在线统计专题地图知识规则构建方法及应用

鲁月新，李维庆，杜清运，周 启，任 福，王 琨

(1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2.四川省第二测绘地理信息工程院，四川 成都 610100)

0 引 言

地图作为人类认识自然过程中的重要工具，伴随着人类的发展。地图是将地球表面的区域特征以直观的方式呈现出来的成果，是信息表达和传播的重要载体[1]。在传统地图编制过程中，准备阶段需要收集大量的空间数据，专题统计数据及相关资料，通过对数据加工处理，根据地图用途和地图专题，结合丰富的专业知识，进行图幅编绘，以表达不同的专题信息。最后通过地图审核，进行修订出版。传统的专题地图在设计过程中需考虑综合性、实用性、先进性和艺术性等原则，涉及到大量的专业知识和经验知识。尤其在统计专题地图编制过程中，需要进行大量的数据处理等准备工作，导致地图生产效率不高。

随着信息化和互联网在各行各业的广泛应用，地图的编制和服务环境发生了变化，地图的应用环境和传播范围也有较大不同。在线地图相比纸质地图有更新快、传播效率高、不受图幅限制、表达方式更多样等优点[2]。互联网相关技术在地图领域的应用，具有提高数据处理效率、扩大地图应用范围、提升编制效率等优点。目前，国内外研究计算机技术在地图编制的应用较多，如注记自动配置技术、基于模板的专题地图快速制作技术[3]、专题地图智能化设计技术等。这些研究针对地图生产的某一环节，没有形成地图生产整个过程的技术体系。

通过研究国内外优秀地图集产品，总结统计专题地图编制过程中相似的部分，结合计算机相关技术手段，对地图编制中最为宝贵的制图专业知识和经验进行规则化，建立结构体系并存储，实现制图知识的复用和传播。并将其用于互联网环境下的专题地图编制过程，对于在线统计专题地图的编制和生产有重要意义。

1 制图知识理论研究

在专题地图制作过程中，不同专题不同用途地图具有类似部分，对这些知识进行总结和规则化表达，所形成的就是制图知识规则。制图经验知识的归纳，具体包括地图专题划分、表示规范、应用环境和制图知识适用条件等[4]。通过对制图知识的理论研究，将制图知识分为以下几个方面：地图投影知识、地图底图知识、专题符号知识、制图色彩知识、地图版式知识、其他制图知识等[5]。本文对在线统计专题地图知识理论进行了以下几个方面的研究，作为制图知识规则建立的理论基础。

地图空间认知：地图空间认知是认知科学在地图领域的具体应用，主要研究人类认识、处理和分析地图信息的过程。王家耀和陈毓芬研究地图空间认知的基本过程，包括“感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程[6]”。感知过程是指地图的图形颜色等，直接作用于人的视觉器官，给人初步感觉的过程，这个过程类似于知觉；表象过程是指通过以往工作生活中经验，基于获得的知觉，通过回忆、联想，在脑海中形成印象，即形成心象地图[7]；记忆过程可理解为对实物的分析过程，对脑海中的印象进行分析和联想。如一张地表覆盖地图中的蓝色图斑，会联想到水系，绿色图斑，会联想到植被；思维过程是对地图认知的过程中最高级的过程，在心象地图和联想结果的基础上，实现基于现实世界的地图认知，理解地图所表示的地理空间区域特征。在线专题地图的认知是在传统地图认知的基础上，对地图信息进行分析加工的过程[8]。在线专题地图符号、颜色、整饰等内容的选定都须经历地图空间认知过程，通过研究地图空间认知有助于在线专题地图知识规则的建立。

视觉变量：视觉变量最早是由法国图形学家J.Bertin在1967年提出的，目前将他所说的视觉变量称为基本视觉变量，包括尺寸、色彩、方向、亮度、纹理、形状6个变量[9]。地图已经适合于通过多媒体及网络方式传播[10]，衍生出了一类新的符号视觉变量称为扩展视觉变量，扩展视觉变量的实质仍然是静态视觉变量。主要有旋转角变量、颗粒度变量、清晰度变量、晕影变量、透明度/模糊度变量、饱和度变量等。随着符号学的不断发展，为了将地图以动画的形式展示地图动态的变化，所以相关学者对动态视觉变量进行了研究。DiBiase（1993）和 MacEachren（1995）的研究表明，目前动态视觉变量主要有持续时间、频率、显示次序、变化率和同步等。通过对传统的专题地图编制的研究，在线统计专题地图编制过程中较为重要的视觉变量有形状、尺寸、色彩、方向等。

地图制图模板：地图输出是专题地图制作的重要组成部分，不同专题和不同用途对专题制图的模板都有相应的规定和要求。通过对各类专题地图制图模板研究，得到主要的制图模板要素有图廓、图表、文本、图例、指北针、比例尺等[11]。图廓是一个组合元素，包含内外图框、网格、坐标注记等，通过参数的定义可以形成不同效果的图廓元素；图表用于在地图上显示各种图表，包括原始数据或计算结果等；文本元素是在页面中显示的文字信息，包括图名、图号、制图单位信息及其他图面说明等；图例元素是显示数据的符号化信息，包括底图对象和专题符号对应的图例信息；指北针是图面范围内的指北针元素；比例尺是输出地图的比例尺说明信息。对制图模板要素的研究，应用于专题地图模板设计，得到不同专题地图对应的制图模板。

通过研究在线专题地图用户的地图空间认知过程、视觉变量和地图制图模板，有利于制图知识规则结构体系的建立。将经验知识按结构体系进行归纳，既有利于知识经验的传播，避免制图过程中的重复工作，提高知识的复用率，又能用于在线统计专题地图制图过程，实现制图知识规则的有效应用。

2 制图知识规则构建

制图知识规则是针对不同专题、不同图幅统计专题地图之间的相似特征，基于在线统计专题地图的制图知识理论研究，将总结的知识经过形式化表达的知识规则成果。主要包括专题表达规则、制图色彩规则、制图模板规则。

专题表达规则：专题表达规则是总结了众多优秀地图集整个制图过程而形成的一套制图规范[12]。规定了统计专题地图所属图组、图名、包含统计指标、地图底图描述、支持统计符号、分级表达描述、适用制图版式等信息，以XML文件形式结构化存储和访问。其具体结构层次为：图集分为多个图组，图组包含多个专题，每个专题包含多个专题图幅。规则规定每个专题图幅地图名称、ID、底图规则、符号规则、分级规则等，限定其数据来源和表达方式。如自然资源图组中包含社会经济和发展等专题，社会经济专题中包括人口与劳动力、农业等专题图的名称、ID及其他详细信息。专题表达规则文件在具体应用中可根据用户制图需求增加和应用范围推广而不断丰富。

制图色彩规则：根据人的视觉感受和制图经验而制定的一套地图符号配色规则，分为图表色彩规则和分级色彩规则。其中图表色彩规则根据指标数目设计了1到10个指标的设计规则，指标数目不同可选择不同的色彩；对于表达相同指标的方案又根据视觉感受设计了童真、幻想、新鲜、聪慧、安定、神秘、灵敏、科技、高雅、华美、严谨、清凉等主题，色彩规则文件结构分为不同色系，对每个色系按照指标数量进行色值规定，以RGB格式存储，视觉样式效果如图1(a)所示。分级色彩规则设计了不同分级数量的分级方案，用于表达数据不同的分布特征。色系分为黄红色系、蓝色色系、红色色系、黄绿色系、黄棕色系、棕蓝色系、青黄色系、棕青色系、紫红色系、青色色系等。分级色彩视觉样式效果如图1(b)所示，制图色彩库以XML文件形式存储和访问。

图1 制图色彩规则（部分示例）Fig.1 Style of color scheme (part of the samples)

制图模板规则：在地图输出阶段需要对地图进行图名、指北针、图例、比例尺、制图单位、插图、表格、制图人等地图整饰进行设定，构建不同的地图布局和地图整饰内容。地图的布局主要分为横向和纵向两类布局，对页面整体设计有不同的要求。制图模板库以参数表的形式存储，表中详细记录各个制图要素的位置信息和属性信息。在专题地图输出时，读取参数表生成相应的模板效果[13]。本研究总结和设计了多个专题地图模板，部分地图模板如图2所示。

选择不是漫无边际的，而应该有一定的规则和限度，即规定好范围的有限选择。这就需要家长掌握好“尺度”，既不要包办代替，又不要无原则地过度满足他。

图2 专题地图模板示例图Fig.2 Example diagram of cartographic template

制图知识规则是对制图经验知识的总结归纳，以可读文件的形式结构化存储，有利于知识的积累和复用。基于知识规则可快速编制符合制图规范、表达主题的统计专题图，提高在线统计专题地图编制的效率。本研究建设的制图知识规则主要成果，可用于在线统计专题地图编制的过程中，其流程如图3所示。

图3 基于制图知识规则的在线制图路线图Fig.3 Technology roadmap of online thematic map based on cartographic knowledge rules

3 应用实例

在本文构建的制图知识规则基础上，运用计算机相关技术，将制图知识规则用于在线统计专题地图编制的过程中。制图知识规则既是建立在线统计专题地图制作应用系统的重要基础，也是系统的重要组成[12]。本文基于建设的制图知识规则库，设计并完成了基于制图知识规则的在线统计专题地图编制应用系统的开发。

参照图3所示路线，结合动态专题地图服务技术，将制图知识规则库应用于在线统计专题地图编制应用系统中。制图知识规则在系统构建中应用过程如下：

1）将专题统计数据进行规则化处理，并按专题分类，利用专题表达规则内容，进行图组和图幅的划分，为统计数据选取提供依据，将每一幅专题图所需要的数据查询以视图方式存储，供对应专题地图在线调用。

2）对可用专题符号表示的数据，基于制图色彩规则内容，选定符号的色彩方案，调用符号绘制引擎生成对应的符号，形成专题符号图层。生成的图层符合专题的表达内容和应用场景。

3）对可用质底法表示的专题数据，采用分级渲染的方式，以分层设色的方法表示，制图色彩规则为分级图的颜色方案提供依据。

4）以专题数据为基础，结合专题表达规则、制图色彩规则调用符号绘制引擎，生成专题符号图层。基于专题表达规则内容，与合适的地图底图叠加。利用制图模板规则，进行地图整饰要素的配置，形成完整的专题地图。

图4 社会经济图组包含的图幅Fig.4 Maps in the Socio-Economic group

选择某一专题图幅，根据ID号获取对应专题图幅的结构化规则，根据规则内容初始化一幅专题地图。规则限定了专题图的符号信息、底图信息、图例信息、分级信息等。用户可在规则内容中根据需求选取合适的表达方式，并利用制图模板规则制作专题地图，具体效果如图5所示。

图5 专题图制作Fig.5 Thematic map compiling

4 结束语

本文针对统计专题地图制作中经验知识的特点，通过对制图知识的研究，设计并建立了Web环境下的统计专题地图知识规则。有效地解决了制图经验知识不易重复利用和传播效率低等问题。利用在线动态地图服务技术将制图知识规则应用到在线统计专题地图制作中，有效地提高了统计专题地图制作的效率和质量，检验了技术方法的可行性，为制图知识的总结及其在互联网环境下的应用提供了有效的解决方案。下一步的工作将在特殊专题的知识表达、总结丰富制图知识规则、扩大应用环境等方面开展更深入的研究。