现代地图学理论对地图学的影响

现代地图学理论对地图学的影响

张国坤12，徐艳艳3

（1.东北师范大学城市与环境科学学院,吉林 长春 130024; 2. 吉林师范大学旅游与地理科学学院,吉林 四平 136000; 3.西北师范大学地理与环境科学学院.兰州.730070)

摘要:现代地图学理论的研究，不仅使我们对地图及地图学的内涵有了更深入的认识，而且使地图学基础理论及地图学体系得到完善和充实。现代地图学理论的提出，对进一步阐述地图学的研究对象和理论建设，认识地图学与地理学、测绘学、计算机科学、遥感、地理信息系统的统一关系，理解现代地图制作与应用的特点，揭示现代地图学发展的规律和趋势都具有指导作用。现代地图学理论促进了地图学的发展，尤其是促进了计算机地图制图的发展，使建立在计算机地图制图基础上的地理信息系统日益完善和快速发展。现代地图学理论对地图学的影响意义深刻而久远。

关键词:现代地图学理论计算机制图遥感地理信息系统

现代地图学理论主要是用地图的方法来研究地理环境信息的表示和变换的一些理论问题[1]。随着现代科学技术的发展和各学科(计算机科学，信息论，系统论等)间的交叉渗透，使原有的地图学理论—地图投影理论、地图概括理论、综合制图理论有了新的发展，同时产生了现代新的理论—地图信息论、地图信息传输论、地图感受论、地图符号论、地图模型论、地图信息图谱论等。人们利用现代地图学理论结合高科技技术制作出大量的多题材、多品种、高质量的地图作品。这些地图作品在国民经济建设中起到了非常重要的作用。这些现代地图学理论不仅大大促进了地图和地图学的发展，而且对认识信息时代地图学的实质及进一步揭示地图学的发展规律有指导意义。

1不同阶段的地图学理论发展状况

地图的历史悠久，但在漫长的历史中，由于缺乏系统的理论指导，从而极大的妨碍了地图学的发展，而把地图学作为一门学科，对地图的理论和方法进行系统的研究，国际上实际是从20世纪30年代才真正开始的，地图学理论的发展大体可分为四个阶段：

(1)20世纪30年代—50年代

这一阶段地图学的学科体系逐渐形成，世界各国纷纷在高校建立地图学专业和正式出版地图学教科书(1955年萨里谢夫著的制图原理、1953年罗宾和莫里逊等著的地图学原理)，各地相继成立了一些地图专业学会（美国、德国、瑞典、比利时、英国、加拿大、新西兰等）并出版学术刊物。早期在地图学方面的研究主要围绕地图投影，地图设计与编辑原则，编绘和整饰方法，制印技术等问题，其中对地图投影理论方法的研究最早（公元87-160年希腊托勒密的普通圆锥投影到16世纪荷兰墨卡托投影）。从50年代开始，前苏联，美国，法国，西德，波兰等国对地图编制过程中制图综合(地图概括)原理与方法开始了系统研究。1959年国际地图制图学会（International Cartographic Association. ICA）成立,拥有13个会员国(1984年62个成员国)。

(2)20世纪60年代—70年代

60年代后，随着国家和区域综合地图集（例如，泰晤士世界地图集、苏联海洋地图集、古氏世界地图集、迈尔百科全书世界地图集、意大利旅行俱乐部世界地图集及日本、加拿大、瑞士、美国等国家地图集。）以及成套系列地图编制的广泛开展，在专题制图和地理学综合

制图的基础上发展了专题地图和综合制图理论。

(3)20世纪70年代—80年代

现代地图学的形成阶段。随着信息论、控制论、系统论、电子技术、航天技术等新兴理论和技术及现代数学方法不断向地图学渗透，使传统的地图学研究发生了很大变化，一些地图学家先后提出了地图信息论(前苏.什里亚耶夫、美国.莫里森Morrison)、地图信息传递论（捷克.柯拉斯尼Kolacny）、地图模型理论(英国.博德Board)、地图认知论(前苏.萨里谢夫Salichichev)、地图感受论（德国.格式塔心理学Gastalt）、地图符号论（法国.贝尔廷J.Bertin、美国.罗宾逊Robinson）等新理论，促进了计算机辅助制图和遥感资料制图的发展，使现代地图学理论体系日趋完善[ 2,3]。

(4)20世纪90年代—现在

现代地图学理论的发展阶段。90年代，随着计算机制图与地理信息系统的发展，又强调了数据与地图可视化，尤其是多维动态可视化的研究[4]。90年代还对计算机地图概括原理与方法，数字地图的应用原理与方法，多媒体电子地图与互联网地图设计与制作进行了较多研究和探讨，提出了可视化原理（加拿大.泰勒Taylor），地学信息图谱（中国. 陈述彭）等新理论。

2现代地图学理论及其对地图学的影响

地图学是以地图信息传递为中心的，探讨地图理论实质、制作技术和使用方法的综合性科学[1]。地图学理论作为阐述概念，分析问题的基础和核心越来越受到人们的重视，它与地

图的实际制作并列构成地图学的两个部分(表1)。现代地图学理论主要包括表1中的理论。

2.1地图信息论

地图是空间信息表达的一种形式，也是空间信息的载体，是存贮、传递和科学分析的重要手段。地图信息是地图的内容，是指地球和其他天体的空间信息，它通过运用特定的符号、载体和技术方法，经过地图概括并遵循一定的数学法则表示在平面上，显示时空化了的地域内的地理事物和现象及其它们相互关系和变化规律。地图信息它有以下几层含义：

(1) 地图的“细胞”是单个信息，地图的内容由不同种类信息“组织”及其组合“器官”形成的地域整体。

(2)地图信息分为直接信息(第一信息)和间接信息(第二信息或潜在信息)，从地图中获取间

接信息意义重大。

(3)地图信息可定位（X ，Y ）、缩小符号化后表达其质量、数量特征Z(q)。符合计算机制图(自动化制图)的信息变换机理，可以作为计算机地图制图的理论基础，同时，计算机制图又为大量快速地处理地理信息提供了手段。

(4)地图信息论不同于数学信息论[6]，在地图编制过程中，虽然由于地图概括比实际少了一些信息，但同时产生了更能反映制图对象分布规律和特征的新信息，用图者利用地图所获得的信息可能超过编图者在制图时所利用的信息[5]，即输出的信息大于输入的信息。

地图信息论是研究地理环境信息表达、变换、传递、存储和利用的理论，是计算机地图制图的基础[7]。

2.2地图信息传输理论

地图信息传输论是研究地图信息传递过程与方法的理论，是地图制图与用图的联系环节。地图信息传递的基本过程是(图1)：客观事物(制图对象)通过制图者的认识形成概念，再通过地图符号(地图语言)变成地图，又通过地图符号(地图语言)传递给用图者，使用图者形成对客观事物的概念。地图信息传递就是把制图和用图视为传递的统一过程。因此地图信息传递就是地理环境信息在地图上的选择和符号化，并为使用者认识和解译的过程[1]。

地图信息论、地图信息传输论是计算机地图制图的核心理论基础。计算机地图制图体现了地图信息传递的过程

。计算机地图制图是把地图上所有的点、线、面分布状态的要素都转换成点的坐标(X ，y 和特征)输入电子计算机，经过对数学形式的地图图形信息处理后输出地图图形。计算机地图制图过程，就是利用电子计算机对数字形式的地图信息进行输入、处理和输出的过程。

2.3地图模式（模型）理论

地图模式理论是现代地图学理论研究中提出的一个重要理论，它用模型法来认识地图的

性质，解释地图的制作和应用的理论[8]。地图模式理论就是研究建立再现客观实际的地图模型，并经过地图图形模式化而建立地图数字模型和地图数学模型。地图数学模型(图形数学模型) 就是用数学方式(数学公式或数学语言)表达经过抽象和概括了的制图对象空间结构。地图数学模型又包括：空间点位向平面转换的地图数学模型；地图图形数学模型；地图要素分布特征的数学模型；地图概括的数学模型；地图种类应用模型等。地图数字模型是地图上或准备表示到地图上的所有要素转换成点的X 、Y(或行列)坐标与Z(q)特征的数值组成的空间模型[9]。地图数字模型是计算机处理所必须采用的形式和结果，只有将各种地理环境要素转换为数字方式表示，才有可能用计算机方法进行处理和制图，因此，地图模型理论是实现地图机助制图的基础[8,10]，是联系地图学与计算机技术，地理信息系统(GIS)的纽带。地图模型论是地图信息处理与地图应用的基础理论，对深刻认识地图的功能及其在地学中的作用有重要意义[8]。

2.4地图认知理论

地图认知理论是研究人类如何通过地图对客观环境进行认知加工，并弄清地图设计制作的思维过程及描述理论[1]。在研究制图者和读图者的空间认知规律的过程中，人们关注的是认知制图和心象地图的认知机制。心象地图是人通过各种手段获取空间信息后，在头脑中形成的关于认知环境（空间）的“抽象代替物”。认知制图是心象地图形成的过程，也就是环境信息加工的过程[11]。认知地图也称心象地图是表征环境信息的一种心象形式。它是空间环境信息在人脑中的反映。它不能代替真正的地图。地图制图过程(可视化过程)与认知制图过程(认知过程)是互逆互相作用的两个过程。地图制图过程是将制图者大脑中的认知地图通过符号化(即可视化)形成人们日常使用的地图，而认知制图过程是通过认知方法将地图表示的空间环境转换成人的大脑中的认知地图。地图制图的目标就是制作出能够提供与真实较为接近的认知地图的地图，所以说认知地图在地图制图中具有重要作用。随着人工智能在地图学中的应用，地图学家们发现了认知制图研究的重要性。在常规制图中大量的过程是凭人的实践经验人们对自己的设计、制作地图时的思维和行为过程并不十分清楚。当前计算机地图制图中，要使电脑模仿人脑制出优秀的地图，就要弄明白空间环境信息在大脑中如何进行编码的，以及人在制作地图时的思维过程，这样才能在计算机内部将空间信息合适地编码。并将计算机地图制图的过程模仿人类制图的思维过程分成若干个步骤进行，使其中的每一个步骤都转化为计算机执行的明确指令。因此，认知理论是人工智能在地图学中应用的理论基础。地图认知理论是现代国际地图学理论研究的前沿问题，“地图认知环”及“多模式感知和认知理论”对了解地图信息认知过程、虚拟地图和数字地图的制作过程都具有指导意义，对地图学的理论发展将产生深刻的影响[12]。

2.5地图可视化原理

地图可视化是目前地理信息系统(GIS)和现

代地图学的研究热点。近年来，地图学家们致力

研究的多媒体电子地图便是以此为理论依据。国

际地图协会F.泰勒教授1994年提出的著名的地

图学概念图解中，他将地图学理论原则为底边和

传输与认知分析图解成一个等边三角形，把地图

可视化作为核心，处在这个等边三角形的中心，

传输和认知模型是地图视觉化的重要内容[4](图

2)。他把空间数据的处理同地图制图可视化

(cartographic visualization)紧密结合在一起，并把

可视化与地图制图形式化(cartographic formalism)、地图信息传输(cartographic communication)和地图认知与分析之间的关系进行了详细的分析[13]。地图作为图形语言，本身就是可视化产品。但是计算机和信息技术发展以后，提出了科学计算机可视化的概念，发展了计算机图形学，加强图象处理与显示及图形设计。计算机制图与遥感(RS)，地理信息系统(GIS)都是以数字信息的处理与显示为前提，也许要通过计算机实现图形(地图)的可视化。而且，这种地图可视化，已不只是传统的二维平面可视化，而是多维动态的可视化，并且是可交互的可视化[5]。20世纪末以来，随着计算机图形和图像处理技术和科学可视化的发展及其在地图学中的应用，可视化对现代地图学的理论、方法产生了深远影响，并且拓展了地图产品的功能和应用。理论地图学的研究范畴正从“地图传输”向“地图可视化”转换，可视化在地图学的核心地位得到强化[14]。

2.6综合制图理论

综合制图是指同时反映自然环境和人类社会多种要素和现象及其相互联系的地图（综合地图）制图方法和过程[15]。综合制图理论是研究制作综合地图的一种理论方法，它是地图学在反映地理学的区域性和综合性特点的过程中，产生和发展起来的，对地理学综合研究具有很高的科学价值。综合制图是借助于地图的手段，多方面，完整的反映客观环境的一种方法。它可以向地理学者提供客观环境新的结论和认识，能作为科学概括和预测的有效手段[1]。

综合制图以自然综合体与地带性规律、自然环境中物质迁移与能量转换规律、生态系统与人地关系等地理学理论为依据，以综合分析、系统分析为基础，采用不同的制图方式（包括单幅综合地图或合成地图、综合系列地图、综合地图集）以及部门和区域应用系统，反映制图区内人地关系形成发展、组成结构、质量与数量特征以及各地理要素和各部门之间的相互联系、区域特点和差异，为区域开发和环境治理提供科学依据。综合制图在内容上要反映各种现象的空间结构和时间序列的变化。综合制图必须研究一系列方法并对它们进行综合处理，保证内容的完整性，互补性和内容和形式的统一协调性[15]。

2.7地图感受论

地图感受论是研究地图视觉感受的基本过程和特点，分析用图者对地图感受的心理，物理因素，和地图感受效果的理论。是地图整饰的基础理论，为地图美学提供了理论依据。读者的视觉反映须经物理刺激，生理变化和心理活动三个过程，经思维活动来解释图像，认识客观世界，通过对地图图形符号和地图色彩的感受特点的研究为地图美学提供理论依据。例如：对符号的提法，就不再是单纯的介绍点线面符号的类型，特点与制作，而是以视觉变量作为符号的基础，以量表分类引入符号设计，以格式塔理论引入符号的感受效果，以蒙赛

尔色表系统引入符号的色彩设计。地图视觉感受的研究对充分利用地图信息和有效的提取地图信息有重要意义。

2.8地图符号理论

地图符号论是研究作为地图语言的地图符号系统及特性与使用的理论，为建立地图数据库提供了有力的信息源保障。地图符号论研究包括：(1)符号关系学即符号系统。(2)符号语义学即符号与要素之间的关系。(3)符号的效用即符号与使用者的关系。该理论为视觉感受构成一种图形语言，能直接用于地图设计，也是为地图学提供图形表达的理论[1]。

2.9地学信息图谱理论

地学信息图谱是陈述彭院士提出的新概念与新方法。1961年，他通过对地图学发展的分析，提出了图谱的概念。"图"主要是指空间信息图形表现形式的地图，包括图象，图解等其表现形式；"谱"是众多同类事物或现象的系统的排列，是按事物特征或时间序列所建立的体系。图谱兼有"图形"和"谱系"的双重特性[16,17]。经过近半个世纪（1998年）的探讨，终于形成了地学信息图谱理论的雏形[18,19]。

地学信息图谱是由遥感(RS)，地图数据库，地理信息系统(GIS)，与数字地球的大量数字信息，经过图形思维和抽象概括，并以计算机多维可视化技术，显示地球系统及各要素和现象的空间形态结构时空变化规律的一种手段和方法。同时，这种空间图谱与地学认知的深入分析可进行推理，反演与预测，形成对事物和现象更深层次的认识，有可能总结出重要的科学规律或规划决策的具体方案[17]。因此，地学信息图谱是地图学更高层次的表现形式和分析研究手段[5]。

3结语

现代地图学理论的提出对进一步阐述地图学的研究对象和理论建设，认识地图学与地理学、测绘学、计算机科学、遥感、地理信息系统的关系，理解信息时代地图制作与应用的特点都具有指导作用[1]。现代地图学理论对计算机地图制图的作用意义重大。现代地图学理论促进了计算机地图制图的日益发展。特别是计算机地图制图应用的一个重要方向是建立地理信息系统[7]。地理信息系统与计算机地图制图技术的完善和发展，使新的地图形式—数字地图应用前景日益广阔。可见现代地图学理论对促进地图学的发展起到非常重要的作用。正如英国鲍德指出的“为了解释为什么有些地图是成功的，而有些地图是不成功的，我们就需要地图学理论。没有理论，地图学就将逐渐失去作用，并最终失去价值。”[1]

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