数字测图与 GIS 数据扩展的探讨

摘要：数字测图日益成为GIS数据的重要来源，但是由于受到传统测图要求的影响，使得数字测图不能很好地满足GIS的要求。从介绍数字测图入手，通过分析数字测图的作业方式、绘制思想等方面的问题，并对常用的数字测图软件和GIS软件进行对比，指出两者存在的冲突。通过分析数字测图与GIS数据在各个方面的差异，提出GIS数据扩展模型的概念，为图库一体化数字测图软件的实现奠定了基础。
一、前言
虽然航测、遥感等技术的发展为空间数据的获取带来了革命性的变化，但是在空间数据采集、动态更新，特别是在城市建设所需的大比例尺空间数据获取方面，野外实地测量的地位还是不可动摇的。为此，近几年的数字测图技术、测图软件等发展比较迅速。同时，随着GIS的发展，数字测图日益成为GIS重要的数据来源，许多数字测图的后期工程都要求建立GIS数据库。
由于目前的测图方法和绘图软件主要还是面向传统图形应用，数字测图成果与GIS数据要求还存在一定的差距。数字测图系统所提供的电子地图（包括地形图）与GIS数据之间的无缝接轨是当前亟待解决的难点问题之一。一方面我们拥有大量的线划数据（如DWG格式数据），另一方面许多 GIS 系统数据匮乏。虽然许多测图软件系统正在努力向成图、建库一体化靠拢，但效果不佳。本文探索一种数据生产模式，在生产数字测图的同时生产GIS数据，利用数字测图与GIS数据之间的关系进行一体化生产。
二、数字测图存在的问题
与传统的模拟法测图相比，随着各种技术的发展，以全站仪等测绘仪器和计算机技术为支撑，可以建立三维数据自动采集、传输、处理的测量数据处理系统。也就是说，数字制图是研究地球表面信息获取、处理、传输、存储及其表达的技术，最终得到数字式和非数字式的地图产品。其主要应用在纸质地图生产和屏幕地图制图中，强调空间地理信息的传输和表达。由于受传统测图要求的影响，数字测图面临以下几点问题。
1.测站式测图方式（以地形图为例）
目前，大比例尺地形测绘一般采用全站仪以测站方式进行，这不仅大大减轻了测绘人员的劳动强度，而且大大提高了测量精度。但是该作业方式使得数据获取是围绕测站的可见区域进行，内业数据处理与图形绘制难免带有测站的影子。例如规则的四边形建筑物只需测出3个点，第4点可根据其几何特征在微
机上完成（见图1）。还有一种常见的情况，为满足出图美观，对图形进行取舍，造成制图对象的逻辑完整性受到损坏，如当文字注记压盖某线条（如道路边线、等高线、房屋外框线）时，人为地断开线条。所以说，外业测绘就难以构建完整的地理要素。
2.数字测图绘制的指导思想（以地形图为例）
测绘人员以外业采集的数据为基础，根据地形图图示、地理要素分类与代码和数据字典进行机助地形图绘制。这就造成了地形图的绘制模式是一种基于可视化的拼凑模式，比如在绘制一些复杂地物时，会添加辅助线以增强其可视化的效果，如填充的房屋，内部的斜线是程序生成的辅助线（见图2 )，这会使得许多要素无要素代码，造成分层混乱。
3.属性数据采集
属性数据是非空间数据，主要表示空间实体的定性（如名称、类型、特性）和定量（数据和等级）特征在一般的数字测图软件中，属性数据是通过注记或图形的颜色、线型、大小等方式来表达的，这些内容一般直接通过图形可视化即可表达出来，不需要属性数据库的支持（部分软件本身就没有属性库）。
长期以来，人们已经建立起了采集属性数据的习惯，即按照《图式》要求进行。但从建立地理信息系统的角度看，这些属性数据远远不能满足建立各种统计、分析模式的需要。在没有空间数据库支持的情况下，即使采集了属性数据，也不能很好地与实体的ID建立有效的关联。比如建筑物属性数据采集，《图式》要求标注的内容也就是名称、材质、层数等，以上数据可以以图形或注记的形式表示出来，但该楼的竣工时间、结构形式、用途、所属单位、使用年限等数据却不可能在图面上进行表示，也是以往测量工作所忽视的。若有意识地采集这些数据，还需要测图软件系统的支持。否则，在建立GIS属性库时，属性数据和空间数据的对应关系也将是一项非常繁琐的工作。
三、测图软件与 GIS 软件的冲突
数字测图的理论和应用已经比较成熟，大多数的测绘软件基本完全实现了地图图式上的绘图要求，能满足数字成图的需要例如清华山维、广州开思、南方CASS、北京威远图等。由于是针对地图制图，这些软件一般都提供了数字化仪采集、扫描矢量化、多种数据格式转换、地图投影变换、坐标变换、几何纠正、地图编辑，地图整饰、专题图制作和输出EPS等功能。此类软件操作性比较强，编辑功能强大，具有很好的地形图可视化的表达效果，但是忽视了空间数据的生成和利用，没有考虑到数字地形图的进一步利用和向GIS的转换。
目前在测绘行业中产生较大影响的国外GIS软件有Arc/Info和MapInfo等，国产GIS软件有 MapGIS，SuperMap和GeoStar等，由于GIS类软件具有强大的地理属性管理的能力，因而它们主要应用在空间数据获取和管理上。GIS类软件的中心目的不是地图生产，而是空间数据的分析应用地图制图只是作为它输出部分的一种形式（GIS输出形式包括：屏幕显示、地图输出、打印输出、基于Intenet的地图输出等）。因此GIS中的地图制图功能要求较低，不需要达到地图正式出版的要求。
由于测图软件与GIS软件的侧重点和目的不同，也就造成了这两类软件难以避免的冲突：
1．数据格式障碍。由于测图软件不具备GIS软件强大的分析功能，所以当对测图数据进行空间分析时，就需要数据转换，但是转换后的数据质量难以保证，如圆弧、曲线转换后会变形，空间数据的属性会丢失等。
2．缺少拓扑信息。测图软件缺少生产拓扑信息的功能，做图时难免产生一些人为错误，如线段重复、多边形不闭合、多节点等问题。
3．数据供给现状。测图软件符号化强，为了达到较好的可视化效果，作业人员定义了许多图块、线型、字体、填充图案，这些数据格式在GIS环境下很难正确表达。当真正利用制图数据去建立空间数据库的时候，就必须删去制图要素（符号、线型和整饰等）、修复结构化问题（悬挂、裂缝、互粘等）以及净化规范数据（清除图块、冗余和垃圾，按国标分层、赋码等），然后才能进行结构化实施，进入GIS系统，建立空间数据库。但仅就第一步数据整理而言，就十分麻烦和枯燥，甚至是无从下手。
四、测图数据与GIS数据的比较
测图数据和GIS空间数据相比较，既有相同的地方，也有不同的地方：二者作为现实世界的反映，均以现实中的地物地貌抽象出来的几何特征为基础，所以具有共同的几何形态。测图数据主要用于地图制图表达及地图出版，以信息传输为核心，侧重图形数据的表达，以地图作为最终输出的产品，要求达到被人理解的程度；空间数据主要应用于地理空间分析，以信息处理为核心，侧重属性数据的表达，以分析查询结果数据作为最后的输出形式，要求达到能够被计算机分析的程度。由于侧重点不同，二者在某些方面也表现出了差异。
1．形式与内容差异
测图数据符号化强、属性简单：GIS数据图形简单、属性完善，有拓扑；在GIS数据中无符号、线型、填充区域的概念，只有编码和属性。
2．对象完整性差异
测图数据强调图形协调性，很多时候为了突出图形的效果而破坏了数据的完整性，而GIS数据强调要素的完整性。如图3所示的河流、道路与桥梁的压盖断开关系，在测图数据中，河流在桥梁处被断开，破坏了河流的完整性。
3．拓扑关系的表达差异
地形图将拓扑关系寓于图形之中，需要人的知识来解译、判识；而GIS数据中拓扑关系是生成的，拓扑关系即为数据。
通过对测图数据与GIS数据的比较可以看出，测图数据是空间信息、拓扑关系、属性信息在平面上的一种最大化集成，由于图纸的信息承载能力有限，所以这种集成也是有局限的，这种集成信息的应用需要阅图经验来分解，它难以胜任GIS分析。测图数据与GIS数据关联密切，但它不是GIS数据的替代品，所以说目前的制图生产方式，势必影响到空间信息的深层次应用。
五、测图数据与GIS数据一体化生产
回顾我国数字制图发展近十年的历史，我们可以看到，地图工作者紧紧围绕两项基本任务开展工作：一方面采用数字制图方法，在对地图内容编辑修改之后输出感光胶片来生产纸质地图；另一方面，也通过对地图内容采集获取空间数据，得到数字地图。两者之间虽然关系紧密，其研究对象都是地理空间信息的获取和表达，但其间的差异也十分明显，所以这两项工作是单独进行的。
由于GIS数据的获取常采用数字化已有纸质地图的方法，因此所获取的GIS数据现势性较差。用这些数据进行地图生产必须对地图内容进行编辑修改，要利用有关资料对地图内容进行更新以得到现势性较好的地图产品。在地图制图与GIS数据生产一体化技术没有应用以前，更新后的地图图形数据不能更新GIS数据，这样就存在原有GIS数据和现有地图产品现势性不一致的矛盾。对于一些涉及全局范围（全国或者某一地区）的地图生产作业任务来讲，是不能容忍这种新的纸质地图与陈旧的GIS数据“两层皮”的局面存在的。要想得到内容相一致的两项成果（纸质地图和GIS数据），现有的技术只能是分两步走，先做完一项再去做另一项，有两种流程：
1．如果先生产了纸质地图（地图数据不是GIS数据），然后在此基础上要得到GIS数据，则必须进行地图内容赋予属性、连接地名指针、面状要素放置面域点，以及建立拓扑关系等工作。
2．如果先生产了GIS数据，再要生产纸质地图，则需要把GIS数据符号化后重新编辑修改，工作量很大。
不管上述哪种流程，对作业单位来说工作量和难度都很大，给实际应用带来了极大不便。只好放弃其中的一项，所以在生产实际中经常出现有图没数据或有数据没图的情况；但是现在越来越多的数字化生产作业，尤其是在系列比例尺地形图的生产中，迫切希望在一个生产流程中同时得到两种成果，把地图制图与GIS数据生产结合起来，既有纸质地图成果又有GIS数据成果，实现了两者的一体化生产，这是数字制图发展到现阶段所反映出的客观规律和必然要求。
为了实现测图数据和GIS数据的一体化生产，利用两种数据的相似性，本文提出 GIS 数据扩展模型的概念，即以地理要素为核心，采集既满足GIS数据要求的空间数据和属性数据，又满足制图要求的、符合《图式》规范的地图生产数据，这就是扩展的GIS数据。为了生产这种数据，提高数据生产的易操作性，就需要设计一种新的数字测图软件，我们称为“图库一体化数字测图软件”，该软件按照要素分类代码词典自动生成了GIS扩展数据，这种数据还应满足其他方面的要求：
1．测量地形地貌的同时，按照有关要求同时采集和录人属性；
2．基于要素完整性的地形可视化；
3．基于图形的要素重构，许多要素在地形图图式中是不存在的，需要基于地形图重构，例如道路中心线的生成，是根据道路边线进行的重构；
4．多种图形的管理，在图形工程中，可按照地形图、GIS要素、专题图等各种形式表达。
因篇幅所限，有关GIS数据扩展模型和图库一体化数字测图软件的详细内容本文不再赘述。
六、结束语
地图制图与GIS数据生产是测绘工作者现在和将来从事的两项最主要的任务，这两项工作都需要投入大量的人力和物力，但是以目前的条件，很难同时完成两项工作，即使依次实施，由于在实施时间上的差异，最终的纸质地图和GIS数据会出现许多的不一致。本文通过比较测图数据与GIS数据，分析两者之间的差异和相似，引入GIS数据扩展模型的理念，提出图库一体化生产的模式。此模式必将大大节省生产成本，提高工作效率。

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