GIS专题制图模式及其优化的探讨

2011-09-19张亚军

测绘通报 2011年3期

关键词：专题地图图例制图

冯涛，江南，张亚军

(信息工程大学测绘学院，河南郑州450052)

GIS专题制图模式及其优化的探讨

冯涛，江南，张亚军

(信息工程大学测绘学院，河南郑州450052)

基于地图学的若干理论，提出强调数据处理的参数化图例专题制图模式，并对该模式的优缺点和适用性进行分析。该模式是对目前流行的GIS参数化图例专题制图模式的改进与优化，可以在较大程度上弥补当前GIS专题制图的一些不足。

参数化图例;数学模型;制图模式;地图理论

专题信息(尤其是定量统计信息)可视化一直是GIS研究的热点和难点。目前，大多数GIS软件，例如 ArcGIS、MapInfo、SuperMap等，都提供了向导式模板制图的解决方案［1］。这种方法把数据处理模型和地图符号绑定在地图类型的框架约束下，在降低制图门槛的同时，却弱化了数据处理，增加了专题制图功能改进和优化的难度。

一、参数化图例的概念和特点

图例是带有文字说明，指导用图者在地图上应如何使用地图符号的一览表。它有双重的作用:在编图时作为图解表示地图内容的准绳，在用图时作为必不可少的参考资料［2］。图例符号是构成图例的符号单元，对应于某类地图要素。图例符号(以下简称图例)和地图符号是两个不同的概念［3］，尤其在专题地图中，表现得尤为明显。在GIS专题制图中，图例有了新的功能，即提供参数接口(包括数据接口、数学模型接口、符号化接口)，起着专题制图纽带的作用。图1显示了MapInfo专题饼图制作过程中地图类型、饼图图例、专题地图符号三个概念的图形化表示。笔者从三者的角度探讨图例的数据相关性、不确定性、数学模型相关性和制图模型相关性。

图1 地图类型、图例、专题符号三个概念的图形化表示

1.数据相关性

从地图类型到图例，再到具体专题符号，是一个由抽象到逐步具体化的过程，这种改变的动因是对关联数据特征的不同层次提取。其中图例关联着专题数据的整体特征，如饼图中扇形个数由粮食的种类决定;而具体符号除了具有图例所表现的整体数据特征外，还关联着某一具体数据的特征，如圆半径由某个市粮食总量决定，扇形角度大小由某个市各种粮食所占总产量的比例决定。

2.不确定性

地图类型和图例是一对多的关系，图例和具体符号也是一对多的关系。这种一对多的关系，除了数量上的考虑外，更有质的不同。即使知道了地图类型或图例，也并不能知道其具体图例或符号，这和普通地图是不同的。如对于饼图类型，其对应的图例既可以是粮食产量，也可以是不同年龄阶段人口数;其组成扇形既可以是4，也可以是3。对于饼图图例，其对应的具体符号半径和扇形角度一般都不相同。

这种不确定性表明了专题地图符号不同层次的数据相关性，而这种不确定性的消除也需要不同层次数据的支持。

3.数学模型相关性

数学模型相关性包括两个方面，一是用于数据处理的数学模型;二是用于图形变换的数学模型。如对于粮食产量分级饼图，数据分级区间和代表数据分级的图形半径离散值的获得，都由具体数学模型决定。对于数据分级模型，如数列分级、级数分级等［4］;对于半径的确定模型，如符号梯尺模型［5］。数学模型相关性涉及图例和符号，与地图类型无关。

4.制图模型相关性

图例决定了专题符号所涉及的视觉变量，而这些视觉变量的具体值由某具体数据值和数学模型共同决定。如图1所示，饼状图涉及形状(圆、扇形)、尺寸(扇形个数、扇形角度、圆半径)、色彩等视觉变量。仅从数据相关性角度出发，扇形个数、色彩在图例阶段确定;扇形角度和圆半径在具体符号化时由具体数据和所选用的数据处理模型决定。

二、基于参数化图例的GIS专题制图模式

目前，一些著名的GIS软件，例如ArcGIS、Map-Info、SuperMap等，都有着自己的专题制图模块，遵循着共同的制图模式——向导式专题制图。其实质都是设置参数化图例，然后用图例相关参数去接收数据，通过对图例的选择、调整生成具体的专题地图符号，如图2所示。其差别在于:SuperMap的制图过程为数据选取(表现为图层、字段选择)→地图类型选择→图例设计;MapInfo制图过程为地图类型选择→数据选取→图例设计;而ArcGIS在选择完图层后，其地图类型选择和图例设计集中在一个向导界面，没有固定的先后顺序，较为灵活。图3～图5显示了三者的图例参数设计界面。

图2 基于参数化图例的GIS专题制图模式

图3 SuperMap图例参数设计界面

图4 MapInfo图例参数设计界面

图5 ArcGIS图例参数设计界面

三、当前GIS专题制图模式的缺点

1)数学模型少，处理功能弱。数据处理和符号化是专题制图的核心。数据处理是符号化的前提，其结果直接影响到专题地图的科学性和实用性［6］。但目前，主要的GIS软件专题制图模块普遍存在数据处理数学模型少、处理功能弱等问题。以MapInfo为例，制作如图1所示的专题地图，其可选数学模型只有平方根、常数、对数。传统专题制图丰富的数学模型在GIS中并没有得到充分应用。

2)地图类型单一。目前，在计算机支持下，专题地图的地图类型已经得到很大扩展［7］。但目前，GIS制图模块、制图方式还相对单一，即便是提供了灵活图例操作设置接口的ArcGIS，在制图方面也要比Illustrator逊色得多。这一方面与GIS面向的用户群广泛、制图素养得不到保证有关，另一方面，GIS开发者没有很好地引进和消化制图知识和理论也是原因之一。

3)制图过程紧耦合，灵活性不足。从本文第二章中可知，目前GIS普遍依赖的参数化图例制图模式，是把地图数据处理、专题符号紧密耦合，并作为专题地图类型的“附庸”。这样做的好处是减小了制图的难度，降低了对制图者的要求，但却失去了数字环境下制图的灵活性。如选定了地图类型后，所能用的数学模型和表达模型都已固定，同样的分级数学模型处理后的数据只能用特定的地图类型。

4)自适应性差。GIS制图软件把数据处理、专题符号附庸在地图类型下，在实际应用中并没有真正降低专题地图的难度。因为笔者面对的是原始数据(由选定的专题图层决定)，制图软件没有地图类型选择的自适应提醒功能(这牵涉到地理环境的分布规律、构图表达规律等方面的知识总结，本身很复杂)，所以即使制图专家，制作一幅专题地图也需要进行多次的试探。

产生以上不足，主要是因为GIS以空间分析为主要功能导向，制图模块的设计是以降低专题制图难度、扩大用户人群为出发点，却忽视了地图理论的指导，结果造成了灵活性不足、功能低下。地图学已成为地理信息科学与技术的一门基础学科［8］，地图学为地理信息系统提供方法论基础［9］。因此，笔者认为应该吸收地图学，包括数字地图学的一些理论，来提高和优化GIS专题制图功能。

四、基于地图理论的参数化图例专题制图模式优化

1.传统专题制图模式

传统的专题制图，数据处理和符号化在操作和执行顺序上都有着比较严格的区分［6］。目前的专职制图人员在制图时还普遍采用这种模式，只不过制图工具由原来的笔、尺，变为现在的鼠标、键盘;制作环境由原来的桌板变为现在的Illustrator等制图软件。

传统专题制图模式的特点是:以制图人员为主导，对制图人员要求较高，但在表达效果、灵活性、数据处理的科学性等方面都有较大的优势。在GIS专题制图模块设计中，应尽可能引进这种模式。

2.GIS地图表达的特点

高俊针对数字地图的出现，提出了地图四面体的概念，即把传统地图三面体中的地图拆解为数字地图和地图，并论述了它们之间的关系［10］。高俊的这一论断也指出了GIS环境下地图表达的一个最大特点，即制图数据和地图表达的分离。地理数据和地图表达的分离使得GIS环境下的地图表达可以实现一幅数据多种表达，多幅数据同种表达。前者是地图表达灵活性和艺术性的根源，如同样的数据既可以二维地图表示，也可以三维地图表示;同样的分级数据既可以柱状图表示，也可以饼状图表示，甚至采用动态表示以突出变化。后者则是地图(尤其是专题地图)表达自动化和智能化的出发点。将地图进行分类，针对同类地图总结其数据处理特点、地图表达特点，并以此为基础设计不同的制图方案，这是GIS向导制图、专家系统、自适应地图表达、模板制图等提高专题地图制作自动化、智能化的共同思维起点。

3.强调数据处理的参数化图例专题制图模式

基于以上地图理论，笔者对GIS参数化图例专题制图模式进行了改进，即把数据处理从参数化图例设计中分离出来。如图6所示，在参数化图例设计之前，先对数据进行处理，根据处理结果选择地图类型，设置图例相关参数。

图6 强调数据处理的参数化图例专题制图模式

与目前大多数GIS制图模式相比，这种模式最大的特点是在得到整体特征后再决定选取什么地图类型，做什么类型的专题地图。

以河南省粮食产量分级专题图为例，其步骤为:①数据整体特征提取。选择分级数学模型，如等差数列分级模型，得到的数据整体特征为:数据种类为4，数据分级数为6，分级区间为(0，40)(40，60)(60，80)，(80，100)(100，120)(120，∞);② 选择地图类型。既可以是饼图(二维或三维)，也可以是柱图;③图例设置。该步骤和目前GIS所采取的方式大致相同，以饼图为例，包括设置扇形的个数(自动)、给每个扇形关联色彩、给不同的数据分级区间关联不同的半径。

符号绘制机理也和目前大多数GIS软件相同，如图2所示，即根据具体数值选择、调整图例得到具体符号。以分级饼状图为例，包括判断具体数据所属分级区间、选择相应的圆半径;根据分量占总量比例调整扇形角度等。

五、模式的优缺点及适应性分析

1.模式的优势

(1)突出强调了数学模型数据处理

数学模型是专题制图科学性的保障。制图之前，先对数据进行数学模型的处理，然后再进行制图，会大大提高专题制图的科学性，减少地图类型选择和专题制图的盲目性。

(2)提高了制图自适应性

处理后的数据，比起处理前的数据，制图者更容易发现制图规律，并根据制图规律选择地图类型。比起先选择地图类型，然后在地图类型的框架约束下，选择数学模型处理数据，成功几率会大大提高。这样可以很大程度上解决GIS专题制图中普遍存在的需反复试探才能制图的缺点，从而提高制图效率。

(3)提高了制图灵活性

数据、数学模型和地图表达分离，符合数字时代地图四面体的理念［10］。同样的数据，既可以用等差分级数学模型处理，也可以用等比数学模型处理，还可以用级数数学模型处理;而同样的整体数据特征，既可以用饼状分级地图表示，也可以用柱状分级地图表示，大大提高了专题制图的灵活性。

(4)功能低耦合

现有的大多数GIS专题制图模式，数学模型、地图表达、数据紧耦合，不利于数学模型功能和地图表达功能的扩展。本模式下，软件开发者可以分别针对数学模型和地图符号进行扩充，只要留出数据交流的接口即可。

2.模式的适应性分析

技术的局部优化往往会牺牲其他方面的一些优点，本文所提出的专题制图模式也不例外。相比原来的模式，本文的模式更加符合制图理论，但却增加了专题制图难度，提高了对制图者制图知识的要求。但相对目前普遍存在的用Illustrator制作专题地图，这种模式会提高工作效率，降低劳动强度;相对于GIS专题制图，会提高其可用性。因此，对于广大制图者来说，该模式是不错的选择。

由于GIS的普及性，更多的用户都不具备制图的基本素养，这也限制了本文所提模式的适用人群。为了增加专题制图的自动化和智能化，在该模式基础上，今后要加强以下三个问题的研究:①地图类型的适应性。对不同的数据，GIS在选择地图类型时有提醒推荐功能。② 数据处理模型的适应性。对不同的数据，GIS在选择处理模型时有提醒推荐功能。③地图制图效果评价。对制图效果进行科学评价，并能反馈到制图过程，使制图过程中的选择更加科学。

六、结束语

目前，GIS普遍遵循着参数化图例专题制图模式，这种模式通过功能绑定(如对地图类型、数学模型等的绑定)，降低了对制图用户的专业要求，提高了GIS的大众化、普及化。但因为制图数据的不确定性和多样性，在实际操作中，这种模式并不成功。笔者结合地图学相关理论提出的优化措施，旨在增加专题地图表达的科学性，提高GIS制图效率，降低制图的盲目性。这种模式虽然提高了对制图人员具备的制图知识的要求，但对于希望提高专题制图的自动化，希望对GIS的丰富数据进行专题地图表达的制图用户，无疑是一种不错的努力方向。

［1］周海燕，华一新.GIS中定量专题制图模板的研究与实践［J］.测绘通报，2000(10):9-11.

［2］刘万青，刘咏梅，袁勘省.数字专题地图［M］.北京:科学出版社，2007:89-96.

［3］张燕燕.专题地图图例和符号的比较及设计初探［J］.测绘通报，1992(5):31-33.

［4］何宗宜.地图数据处理模型的原理与方法［M］.武汉:武汉大学出版社，2004:78-92.

［5］陈毓芬，江南.地图设计原理［M］.北京:解放军出版社，2001.

［6］王家耀，邹建华.地图制图数据处理的模型方法［M］.北京:解放军出版社，1992:1-4.

［7］王家耀，孙群，王光霞，等.地图学原理和方法［M］.北京:科学出版社，2006:256-261.

［8］游雄，贾奋励.战场地理空间信息的知识表示［M］.张世涛，译.北京:解放军出版社，2007.

［9］王家耀.地理信息系统的发展与发展中的地理信息系统［J］.中国工程科学，2009，11(2):10-16.

［10］高俊.地图学四面体:数字化时代地图学的诠释［J］.测绘学报，2004，33(1):6-11.

［11］党安荣，乔彦友.地理信息系统图例库的研究［J］.地理科学，1996，16(4):370-376.

Discussion on the Thematic-Map-Making Pattern and Its Optimization