創新思維改變地圖學

王家耀，孫力楠，成 毅

（解放軍信息工程大學測繪學院，河南鄭州 450052）

創新思維改變地圖學

王家耀，孫力楠，成 毅

（解放軍信息工程大學測繪學院，河南鄭州 450052）

隨著社會發展和技術進步，地圖學經歷了并正在繼續經歷著巨大的變化，這應當是人類創新思維的推動。從8個方面論述了改變地圖學的創新思維，正是這些創新思維使地圖學這門具有悠久歷史的傳統學科生機勃勃、充滿活力，如今傳統地圖學（地圖制圖學）已發展成為地圖制圖學與地理信息工程（地理信息系統）學科，傳統地圖學已經被數字化地圖學所取代，正向以地理空間信息綜合服務為核心的信息化地圖學轉變。地圖學發展的歷史表明，創新思維是必不可少的。

創新思維；地圖；地圖學

地圖學是描述和表達地（星）球空間數據場和信息流的科學，是地球空間信息的抽象、概括、表達和傳輸的科學，兼有認識論和方法論特色[1]。地圖學既是一門有著幾乎和世界文化同樣悠久歷史的古老科學，又是一門永遠充滿生機與活力的科學[2]。在地圖學發展漫長的歷史長河中，有哪些值得追溯的對地圖學發展有重要影響的創新思維呢？這不僅需要總結地圖學的過去，同時也指導地圖學的現在和未來。

1 地圖學為何能獲得迅速發展和巨變

地圖學在經歷漫長而曲折的發展后步入信息社會，與之相關的幾乎所有科學技術都在發生著日新月異的變化，地圖學也在日新月異的變化中前行，特別是近、現代以來，地圖學可以說發生了巨變。那么是哪些創新思維推動了這一變化呢？

1.1 地圖—表達復雜地理世界的最偉大的創新思維

之所以說地圖是表達復雜世界的最偉大的創新思維，從本質上講是因為地圖作為一門科學語言，能跨越自然語言和文化而被廣泛接受。地圖的統一比例尺保證地理空間可以同等對待（空間客觀性），地圖采用經過抽象的符號系統和簡化的形式（信息等級層次）重構復雜的地理世界具有抽象思維的戰略效用，具有投影系統的地圖符號的精確性和地名標注的正確性保證可量算性和客觀性。正因為如此，地圖才具備了科學表達非線性復雜世界的空間結構與空間關系的本質功能，與線性的文字表達方式相比具有無比的優越性，于是有人說“地圖的最初使用必然會在思想領域引起一場革命”[3-6]。

一幅地圖表達復雜地理世界的廣度和深度都是有限的，地圖集就不一樣了。地圖集是地圖的“綜合”和“深化”，即地圖集是依據統一的設計書和編圖大綱進行設計和編繪的多個圖組、多幅（系列）地圖的系統匯編，各圖組、圖幅在內容上互相聯系、形式上規格統一、按照完整的結構體系和一定的邏輯關系把圖組、圖幅組織在一起，綜合反映復雜地理綜合體或其某個領域的空間結構、空間關系、時空變化及質量與數量特征等的客觀規律。無論是從“綜合”的角度還是從“深化”的角度，一部地圖集可以說就是一部以圖形符號系統（地圖語言）表達的復雜地里世界綜合體的“科學著作”或“百科全書”，也是一個時代人類文明的傳媒，這正是地圖集的魅力、生命力之所在[7]。

地圖對人類社會的重要性，正如有人說的“一個時代和一種文化沒有任何形式的地圖是難以想象的”，有人質疑地問到“我們能夠想象一個沒有地圖的世界嗎？”[6]可以說，今天地圖已經成為人們工作、學習、生活不可缺少的科學工具[8]。地圖 (集)作為表達復雜世界綜合體的創新思維對推動地圖學發展有著極為重要的作用。

1.2 由傳統地圖學的“封閉體系”到現代地圖學的“開放體系”

建立在近代地圖測繪基礎上，經過兩次世界大戰，于20世紀50年代形成的地圖學，稱之為“傳統地圖學”，是地圖生產之本，長期以來成功地指導了地圖生產。然而，當我們反思作為傳統地圖學的理論基礎和進一步發展時，就不能不感到憂慮了。很明顯，傳統地圖學是一個封閉體系，主要表現在：以經驗總結為主，忽視基本理論的研究與建設；以聯系對本學科存在直接關系的學科為主，忽視同更高層次學科之間的聯系；以地圖制作為主，忽視地圖應用的研究，尤其忽視地圖制圖者自身認識論和使用者認識活動規律的研究。在這種情況下，傳統地圖學要獲得實質性的進展是困難的，甚至是不可能的。而這一切正好發生在20世紀50年代信息論、控制論和系統論三大科學理論問世，繼相對論和量子力學之后又一次“徹底改變了世界科學圖景和當代科學家的思維方式”，無疑也為地圖學的發展指明了前進的方向。主要標志是地圖信息傳輸理論和模式的提出，其中最有代表性的是捷克人柯拉斯尼（A Kolacny），他于1969年提出了第一個地圖信息傳輸的模式，并引起了國際制圖學界對這一問題的普遍關注，先后提出了一系列地圖傳輸模式，我國學者至今還在進行深入研究。這些模式雖各不相同，但都可以這樣來理解：制圖者（信息發送者）把對客觀世界（制圖對象）的認識加以選擇、分類、簡化等信息加工并經過符號化（編碼），通過地圖（信息通道）傳遞給使用者（信息接收者），用圖者經過符號識別（譯碼），并通過對地圖的分析和解釋形成對客觀世界（制圖對象）的認識。很顯然，基于地圖傳輸觀點的地圖學是一個開放的系統。

地圖信息傳輸作為實現由傳統地圖學的“封閉體系”到現代地圖學的“開放體系”的創新思維，其意義是重大的。主要表現在：一是反映了地圖學作為一個“系統”的一切特征—完整性、目的性、人類認識活動基本過程、可控性等[9]；二是貫穿著地圖學的全部研究領域（地圖學各個領域的研究最終目的是為了信息的有效傳輸）；三是，為地圖學的理論和實踐開拓了更加廣闊的研究領域（具有交叉科學的特征）；四是帶來了地圖科技工作者觀念的轉變與更新，使地圖科技工作者深刻的認識到地圖學是一個地圖信息傳輸系統，要用信息論、控制論和系統論指導地圖學的研究、地圖的設計和制作。地圖信息傳輸的觀點，是對地圖學本質特征的揭示，對今天已經步入信息時代的地圖學（信息化地圖學）在理論、方法、技術的深化發展方面都具有深遠的意義。

1.3 由經驗地圖制圖到更加嚴密的理論模型制圖研究

把地圖作為模型是英國學者C.Board于1967年在《作為模型的地圖》一文中提出的。他的這一見解使地圖學術界把地圖視為一種模型的思想前進了一大步，并使模型理論與技術在地圖制圖中得到普遍運用，使地圖進入更加嚴密的理論模型研究階段，對促進地圖學的現代化進程起到了重要作用。

地圖作為模型，具有抽象模型中的概念模型、模擬模型和數學模型的特點。從系統論的觀點來看，人們既可以直接研究系統的原型，又可以從研究系統的模型著手，而將研究結論推廣到原型。通過模型來研究系統，是系統論觀點的一種重要方法。把地圖作為模型可以使我們更深刻的理解與更深入的研究地圖系統模型，長期以來一直推動著地圖學的發展。

我們可以把地圖視為地理環境的空間結構模型，其構建過程本質上是模型變換的過程或數據處理的過程，可以表述為其中，G為模型變換算子，Mk1為算子作用之前的模型，MK2為算子作用之后的模型[10]。對于不同類型的地圖（如普通地圖和專題地圖），G、Mk1、MK2有不同的含義。對于普通地圖（如地形圖），不同尺度模型之間變換的核心是制圖綜合，G為制圖綜合算子，Mk1為制圖綜合算子作用之前的大比例尺地圖模型，Mk2為制圖綜合算子作用之后的較小比例尺地圖模型[11,12]；對于專題地圖，模型變換的核心是專題數據處理和地理底圖要素數據處理，G相應地為專題數據處理的數學模型和地理底圖要素數據處理的制圖綜合算子，Mk1為模型變換之前的專題數據和地理底圖要素數據，MK2為模型變換之后的專題地圖模型[13]。

把地圖作為模型對于深化地圖學理論、方法與技術的研究具有十分重要的作用和意義。地圖作為現實世界抽象化和概括化的模型，具有解釋地理世界空間結構和空間關系的功能，成為一切與空間位置有關的自然和社會經濟現象定位的依據，為模擬地圖向數字地圖轉換奠定了邏輯數學基礎，為地理信息系統（GIS）中描述點、線、面單元的空間關系提供了理論依據，使地圖學的功能在GIS環境下得到充分的擴展和延伸，為實現全數字地圖制圖和空數據多尺度表達提供理論和方法支撐。半個多世紀以來，正是地圖作為模型的思維創新推動了地圖學的發展，而且這些領域探索的空間還很大。

1.4 由手工地圖制圖到電子計算機地圖制圖再到數字地圖制圖與出版一體化

傳統地圖制圖技術經歷過用繪圖工具在圖紙上繪圖到用刻圖工具在薄膜（涂布刻圖膜上刻圖的技術變革，也某種程度地改變了地圖制圖與出版工藝，縮短了地圖生產周期，提高了地圖質量，但這些都只是工藝的改變，并未擺脫手工制圖的狀態。

電子計算機在制圖上的應用，最早是在工程機械繪圖方面。這就給人們以啟發：能不能利用電子計算機繪制地圖呢？科學源于問題，正是在這種思維的驅動下，在20世紀70年代，計算機地圖制圖專業在我國就建立起來了。

要從真正意義上實現計算機地圖制圖，首先要實現制圖資料的數字化，并進一步建立地圖數據庫，這就推動了20世紀80年代中期開始的各類地圖數據庫的建設。在以大比例尺地圖數據庫作為基礎利用計算機制作較小比例尺地圖時，要解決制圖綜合這一國際性難題，這就首先引發了人在制圖綜合過程中的思維方式（抽象思維、視覺思維和靈感思維）以及自動制圖綜合過程控制及質量評估模型的研究，極大地推動了數字地圖自動制圖綜合模型、算法和知識（智能化）的深入研究，取得了一系列達到國際先進水平甚至具有國際領先水平的科學成果，同時引發了多尺度地圖數據庫一體化更新的研究[14，15，16,17,18,19,20,21]；地圖制圖的數字化，導致了地圖出版的數字化，出現了地圖印前編輯系統、數字直接制版甚至直接印刷系統等軟硬件，如今地圖制圖與地圖出版的全數字化與一體化、智能化已成為學界和業界的共同目標。目前，國內外的地圖制圖與出版生產，已實現了由傳統手工地圖制圖出版到現代計算機數字地圖制圖與出版的歷史性跨越，打破了長期以來制圖與出版之間的分工界線。所以地圖制圖出版技術上的革命首先得益于思維創新，思維創新引發了理論上的突破，并對地圖制圖與出版技術上的革命起先導作用。

2 地圖學的應用已向更廣的領域延伸

2.1 從地理信息系統到地理信息服務

GIS中的“S”，可以是“System”（系統），也可以是“Science”（科學），還可以是“Service”（服務）。

地理信息系統（Geographic Information System），首先由加拿大測量學家R.F.Tom linson于1965年提出并建成了世界上第一個地理信息系統CGIS。它脫胎于地圖、脫胎于機助地圖制圖系統、從地圖數據庫脫胎出來。40余年來伴隨著計算機軟硬件技術、通信網絡技術和遙感（RS）及衛星導航定位系統（GNSS）的快速發展，地理信息系統的數據源已不再局限于地圖數據，還包括遙感圖像數據、全球衛星導航定位數據、物聯網感知數據和各種社會經濟統計數據，信息的實時性和動態性不斷增強，同傳統地圖一旦制成其表示內容就被“固化”了相比，地理信息查詢、分析和可視化表達功能更加強大。地理信息系統體系結構和軟件開發模式都發生了很大變化[22]。

地理信息科學（Geographic Information Science）由M ichaelGoodChild于1992年提出，從科學層面研究了地理信息特別是三維分析建模、整體地球（由地心到地面及其上一定空間）的格網剖分、空間關系及其推理、多元異構地理空間數據集成、融合與同化等[23，24,25,26,27,28]。

地理信息服務（Geographic Information Service），體現一切都是服務的新思維，必然導致從面向數據到面向服務，從面向數據重用到面向功能重用、從面向數據格式轉換標準到面向服務接口標準、從面向專業用戶到面向大眾用戶的轉變，這正是目前研究與推行的網絡服務（Web Service）模式和網格服務（新一代網絡，Grid Service）模式，其基本特點是：數據、功能、計算資源、知識資源、衛星傳感器網、物聯網和云計算平臺等都是分布式位于網絡/網格節點上，實現資源共享與協同工作，利用面向應用的服務聚合方式為各類用戶提供個性化的服務，徹底改變一個用戶一個系統的傳統服務理念，是一種新的地理信息服務生成模式[29,30,31]。

地理信息系統及其先進技術支撐地理信息科學研究，地理信息息科學以先進理論引導地理信息系統技術發展，地理信息服務對地理信息科學和技術不斷提出新的要求，三者相互促進、相互支撐、共同發展。這正是創新思維所要達到的目的。

2.2 從地圖可視化到空間信息可視化再到虛擬地理環境

可視化對地圖學并不陌生，地圖本身就是可視化的。不過相對于地圖可視化主要研究傳統符號化、視覺變量及視覺感受效果而言，空間信息可視化則著重探索在動態、時空變換、多維條件下的視覺效果和增強視覺工具的功能，重點是將那些通常很難設想和接近的地理環境，以動態直觀的方式表現出來，其目的是提高對空間數據復雜過程分析的洞察能力，提高多維和多時相空間數據和過程的顯示能力，改善地理空間信息的傳輸效果，增強理解、發現自然界存在的地理現象的相互關系和啟發創新思維的能力[32,33]，給地球科學研究帶來了根本性變革，加深了對地理數據的理解，加強了地理學分析的直觀性，可借以觀測到諸如海洋環流、大氣湍流、地殼運動等地學過程；利用空間信息可視化技術模擬熱帶氣旋的移動、火山灰云的活動、海洋風暴潮及其對城市海水入侵過程，從而做出預警，使社會和公眾避免或減小損失。

在空間信息可視化基礎上發展起來的虛擬地理環境（Virtual Geographic Environments，VGE）是虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術在地理環境模擬中的應用，是一種由計算機生成的高級人機交互系統，構成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺、嗅覺的可感知地理環境，通過頭盔式的三維立體顯示器、數據手套及立體聲耳機等，使人完全沉浸在計算機創建的可視化地理環境里，人們可以通過這些專門設備在這個地理環境中實現觀察、觸摸、操作、檢測等試驗，有身臨其境之感。在衛星傳感器網和物聯網實時/準實時傳輸現場動態數據的情況下，可以構成與現場變化同步/準同步的虛擬地理環境，作為災害防范和搶險救災的地理環境工作平臺或作戰指揮控制和訓練戰場環境平臺，決策者（指揮員）在可 “進入”的地理環境中進行交互式操作并做出決策。正因為如此，這些年來虛擬地理環境的研究格外受到重視，取得了許多成果[34,35,36,37]。

作為地理信息表達的創新思維的空間信息可視化與虛擬地理環境，是信息時代地圖學的一個新的生長點，對于拓寬學科領域和促進地圖學理論、方法與技術的深化發展必將產生深遠的影響。

2.3 從地圖分析到GIS空間分析再到空間數據挖掘與知識發現

地圖分析與應用[38]，這是一個最基礎的問題，在傳統紙質地圖上利用簡單的工具和圖廓外輔助工具進行量算，基本上是手工操作，不僅費時、不便而且量算分析的精度和深度都很差，許多深層次的分析與應用甚至無法實現。

而地理信息系統就不一樣了，由于地理信息是數字化的（數字地圖），采用數據庫系統管理數據，GIS軟件有很強的自動信息查詢、檢索、量算和空間分析功能（模型和算法），很容易獲得地面任意點的位置（坐標）、高程、方位、面積、坡度、坡向、兩（多）點間的距離、兩（多）點間的斷面，方便地進行各要素的疊置分析、緩沖區分析和最優路徑分析，相對傳統紙質地圖而言，GIS空間分析不僅速度快、精度高，而且許多在傳統地圖上很難進行甚至不可能進行的分析，在GIS環境下都能很容易的實現。所以，GIS空間分析模型、算法成為研究的重點，取得了許多頗有應用價值的成果[39,40,41,42,43]。

全球衛星導航定位系統（GNSS）和遙感（RS），特別是衛星傳感器網和物聯網技術的發展和應用，地理信息源的獲取突破了時間和空間的限制，形成數據量極其巨大的數據場和信息流。在這種情況下，GIS的一般空間分析就顯得不夠了[44]，地圖學完全有必要而且也有可能把著重點放在地理信息的深加工方面來[45]。一方面，要促進地學空間分析的深化與實用化，即結合領域應用研究有針對性的地學空間分析模型、算法；另一方面，由于當前GIS中的空間分析仍主要以圖形操作為主，而隱藏在海量空間數據中的許多知識和有用信息的提取和發現方面的功能仍相對薄弱，而這些知識和有用信息對決策者來說又是必不可少的，所以更要特別重視空間數據挖掘與知識發現的智能化和實用化研究，即針對領域應用研究SDMKD的模型和算法，并開發各種專用的高級知識發現工具，以便從海量空間數據集中識別或提取出有效的、新穎的、潛在有用的、最終可理解的模式和規律，更直接面向國民經濟和國防建設的主戰場，為宏觀決策和工程規劃設計、作戰指揮提供更高效、深層次、濃縮的地理信息深加工產品。目前，不僅出版了一些有影響的SDKMD著作，而且也出現了一些有實用價值的SDKMD工具包。[46,47,48,49,50,51,52]

從地圖分析到GIS空間分析再到空間數據挖掘與知識發現，這是由數據到信息再到知識的思維創新過程，反映了人們分析和利用地理空間信息的思維方式的演進。

2.4 從地圖空間認知到基于思維科學的多模式時空綜合認知

空間認知（Spatial Cognition）是認知科學的一個重要研究領域。同認知科學相比較，思維科學不僅是一個學科群，而且是一個與自然科學和社會科學平行的科學技術大門類，涉及到抽象思維、形象思維和靈感思維[53,54]。

地圖空間認知主要研究人如何利用地圖獲取空間信息，對信息的認識和記憶，利用信息制定決策和指導行動，包括地圖空間認知的表象過程、記憶過程和思維過程，其中思維是核心。這方面已經有許多研究[55-58]。

多模式時空綜合認知強調的是“多模式”、“時空”與“綜合認知”。在這里，“多模式”不僅僅指的是地圖，還有地理信息系統和虛擬地理環境，盡管基于地圖的空間認知是基礎，但是基于地理信息系統和虛擬地理環境的空間認知也是很重要的，因為它們拓展、延伸和深化了地圖功能，這對提高空間認知能力和水平是非常有效的；“時空”指我們認知的對象是多維的、具有空間位置或空間分布特征的、隨時間變化的，即它們存在于時空之中；“綜合認知”指的是多模式空間認知的綜合與集成，即綜合集成地圖、地理信息系統、虛擬地理環境等多模式各自空間認知的特征，獲得更全面、更系統、更深刻、更科學的地理環境認知，幫助決策者更科學地做出決策并指導行動。

由地圖空間認知到地理信息系統、虛擬地理環境的多模式空間認知，這是一個進步，可以在更高水平上促進思維科學在地圖學中的應用。該領域的研究還有很長的路要走。

3結語

本文從思維辨析的角度，從地圖作為表達復雜地理世界的最偉大的創新思維、由傳統地圖學的“封閉體系”到現代地圖學的“開放體系”、由經驗地圖制圖到更加嚴密的理論模型研究、從手工地圖制圖到電子計算機地圖制圖再到數字地圖制圖與出版一體化、從地理信息系統到地理信息服務、從地圖可視化到空間信息可視化再到虛擬地理環境、從地圖分析到GIS空間分析再到空間數據挖掘與知識發現、從地圖空間認知到基于思維科學的多模式時空綜合認知等八個方面，論述了它們是如何促進地圖學發展的，更多地著眼思維方式而不是拘泥于技術，這可能有助于思考問題，理論創新、技術創新首先是思維創新。

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Innovative Thinking Change Cartography

by WANG Jiayao

With the development of society and technology,the cartography has undergone dramatic changes and now it is continuing,and this should be the promotion of human innovative thinking.This article discussed the innovative thinking of changing cartography from eight aspects,and it was this innovative thinking make the cartography,a traditional discipline which had a long history,remain vibrancy,and the traditional cartographic techniques had been replaced by the digital cartographic technology,and now it was transforming to the information cartography which based on the integrated service of geospatial information.The development history of cartography showed that the Innovative thinking is essential.

Innovative thinking,Map,Cartography （Page:1）

P28

B

1672-4623(2011)02-0001-05

2010-03-20

王家耀，教授，中國工程院院士，從事地圖學與地理信息工程學科的教學與科研。