖制圖結合的要求。但從制圖者的角度來看，地圖制圖與空間數據生產能結合起來，統一到一個軟件系統中實現融合生產，則會起到事半功倍的效果，可以節省大量的資源。因為涉及全國或整個地區的地圖生產以及空間數據生產都是巨大的工程，需要很大的投入。而我國目前兩者都要生產（各自有不同的用途），但整體的經濟投入還很有限，在這種情況下，能保證兩者內容的一致性，使用更加方便的融合的生產技術方法更具現實窟義和應用價 地圖制圖過程與空間數據生產既有相似性又有差異性，相似性是融合生產的基礎，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合起來， 從圖1的生產流程可以看出，地圖制圖過程中，從地圖中采集的是圖形數據，實現地圖出版，而空間數據生產過程中則是從地圖中采集空間數據。如果通過地圖符號化方法，可以把空間數據轉換成圖形數據，同時進行相應的地圖信息補充（地圖出版處理），就可以把兩個流程結合起來，得到空間數據和紙質地圖兩種產品。

圖 1 地圖制圖與空間數據融合生產流程

5 系統的更新效應

如果融合系統中可以接受系統所產生的空間數據（這是地圖生產的重要數據源），則系統就具有了空間數據的再生能力。如圖2所示，空間數據作為系統i的接收、處理和輸出的對象，又成為系統i+1的接收對象。這樣空間數據不斷更新，使系統一直具有生命力，產生良性循環。系統的這種該特性，為空間數據的更新提供了一個舞臺，同時有助于建立相應的地圖和空間數據的更新機制。

圖2 空間數據的更新過程

6 融合生產系統的應用

以融合生產技術為支持的數字制圖系統，可以有四個應用方向：

圖3 使用融合技術的應用擴展

（1）沒有地圖數據庫支持的情況下，通過采集編輯屬性完整的空間數據，完成地圖數據庫建庫任務。（2）通過其他方式獲取的空間數據有時存在一些非常隱蔽的數據質量問題，如屬性錯誤，指針錯位等等，這些問題只有空間數據可視化手段（如地圖符號化等）才能發現，在此平臺下可直接修改錯誤，得到正確的空間數據。（3）在此環境下，可以實現基于地理屬性的地圈編輯。相對基于圖形符號的編輯來說，可以大大提高編圖效率，并最終能實現了紙質地圖的出版。（4）為空間數據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容和更新信息保留下來，實現空間數據的更新，完成地圖數據庫更新任務。

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