GIS与数字地图
姓名：薛若男
学院：地理与资源科学学院
专业：地理信息科学
论文方向：GIS的应用
论文完成时间：2013年12月15日星期日
引言
地理信息系统（GIS）是整合遥感、全球定位系统及其他多种测绘技术于一体的计算机系统，在当今社会主要承担信息数据的整合、存储、分析及输出表达的任务。1986年，中科院组织15个单位研制了黄土高原土壤侵蚀信息系统与土地利用信息系统。20世纪90年代在举世瞩目的长江三峡水利工程实施论证阶段，水利部门组织开发了多套地理信息系统，进行了各方面的论证，取得了很好的效果。1995年，土地管理部门分两批组织全国土地信息系统演示会，有40多项土地信息系统开发、应用成果展示。到1998年为止，已有200多个城市建立了土地信息系统，与此同时，在农业环境质量评价和动态分析、人口承载潜力等方面进行了深入研究，开展了水库淹没、水资源估算、土地资源清查、环境质量评价等多项专题的研究。在此基础上建立了1:100万国土基础信息系统和全国土地信息系统。至2003年，全国1:25万数字化地图制作完成。
数字地图的顺利实施，很大程度上依赖于综合过程中所使用的数据模型。地球数据模型是对地图上所表达的地理实体以及其相互关系的抽象、概括与数据组织。地球综合数据模型的重点可放在对地球实体空间特征的理解与表达方面。地球实体有两个最基本的特征——空间特征与属性特征，前者描述了地理实体所处的位置，它可通过某种坐标参考系统来定义；后者反映了地理实体内在的性质，是地理实体类别彼此区分的重要标志。为了方便电子计算机的处理，将地图上连续的线化符号离散化，并按地理实体进行数据的组织，只是顺理成章的事，实际上也是地图数据的一种组织方法。但是地球综合是非常复杂的，仅用上述方法组织数据对于空间要素的结构认识和结构综合化操作都比较困难，远远不能满足实际需求的需要。也就是说，需要引进更复杂的或研究新的数据模型来支持数字地图综合。
论文摘要
地图综合的信息机理模型
地理认知是地图综合的主要客观依据
对制图对象的空间概括和过滤是地图综合信息加工功能的体现地图综合作为人对地理客体和现象的相似性模拟，其依据是什么？其依据是主观还是客观？这篇论文将给出答案。
从哲学意义上讲，地图综合属于一种科学的抽象。正因如此，当用地图综合的方法对所研究的地理现象和区域进行简化和概括时，它所产生的是更加深刻的关于整个真实世界的某一小片段的知识，因为一切科学的抽象都是对客体的更加深刻、更加精确、更加完整的反应。由此可以看出，地图综合与地理认知是紧密相关的，因为二者都涉及关于地理客体的知识对地理环境的反映。齐文清和刘岳认为，地理认知与地图综合是地理信息传输过
程中两个不同层次的信息处理子过程，前者偏重于心里感知和分析；后者则在地理认知的基础上对上述信息进行抽象和概括，形成对于特定的制图目的，适合于在一定比例尺下显示的地理要素的分类，分级和空间图形格局。因此，地理认知是地图综合的主客观依据，而地图综合则是在认知过程中对地理客体的科学抽象概括。
这里之所以用主客观来修饰地图综合的依据，是借此对地图综合是主观过程，客观过程，还是主观与客观的讲解和过程呢？这一长期以来纠缠不清的问题的答案应该是地图综合是主观与客观相结合的过程。理由如下：
首先，成功的地图综合都离不开制图人员对地理环境全面、综合的分析和理解，离不开制图人员对地图内容重要性的正确认识与判断，并以此为基础确定、选取和概括地图内容的原则、标准和方向。无论是因受地图用途规定而确定概括方向，还是在比例c尺下压缩地图内容，还是受地图区域特点的影响而制定的特殊概括原则，都改变不了地图综合‘科学的创造性劳动’的本质属性。而从个体差异的角度来看，每个制图者对地理环境的认识方式和作用方法，都会受到他已经形成的思维模式和行为习惯的影响；不同的制图人员具备不同的知识水平，也必然影响到他们对制图对象的认识深度，这些都毫无疑问地渗透到地图综合的各个方面，构成影响地图综合的主体因素。
其次，科学的发展是有继承性的。每个制图者都或多或少的接受过前人知识和经验的熏陶。随着人们对地理环境规律的知识愈益深入，随着地图综合知识和经验的不断积累，也随着地图品种的不断规范，总会出现一些被人们普遍接受并采用的标准化的选取与概括指标。况且这种客观标准在制图上本来就存在一些客观依据，如比例综合的指标主要取决于人眼对地图图形的分辨能力，以及刻绘，制印等条件。另外，地图综合自动化发展能否在将来某一天让计算机完全自主地处理某一类地图或地图上某几种要素的地图综合问题，摆脱由于人工操作而产生的个体主观性呢？这对制图界人士仍是个极大的诱惑。然而，共
性终究代替不了个性，面对纷繁复杂的客观世界，面对不断涌现的新的地图主题和地图品种，地图编制中的地图综合必定是主观与客观相统一的过程。
作为地图综合的主客观依据，地理知识贯穿于地图综合的整个过程。具体来看，他表现在地图设计阶段，对地图综合原则、内容、分类分级指标的构思上，以地理认知中获得的关于地理环境的系统功能、层次结构、各要素的组合关系等的知识为指导。在地图编绘即地图综合实施阶段，对地图要素的选取，数量和质量的概括，图形简化等构图操作上，一方面在处理符合概括指标的要素或图形时能够进一步体会地理认知的控制和指导作用，做到心中有数，操作正确，不至于误解概括指标和规则；另一方面，在遇到概括指标没有详细规定的图形和要素，或者某地物与多项指标均符合，难以决断时，就要根据自己对制图对象的理解来灵活处理。在校验地图阶段，对于以地图形式呈现在面前的地理客体及其相互关系，能够加深对地理环境的理解。当发现成图所反映的与自己理解的地理规律不一致时，可以深入探究原因，如果属于地图表达错误，则返回到设计阶段修改概括指标，重新进行地图综合；如果系自己理解错误，则可以从形象直观的地图上纠正自己的概念。
总之，地图综合绝不是简单地为地图表达而进行的，地图综合的目的也不仅仅是为了视觉上的清晰表达。没有科学的地理认知，就谈不上科学、正确的地图综合。
地图综合过程的概念抽象模型
数字景观模型和数字制图模型是Mrassel和Weibel提出的概念，前者用于描述地理数据库，后者用于描述地图数据库。地理数据库中储存的数据是以实体形式描述地理客体的精确位置、形状和属性，以及实体之间的关系，变化过程等，而地图数据库是符号化了的地理数据库。
数字地图综合的实质上是从DLM向DCM转化的过程。其语义概括阶段是在ＤＬＭ中进行，图形概括阶段则包括从DLM向ＤＣＭ的转化和由前一个DCM向后一个ＤＣＭ转换的过程。
正文
数字化环境下的地图综合必须以信息时代地图学与地理新新系统科学领域的众多理论、方法和技术进展为基础，走自动化、智能化的道路。在数字化环境下地图综合已经不再是纯粹的从图到图的取舍和简化，还应包括数据库或ＧＩＳ数据库的综合；地图综合的驱动因子已不再只是比例尺，还应包括分辨率。地图综合应该采用一些新的方法和技术，其中以图形思维的高度理性化和形－数－理的结合为核心方，将地学信息图谱和数据挖掘等新方法和技术引入其中。网络环境的分布式实时综合、数字地图之中的地图综合、遥感影像的地图综合、４Ｄ产品的地图综合等，都应当是新形势下的地图综合的应用方向。
地图综合中存在许多哲学思维，例如地图综合过程中的地理对象和地理尺度层次思考、地图综合对地球客体的有序性和地学规律控制，地图综合中的制图对象的矛盾转化与协调，地图综合中地球客体演化周期性与信息循环、地图综合中的抽象度、地图综合中的形似与神似、信息映射和派生。他们对地图综合的研究和操作都有着深刻的影响。
地理科学的认知论和方对地图综合也有着十分重要的影响。例如地图综合必须重视地物的整体观，进行全局审视；必须重视层次观，进行图层的视觉层次考虑。必须重视循环认识论，在信息挖掘和加工螺旋中实现地物概括和抽象的升华；应该在地图综合中引入模糊逼近的概念，避免绝对化；应该借鉴形－数－理一体化的方。将传统方法和现代方法相结合。
地理信息科学中的诸多问题都与地图综合相关联，必须研究地图综合与空间信息尺度转化与多元空间数据派生的关系，研究数字地图中的地图综合的特殊要求和关键技术。
数字化环境下的地图综合的理论模型包括信息机理模型、过程概念抽象模型等，其中的核心应该是将数学模型与知识机理，ＧＩＳ工具三者有机结合，形成自动化的地图综合的强有力方法和技术环境。
基于地理实体的矢量数据模型
地图上的地理实体是对复杂的地理事物抽象后得到的具有属性的实体。严格的说，任何真实地理实体在空间都占有一个维度不为零的面积，他都存在一个不为零的厚度。如果，物体在任何一个维度上的长度为零的话，他就是不可见的，这样的实体也就不再是实体。照此逻辑，地理实体都应该是一个三维体对象，抽象和概括过的实体最好也是三维的，但是，实际上多么详尽的地图，都不可能完全描述而且也没有必要将真实地理事物详尽、毫无遗漏的描述出来，地图是客观地理世界的一种模型，他从不同的角度、以不同的形式对真实地理世界进行了抽象描述，人们通过对地图的浏览、分析、与解译以取代对真实地理世界的勘探与研究，这正是地图所具有的独特功能。无论是传统的二维线画地图，地图晕渲地图，还是现在的数字平面地图，三维城市模型等，他们都是对真实地理世界的抽象。根据地图上地理实体的外貌特征，一般可将其归为三类：
点实体
线实体
面实体
真实世界中的地理事物在地图上能否被抽象为一个实体，或者被抽象为哪种维度的实体，与地图的比例尺密切相关。例如，在一定的比例尺下，一个大厦可以是一个实体，而在更小的比例尺下一个城市也可以是一个实体，此时大厦作为城市实体的一个部分而不能在存在，在大比例尺地图上，河流可以是一个面实体，但在小比例尺地图上他可能被转化为线实体。
基于地理实体的矢量数据模型，强调的是空间事物的个体及其他事物间的关系。在基于地理实体的矢量数据模型中，实体尤其是线于面实体都是采用具有一定方向的有序数据——矢量数据来记录的，实体位置常用直角坐标系或地理坐标经纬度来定义。在数字地图综合领域，这是一种最为常见的数据模型，许多地图综合的算法都是在这种模型的基础上提出的。
根据数据模型中是否存储了空间拓扑关系，基于地理实体的矢量数据模型又分为分拓扑模型和拓扑模型两种。前者仅用点、线、多边形数据描述点、线、面实体自身的机构和性质，而拓扑模型除了包括上述模型的全部内容之外，还包括实体之间的空间位置关系，例如点与点、点与线、点与面、线与线、线与面、面与面之间的空间关系。
地理实体的矢量数据模型具有诸多优点，如描述地理实体位置精确，数据结构紧凑，冗余度低，有利于网络分析，因而在地图综合领域得到广泛的应用。拓扑矢量数据模型为空间分析提供了某些便利条件，但是对于地图综合而言，这种模型的能力还极为有限。采用这种模型，在进行空间关系分析判断中，需要进行大量的纯几何计算，算法复杂，效率低下且效果并不理想。再者，这种模型与制图综合的原始驱动力——比例尺无法建立直接的联系，故这类模型在制图综合中仍具有一定的局限性。
在一定程度上，基于空间分析的网络数据模型 矢量数据模型的缺陷。他是通过一系
列某种形状的剖析单元将整个地图平面或地球球面进行连续分割，从而形成连续铺盖的网格。规则型网格区域内所有的点都具有相同数目、形状和大小的毗邻单元，破分单元主要为方格，三角形和六边形、三角形是最基本再分割的单元，这种网络生成的速度快，数据结构简单；不规则网络区域内的点毗邻单元不一定相同目前主要剖分单元不一定相同，目前主要剖分单元为不规则三角形和多边形，这种网格生成技术比较复杂，但他弥补了规则型网格不能够解决任意形状和任意联通区域网格剖分的缺欠。
人们生活在地球表面，地球仪应该是表达地理世界的最佳模型，但因地球仪在制作、保存、运输和使用过程中的诸多不便，实际上平面地图成为描述地理世界的最佳手段。首先，随着数字化时带的到来，许多国家和地区纷纷建立起各种模型的空间数据库，而且这些数据库大多沿袭了传统地图表达空间信息的模式，对地理实体位置的描述仍采用平面直角坐标系或地理坐标，这些数据自身不能说明精度，而且自身没有比例尺概念，这对以比例尺为原始驱动力的地图综合而言存在先天不足。其次，随着人类研究区域的不断扩大，原有适于区域性表达的平面数据模型，对于全球性地理现象研究与环境监测的需要具有明显的。对地观测数据的急剧增长，全球性空间数据可的建立，要求数据局部更新快，且应融合不同分辨率的数据。以便于人们从不同的尺度空间来观察与研究地球。而这些都是平面数据模型自身难于提供技术支持的，故球面网格模式应运而生。
球面网格是由形成地球表面剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一个与之相关连的点。每个网格单元的形状和大小可以是规则的，也可以是不规则的。规则型球面网格单元可以是三角形、多边形，三角形是最小的不可分细的单元；不规则的包括Ｖｏｒｏｎｉ图等。大多数应用需要规则型网格，他便于开发简单而有效的算法，更重要的是规则型网格单元可以细分到一定的空间尺度，形成具有层次性的网络模型，空间数据分辨率的层次变化实际上反映了比例尺的变化，这对以比例尺变化为原始驱动力的地图综合极为重要。
除了球面网格数据模型还有多尺度数据模型。多尺度数据模型是指在模型结构中考虑了具有不同详细程度内容的各次数据版本，这些数据版本是从原始空间数据按不同粗略程度提取出来，并按某种方式进行了组织。建立多尺度数据模型，可以解决日益增长的地图数据量与相对滞后的硬件配置之矛盾。在网络传输矢量地图数据时，假若仅用十分之一的数据量就能够大致反映出数据的全貌，即可大大缓解网络宽带的压力。
随着互联网技术和WEBGIS的蓬勃发展，网络地图日益成为一种快捷的地图信息发布和远程交互技术控制的媒介。在新的技术下，人们不再满足于静态，单一分辨率的空间可视化，提出从多角度、多视点、多层次对空间信息可视化的表达要求。目前网络地图综合中主要采取四种技术：
1建立多尺度数据库
再多分辨数据库中预先存下不同细节层次模型，由于事先进行综合，该方法具有较高的效率，所以应用广泛，但在不同比例尺之间切换时有跳跃现象，区间跨度大时需要多个不同细节层次模型，更新时必须每个地图细节层次都更新。
2在线式综合
即运行时从单个数据集中提取地理要素，创建临时视图。这种方式可支持各种比例，容易维护，但时间占用过多，目前缺少有效算法，仅适用于简单算法可以进行综合的物体类。
3渐进式矢量数据传输技术
该思想源于栅格数据的渐进式传输，在首次传输的数据基础上，仅传输增量数据，添加到目前已显示的地图上， 其困难在于如何构造有效的数据结构，以便在客户端能够集成这些不同时刻传来的数据，包括地理目标及其空间关系，从而使客户端显示的地图完整、正确。
4基于ＷＥＢ的地图综合服务
是利用网络服务功能建立的地图综合服务器。以便用户在ＧＩＳ客户端或浏览器利用地图综合功能，进行地图综合处理。
网络环境下地图综合的特点
地图是真实世界的一个尺度模型，地图综合是不可缺少的。在网络环境下，网络终端的地图用户对地图综合提出了更高的要求，往往需要服务器提供任意地点、任意时间、任意比例尺的最新地理信息，因此探讨网络环境下的地图综合的特点是非常必要的。
影响地图综合的主要因素是地图内容、地图可视化环境、地图用户的需要和支撑地图综合的技术平台。在网络环境下地图综合的影响因素也是如此，其中，地图可视化环境、地图用户的需要和支撑地图综合技术平台的三个因素在网络环境下有其特殊性。由此也决定了网络环境下地图综合的特点，其主要特点如下：
１需要综合的地理区域范围有其任意性：主要表现在地图可视化环境有一定程度的任意性，例如，移动设备的显示环境和任意图形窗口。这就需要网络环境下的地图综合功能可以处理任意比例尺跨度和任意地理区域的地图综合，保证地图清晰易读。
2地图综合约束条件的多样化：网络环境下地图综合面对的地图用户下需求是多样化的，这就要求所提供的地图综合服务功能必须能识别用户的需要，在综合过程中能充分考虑用户的需求。
3地图综合响应时间很短：地图综合本身就是一个很耗时的过程，但是在网络环境下必须时时提供地图综合结果，这就要求相应的地图综合算法或提供综合结果的方法能快速的对地理信息进行综合。
4综合算法与网络平台需要紧密结合：地图综合算法和过程必须与网络环境下的地理空间数据管理和传输紧密结合，以便充分利用有关的技术资源和空间数据库，提高显示不同比例尺地图的响应速度。
多尺度空间数据库 MSDB
现实生活中，不可能观察地理世界的所有细节，在GIS环境下，一般把信息被观察、表示、分析和传输的详细程度称为尺度。因此尺度必定是所有地理信息的重要特性，同一地理实体在不同尺度下可能表示为不同的空间形态、属性级别等。
维护和管理同一地理客体在几何、拓扑结构和属性方面的不同比例尺表达形式的空间数据库称为多尺度空间数据库MSDB。在这种情况下，GIS数据库能在不停层次上表示实体，并支持对数据的不同详细程度的修改。初始状态是按每一分辨率级别描述实体，并确定实体间的连结关系。当一个实体被修改时，其变化能传播到其他实体，从而自动演绎出其他分辨率的数据。
