概述——地理信息系统数据表现与地图学

地图是记录地理信息的一种图形语言形式,从历史发展的角度来看,地理信息系统脱胎于地图,并成为地图信息的又一种新的载体形式,它具有存储、分析、显示和传输的功能,尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了成套方法,为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持;同时,地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。但二者又有本质之区别:地图强调的是数据分析、符号化与显示,而地理信息系统更注重于信息分析。地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响,特别是地理信息系统中的空间数据表现许多技术来源于地图学,但是,其表现手段更加灵活和丰富。

计算机制图是地图学中较新的一个领域,也是地理信息系统输出、显示结果的一个重要部分。计算机制图的主要内容是将地图设计和绘制通过计算机程序和相应的绘图硬件来实现。地图符号已经可以完全由计算机绘制。对地图特征的许多处理,如分类、空间插值等均可用计算机来实现。利用计算机对线状要素进行制图综合也已经取得很大进步。但是,利用计算机进行制图综合的结果仍比较机械,需要将更多的专家经验计算机化,特别是用计算机同时对多种内容进行地图综合还不太成熟。计算机图形学是利用计算机处理图形信息以及借助图形信息进行人——机通讯处理的技术,是GIS算法设计的基础,GIS是随着计算机图形学技术的发展而不断发展完善的。

构成地图学与地理信息系统的数学法则

地图对它所表现的地面上的景物,应能按比例尺衡量。比例尺是地图上直线长度与地面上相应距离的水平投影长度之比。如地图上注有比例尺1:50000,表示图上地物的长度相当于相应地面地物长度的1/50000。这个尺度对大比例尺地图来说,基本上适合图上各个部分。因此,可以认为,比例尺是地图线形缩小程度的标志,它是构成地图数学要素的基本组成部分之一。地图上各种地物之间的关系,要求按数学法则构成,这就是先将地球自然表面的景物垂直投影到地球椭球面(或球面)上,再将地球椭球面(或球面)按数学法则投影到平面上而构成地图。这种按数学法则将地球椭球面(或球面)转绘到平面上的方法,叫地图投影。按这种方法建立的数学基础,才能使地球表面上各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系,从而才能在地图上准确地表达空间各要素的关系和分布规律,才可能反映出它们之间的方向、距离和面积,使地图具有区域性和可量测性。

地图学和地理信息系统的符号

地图符号是表达地图内容的基本手段,它不仅能表示事物的空间位置、形状、质量和数量特征,而且还可以表示各事物之间的相互联系及区域总体特征。图形符号是由形状、尺寸和颜色三个基本因素所组成,具有系统化的特点;注记是地图符号的一个重要部分,它也有形状、尺寸和颜色的区别。根据事物分布的特点,地图符号有面状、点状和线状之分。这些符号运用在表示专题要素的分布、质量和数量特征以及动态变化时,形成了许多表示法:范围法、质底法、量底法、等值线法、定点符号法、线状符号法、动线法、点值法、定域统计图法、色级统计图法以及定位统计图法。表示地形的主要方法有等高线法、分层设色法、晕渲法等。

地图符号是表示地图内容的基本手段,它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成。地图符号是地图的语言,是一种图形语言。它与文字语言相比较,最大的特点是形象直观。就单个符号而言,它可以表示某个事物的空间位置、大小、质量和数量特征;就同类符号而言,可以反映各类要素的分布特点;而各类符号的总和,则可以表明各类要素之间的相互关系及区域总体特征。因此,地图符号不仅具有确定客观事物空间位置、分布特点以及质量和数量特征的基本功能,而且还具有相互联系和共同表达地理环境各要素总体的特殊功能。

地图符号的形成过程,可以说是一种约定的过程,经过很长时间的检验,有约定而达到俗成的程度,为广大用图者所熟悉和承认。地图符号的作用,在于它能保证所表示的客观事物空间位置具有较高的几何精度,从而提供了可测量性;能用不依据比例符号或半依据比例符号表示出事物的质量和数量特征。

地图是运用易被人们感受的图形符号表示地面景物的,使用符号具有以下功效:

  1. 有选择地表示地理环境中的主要事物,因而在较小比例尺的地图上所表现的地面情况,仍能一目了然,重点突出。对于那些由于缩小而不能按比例尺表示的重要地面景物,可用不依比例的符号夸大表示;

  2. 用平面的图形符号表示地面的起伏状况,也可以说是在二维平面上,能够表达出三维空间状况,而且可以量测其长度、高度和坡度等;

  3. 除了用符号表示出地面景物的外形,还能表示出景物的看不见的本质特征,如在海图上可以表示出海底地形、海底地质、海水的温度和含盐度等;

  4. 用符号可以表示出地面没有外形的许多自然和社会经济现象,如气压、雨量、政区和人口移动等。此外还可以表现出事物间的联系和制约关系,如森林分布和木材加工工业之间的联系。地图上还有起说明作用的文字和数字,它们也是地图的重要组成部分,用以标明地面景物的名称、质量和数量。

地图学和地理信息系统的制图综合

制图综合是对制图区域客观事物的取舍和简化。经过概括后的地图可以显示出主要的事物和本质的特征。地图的比例尺、用途和主题,制图区域的地理特征以及符号的图形尺寸是影响地图概括的主要因素,地图概括主要表现在内容的取舍、数量简化、质量化简和形状化简等方面。

地图最重要、最基本的特征是以缩小的形式表达地面事物的空间结构,这个特征表明,地图不可能把地面全部事物毫无遗漏地表示出来。地图上所表示的地面状况是经过概括后的结果。地图和实际地面相比,是缩小的。地图上所表现的地面景物,从数量上看是少的,从图形上看是小了、简化了。这是因为地图上所表现的内容都是经过取舍和化简的。由1:10000比例尺缩小到1:50000比例尺的地图,对原来的内容如不进行取舍和化简,缩小后的地图既不清楚又不易读。这种把实地景物缩小或把原来较详细的地图缩成更小比例尺地图时,根据地图用途或主题的需要,对实况或原图内容进行取舍和化简,以便在有限的图面上表达出制图区域的基本特征和地理要素的主要特点的理论与方法,称为地图综合(地图概括)。制图综合就是对客观事物进行取舍和化简,取舍就是从大量的客观事物中选出最重要的事物表示在图上,而舍去次要的事物;化简就是对客观事物的形状、数量和质量特征的化简;形状化简是去掉轮廓形状的碎部,以突出事物的总体特征;数量和质量特征的化简就是减少分类和分级的数量,以缩小与客观事物的差别。当然取舍和化简不是任意的,而是根据地图的比例尺、用途和制图区域的地理特征,对地图上各要素及其内在联系加以分析研究,选取的目的是强调主要的事物和本质的特征,而舍去次要的事物和非本质的特征。制图综合可分为比例概括和目的概括。前者是由于地图比例尺缩小,图形也就缩小,有些图形缩小到难以清楚地表达出来,从而必须选取和化简;后者是因为客观事物的重要性并不完全决定于它的图形大小,故而它的选取和化简也不完全由比例尺决定,还要根据编图者对客观事物重要性的判断来确定是否选取和化简。

从地理信息系统的发展过程可以看出,地理信息系统的产生、发展与制图信息系统存在着密切的联系,两者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。从系统构成与功能上看,一个地理信息系统具有机助制图系统的所有组成和功能,并且地理信息系统还有数据处理的功能。地图是一种图解图像,是根据地理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型,是地理思维的产物,也是实体世界地理信息的高效载体,地图可以从不同方面、不同专题,系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的地理景观信息。