第一節(jié)　地圖綜合的定義

從哲學(xué)范疇上看，綜合不是地圖學(xué)科與GIS所獨(dú)有，而是科學(xué)認(rèn)知的基本手段，因此，從宏觀上看，地圖綜合就是抽象和概括(綜合的同義語)這一認(rèn)知方法在空間數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用的一個(gè)特例(毋河海，2000)。地圖綜合是地圖數(shù)據(jù)處理所面臨的最富智慧與技術(shù)性挑戰(zhàn)的問題之一，目前國(guó)際上在建立國(guó)家(或區(qū)域性)地圖數(shù)據(jù)庫時(shí)仍然采用多比例尺地圖建庫方法就是一個(gè)有力的證明，例如，我國(guó)的國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫;德國(guó)的ATKIS(Amtliches Topographisch-Kartographisches Informations System)。

一、地圖綜合的必要性與目的

綜合是人類獲取知識(shí)的基礎(chǔ)之一，沒有綜合，人類對(duì)周圍環(huán)境的認(rèn)識(shí)在時(shí)間和空間上就會(huì)是分散的、獨(dú)立的。形狀簡(jiǎn)化可以減少地圖使用者的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，Barkowsky等(2000)使用離散曲線演變(Discrete Curve Evolution)方法簡(jiǎn)化視覺感受形狀特征，在不破壞地圖制圖實(shí)體之間的空間次序(Spatial Ordering)的基礎(chǔ)上，把空間數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化到用戶所期望的抽象程度，并用該方法制作示意地圖(Schematic Map)，該過程是地圖示意化(Map Schematization)。毋河海(1999)認(rèn)為，地圖綜合的基本動(dòng)因是:大空間到小空間的映射;地理環(huán)境本質(zhì)特征的揭示;多層次的決策支持;信息高度爆炸的基本對(duì)策;減輕空間信息的傳輸負(fù)荷;為數(shù)據(jù)分析提供基本信息。

Laser-Scan 2005年的技術(shù)報(bào)告“Clarity Technical Information:Map and Geodata Generalisation”中指出，用一個(gè)比例尺的地圖數(shù)據(jù)來生產(chǎn)其他比例尺的地圖數(shù)據(jù)，衍生出其他產(chǎn)品的主數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，以降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前已建立了多級(jí)比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫，似乎可以不用地圖綜合技術(shù)，其實(shí)不然，在地圖數(shù)據(jù)庫的建立過程中和將來空間數(shù)據(jù)更新中都可以發(fā)揮地圖自動(dòng)綜合的巨大作用。在多級(jí)的地圖數(shù)據(jù)庫建立過程中應(yīng)當(dāng)按照地圖綜合規(guī)則建立不同比例尺空間目標(biāo)之間的關(guān)系，也就是常說的多尺度空間數(shù)據(jù)庫的建立。在數(shù)據(jù)更新階段，其效用更明顯，可以依據(jù)已建立的目標(biāo)關(guān)系，利用地圖綜合手段進(jìn)行多級(jí)比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫的快速更新。Harric和Hellstroem(1999)研究了在不同比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫之間如何利用主數(shù)據(jù)庫的更新信息和一套綜合算法來更新目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

地圖綜合對(duì)多尺度空間數(shù)據(jù)庫的建立也起非常重要的作用，在設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫時(shí)也需要考慮地圖綜合知識(shí)和詳細(xì)程度LoD(Level of Detail)的應(yīng)用限制。每增加一個(gè)額外的LoD就意味著額外的費(fèi)用，不僅僅是建庫的費(fèi)用，也包括數(shù)據(jù)庫更新的費(fèi)用。因此地圖綜合的必要性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

●經(jīng)濟(jì):很多地理分析并不需要非常詳細(xì)的空間數(shù)據(jù)，用綜合后的空間數(shù)據(jù)可以節(jié)約大量的運(yùn)算時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，在多種比例尺地圖數(shù)據(jù)庫的建立和更新中需要地圖綜合來提高效率，節(jié)約成本。

●數(shù)據(jù)穩(wěn)定性:因?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)越抽象，其更新頻率就越低，更能反映地理空間的總體規(guī)律和總的趨勢(shì)。

●多重目的:多層次多抽象程度的空間數(shù)據(jù)和地圖產(chǎn)品的需要;允許用戶以不同的詳細(xì)程度任意開窗;能滿足不同的顯示分辨率、操作系統(tǒng)或應(yīng)用軟件;在網(wǎng)寬有限制的條件下，能在分布式系統(tǒng)中傳輸大量的空間數(shù)據(jù)。

從廣義的角度來看，地圖自動(dòng)綜合的目的如下:

●認(rèn)識(shí)世界:把地圖綜合看成是一種獲取地理知識(shí)的工具或思維方式，并用于概念性知識(shí)的認(rèn)識(shí)，這一目的是人們?cè)谒伎忌婕啊翱臻g信息”的問題時(shí)所需要的，以便用不同的抽象程度描述客觀世界，聚集必要的信息為一組。數(shù)字地球需要建立相應(yīng)的數(shù)字地圖金字塔，這就是用綜合來處理數(shù)字地球海量數(shù)據(jù)，達(dá)到認(rèn)識(shí)地球的目的。

●提高地圖信息的傳輸效率:在給定比例尺的條件下，或在給定的顯示空間和精度范圍內(nèi)，地圖綜合就是為了減少地圖內(nèi)容的復(fù)雜程度，維持其空間精度、屬性精度和邏輯層次，使地圖清晰，易于閱讀，例如，多比例尺地圖的生產(chǎn)、多尺度地理信息可視化等。

●選擇數(shù)據(jù):因用戶只需要空間數(shù)據(jù)庫中的部分內(nèi)容，地圖綜合表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的選取以及模型化空間數(shù)據(jù)庫。

●提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率:降低信息傳輸代價(jià)，去掉多余的信息，地圖綜合常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的壓縮等。

●提高計(jì)算效率:在很多空間信息處理模型中，復(fù)雜的目標(biāo)會(huì)影響其計(jì)算效率，此時(shí)就必須在精度許可條件下簡(jiǎn)化目標(biāo)，甚至進(jìn)行地理目標(biāo)的高度抽象。地理分析有很強(qiáng)的區(qū)域性，例如全球性的地理分析就必須在很小比例尺的地圖上進(jìn)行，若以很大比例尺的地圖為基礎(chǔ)，其計(jì)算效率就很低，同時(shí)也與地理分析的要求相距甚遠(yuǎn)。

●維護(hù)數(shù)據(jù):刪除噪音，不僅僅是幾何噪音，還有概念噪音或富余信息，增強(qiáng)必要部分。

二、地圖綜合的定義與分類

地圖綜合是根據(jù)地圖的用途、比例尺和制圖區(qū)域的特點(diǎn)，以概括、抽象的形式反映出地圖制圖對(duì)象的帶有規(guī)律性的類型特征和典型特點(diǎn)，而將那些對(duì)該地圖來說是次要的、非本質(zhì)的物體舍掉，地圖綜合是一個(gè)創(chuàng)造性的過程，是藝術(shù)和科學(xué)的結(jié)合。在數(shù)字化空間信息處理中地圖綜合變成了地理信息系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的一個(gè)步驟。

地圖是描述地理空間信息的語言群落，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地圖的概念和地圖綜合的觀念已發(fā)生變化，不同的空間信息表達(dá)環(huán)境應(yīng)當(dāng)有不同的地圖綜合手段。

毋河海(1999)認(rèn)為，地圖綜合問題是一種最佳逼近的問題，是逼近理論應(yīng)用的一個(gè)特殊領(lǐng)域，可以用一種數(shù)學(xué)優(yōu)化模型來描述。在有限的圖面上要反映龐大而復(fù)雜的空間信息，就不得不反映其主要的、本質(zhì)性的方面，舍棄次要的、非本質(zhì)性的方面，以確保地圖的易讀性。

Meng(1997)認(rèn)為，地圖綜合是以改進(jìn)地理數(shù)據(jù)應(yīng)用和時(shí)空實(shí)體及其關(guān)系的高層次視覺感受為目的調(diào)整內(nèi)容和圖形的一個(gè)過程，前者是用戶確定的，后者主要是考慮硬拷貝地圖的比例尺、屏幕的分辨率和信息接受的認(rèn)知能力等約束條件。在這些約束條件下，空間精度、屬性精度、藝術(shù)精度和邏輯層次應(yīng)當(dāng)被保持。從理論上看，有6個(gè)理論基礎(chǔ)問題需要區(qū)分:壓縮復(fù)雜程度、維持空間精度、維持屬性精度、維持藝術(shù)精度、維持邏輯層次、一致性地利用綜合規(guī)則。從應(yīng)用上看，地圖綜合必須考慮:特定的應(yīng)用因素、地圖用途和期望的用戶、比例尺的合適性、清晰度的保持程度。從計(jì)算上需要考慮效率有效的算法、最大數(shù)據(jù)壓縮、最小內(nèi)存存儲(chǔ)和外存需求。

地圖綜合的實(shí)質(zhì)性對(duì)象是空間數(shù)據(jù)庫中的地理信息，德國(guó)學(xué)者把它稱為數(shù)字景觀模型(Digital Landscape Model，DLM)，它用屬性、坐標(biāo)與關(guān)系來描述存儲(chǔ)對(duì)象，沒有規(guī)定用什么符號(hào)系統(tǒng)來具體表示，因而它又是獨(dú)立于表示法的。這種以數(shù)字形式存儲(chǔ)的抽象的地理實(shí)體和關(guān)系，概括了多種用戶的共同需求，它把地形目標(biāo)的信息存儲(chǔ)與它們?cè)趫D形介質(zhì)的符號(hào)表示分離開來，提高了數(shù)據(jù)檢索與圖形表示的靈活性，隨時(shí)可以由同一個(gè)DLM形成滿足特殊需要的信息子集，必要時(shí)可按照特殊要求和專用圖式輸出專用地圖，這一過程叫做數(shù)字制圖模型(Digital Cartographic Model，DCM)(毋河海，2000)。

從地圖綜合的過程看，由于DLM是由實(shí)體信息和實(shí)體之間的關(guān)系構(gòu)成，因此地圖綜合這一信息變換過程就體現(xiàn)為:根據(jù)一定的條件(目的、用途、比例尺等)，把初始狀態(tài)下的實(shí)體集合和關(guān)系集合變換為在新條件下的實(shí)體集合和關(guān)系集合(毋河海，2000)。

地圖自動(dòng)綜合是在新的技術(shù)條件下提出的，特別是隨著測(cè)量的全數(shù)字化和地理信息的產(chǎn)業(yè)化，這種要求就更迫切，同時(shí)其含義也發(fā)生了變化。由于地圖綜合的形式和內(nèi)容在數(shù)字環(huán)境下發(fā)生了變化，很多學(xué)者結(jié)合應(yīng)用環(huán)境也提出了新的概念，如:地圖制圖綜合(Cartographic Generalization)、地圖綜合(Map Generalization)、地圖制圖數(shù)據(jù)庫的綜合(Cartographic Data Base Generalization)、地圖數(shù)據(jù)庫綜合(Map Database Generalization)、地理信息綜合(Geographic Information Generalization)、空間數(shù)據(jù)綜合(Spatial Data Generalization)、模型綜合(Model-based Generalization)等。

很明顯，地圖自動(dòng)綜合不同于手工地圖綜合，目前有兩種觀點(diǎn):純粹模擬手工綜合過程(從圖形角度);強(qiáng)調(diào)模型綜合和數(shù)據(jù)壓縮。從一個(gè)源地理空間數(shù)據(jù)庫得到一個(gè)比例尺更小的目標(biāo)地理空間數(shù)據(jù)庫的過程就是模型綜合。

Schuurman(1999)從多個(gè)方面分析了模型綜合和地圖制圖綜合的差別，如表2-1所示。Meng(1997)分析了模型綜合、地圖綜合和地圖制圖綜合之間的關(guān)系，如圖2-1所示。其實(shí)，在我國(guó)的教科書中也習(xí)慣把“地圖制圖綜合”簡(jiǎn)稱為“地圖綜合”。

表2-1　模型綜合和地圖制圖綜合的差別(Schuurman，1999)

圖2-1　地圖自動(dòng)綜合幾個(gè)概念的關(guān)系(Meng，1997)

地圖綜合還可以按照其他方式分類，毋河海(2000)把地圖在空間域上的綜合分為面向信息的綜合、濾波法綜合和啟發(fā)式綜合。地圖綜合也可以分為比例尺(分辨率)驅(qū)動(dòng)的綜合和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的綜合。比例尺驅(qū)動(dòng)的綜合就是地圖比例尺的變化所產(chǎn)生的綜合。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的綜合就是從一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫提取專題信息，從一個(gè)地理空間數(shù)據(jù)庫中利用地圖綜合可以得到不同比例尺的地圖、專題地圖、特種地圖或特別的地圖等。Molenaar(1998)認(rèn)為地圖綜合包括幾何驅(qū)動(dòng)的綜合(Geometry Driven Generalization)、分級(jí)驅(qū)動(dòng)的綜合(Class Driven Generalization)、函數(shù)式綜合(Functional Generalization)、結(jié)構(gòu)化綜合(Structural Generalization)。也有學(xué)者把地圖綜合分類為目標(biāo)綜合(強(qiáng)調(diào)對(duì)真實(shí)世界的抽象，Object Generalization)、模型綜合和地圖制圖綜合。還可以把地圖綜合按照地圖類型分類為普通地圖綜合和專題地圖綜合。普通地圖綜合的典型代表是系列比例尺地形圖的綜合。專題地圖綜合主要表現(xiàn)在屬性數(shù)據(jù)的再分類和再分級(jí)，以及所涉及的空間圖形的簡(jiǎn)化、合并、聚合等。