电子专题地图多尺度表达的相关问题及策略

曹亚妮，吴芳华，江 南，李嘉星

(1. 信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052； 2. 地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安 710054； 3. 西安测绘研究所，陕西 西安 710054； 4. 61363部队，陕西 西安 710054)

一、引 言

从空间认知的角度出发，地理空间数据的多尺度表达是顺应人类认知需求的图形化表达方式[1]。电子地图多尺度表达问题的研究是为了满足人类从不同详细程度、不同时间跨度、不同空间格局思考和解决问题的需要。电子专题地图多尺度表达是电子地图多尺度表达的重要组成部分。从本质上讲，电子专题地图多尺度表达就是要解决基础地理数据和专题数据在尺度变化时引发的一系列问题，包括数据综合和可视化图形综合两个方面。在电子地图环境下，多尺度表达首先是空间数据的抽象与处理，然后才是图形的化简与综合，这是由电子地图数据的存储与可视化过程相分离的特点决定的。在实际研究过程中，这两方面并不是截然分开的，而是相互影响、相互促进、缺一不可的，应当融合在一起进行考虑。

目前，针对基础电子地图多尺度表达的研究较多，而对电子专题地图多尺度表达的研究较少。从专题地图数据综合的角度来看，专题数据综合还没有一个公认的定义和范畴界定，一般认为专题数据就是属性数据，而专题数据综合也只是地理数据综合过程中的一个步骤，是与图形综合相并列的综合操作[2]。高文秀等对专题属性数据的综合进行了较为系统的研究[3]，认为专题数据综合的范畴涵盖了从复杂详细的专题数据抽象和概括出反映较大范围、较为宏观、较为概略的专题数据的全过程，并分析了GIS专题数据综合过程中需要遵循和运用的综合知识，重点研究了基于知识的土地利用数据的综合，提出了适宜的综合方案。此外，一些学者针对某种特定类型的专题数据综合进行了研究[4-8]，如艾廷华采用FDDM模型研究了城市地图的综合；季民等对海洋渔业专题属性数据的多尺度综合进行了研究；J.C.Muller、Wang Zeshen、B.Peter、De Berg等曾针对类型数据的综合作过不同程度的研究。从专题地图可视化图形综合的角度来看，相关研究和文献资料都较少，一般将其作为专题数据综合中的附属环节，还未形成一个完善的体系。刘海燕等从视觉变量的角度探讨了不同尺度下在线专题地图集的符号变换方法[9]；季民等针对海洋渔业专题属性数据，重点从统计图的角度对3种尺度下的专题数据可视化问题进行了研究。总之，电子专题地图多尺度表达方面还缺乏系统的研究，主要问题如下：

2) 研究未能较全面地涵盖常用专题图的类型，对类型图、定性数据综合的研究较多，而其他一些专题地图的多尺度表达策略还比较缺乏，如兴趣点专题图、统计专题图、等值区域图等。

3) 对专题地图可视化图形综合的研究还不够完善。

4) 针对不同类型专题地图特点的底图数据多尺度表达策略的研究不够。

因此，针对以上问题，本文分析了电子专题地图多尺度表达的内涵，提出了电子专题地图多尺度表达的解决策略，从不同类型专题地图地理要素的自动选取、底图数据的综合及可视化、专题数据的综合及可视化、底图要素和专题要素的相互关系处理4个方面对电子专题地图的多尺度表达进行了较为全面、系统的研究。

二、电子专题地图多尺度表达的内涵

电子专题地图是突出而较完备地反映一种或几种主题要素，面向某一领域或特殊用途的需要而制作的电子地图[10]。电子专题地图具有电子地图和专题地图的双重特征，集交互性、动态性、多尺度性于一身。随着地图学理论和技术的不断发展更新，电子专题地图的类型和功能都大大拓展，出现了在线专题图、快餐专题图、属性专题图等个性化、人性化的专题图种；其功能也不只是传输和表达地理信息，而是提供用户自适应和任务自适应的、引导性的表达，传输深层次的信息，从而便于用户“发现期盼中的，察觉意料之外的”知识，辅助分析决策。

关于尺度，已有众多学者对其进行了阐述[1，10-11]。考虑到电子专题地图的特点，本文认为尺度的涵义应当包括空间尺度、时间尺度及语义尺度。多尺度即多个尺度，具有不同分辨率的多尺度和不同单元的多尺度双层涵义。不同分辨率是指同一客观对象的不同粒度、不同详细程度或不同层次；而不同单元指同一粒度、同一详细程度或同一层次上的多个并列对象，如图1所示。其中，当空间尺度的分辨率发生变化时，所引起的电子专题地图要素的显示内容和表现方式发生的变化较大，因此不同分辨率空间尺度下的电子专题地图表达是本文的研究重点。

与基础电子地图多尺度表达相比，电子专题地图多尺度表达有其特殊之处：

1) 综合的目的不仅仅是传递多个空间尺度的地理数据，更强调通过不同空间尺度、不同时间尺度及不同语义尺度的表达来为用户提供多层次、多方面、多视角的深层信息和知识，从而辅助分析决策。

早上起床，手捧温热的牛奶，一定要对自己说一声：节日快乐！爱你，爱自己！在上午的时候，给自己一束鲜花，并把它摆放到正午最温暖的阳光下面；下午时光，一定要裹紧风衣，走上街头，并在五十米大街第二个红绿灯路口向左转，去新华文轩，给自己献上一首诗；夜幕笼罩的时候，买一杯拿铁，去电影院里，坐在倒数第三排七号位置上耐心地等待开场；十二点入睡之前，要点燃一根蜡烛，在晕红的烛光里双手合十，许下一个心愿——当然，加上一杯红酒，是再好不过的了——礼物呢，就是明天更好的自己吧。

2) 由于专题地图的类型、要素内容比普通地图更为丰富，影响专题地图多尺度表达的因素更加多样化。

3) 从数据综合的角度来说，空间数据综合着重针对地理实体的选取、化简、概括、位移等；而专题属性数据综合主要是针对描述地理实体的质量与数量特征的数据进行重新组合、重新分类、重新分级等[3]，同时要考虑专题数据和底图数据的语义关系。从图形综合的角度来说，基础电子地图多尺度表达注重图形关系的处理；而电子专题地图多尺度表达在很多情况下都需要对专题符号重新设计，对底图符号进行淡化处理，同时考虑两者之间的图形关系。

图1 电子专题地图中多尺度的涵义

另外，为了更深刻地理解电子专题地图多尺度表达的内涵，还应区别空间数据多尺度表达和电子地图多尺度表达的关系。空间数据的多尺度表达更侧重于数据处理的理论、方法及模型；而电子地图的多尺度表达侧重于地图表达，数据存储及处理是为表达服务的[1]。因此，本文所研究的电子专题地图多尺度表达在对数据处理进行研究的基础上也更侧重于地图表达，数据处理是为地图表达服务的，地图表达是研究的根本目的。

三、电子专题地图多尺度表达的解决策略

根据电子专题地图多尺度表达的特点，本文从实际需求出发，提出了电子专题地图多尺度表达的解决策略，如图2所示。整个方案有4个关键环节，每个环节都需要相应的规则库或算子库来支撑。

图2 电子专题地图多尺度表达的解决策略

1. 不同类型专题地图地理要素的自动选取

不同类型的专题地图具有不同的用途和不同的制图目的，底图要素和专题要素的内容都有所不同，这些都是多尺度表达过程中重要的约束条件。

专题地图能够反映专题信息的空间特征及分布规律等，但有些专题信息本身并不具有空间特征，只有将其描绘在具有地图基本特征的地理底图上，才能够显示专题信息的空间特征。为了分析更多专题要素的产生、分布、发展和变化规律，还需要专题要素与地理底图的相互联系。因此，底图数据选取对于专题地图意义重大，是电子专题地图多尺度表达的首要环节。地理底图数据选取应当遵循以下原则：① 与专题地图的用途要求相协调，综合考虑专题地图的主题、制图目的、用途、比例尺及制图区域的特点等；② 考虑专题地图表示方法的差异性，因为不同的表示方法会影响地理底图内容的选取。如用定点符号法表示专题要素时，底图内容可以详细些；而采用等值线法、质底法时，底图内容就需概略表示。应当在综合考虑以上因素的情况下，建立不同类型专题地图底图要素选取规则库，从而保证不同类型专题地图底图要素的适宜性，同时提高底图数据的选取速度。

专题要素的选取主要考虑专题地图的主题和表示方法类型。通过调研、参考样图及需求分析，依据数据与主题的相关性，建立不同类型专题地图专题要素选取规则库，从而能够快速选取所需的点、线、面等专题数据层。

2. 底图数据的综合及可视化

专题地图底图数据的综合是根据各专题要素的特殊要求来确定的，不像普通地图那样有一定的编绘规范。与一般的空间数据综合相比，专题地图底图数据的综合程度较大，具体表现在多尺度的比例尺范围减小、分级数目减少、每级之间的差异性变小，而且其综合更注重内容的选取，而不是图形的化简。如笔者参与的交通专题图的制作，底图分为大、中、小比例尺3个级别，能够满足交通专题要素的显示需求。

另外，专题地图的图种和使用的表示方法也对综合方式有影响。如采用定点符号法、线状符号法和动线法表示专题要素时，底图要素的综合程度较小，主要表现为对居民地及附属设施、陆地交通、水域/陆地、陆地地貌及土质、境界与政区、注记六大类要素的选取和少量化简；而采用质底法、等值线法、范围法、等值区域法、点值法和分区统计图表法时，应对底图要素实施较大程度的综合，主要表现为选取较少种类的地理要素，对政区等统计单元进行等级合并与形状化简。

在可视化表达方面，底图的用色要少，而且色彩应该浅淡，同时符号和注记样式不宜繁杂。与普通电子地图相比，应对符号进行淡化色彩、减少对比、减小尺寸、降低饱和度和设置透明度等方面的处理，从而使底图要素处于背景层面，对专题要素起到烘托作用而不是干扰作用。

3. 专题数据的综合及可视化

专题数据的综合涉及内容较多，为了更好地涵盖常用专题图类型，本文从常用专题要素的9种表示方法入手，针对每种表示方法从数据综合和可视化图形综合的角度来设计相应的综合策略，进而归纳出专题地图常用的综合方法，见表1。

表1 专题数据常用的综合方法

从表1可以看出，与基础地理数据综合相比，专题数据综合的方法主要有选取、概括、分类分级和化简。可视化方面专题数据的符号在综合后往往需要重新设计和依据数据实时生成，而不像基础地理数据那样依据属性编码直接配置符号，这是由专题地图符号的数据相关性决定的[12]。

4. 底图要素与专题要素的相互关系处理

考虑到电子专题地图多尺度表达的整体显示效果，还应对底图要素与专题要素的相互关系进行处理。首先，要考虑专题要素与底图要素的压盖关系，专题要素尽量不要压盖底图的注记、境界线等要素。另外，专题要素符号的尺寸应当与底图要素内容相协调，如统计符号的尺寸要考虑底图行政区划的大小等。在色彩搭配方面，应当依据制图目的和专题要素的内容，为整幅专题地图制定一个主色调，依据主色调来调整底图要素的色彩，从而避免色彩过多，造成图面层次混乱，主题不突出，确保专题信息与基础地理信息显示协调一致、主次分明。

四、结束语

人类本身就具有从不同尺度认识、理解和分析客观事物的愿望和能力，这种视觉认知的本质要求正是电子专题地图多尺度表达的需求牵引；而计算机技术的出现使专题地图的多尺度表达问题更加凸显，也更易于实现，是电子专题地图多尺度表达的技术推动。专题地图在国民经济建设和日常生活中的广泛应用，对电子专题地图多尺度表达提出了越来越高的要求。电子专题地图种类丰富、使用灵活、数据类型多样化，这决定了其多尺度显示策略的复杂性。本文从4个方面对电子专题地图多尺度表达的解决策略进行了探讨，较为全面地涵盖了电子专题地图多尺度表达中的相关问题，以期为专题地图的设计与制作、专题地理信息的可视化表达及基于专题地理信息的分析决策等提供参考。

参考文献：

[1] 贾奋励．电子地图多尺度表达的研究与实践[D]．郑州：信息工程大学，2010:1-2.

[2] BRASSEL K E, WEIBEL R. A Review and Conceptual Framework of Automated Map Generalization[J]. International Journal of Geographical Information System, 1988, 2 (3): 229-244.

[3] 高文秀，毋河海，龚健雅，等．GIS中专题属性数据综合的若干问题[J]．武汉大学学报：信息科学版，2002，27(5)：505-510．

[4] 高文秀，潘郑淑贞．基于规则的植被地图综合的研究[J]．地理与地理信息科学，2004，20(1)：7-11．

[5] 艾廷华. 城市地图数据库综合的支撑数据模型与方法的研究[D]．武汉：武汉大学，2000.

[6] 季民，靳奉祥，李云岭，等. 海洋渔业专题属性数据多尺度综合与表达[J]．测绘通报，2004(6)：28-31．

[7] MULLER J C, WANG Zeshen. Area-patch Generalization: a Competitive Approach[J]. The Cartographic Journal, 1992, 29(2):137-144.

[8] PETER B, WEIBEL R. Using Vector and Raster-based Techniques in Categorical Map Generalization[C]∥Proceedings of 3rd ICA Workshop on Progress in Automated Map Generalization.Ottawa:[s.n.],1999：12-14.

[9] 刘海燕，庞小平，黄洪纤，等. 在线专题地图集内容与符号的尺度变换[J]．地理空间信息，2010，8(1)：139-141．

[10] 江南．电子地图多模式显示的研究与实践[D]．郑州：信息工程大学，2010:20-26.

[11] 李霖，吴凡. 空间数据多尺度表达模型及其可视化[M]．北京: 科学出版社，2005.

[12] 曹亚妮，江南，张亚军，等. 电子地图符号构成变量及其生成模式[J]．测绘学报，2012，41(5)：784-790．