在地理信息科学中地图为何至关重要

在地理信息科学中地图为何至关重要

M.J·克拉克^[1]

（国际地理信息科学与地球观测学院地理信息处理学院院长，邮政信箱6，7500 AA恩斯赫德，荷兰）

【摘　要】传统地图以人工抽象和符号化的图形、色彩、线条描绘和制作图件。文中阐述了地图的发展史，强调了地图的重要性。随着计算机技术、地理信息科学、互联网等的出现，地图的生产技术、手段、方法发生了革命性的变化，多维地图、可视地图、动态和交互地图、实地图及虚地图相继出现，地图的发展呈现出广阔的前景。

【关键词】地图，地理信息科学，信息可视化，三维世界

Why Maps Matter in G IScience

Menno－Jan Kraak

ITC—International Institute of Geo－Information Science and Earth Observation，Department of

Geo－Information

（Processing，PO Box 6，7500 AA，Enschede，The Netherlands.Email:kraak@itc.nl）

【Abstract】This paper presents some thought about the role of maps in GIScience and visualization.In particular，it highlights some developments and trends in the discipline that have received interest in visualization and increased the importance of maps in GIScience.

【Key word】Map，GIScience，Information visualization，3D world

对于地图在地理信息科学和可视化中的角色，本文提出了一些想法，特别强调了在可视化逐渐流行之时，地图在地理信息科学中的重要性，以及与日俱增的发展趋势。

1.关于地图

地图具有综合、分析、探索和展现真实世界的能力。地图之所以具有这种能力，是因为它以抽象的方法展现了从复杂现实世界中所获取的地理信息。制图学原理以系列的指导原则来规范地图制作，并为地图的空间模式和关系赋予含义，在许多教科书和论文中都谈到了这个主题（Bertin，1967；MacEachren，1994；Robinson etal.，1995；Slocum，1998；Kraak and Ormeling，2002）。一般来说，专业的地理学家并不是仅依据某一单一质量的地图来表达他们的观点或者下定论，而是以此获得新知识与同仁进行交流，并用来确定或引导研究方向。地图在其他领域也普遍受到重视，随便询问他人，尽管看法不同，几乎每个人对地图的审美和质量都有自己的看法。

以上对地图进行了积极地评述，而对于地图的认识，却常常局限于它的展示功能，即使专业的地理学家也未必全面地了解地图的其他用途。这一方面可能缘于对地图的描述和地图的定义，另一方面则缘于对该学科的未来发展尚不知晓。在国际制图协会^［1］的战略规划中，目前对地图是这样定义的:地图运用符号展现地理现实，描绘选定的地理信息的特征和性质，这种经制图工作者精心创造的成果，主要用于反映地表地理信息空间关系的基本情况。

该定义提到了地图的使用，但更强调的是地图的创造性。当然，即使以探索为目的的地图也必须是被创造的，但探索用的地图多强调的是它的用途。对于地图的其他多种定义，J.H.Andrews创建的网站提供了众多的信息来源^［2］，在该网站上列举了超过300种的地图定义。尽管定义受限于应用范围，但无论如何，地图已经被强调用来解决问题。就这点来说，许多地图学的教科书以及非地理科学专著（Tufte，1983，ABOUT MAPS 1997）都肯定了地图的长处，同时有的也指出了地图的“危害”（Monmonier，1991；Wood，1992；Pickles，2003），经典的地图案例如:John Snow所描绘伦敦霍乱传染病的地图^［3］以及Minard的拿破仑入侵俄国境内的战役地图^［4］。

Snow地图的详细内容显示在图1（a）中。它除了展示因霍乱死亡情况外，还展示了该区域的抽水泵分布。Snow将霍乱的发生归因于水质，并建议通过关闭主要感染区附近（Broad街）的水泵使该流行病得以缓解，该案例被视为最早的空间分析操作，并被地理学和医学文献所引述（McLeod，2000；Frerichs，2001）。Tobler^［5］说明了如何运用地图中的地理技术来解决问题。他创建了泰森多边形来指出每个抽水泵的影响范围，并且执行了一个点位于面中的操作，以此来决定哪些抽水泵位于主要感染区。Monmonier在使用这个案例时，通过选择不同的街区组合作为基本地理单元，来说明基本地理单元的选择是如何影响空间分析结果的（Monmonier，1991）。

最近，Brody等（2000）声称Snow并不是使用地图找到的解决办法，而更多地是用地图作为一种证明来证实他的方法。不管怎样，Snow的例子证明了地图的长处以及它们所扮演的独特角色。此外，医学地理和地图也在齐头并进向前发展，并在多个案例中相互促进，例如:美国国家健康统计中心的网站、美国国家健康统计中心的美国死亡率地图集^［6］，以及荷兰的卫生设施地图集^［7］。

图1　古地图与地理信息科学的联系
a）John Snow1854年伦敦霍乱传染病地图——最早的可视化空间分析之一。b）Minard（1869年）拿破仑1812年入侵俄国境内的战役地图（局部）——最早的多视图方法之一
Fig.1　Map classics and their relation to GISciencea）John Snow’smap of London’s 1854 cholera epidemic——one of the first visual spatial analyses；b）Minard’s 1869 map of Napoleon’s 1812 campaign into Russia one of the first multiple view approaches.

Minard于1869年编制的地图（图1b），他以详细信息展示了拿破仑在俄国战役中戏剧性的失败。地图上所示“Carte figurative des pertes successives en hommes de l’Armee Francaise dans la campagne de Russie1812～1813”是强调战争的愚蠢。地图中展示了两条不同的路径，一条是向莫斯科进发的路线（灰色显示），一条是撤退的路线（黑色显示），在撤退路线旁边附带了一个指示温度的图标，这可能是历史上首次在地图上出现的对比显示，路径的宽度表示军队的数量。该地图已经被多个研究者广泛引用，是利用附带的时间和空间信息描述一个事件的好例子（Robinson，1967；Friendly，2000）。最近，该地图又被引用于现今交互和动态背景下的地图制作及地图应用中（Roth et al.，1997；Kraak，2003）。这些新的Minard地图允许用户交互、查询和重演拿破仑的战役。是Tufte的出版物激发了大家对上述地图及其他古地图的兴趣，甚至地理学科以外的人也在广泛阅读，尤其是在新科技领域和信息可视化领域（Card etal.，1999；Wilkinson，1999；Spence，2001；Chen，2003）。令人感兴趣的是，这些相对新的领域也运用地图学来实现他们的目的，其所创建的具有创造性的图样，对地图学科来说既是激励，也是促进。

尽管传统的纸质地图仍然被地理学家用来综合、分析和探索，但随着信息系统的兴起，用以说明事物的地图，如今只需简单地点击鼠标就能创造出多个可选用的视图。此外，由于互联网的兴起，尤其是www的发展，地图的制作更加方便，应用更加广泛（Peterson，2003）。有人可能会争论说，大多数地图的制图质量较低，如此大量制作的地图没有太大的意义，然而，另一些人会反驳说，如果地图的设计要满足所有可能的话，那么就违背了制图学上讨论数据质量时“适而用之”的基本原则。如果把这些发展都考虑进去时，ICA（国际制图协会）的定义就无法全部涵盖。最近《探索地理信息可视化》（Dykes etal.，2005）一书中表示，地图除了传统的“展示”角色之外，还应该被认为是一个灵活的地理空间数据交互界面，因为它可以与可视化显示背后的数据交互，同时地图还是一个支持探索的工具。因此，地图被用于创建关于地理空间模式、关系和发展趋势方面的种种思考，并越来越多地被用在整个地理信息科学过程中。地图处于这样运行的环境，就称为地理可视化的世界（Dykes et al.，2005）。地图可以被描述为一个松散的有界域，它通过涵盖制图学、科学可视化、图像分析、信息可视化、探索性的数据分析、可视化分析和地理信息科学等多学科综合性方法，来强调地理空间数据的可视化探索、分析、综合和显示。

2.地图与地理信息科学

10年前地理信息科学概念诞生，提出者是Goodchild（1992），他将地理信息科学描述为GIS（地理信息系统）技术的基础，并将关注集中于那些阻碍成功的操作问题。他在最近的一部关于地理信息科学的书（Duckham etal.，2003）中强调:地理信息系统所依赖的基础性的研究理论（例如，关于GIS的科学研究）只是简单地涉及地理信息系统在科学应用方面（例如，用GIS进行科学研究）。参考Mark（2003）对于地理信息科学的研究，可以看出地理信息科学直接或间接地把可视化视为一个重要的研究课题。

自从地理信息科学概念诞生以来，GIS相关的期刊和专著将它们标题中的“系统”二字改为了“科学”。《国际地理信息科学杂志》的前身是《国际地理信息系统杂志》，《美国制图者》将《制图学与地理信息系统》改为《制图学与地理信息科学》。《地理信息系统》（Longley etal.，1999）第二卷的作者也在他们发表一本较短的教科书时，将书名修改为《地理信息系统与科学》（Longley etal.，2001）。

这些发展也影响到了国际制图协会。在他们最近的战略计划中，已将他们的目标描述为:“……国际制图协会应符合副标题‘制图学与地理信息科学的国际社会’”^［1］。在2005年的全体代表大会中，这个观点并未得到足够的票数。在他们的战略计划中，地理信息科学被定义为:

空间信息处理和管理的科学的研究范畴，除了包含相关的技术，还包含商业、社会和环境领域。信息处理和管理包括:数据分析和转换、数据管理和信息可视化。相关的方法论既包括硬件也包括软件。其商业、社会和环境的意义，除了涉及地理信息和地理信息系统的广阔运用范围外，还在于它们对本地和全球的分析。

由于地理可视化研究制作各种用以激发可视化思考的地图，因此将地理信息科学方法看作是对GIS研究最适合的。Gahegan尽力开发了可视化方法和技术（或工具）来展现、分析、综合和探索地理空间数据，同时他也关注这些方法和技术在解决问题方面的效率和效能。在他的专著中，有一章名为“超越工具:可视化支持地理信息科学的全过程”，Gahegan（2005）特别强调了这个问题，他描述了地理信息科学的全过程，并设计了相关的地图和图像，以及每个处理过程用到的计算方法。他说:“为了更好地支持整个科学过程，我们必须提供机制，这些机制能够以可视化的方式将各种分析阶段连接，并且显示概念如何与数据相关，模型如何与概念相关，等等”（Gahegan，2005，P85）。

图2　地图和地理信息学过程（基于Gahegan，2004）（根据Minard地图数据制作。在任何阶段，地图以及其他图像都能够突出显示手头上的任务）
Fig.2　Maps and the GIScience process（based on Gahagan（2004）and illustrated with Minard’s map data.In any of these phases maps and other graphics can play a role to enhance the task at hand）

根据Gahegan的观点，图2是Minard地图背后的数据所示过程的简化版，该过程包含了探索、综合、分析、评估及展示步骤，但未按次序排列。让我们根据图中所示步骤看看拿破仑的战役图，本例的目的是理解在战役中发生了什么，图中的数据来自各种渠道的统计和地图，例如:法国军事档案、个人日记、俄国的报导和其他的参考文献（Austin，2000）。在图2中，还归纳了几个表。为了理解这些数据，需要研究这些数据及其关系，例如:通过包含所有变量的坐标，给出的变量，包括:军队的数量、温度、战役、死亡人数和伤员人数；这些事件发生的地理坐标用“水平”线表示。由此对这个阶段可作这样的假设:“由于拿破仑输掉了这场战役，他也可能输掉了大多数战役。”这可以通过图表显示来进行核查，例如Chernoff的脸谱图显示了是谁赢了战役。其他的变量如:军队的数量、伤员数量和死亡数量等也可以在Chernoff脸谱图中表示出来。由于拿破仑赢了大多数战役，所以人们会有兴趣查看军队的损失情况和其他因素之间的关系，例如随时间变化的天气和地理状况等，对此SAGE（Roth et al.，1994）类似的交互可视化工具能够展现出有趣的模式。另外，也可以创建时间统计地图，来更好地理解随时间变化的地理情况。根据分析结果，可以创建时间序列来比较不同时段的情况，或者从所获得的数据去创建视觉重叠图。一个包含不同层次信息的三维模型能够显示不同专题图层之间的关系。在最终地图成图之前，还需要通过不确定的可视化来评估结果。完成后的图像应既能精确指示战争路线的位置，也能够精确表明军队的数量，最后将这些新发现置于设计良好的地图和图表中。Minard的地图就是一个实例，而该图也等同于一个交互式的空间及时间立方体。

制图的每个阶段尤其是用到可视化工具的阶段，经常依赖头脑中给定的任务形成一种特定的创建思路，然而，没有哪个单一的软件环境能够应对所有的情况。在一个完善的地理可视化环境中，要求能够简便地访问到所有需要的功能，为达此目标正在进行不懈地努力（MacEachren and Kraak，2001）。参照地理信息科学的研究进程和Gahegan（2005）的描写，图2的图示方式只是一种可能的视图。

我们对从事研究的学者的思维和他们努力创造的事物了解得越多，我们就越能更好地设计出合适的可视化工具，这也是对从事研究工作的学者的支持（Gahegan，2005，P.91）。

图3　地图整饰、地图、地理信息科学的应用及发展趋势（图中，应用过程可视化占据了单独的位置，以说明地理信息科学过程主要使用地图和图像而非地理数据）
Fig.3　Map，the GIS Cience process and some developments and trends related to the working environment and the map appearance

目前，我们必须清楚地认识地图的概念应该是更宽泛的，因为在地理信息科学的背景下解决一个地理问题时，必须包含位置，因此地图是不可或缺的，而地图视图的其他信息只能作为辅助性说明。在有些情况下也可能不用地图，例如，当考虑从A点开车到B点（一个地理问题）；一些解决方法（特别是汽车导航系统）不是使用地图，而是通过语音来指示司机到何处该左转还是右转。就个人而言，我不能设想一个地理学家不需要一份地图来帮助自己旅行，在探寻解决方案方面，综合性地图有独特的长处。

图3还区分了与工作环境相关的发展及与地图显示有关的发展。与工作环境相关的发展包括:屏幕上的多维动态连接视图、地理数据基础设施和数据门户（数据交换所）、可视化合作和基于位置的服务的可能；与地图显示相关的发展包括:地图内容的多维化、设计方法、可选的视图和真实地理视图（虚拟并增强的现实）。

3.地图制作的发展趋势

3.1　设计和内容:专业级/自制

纸质地图特别是地形图是由专业人士设计并制造的，这些地图在许多情况下都很有用。未来此类地图将会继续生产，但用户的需求将迫使传统制图机构根据市场改变他们的方法。用户希望获得由他们自己的GIS软件进行处理的数字地理信息。最好的结果当然是能够提供正确的服务，这将需要国家的制图机构不仅要提供最新的数字数据，还得放弃已经从事了一个世纪之久的生产纸质地图的思维。这将会对制图机构的工作流程产生巨大影响，因为如今地图修订通常涉及图号而不是地图专题，例如基础设施专题图，尽管这类专题数据在汽车导航系统中有很高的需求。对地理信息学家来说，能够获得需要的数据是相当重要的，如果能够通过网络系统的制图服务获得那自然更好。对于接受的任务，科学家们一般希望将数据引用在自己的软件环境中，或者能够通过网络服务来提供的数据编辑地图。在这个过程中，内容（地图图层开或关）、布局（地图的符号的颜色和样式）和感兴趣的区域可由用户自己定义，但其潜在的缺点是地图的最终设计不能保证是完全依照制图学规则的，因为存在着许多选择。与用户环境相比，对专业的地理信息科学而言这并不是太大的问题。

3.2　维度

过去，由于在数据集合、建模和现实技术方面的限制，阻碍了我们用真正的三维来表示周围的三维世界，这导致了真实世界长期使用二维视图，在大多数情况下这已能满足应用问题。然而，有时候需要查询、分析和显示的三维世界，以增强理解并作出更好的决策，例如在复杂的城市规划中，要解决复杂的空间利用问题以避免利益冲突，三维显示就提供了一个交互的视觉环境，允许从任何方向查看实体，而且避免了遮蔽物，并允许查询显示中的所有实体。在地理信息科学中，对地形特征、地表和地下特征等的分析，都要求真三维方法和许多不同的可选视图（Dllner and Kersting，2000）；在一些情况下，多属性空间的真三维视图也能够提供说明（Lucieer and Kraak，2004），但可能并不足够，因数据集合可能会导致大量的多元数聚集，例如，高光谱感应器，这要求应用比科学可视化或信息可视化更高级的可视化技术。如果再将时间维度包含进去就使可视化变得更加复杂。动画看似是一个很好的解决方法，只要用户有能力与这类地图显示进行交互（Acevedo and Masuoka，1997）。

3.3　可选视图

地理信息学家运用许多不同的地图类型来诠释空间模式和关系，但这仅证明了以视觉的刷新来查看数据的概念；然而，一些有趣的可选视图需要复杂的计算和数据处理，并且无法在现成的软件中得到，诸如此类的地图有:统计地图、网络示意图和三维模型（Avelar，2002；Keim etal.，2003；Krisp and Ahonen－Rainio，2003）。为了取得成功，这些可选的视图应该与熟悉的地图视图配合使用。这些表示方式及其概念性的观点，在20世纪50～60年代已常常被利用并得到发展，然而直到今天它们才得以在地理信息环境中可操作。随着可获得数据途径的多元化，地图的单一的用途已远不够用。应用图像技术可减少数据的维度，由于通常在信息可视化方面需要它们（Keim et al.，2003，2005），这些图像也应该连接到地图视图上，例如:平行坐标图、分散图、甚或是自管理的地图。自管理的地图最初是由非地理数据的空间化设计出来的，但在地理信息科学环境中，也能够被用来显示空间属性（Skupin and Fabrikant，2003）。

3.4　抽象或真实

地图的一个重要特点是:它从现实中抽取真像，而以抽象的方式显示，为了显示特定目的，看似“空洞”的地图甚至比信息量超载的地图更好用，但在探索型的模式中，一个信息量超载的地图，对正在研究的主题可能更有代表性，用户可通过交互选择及过滤技术“挖掘”出关联信息（Shneiderman，1998）。传统地图“抽取/抽象”特点不仅受到探索技术挑战，也受到新视图环境的挑战，例如虚拟现实和增强现实（VR（虚拟现实）和AR（增强现实））（Dykes et al.，1999a；Unwin and Fisher，2001；Sherman and Craig，2002），它们允许用不同的视角去观察真实世界，使用户能够完全融入到“真实”中。VR和AR在图形使用方面力求真实，这可以通过现代数据收集技术手段获得，例如激光扫描和近景摄影测量，地图世界和VR/AR世界的组合应该是最佳的解决方案，依据手上任务的特点可在两者中选择任一种作为主要方案（Verbree et al.，1999）。对于导航任务来说，地图视图可能更加有用，如果是判断一个新设计的建筑是否与一个古老的市中心的风格相符，现实的视图将会带来更好的效果。

4.工作环境:发展和趋势

4.1　多维动态链接视图

在选择不同的数据视图的过程中，将会激发灵感和可视化思维（Peuquet and Kraak，2002）。为了选择合适的工作环境作支持，相应地创造出一个具有相同或相关数据的包括地图、图表、表等多视图彼此链接的环境。这种由地图和其他多视图像合并而成的多维视图，其长处是:用户在任何视图中的动作，都将会在其他视图中有相应实体的突出显示。类似于这种具有实验探索性质的环境还有几个。基于以统计学为基础（Haslett et al.，1991）的地图实例也是有的，例如CommonGIS（Andrienko and Andrienko，1999）和Cartographic Data Visualizer（Dykes，1997）。最近，以不同视角为主要内容的会议系列视图也已经建成^［8］。

4.2　空间数据基础设施

多维视图所需数据从何处获取？答案是互联网，地理信息学家能够通过网络门户或者地理空间数据基础设施（GDI）的数据交换所获取数据。此类门户通常提供的是地理数据的元数据集合，用户可根据用途决定这些元数据是否适用。元数据能够以可视化的地图、图表或通过浏览图像给用户提供有关内容和质量的额外信息（Ahonen－Rainio and Kraak，2004）。地理空间信息基础设施提供一系列服务，包括:机构、技术和经济等方面，来增强正确的、最新的、符合目的的，且综合的地理信息和地理服务的可获得性（访问和使用），并以较低价格来及时支持决策过程（Groot and McLaughlin，2000）。地图也是门户搜索机制中的一部分，它不仅能够用来指示兴趣区域，在结构化方法下也能够通过将地图集与门户使用相连接，来创建简单的访问通路（Aditya and Kraak，2004）。在GDI的发展中，也引入了由开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium）所推广的新技术:基于概念性的网络制图、基于XML的地理标记语言（GML）、可伸缩的矢量图形（SVG），以及它们的样式表等，形成了一个（网络）制图和地理数据交换的标准化的方法。

4.3　基于位置的服务

人类的活动增加了对地理服务的需求（Gartner and Uhrliz，2002），尽管纸质地图被认为是可移动的，但它的内容却不能。PC（图象处理）、PDA（掌上电脑）、移动电话和无线网络技术的出现加速了这种需求。借助于地理空间基础设施和网络门户的服务，在任何地点的任一时刻获取最新的、最早的信息服务，将世界带入了所谓位置服务的时代，例如获得距离最近的书店或博物馆的信息。对于地理信息学家来说，也许更有兴趣从办公室里下载数据，然后再利用数据库中已有的信息与实地调查结果去比较（Dykes et al.，1999b）。

4.4　合作

为解决一些重要的地理问题，例如灾害管理，需要获得大量的各类数据，这需要开展多学科和交叉学科的研究，显然这意味着一种或多种方法的合作。通过互联网和无线网络，来自不同地方的同事为完成同一个项目工作已成为可能，为实现此类工作，实验正在开展中（Wood et al.，1997；Mac Eachren，2000，2005）。

5.结论

在地理信息科学的运用过程中，各种地图和图像各显特色，成为协助研究者理解数据，并支持解决问题的重要手段。在这一过程中，地图保持了它的传统特色，即:它通过制图学的设计过程来符号化现实，并抽象地增强了对空间模式及其关系的理解。地图是地理空间数据的灵活界面，它不仅展示了空间数据，还完成了展示内容背后的数据间的交互；地图是鼓励探索的工具，它可以激发思维、显示未知内容、指明异常以及展现发展趋势。

地图和图像并不能单一地完成这一切，在地理信息科学运用过程的每个阶段，不同的算法、模型以及其他方法和技术都是不可或缺的。本文中，只是部分地讨论了一些地图的发展及趋势影响，例如，在整个领域的（可视化的）数据挖掘均未在文中讨论，但这却是地理信息科学运用过程中的一个重要部分。地图的作用远远不只是展现地理数据，地图还以各种方法探索和展现了相互连接的、动态的和交互的环境。总之，地理信息科学的兴起与可视化的应用，掀起了地图应用的新篇章。地图的确至关重要。

（英译中:李霞；中译英:李霞）

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【注释】

[1]作者简介:M.J·克拉克，教授，ICA副主席；荷兰国际地理信息科学与地球观测学院地理信息处理学院院长。