论ICT时代的泛地图表达

郭仁忠，陈业滨，马 丁，赵志刚，应 申

1. 深圳大学建筑与城市规划学院智慧城市研究院，广东 深圳 518060； 2. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079

地图是人类对世界的地理形式表达[1]。通过视觉符号语言，地图能够实现复杂空间信息的快速传递。地图学科的发展史，也是人类文明的进步史[1-2]。每一次科学技术的革新，都赋予了这门历久常新的学科以新的活力，使地图的功能和内涵进一步丰富，拓展了地图表达的边界。从地图出现至今，地图经历了粗放式描绘地理空间，到以一定数学基础为依托精细式刻画地理空间和社会人文空间所构成的二元空间[3-4]，再到以多层级、多维度、多类型可视化手段表达包括信息空间在内的三元空间的发展历程[5]。

15世纪以前，由于技术手段的限制，人类仅能在泥板、兽皮、甲骨、竹简等物理载体上刻画活动范围内的地理环境以及精神层面所想象的图腾神话，形成现实地理世界与臆想虚拟世界的概略表达。典型地，如4500年前，古代苏美尔人以泥板为载体，采用简明的几何符号表达巴比伦地区的城镇分布。而后，随着人类探索范围的扩大以及科学技术的发展，经纬线系统、地图投影、制图六体、计里画方等制图理论被相继提出，地图制图具备了一定的数理基础[3]。

15世纪至20世纪中期，世界地理大发现与西方殖民主义热潮的兴起，促使人类探索世界的需求急剧增长。一大批具有统一规格且信息承载量巨大的实测地形图、航海图、专题地图和地图集的出现，推动地图学发展成为一门独立的学科。地图投影、制图综合、符号系统成为地图学的三大基础理论，三者结合可以表达地理世界的对象、结构和空间关系[4]。其中，地图投影保证了客观地理实体在地图上表达的精确性、可量算性和客观性，制图综合保证了地图的分辨率和易读性，符号系统则具有抽象和重构复杂地理世界的效用。

20世纪中叶以后，随着信息通信技术(information communication technology,ICT)的快速发展，以4G/5G网络、大数据、云计算、人工智能、虚拟现实/增强现实为代表的新技术改变了地图发展的技术背景和条件[5]。以大众化、实时化、智能化、多元化为特征的技术变革对地图学的发展带来了巨大的冲击。大量制图爱好者参与到地图制作和使用的各个环节，地图创作从原本的封闭模式逐步向众源制图的开放模式转移[6]。数字技术的进步解放了地图载体的物理约束，赋予了地图表达超越以往任何时期的自由度。除实测地形图与各类专题地图之外，地铁图、Cartogram地图、隐喻地图[7]、游戏地图[8]、Kriskograms地图[9]各种创新形式与表现风格的地图不断涌现[10-11]，地图表达进入前所未有的繁荣时代。

值得注意的是，ICT时代地图学发展的动力主要来自于外部环境改变导致的技术创新，技术创新推动了地图表现形式的泛化。这一表面的辉煌下却隐藏着地图理论发展落后于技术进步的深层危机。新涌现出的各种类地图形式未被纳入经典地图学理论，现有地图可视化研究整体呈现技术驱动痕迹明显，而理论研究不足的态势。面向ICT时代的地图表达，本文首先分析了地图定义的演变，进而论述了泛地图的概念，并基于此提出了泛地图表达的逻辑分类体系，以期满足ICT时代地图学理论发展的需求。

1 地图定义的演变与泛地图的提出

“与时俱进”是地图学能够历久弥新的根本。国际制图协会在1973年将地图定义为：“按照一定比例尺，将地球或天体表面的对象特征缩放到平面介质上，形成的抽象表达”[12]。该定义认为以比例尺为代表的数学基础是地图表达的基本特征，地图载体为平面介质，地图表达的对象空间主要是地理空间。1976年，Robinson等对地图提出了简短的定义，即：“地图是对环境的图形表示”[13]。这里“环境”意指“地理环境”，认可地图是采用图形化语言进行地理环境表达的方式。1990年，Board提出“地图是一种以视觉、数字、触觉等方式表达和抽象复杂地理世界的工具”[14]。该定义认为，地图实质是一种实现信息交流的工具，并进一步将数字地图、触觉地图等地图形式纳入地图的定义范围。

国内方面，王家耀院士在综合了地图学者的研究后，认为“地图是根据构成地图数学基础的数学法则、构成地图语言基础的符号系统和构成地图内容地理基础的综合法则，将地球(或其他星体)表面缩绘到平面上的表象，反映了各种自然和社会现象的空间分布、组合、联系及其在时空中变化和发展规律”[4]。根据新时代下地图的数据源以及展示方式，文献[15]提出“地图是以图形符号、三维模型、图像或数据形式，抽象概括或记录自然和社会现象的空间分布情况、联系及发展变化规律的工具”，进一步将三维地图等新型地图纳入地图的定义范畴。文献[16]指出“地图是客体空间分布的抽象模型(符号化模型)”。

综上所述可以发现，传统的标准地图具有以下共同的特征。

(1) 对象空间：以地理空间为主，人文空间为辅。

(2) 基础理论：地图投影、制图综合、符号系统。

(3) 地图载体：平面介质。

随着互联网+、大数据、云计算、融媒体等新兴技术的发展，打破了原本地图制作的专业技术壁垒，地图开始从科学研究、行业应用等专业领域逐步走向大众化、社会化服务[10]。地图的表现方式得到极大丰富，呈现出显著的泛化特征，同时也彻底改变了标准地图特征的重要性。

面对泛化的地图表达，国内外学者进一步拓展地图定义。高俊院士于2009年提出应当适时将具有人文性与艺术性的“地图边缘作品”也纳入地图学的研究范畴[17]。2015年，笔者在国际地理信息科学研讨会上发表了“新地图学或泛地图学”的专题报告，指出了ICT时代地图学所面临的地图泛化问题。2017年，Kraak基于Robinson的地图理论，为地图提供了一个更宽泛的定义，即“地图是环境的视觉表达”[18]，其所指的“环境”是一个更为泛化的对象空间，包括了室内的与室外的、思维的与具体的、地理的与非地理的、有形的与无形的、静态的与动态的、持续的与瞬时的，认可了地图的泛化表达趋势。2017年，在《测绘学报》60周年专刊上，笔者以“论ICT时代的地图学复兴”为题[6]，进一步指出面对泛化的地图表达，地图学正面临传统地图“守城”还是“突围”的关键抉择，并由此提出了泛地图的定义。

“泛”作动词表示“泛化”，是指拓展与延伸。“泛地图是传统标准地图的延伸和拓展，是对地理、社会人文和信息三元空间的综合表达，是一种通过地图语言、形象思维、空间思维对三元空间对象进行特征分析，实现人与人、人与物、物与物之间信息获取、传递、认知等功能的广义地图表达”[5]。如图1所示，泛地图既包括由地图投影、制图综合、符号系统理论构建生成的标准地图，也包括由于技术与艺术手段突破所带来的各种形式各异的类地图——如Cartogram地图、示意性地铁图、Kriskograms地图等。

图1 泛地图的内涵

不同于标准的地图类型，泛地图具有如下特征。

(1) 对象空间：地理空间、社会人文空间、信息空间所构成的三元空间。

(2) 表达类型：涵盖标准地图与类地图。

(3) 地图载体：承载于平面、曲面、球面等各种介质。

2 泛地图可视化的逻辑分类

随着信息技术的发展与普及，数字化、大众化、智慧化驱动了地图表达形式的泛化，地图的可视化形式呈现往高精度、实景化与抽象化、示意性的两极化发展，即泛地图表达的写实性与写意性。写实性强调泛地图结果与表达对象的“形似”，地图可视化结果贴近于现实地理场景，能够尽可能高逼真还原现实地理场景；写意性强调地图结果与表达对象的“神似”，地图结果不再受准确位置表达的约束，转而以地图应用目的为导向，聚焦于地图主题的示意性表达，以达到简单、高效、直观表达关键信息的目的。图2以写实和写意为坐标轴，建立了泛地图的逻辑分类体系，该体系将泛地图类型划分为：标准地图、写实地图、写意地图3种形式。需要说明的是，这种分类方式仅是对泛地图视觉表象的区分。在实际地图场景构建时，并不存在“非此即彼、二元对立”的矛盾，而应依据现实可视化需求，对写实与写意的地图表达手段进行融合，以达到最优化表达的目的。

图2 泛地图可视化的逻辑分类

2.1 标准地图

标准地图是泛地图可视化的基础。传统的标准地图由于技术条件的限制，多采用抽象点、线、面状符号进行地形地物的直观抽象。其以地图投影、制图综合、符号系统作为表达核心，将三维现实世界中的对象和现象映射到二维平面空间中，形成空间对象位置、外形、空间联系等的符号化表示。标准地图形式具有强烈的空间特征，对象位置表达上遵循空间地物位置和位置关系的准确定位。目前，常见的标准地图包括：土地利用现状图、地形图、行政区划图等[19]。

2.2 写实地图

从标准地图到实景地图，具有渐进式表达的特征。根据地图要素逼近于表达对象的程度进行描述，现有写实地图呈现由影像地图、仿真三维地图(2.5维)到实景三维地图的渐进过渡。图3展示了深圳市市民中心在影像地图、仿真三维地图、实景三维地图等写实地图中的可视化表现。

影像地图是通过在航空像片或卫星遥感影像上叠加地图符号、注记、视频的方式，形成实测地物地理特征符号化和动态化表达的一种二维地图形式[2](图3(a))，具有更新速度快、现势性强、能够直观反映地理空间信息的优势。

仿真三维地图是影像地图的进一步延伸，数字空间的自由赋予地图表达更多的灵活性。基于三维体的建模，数字空间中的信息自由叠加。除了准确的空间地理定位之外，仿真三维地图增加了对目标对象空间高度、空间结构、外表纹理的可视化支持，能够以固定视角直观表现三维地物的内部结构与外在空间形态(图3(b))，这在一定程度提升了空间对象表达的真实性。

实景三维地图是现实世界与数字世界有效融合的集中体现，其以高精度、高分辨率、高清晰度的三维实景模型为依托，实现建筑物、道路等城市对象细节的进一步精细刻画。在此基础上，通过沟通物联感知网络、泛在服务、人机设备，实景三维地图所在的数字空间与现实空间相互映射与实时协同，驱动城市全要素对象形成数字化、实时化、动态化的高逼真表达。目前，实景三维地图作为智慧城市建设的数字底板，已在智能交通出行、环境监测预警、市政管理服务等方面发挥重要作用(图3(c))。

图3 写实地图

2.3 写意地图

从标准地图到示意性地图，具有另一极的渐进式表达特征。信息技术的推动下，制图者与用图者边界逐渐模糊化，大量公众有机会参与到地图设计、制作和使用的整个环节。在大众化、个性化、多样化的制图需求驱动下，促生了一系列打破固化地图可视化模式的写意地图形式。这些写意地图不再过于强调空间对象的精确位置描述，而是围绕地图主题，以抽象化、结构化、专题化的艺术手段，通过隐喻、变形、嵌套、规则化等方法，示意性表达三元空间对象的空间分布、拓扑关系、时空关系。在有限的图形空间中忽略目标对象的准确空间位置、空间形态或空间关系等内容，抽象还原出空间对象专题属性的关联本质，达到准确且清晰传递要素内涵关系和空间格局的目的。从标准地图到示意性地图，按照要素简化的程度，也呈现出渐进式过渡的特征。如图4所示，典型的写意性地图包括：示意性地铁图、Kriskograms地图、隐喻地图等。

示意性地铁图是对地铁线路网络的抽象化表达(图4(a))。这种可视化形式弱化了站点的真实地理方位，但保留并突出表达了站点间的相对拓扑关系。通过去除真实地理位置所造成的冗余图示，转而通过拓扑约束、方位约束、分辨率约束、长度约束、角度约束、语义约束等规则条件，保持线路网络的主体结构与相对关系，形成适宜空间网络认知的拓扑示意表达[20-21]。

Kriskograms地图是一种可视化表达迁移轨迹的图示形式(图4(b))[9]。相对于示意性地铁图，Kriskograms地图的概括化与示意性表示程度愈高。基于规则化的表达思维，Kriskograms地图将地理单元按照地理规则(如经度或纬度坐标)投影到一维位置线上，以一维坐标形式表达位置点间的相对位置关系。位置线上两点之间的迁移流用半透明半圆表示。这种可视化形式将地理空间位置映射到一维坐标轴上，采用点与点之间的弧段连接表示空间对象的流向，进一步简化了地图可视化的表达形式，突出了写意地图示意性表达的特点。

隐喻地图是表达非空间信息(语义信息)的示意性图示(图4(c))。与地铁图及Kriskograms地图保留一定空间信息不同，隐喻地图中不再具有空间意义的信息，而是仅将地图作为一种图形化的表示手段。借助空间化的表现优势，隐喻地图构造虚拟的地图空间，将无空间特征、高维、抽象的纯语义数据赋予虚拟位置信息，建立语义对象源与地图对象结果之间的关联映射，形成非空间信息的仿地图式表达。通过隐喻地图形式，可以直观示意性表现出抽象、晦涩非空间信息的分布格局。

图4 写意地图

3 泛地图的风格化与连续性表达

信息通信技术的进步推进了地图智慧化和大众化的同时，在标准地图、写实地图、写意地图构成的泛地图逻辑分类体系基础上，风格化与连续性进一步推动了泛地图表达样式与模式的丰富。地图类型、地图风格、地图表达的连续性共同构筑了多类型、多风格、多尺度的多元化泛地图表现，如图5所示。

图5 泛地图表达的连续性与风格化

风格化是泛地图可视化艺术美的体现。同一地图类型下，通过符号轮廓粗细、尺寸大小、方向变换，配合色彩的浓淡、对比、虚实、渐变、近似等韵律，可使地图符号的视觉层次愈加丰富[22]，产生卡通风格、油画风格、精简风格等不同视觉艺术表现。视觉层次与艺术美学的意向相互关联，各图元特征的视觉符号相互协调组织，同一地图呈现出雅致、柔和、浓艳、粗犷等视觉印象。通过符号的对比度变换、明暗对比、虚实协调，同一地图类型展现出多元化的地图表现风格。

连续性是地图对象时间、空间尺度或比例尺连续，以及信息维度拓展、抽象化到具象化等多个方面的体现[6]。大数据、物联网、智能计算的发展，促生了海量多源异构、实时动态时空大数据。这推动了地图在时空要素表现上，进一步打破了传统地图学中要素静态、表现类型单一的数据特征。通过时间、空间、要素属性，乃至地图类型的连续动态表达和切换，能够从多角度、多层次、全方位动态直观展示空间对象的时空分布、时空联系、时空变化过程，使用户形成地图对象连续动态的过程心像。数字空间下，泛地图表达的连续性让地图读者形成动态的过程心像，使之符合用户的信息获取需求，增强人们对空间对象变化过程的认知。

4 结束语

ICT时代，数字技术的进步彻底改变了地图学发展的背景和条件。科学性与艺术性的进一步融合下，地图不再是某种固定的模式，而是呈现出显著的泛化特点。地图定义逐步广义化，进而促成了泛地图概念定义的提出。跳出地图学传统理论的限制，标准地图与新涌现出的类地图将作为统一的泛地图整体，从全局上引发对泛地图表达类型、表示风格、表达连续性等的新思考。本文对泛地图表达体系的划分，基于笔者自身的地图理解，在追求地图理论拓展的同时，难免有所疏漏，未尽之处，欢迎指正。同时希望地图领域的同仁能够更多地参与到泛地图理论、方法和技术的研究中来，共同推进地图学理论的发展。

致谢：感谢南京师范大学龙毅老师为本文提供的宝贵建议，以及项目组成员朱维、颜雪、杨佳豪等提供的相关资料。