現(xiàn)代地圖學(xué)發(fā)展評述
——地圖制圖技術(shù)的發(fā)展

尹超 高光明 中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南長沙 410083

現(xiàn)代地圖學(xué)發(fā)展評述
——地圖制圖技術(shù)的發(fā)展

尹超 高光明 中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南長沙 410083

現(xiàn)代地圖學(xué)以地理信息傳輸為中心，以研究地圖的本質(zhì)、地圖的設(shè)計(jì)和制作技術(shù)以及使用方法為基本任務(wù)。隨著科技的發(fā)展,傳統(tǒng)的地圖制圖科學(xué)發(fā)生了深刻的變化,地圖制圖技術(shù)得到了大幅度的發(fā)展。地圖制圖數(shù)據(jù)源朝著多元化方向發(fā)展，地圖生產(chǎn)技術(shù)科技含量越來越高，功能更加強(qiáng)大。

現(xiàn)代地圖學(xué)；制圖技術(shù)的發(fā)展；地圖制圖數(shù)據(jù)源；地圖生產(chǎn)技術(shù)

1 現(xiàn)代地圖學(xué)概述

地圖學(xué)是研究有關(guān)地圖的理論體系和技術(shù)系統(tǒng)及其應(yīng)用的學(xué)科, 是一門研究以地圖圖形反映與揭示各種自然和社會現(xiàn)象空間分布、相互聯(lián)系及動態(tài)變化的、技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的科學(xué)。其研究對象是地球表層各種自然與社會現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)與特性的空間信息,集中表達(dá)了人類對地理環(huán)境的科學(xué)認(rèn)識,展示了自然與社會現(xiàn)象的空間分布、內(nèi)在聯(lián)系及其時(shí)間變化等，也成為區(qū)域創(chuàng)新與科技地理研究的新工具。

現(xiàn)代地圖學(xué)以地理信息傳輸為中心，以研究地圖的本質(zhì)、地圖的設(shè)計(jì)和制作技術(shù)以及使用方法為基本任務(wù)。其中，地理信息系統(tǒng)是地圖、機(jī)助地圖制圖系統(tǒng)和地圖數(shù)據(jù)庫的發(fā)展和延伸,是地圖學(xué)發(fā)展的新階段。地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)的融合,充實(shí)了地圖學(xué)的理論體系,豐富了地圖學(xué)的研究內(nèi)容,也拓寬了地圖學(xué)的應(yīng)用范圍,賦予了現(xiàn)代地圖學(xué)新的發(fā)展空間。現(xiàn)代地圖學(xué)已經(jīng)不是一般的應(yīng)用科學(xué),而是可以作為表現(xiàn)事物空間分布的科學(xué)了。而數(shù)字制圖系統(tǒng)的應(yīng)用,以及將人工智能、專家系統(tǒng)的概念和技術(shù)用于地圖設(shè)計(jì)過程,也使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有模擬地圖制作者的思維和推理能力，實(shí)現(xiàn)真正意義上的地圖生產(chǎn)的自動化和智能化。

2 地圖制圖技術(shù)的發(fā)展

由于“3S”技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理等技術(shù)的引入，地圖制圖的數(shù)據(jù)源、地圖的生產(chǎn)過程都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的地圖制圖數(shù)據(jù)源主要是外業(yè)測量以及航空射影測量的數(shù)據(jù)或直接利用現(xiàn)有地圖資料，經(jīng)過制圖人員編繪成新的地圖。而目前地圖生產(chǎn)的數(shù)據(jù)源卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。GPS測量是地圖生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)源。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率、多波段、多時(shí)相的遙感圖像成為制圖重要數(shù)據(jù)之一。

傳統(tǒng)的地圖生產(chǎn)工藝是利用各種繪圖或刻圖工具手工制圖，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在地圖制圖中的運(yùn)用,數(shù)字化的生產(chǎn)方式已貫穿了地圖生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。利用模式識別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)采集的自動化；在地圖數(shù)據(jù)庫和符號庫的支持下,可以快速自動生成地圖；地圖制圖綜合專家系統(tǒng)已經(jīng)在許多地圖要素層上實(shí)現(xiàn)了自動化。目前出現(xiàn)了眾多商業(yè)化的功能強(qiáng)大的桌面制圖軟件,如ARC/INFO 和Intergraph。隨著地圖印刷技術(shù)的發(fā)展，印前系統(tǒng)的不斷完善,地圖生產(chǎn)的全過程(包括地圖設(shè)計(jì)、地圖編繪、地圖復(fù)制)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字環(huán)境下人機(jī)協(xié)同的半自動化甚至完全自動化。

2.1 地圖制圖數(shù)據(jù)源

2.1.1 傳統(tǒng)地圖制圖數(shù)據(jù)源

傳統(tǒng)的地圖制圖數(shù)據(jù)源主要是外業(yè)測量以及航空射影測量的數(shù)據(jù)或直接利用現(xiàn)有地圖資料，經(jīng)過制圖人員編繪成新的地圖。傳統(tǒng)的地圖制圖數(shù)據(jù)源形式比較單一，并且外業(yè)測量獲得的數(shù)據(jù)源由于人為因素或者天氣、測量儀器誤差等因素導(dǎo)致制作出的地圖存在比較大的誤差，精確度較低。航空攝影測量的數(shù)據(jù)也同樣由于天氣等因素的影響會導(dǎo)致誤差。而利用現(xiàn)有的地圖資料編繪出新的地圖，耗費(fèi)較多的人力，且精度不高。

2.1.2 現(xiàn)代地圖制圖數(shù)據(jù)源

新技術(shù)條件下新增加的制圖數(shù)據(jù)包括GPS數(shù)據(jù)庫和遙感圖像等。地圖數(shù)據(jù)是以數(shù)字地圖的形式存儲各種來源的數(shù)據(jù),地圖數(shù)據(jù)一旦建立,長久受益,可以發(fā)揮測繪專業(yè)優(yōu)勢,廣泛地為社會各行各業(yè)服務(wù),提供豐富多彩的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,避免重復(fù)勞動,節(jié)約社會勞動力,創(chuàng)造更多的社會財(cái)富。同時(shí)可長期保留數(shù)據(jù),動態(tài)更新,充分提高數(shù)據(jù)的利用率,創(chuàng)造更大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（1）GPS

G P S 即全球定位系統(tǒng)（G l o b a l Positioning System），是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測量導(dǎo)航技術(shù)的一種。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。因?yàn)镚PS具有全天候、全球覆蓋、三維定速定時(shí)高精度、快速省時(shí)高效率、應(yīng)用廣泛多功能的特點(diǎn)，使得GPS成為地圖制圖重要的數(shù)據(jù)源。GPS單機(jī)實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)1～5米,可滿足中小比例尺制圖的精度要求,高精度的GPS靜態(tài)測量可以達(dá)到1mm以內(nèi)的精度,可滿足大比例地圖更新的要求。

（2）遙感

攝影測量學(xué)已有一二百年的歷史,遙感學(xué)科是本世紀(jì)6 0年代提出并發(fā)展起來的,遙感是一種不通過直接接觸目標(biāo)物而獲得其信息的一種新型的探測技術(shù)。它通常是指獲取和處理地球表面的信息，尤其是自然資源與人文環(huán)境方面的信息，并最后反映在相片或數(shù)字影像上的技術(shù)。影像通常需要進(jìn)一步處理方可使用，用于該目的的技術(shù)稱為圖像處理。遙感作為空間數(shù)據(jù)采集手段，已成為現(xiàn)代地圖主要信息源與數(shù)據(jù)更新途徑。隨著新型傳感器的不斷研制、影像處理技術(shù)的進(jìn)步,制圖工作者不僅可以從低空、中空、高空飛機(jī)上,而且可以從人造地球衛(wèi)星、載人宇宙飛船、航天飛機(jī)等空間飛行器上取得各種圖像作為地圖制圖的數(shù)據(jù)源,這些圖像的覆蓋范圍可以小至幾百米,大到覆蓋1/3的地球,圖像類型不僅有黑白、彩色、彩紅外片,而且有可見光、紅外、微波雷達(dá)圖像等,這些圖像和探測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以為制圖工作者提取大量有用的信息。

2.2 地圖生產(chǎn)技術(shù)

2.2.1 傳統(tǒng)地圖生產(chǎn)技術(shù)

傳統(tǒng)的地圖生產(chǎn)工藝是利用各種繪圖或刻圖工具手工制圖，生產(chǎn)出來的地圖叫做傳統(tǒng)地圖，即紙基地圖。以手工繪圖技術(shù)為代表的傳統(tǒng)地圖生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、難度大、工序多、生產(chǎn)周期長、勞動強(qiáng)度大、表現(xiàn)形式比較單一、標(biāo)示方法少、彩色處理困難。紙基地圖是空間地理環(huán)境的抽象化、概念化和可視化的圖形符號模型,它是按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)法則和科學(xué)的制圖法則,利用符號系統(tǒng)記錄空間地理環(huán)境信息,能反映自然和社會現(xiàn)象的空間分布、組合、聯(lián)系與制約關(guān)系。它具有靜態(tài)的局部性,不能有效反映具有時(shí)間特性的連續(xù)變化的地理環(huán)境,無法進(jìn)行動態(tài)分析。因?yàn)樗m合人們較傳統(tǒng)習(xí)慣的視覺讀圖效果,不需專門硬件設(shè)備即可攜帶使用。因此目前它在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中仍有不可取代的作用。但攜帶大批量的圖紙資料,既不方便又不符合地圖保密安全的要求。

2.2.2 現(xiàn)代地圖生產(chǎn)技術(shù)

計(jì)算機(jī)地圖制圖是GIS采集、貯存、處理空間數(shù)據(jù)的有力工具和手段。嚴(yán)格地講，計(jì)算機(jī)地圖制圖是以傳統(tǒng)的地圖制圖原理為基礎(chǔ)，利用電子計(jì)算機(jī)及其聯(lián)結(jié)的輸入、輸出裝置作為主要工具，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和圖形數(shù)字處理方法，實(shí)現(xiàn)地圖信息的獲取、變換、傳輸、識別、存貯、處理、顯示和繪圖輸出。它是一門正在迅速發(fā)展的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。計(jì)算機(jī)地圖制圖又稱機(jī)助制圖。計(jì)算機(jī)地圖制圖系統(tǒng)側(cè)重于可見實(shí)體的顯示和處理，而對可見實(shí)體可能存在的非圖形屬性不太注重，然而這種屬性在地理分析中卻是非常有用的、必要的數(shù)據(jù)。

在80年代中期，隨著數(shù)字地圖及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)視覺化研究的深入，在側(cè)重于空間信息的表現(xiàn)與顯示的基礎(chǔ)上，電子地圖應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展成了一種新型地圖，又稱屏幕地圖和瞬間地圖。因其獨(dú)特的動態(tài)性、交互性和探索性、多媒體結(jié)構(gòu)等性能，它一經(jīng)問世就得到人們的青睞。電子地圖主要應(yīng)用于政府宏觀管理、科學(xué)研究、規(guī)劃、預(yù)測、大眾傳播媒介、信息服務(wù)等領(lǐng)域。另外，它與全球定位系統(tǒng)(GPS)相結(jié)合，在航天、航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及汽車導(dǎo)航中也發(fā)揮著十分廣泛的作用。目前，在國際上影響較大的電子地圖有美國世界影像電子地圖集、加拿大國家電子地圖集。在美國、英國、日本等國用于政府高層宏觀決策與信息服務(wù)的電子屏幕顯示系統(tǒng)中均有大量的電子地圖。隨著發(fā)展，眾多的地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用成果也都以電子地圖的形式來展示。

電子地圖與紙基地圖相比其最大特點(diǎn)是,數(shù)據(jù)存儲與顯示是分開的,地圖內(nèi)容通過數(shù)字化形式存儲在相關(guān)介質(zhì)中,應(yīng)用時(shí),由讀圖系統(tǒng)界面提供符號化圖形。電子地圖具有多媒體等技術(shù)優(yōu)勢,充分地體現(xiàn)了地圖絢麗多彩、形式多樣化的現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)手段,如圖形圖像學(xué)支持下的3維立體地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的現(xiàn)代化的地圖產(chǎn)品。

數(shù)字地圖具有信息負(fù)載量大、傳輸迅速方便等特點(diǎn)。地圖制圖可以憑借在地圖上的強(qiáng)大專業(yè)優(yōu)勢,向其他行業(yè)提供數(shù)字地圖,節(jié)約社會必要勞動時(shí)間,創(chuàng)造更大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。光盤、磁帶等存儲介質(zhì)容量大,穩(wěn)定性、安全性高,可以用于裝載傳送數(shù)字地圖；目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)空前發(fā)展,數(shù)字地圖可以形成標(biāo)準(zhǔn)格式,通過Internet的Email等形式直接傳遞給用戶。這也是地圖的新技術(shù)產(chǎn)品以新技術(shù)方式為社會服務(wù)的關(guān)鍵所在。家庭計(jì)算機(jī)的擁有量正迅速增加,廣泛開發(fā)應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品與傳統(tǒng)地圖相比,GIS數(shù)據(jù)源在增多,數(shù)據(jù)量在增大；在遙感等技術(shù)的支持下,可保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性；數(shù)據(jù)查詢、檢索方式靈活多樣,信息傳輸?shù)目蛇x性增強(qiáng)；通過數(shù)據(jù)分析和計(jì)算,可以為用戶提供大量的派生信息；計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)提供了多種多樣的地理信息產(chǎn)品及傳輸方式。因此大力發(fā)展桌面GIS,并使之進(jìn)入千家萬戶,使地圖產(chǎn)品和服務(wù)方向產(chǎn)生一個新的質(zhì)的飛躍。

3 結(jié)語

通過本文可以發(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，地圖制圖技術(shù)產(chǎn)生了前所未有的變革。地圖學(xué)在先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用飛速發(fā)展的時(shí)代,其先進(jìn)的理論及其對實(shí)踐的指導(dǎo)必須跟上時(shí)代的步伐。地圖產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)該朝著人性化的方向發(fā)展，適應(yīng)新技術(shù)的工作流程。數(shù)據(jù)采集應(yīng)該更加多樣化，把傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法相結(jié)合，促進(jìn)地圖數(shù)據(jù)庫的更新和豐富。地圖生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)該綜合運(yùn)用現(xiàn)代地圖生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)方法，使得地圖的功能更加強(qiáng)大。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.021

尹超，男，2003-2007年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)，2 0 0 8年至今在中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士。