電子專題地圖多尺度表達的相關問題及策略

曹亞妮，吳芳華，江 南，李嘉星

(1. 信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 2. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 3. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054； 4. 61363部隊，陜西 西安 710054)

一、引 言

從空間認知的角度出發，地理空間數據的多尺度表達是順應人類認知需求的圖形化表達方式[1]。電子地圖多尺度表達問題的研究是為了滿足人類從不同詳細程度、不同時間跨度、不同空間格局思考和解決問題的需要。電子專題地圖多尺度表達是電子地圖多尺度表達的重要組成部分。從本質上講，電子專題地圖多尺度表達就是要解決基礎地理數據和專題數據在尺度變化時引發的一系列問題，包括數據綜合和可視化圖形綜合兩個方面。在電子地圖環境下，多尺度表達首先是空間數據的抽象與處理，然后才是圖形的化簡與綜合，這是由電子地圖數據的存儲與可視化過程相分離的特點決定的。在實際研究過程中，這兩方面并不是截然分開的，而是相互影響、相互促進、缺一不可的，應當融合在一起進行考慮。

目前，針對基礎電子地圖多尺度表達的研究較多，而對電子專題地圖多尺度表達的研究較少。從專題地圖數據綜合的角度來看，專題數據綜合還沒有一個公認的定義和范疇界定，一般認為專題數據就是屬性數據，而專題數據綜合也只是地理數據綜合過程中的一個步驟，是與圖形綜合相并列的綜合操作[2]。高文秀等對專題屬性數據的綜合進行了較為系統的研究[3]，認為專題數據綜合的范疇涵蓋了從復雜詳細的專題數據抽象和概括出反映較大范圍、較為宏觀、較為概略的專題數據的全過程，并分析了GIS專題數據綜合過程中需要遵循和運用的綜合知識，重點研究了基于知識的土地利用數據的綜合，提出了適宜的綜合方案。此外，一些學者針對某種特定類型的專題數據綜合進行了研究[4-8]，如艾廷華采用FDDM模型研究了城市地圖的綜合；季民等對海洋漁業專題屬性數據的多尺度綜合進行了研究；J.C.Muller、Wang Zeshen、B.Peter、De Berg等曾針對類型數據的綜合作過不同程度的研究。從專題地圖可視化圖形綜合的角度來看，相關研究和文獻資料都較少，一般將其作為專題數據綜合中的附屬環節，還未形成一個完善的體系。劉海燕等從視覺變量的角度探討了不同尺度下在線專題地圖集的符號變換方法[9]；季民等針對海洋漁業專題屬性數據，重點從統計圖的角度對3種尺度下的專題數據可視化問題進行了研究。總之，電子專題地圖多尺度表達方面還缺乏系統的研究，主要問題如下：

2) 研究未能較全面地涵蓋常用專題圖的類型，對類型圖、定性數據綜合的研究較多，而其他一些專題地圖的多尺度表達策略還比較缺乏，如興趣點專題圖、統計專題圖、等值區域圖等。

3) 對專題地圖可視化圖形綜合的研究還不夠完善。

4) 針對不同類型專題地圖特點的底圖數據多尺度表達策略的研究不夠。

因此，針對以上問題，本文分析了電子專題地圖多尺度表達的內涵，提出了電子專題地圖多尺度表達的解決策略，從不同類型專題地圖地理要素的自動選取、底圖數據的綜合及可視化、專題數據的綜合及可視化、底圖要素和專題要素的相互關系處理4個方面對電子專題地圖的多尺度表達進行了較為全面、系統的研究。

二、電子專題地圖多尺度表達的內涵

電子專題地圖是突出而較完備地反映一種或幾種主題要素，面向某一領域或特殊用途的需要而制作的電子地圖[10]。電子專題地圖具有電子地圖和專題地圖的雙重特征，集交互性、動態性、多尺度性于一身。隨著地圖學理論和技術的不斷發展更新，電子專題地圖的類型和功能都大大拓展，出現了在線專題圖、快餐專題圖、屬性專題圖等個性化、人性化的專題圖種；其功能也不只是傳輸和表達地理信息，而是提供用戶自適應和任務自適應的、引導性的表達，傳輸深層次的信息，從而便于用戶“發現期盼中的，察覺意料之外的”知識，輔助分析決策。

關于尺度，已有眾多學者對其進行了闡述[1，10-11]。考慮到電子專題地圖的特點，本文認為尺度的涵義應當包括空間尺度、時間尺度及語義尺度。多尺度即多個尺度，具有不同分辨率的多尺度和不同單元的多尺度雙層涵義。不同分辨率是指同一客觀對象的不同粒度、不同詳細程度或不同層次；而不同單元指同一粒度、同一詳細程度或同一層次上的多個并列對象，如圖1所示。其中，當空間尺度的分辨率發生變化時，所引起的電子專題地圖要素的顯示內容和表現方式發生的變化較大，因此不同分辨率空間尺度下的電子專題地圖表達是本文的研究重點。

與基礎電子地圖多尺度表達相比，電子專題地圖多尺度表達有其特殊之處：

1) 綜合的目的不僅僅是傳遞多個空間尺度的地理數據，更強調通過不同空間尺度、不同時間尺度及不同語義尺度的表達來為用戶提供多層次、多方面、多視角的深層信息和知識，從而輔助分析決策。

早上起床，手捧溫熱的牛奶，一定要對自己說一聲：節日快樂！愛你，愛自己！在上午的時候，給自己一束鮮花，并把它擺放到正午最溫暖的陽光下面；下午時光，一定要裹緊風衣，走上街頭，并在五十米大街第二個紅綠燈路口向左轉，去新華文軒，給自己獻上一首詩；夜幕籠罩的時候，買一杯拿鐵，去電影院里，坐在倒數第三排七號位置上耐心地等待開場；十二點入睡之前，要點燃一根蠟燭，在暈紅的燭光里雙手合十，許下一個心愿——當然，加上一杯紅酒，是再好不過的了——禮物呢，就是明天更好的自己吧。

2) 由于專題地圖的類型、要素內容比普通地圖更為豐富，影響專題地圖多尺度表達的因素更加多樣化。

3) 從數據綜合的角度來說，空間數據綜合著重針對地理實體的選取、化簡、概括、位移等；而專題屬性數據綜合主要是針對描述地理實體的質量與數量特征的數據進行重新組合、重新分類、重新分級等[3]，同時要考慮專題數據和底圖數據的語義關系。從圖形綜合的角度來說，基礎電子地圖多尺度表達注重圖形關系的處理；而電子專題地圖多尺度表達在很多情況下都需要對專題符號重新設計，對底圖符號進行淡化處理，同時考慮兩者之間的圖形關系。

圖1 電子專題地圖中多尺度的涵義

另外，為了更深刻地理解電子專題地圖多尺度表達的內涵，還應區別空間數據多尺度表達和電子地圖多尺度表達的關系。空間數據的多尺度表達更側重于數據處理的理論、方法及模型；而電子地圖的多尺度表達側重于地圖表達，數據存儲及處理是為表達服務的[1]。因此，本文所研究的電子專題地圖多尺度表達在對數據處理進行研究的基礎上也更側重于地圖表達，數據處理是為地圖表達服務的，地圖表達是研究的根本目的。

三、電子專題地圖多尺度表達的解決策略

根據電子專題地圖多尺度表達的特點，本文從實際需求出發，提出了電子專題地圖多尺度表達的解決策略，如圖2所示。整個方案有4個關鍵環節，每個環節都需要相應的規則庫或算子庫來支撐。

圖2 電子專題地圖多尺度表達的解決策略

1. 不同類型專題地圖地理要素的自動選取

不同類型的專題地圖具有不同的用途和不同的制圖目的，底圖要素和專題要素的內容都有所不同，這些都是多尺度表達過程中重要的約束條件。

專題地圖能夠反映專題信息的空間特征及分布規律等，但有些專題信息本身并不具有空間特征，只有將其描繪在具有地圖基本特征的地理底圖上，才能夠顯示專題信息的空間特征。為了分析更多專題要素的產生、分布、發展和變化規律，還需要專題要素與地理底圖的相互聯系。因此，底圖數據選取對于專題地圖意義重大，是電子專題地圖多尺度表達的首要環節。地理底圖數據選取應當遵循以下原則：① 與專題地圖的用途要求相協調，綜合考慮專題地圖的主題、制圖目的、用途、比例尺及制圖區域的特點等；② 考慮專題地圖表示方法的差異性，因為不同的表示方法會影響地理底圖內容的選取。如用定點符號法表示專題要素時，底圖內容可以詳細些；而采用等值線法、質底法時，底圖內容就需概略表示。應當在綜合考慮以上因素的情況下，建立不同類型專題地圖底圖要素選取規則庫，從而保證不同類型專題地圖底圖要素的適宜性，同時提高底圖數據的選取速度。

專題要素的選取主要考慮專題地圖的主題和表示方法類型。通過調研、參考樣圖及需求分析，依據數據與主題的相關性，建立不同類型專題地圖專題要素選取規則庫，從而能夠快速選取所需的點、線、面等專題數據層。

2. 底圖數據的綜合及可視化

專題地圖底圖數據的綜合是根據各專題要素的特殊要求來確定的，不像普通地圖那樣有一定的編繪規范。與一般的空間數據綜合相比，專題地圖底圖數據的綜合程度較大，具體表現在多尺度的比例尺范圍減小、分級數目減少、每級之間的差異性變小，而且其綜合更注重內容的選取，而不是圖形的化簡。如筆者參與的交通專題圖的制作，底圖分為大、中、小比例尺3個級別，能夠滿足交通專題要素的顯示需求。

另外，專題地圖的圖種和使用的表示方法也對綜合方式有影響。如采用定點符號法、線狀符號法和動線法表示專題要素時，底圖要素的綜合程度較小，主要表現為對居民地及附屬設施、陸地交通、水域/陸地、陸地地貌及土質、境界與政區、注記六大類要素的選取和少量化簡；而采用質底法、等值線法、范圍法、等值區域法、點值法和分區統計圖表法時，應對底圖要素實施較大程度的綜合，主要表現為選取較少種類的地理要素，對政區等統計單元進行等級合并與形狀化簡。

在可視化表達方面，底圖的用色要少，而且色彩應該淺淡，同時符號和注記樣式不宜繁雜。與普通電子地圖相比，應對符號進行淡化色彩、減少對比、減小尺寸、降低飽和度和設置透明度等方面的處理，從而使底圖要素處于背景層面，對專題要素起到烘托作用而不是干擾作用。

3. 專題數據的綜合及可視化

專題數據的綜合涉及內容較多，為了更好地涵蓋常用專題圖類型，本文從常用專題要素的9種表示方法入手，針對每種表示方法從數據綜合和可視化圖形綜合的角度來設計相應的綜合策略，進而歸納出專題地圖常用的綜合方法，見表1。

表1 專題數據常用的綜合方法

從表1可以看出，與基礎地理數據綜合相比，專題數據綜合的方法主要有選取、概括、分類分級和化簡。可視化方面專題數據的符號在綜合后往往需要重新設計和依據數據實時生成，而不像基礎地理數據那樣依據屬性編碼直接配置符號，這是由專題地圖符號的數據相關性決定的[12]。

4. 底圖要素與專題要素的相互關系處理

考慮到電子專題地圖多尺度表達的整體顯示效果，還應對底圖要素與專題要素的相互關系進行處理。首先，要考慮專題要素與底圖要素的壓蓋關系，專題要素盡量不要壓蓋底圖的注記、境界線等要素。另外，專題要素符號的尺寸應當與底圖要素內容相協調，如統計符號的尺寸要考慮底圖行政區劃的大小等。在色彩搭配方面，應當依據制圖目的和專題要素的內容，為整幅專題地圖制定一個主色調，依據主色調來調整底圖要素的色彩，從而避免色彩過多，造成圖面層次混亂，主題不突出，確保專題信息與基礎地理信息顯示協調一致、主次分明。

四、結束語

人類本身就具有從不同尺度認識、理解和分析客觀事物的愿望和能力，這種視覺認知的本質要求正是電子專題地圖多尺度表達的需求牽引；而計算機技術的出現使專題地圖的多尺度表達問題更加凸顯，也更易于實現，是電子專題地圖多尺度表達的技術推動。專題地圖在國民經濟建設和日常生活中的廣泛應用，對電子專題地圖多尺度表達提出了越來越高的要求。電子專題地圖種類豐富、使用靈活、數據類型多樣化，這決定了其多尺度顯示策略的復雜性。本文從4個方面對電子專題地圖多尺度表達的解決策略進行了探討，較為全面地涵蓋了電子專題地圖多尺度表達中的相關問題，以期為專題地圖的設計與制作、專題地理信息的可視化表達及基于專題地理信息的分析決策等提供參考。

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