数字环境下地图学发展的若干问题

原载于：第三届两岸测绘发展研讨会（2000.12.香港）论文集数字环境下地图学发展的若干问题杜清运（武汉大学资源与环境科学学院，武汉，湖北，430072）摘要总的看来，正在发生的数字化革命对地图学的影响可以从技术、理论和实践三个方面体现：技术进步是数字化革命为地图学发展带来的最大动力，理论发展，尤其是针对数字化对传统理论进行总结提高是目前地图学的最大挑战，而地图学实践的提升是保持地图学长久存在与发展的最终目标。本文针对正在发展中的数字化进程，对数字化环境下地图学在以上三个重要环节上的发展趋势进行了探讨和分析，并提出了相应的努力方向与发展对策。关键字数字化革命地图学发展理论技术实践1．引言以计算机技术、现代通信技术为主所引发的数字化革命正在深刻地影响着地图学这门古老的学科。同历史上每一次科学与技术革命一样，数字化革命对地图学的发展所产生的推动作用是全方位的，迫使地图学工作者重新审视本学科所面临的机遇与挑战。2．理论的发展进入以计算机、网络、卫星通信为特征的信息社会，地图学的发展受到数字化浪潮的巨大冲击，一方面地图学作为一门古老的学科需要不断向前发展，另一方面又在新兴学科特别是地理信息科学的强大压力下需要保持其学科的相对独立性和稳定性。2．1经典的地图学理论在地图学理论中，使地图学成为一个学科体系的三个最经典的理解模型是认知论(cognitiveconcept)、传输论(communicativeconcept)和地图语言学理论(maplanguageconcept)。它们从三个不同方面解释了地图学的概念基础（Berlyant，1994）。认知论认为，地图学是通过制图模型来认知周围真实世界的科学，地图是真实世界的图形符号模型。传输论认为，地图学是空间信息表达的科学，是信息科学的一个独立分支，地图是一个信息通道，一种传输的手段。地图语言学理论认为，地图学是关于地图语言的科学，是符号学的一个分支，地图是一认知传输种用制图语言系统编写的特殊文本。与分析（可视和非可视）除此之外，还有元地图学等其他理论。可视化1993年，当时的国际地图学协会（ICA）主席FraserTaylor给出了一个经修正的地图学交互与动态概念三角形（如图1），在该三角形中，认知和传输分别占据了两条重要的等边，形式化占形式化据底边，可视化占据三角形的中心，成为联系新的计算机技术两种经典理论的纽带。新的多媒体技术2．2地图学理论的新进展图1地图学的概念基础（Taylor,1993）地图学的理论基础需要保持一定的稳定性，特别是不要随着技术进步的大潮随波逐流，这是许多地图学家的重要论点。如Taylor在提出他的概念三角形时同时指出，“地图学被太多的技术方法所主导，使我的三角形底边同学科的其它方面不成比例，存在对计算机及相关技术的过于重视，而忽略了认知与传输”（Taylor,1993）。然而，随着数字技术的发展，地图学理论所面临的发展压力是相当巨大的，特别是地理信息系统和数字制图学的发展，许多过去传统地图学未被重视的问题重新提上研究日程。许多学者认为，地图学理论正在发生某些变化。2．2．1地图学定义的改变有关地图学的定义，从来就有不同的观点。ICA最近一次给出的正式定义是：“地图学是关于地图的概念化、生产、分发和研究的学科”。地图则是“一种主要为关注空间关系而设计的、对从地理真实世界选取出来的要素或特征实施表达的惯例性图像”（Board,1991）。ICA新主席DrBengtRystedt及秘书长DrFerjanOrmeling在当选后分别给了他们对地图学定义的看法。DrRystedt的定义是基于传输论的，他认为地图学是研究“用视觉形式传输地理空间信息”；DrOrmeling则申明他已开始摆脱传输论，他认为地图学是研究“让人们基于空间信息做出恰当决策的过程”（ICA，2000）。地图学定义的改变反映了学科内涵和外延上的变化，是地图学理论诸多转变的体现。2．2．2地图学功能理论的改变地图学关于地图的功能理论也在发生改变。Kraak（1998）指出，“地图可视化正在由供给驱动向需求驱动转变”。地图的功能由表达已知的知识向探索未知的知识发展，并导致所谓“探索型地图学”概念的提出。地图不再只是一种最终产品，也可能是仅仅为视觉思维服务的中间产品，更多的非制图人员加入到制图的行列，当然是在有效的可视化方法和工具的基础上。2．2．3地图学理解模型的改变理解模型是一个学科的概念基础，它解释一个学科所包括的范围以及同其它相关学科的联系，并对学科未来的发展有预测和指导作用。Lyutyy（1998）认为地图学正处在由方法论科学向现象学科学方向的发展进程中，其主要表现在，传统的地图学主要是以测量、编辑、设计、综合、成图、使用等方法指导为主线的，而今天的地图学有必要将地图作为本体来考察，研究其作为人类最重要、最基本语言形式的内部结构规律及其在社会、科学、实践中的功能及相互关系。作为地图学的理解模型，认知论和传输论具有非常重要的价值，是广为接受的经典模型。在地图符号学和地图语言学理论提出后，地图学的理解模型呈现三足鼎立之势。地图语言学理论虽然出现较晚，但发展很快。Berlyant（1994）在分析了地图学的各种理解模型后认为它们正趋于融合，并提出用“地理信息论”来概括之：地图是真实世界的图形-符号地理信息模型，地图学是研究制图模型化和地学系统认知的科学。2．3地图语言学理论的发展由于语言学与符号学具有天然的联系，因而反映在理论地图学中，地图符号学（Carto-semiotics）和地图语言学（Carto-linguistics）两个概念均被引用。不同的地图学家出于不同的研究目的和理念，交替使用它们。C.G.Head这样区别它们，“地图符号学是指采用一些符号学学派的理论取向的地图研究方法，而地图语言学是指由语言学思考激发的方法（Head,1999）。在地图语言学方面，1954年，J.K.Blaut(1954)发表了“地图的语言”一文。随后的1970年，M.F.Decay(1970)和他的同事在二维语言方面开展了初步工作；A.H.Robinson和B.B.Petchenik（1976）对地图与自然语言进行了详细的比较，结论是两者差别太大，难以提供研究框架；C.E.Youngmann（1978）从计算机制图学的角度探讨了地图的语言学机制。1981年，加拿大教授C.G.Head（1984）发表了著名的“作为自然语言的地图——一种新的理解模型”一文，在国际地图学界引起极大反响。R.V.Geber(1977,1981,1984)主要从实验心理方法对儿童地图语言能力（Competence）与语言使用(Performance)进行了研究。尽管一些学者对地图与语言的类比有怀疑，或完全不赞成，地图语言学模型还是得到了巨大的发展，并有融合认知模型和传输模型的趋势。其主要原因包括：自然语言、音乐一样，地图是人类发明的基本交流方式。研究表明，地图是三者中最古老的交流方式（Rhind,1993）。这种共生的功能上的类比是地图的语言学理论的基础；符号学理论的发展找到了和地图学的结合点。1967年，JacquesBertin在他的“SémiologieGraphique”一书中提出了“视觉变量”理论，后被Morrison(1974)和Muller（1981）引入英语学术圈。其后，Kolácny（1969）、Ratasjki(1975)、Schlichtmann（1979-1994）在传输论的框架下详细讨论了语义、语法和语用等符号学基本概念，研究符号内容和表达（二元符号模型）或所指、符号传输和解译（三元符号系统）之间的联系，成为地图符号学的研究内容主体；理论地理学及地理信息科学的发展导致心理学、认知科学、地理学、地图学等相关学科对地理信息概念模型及人类空间认知的关注，并求助于自然语言这一人类更一般的交流和认知工具，促使了地图学与语言学的类比和相互启发（Mark,1988）；语言学模型在人工智能、自然语言理解、计算机视觉、模式识别等领域的广泛应用推动了语言学原理在地图学特别是数字制图学领域的发展。由方法学向现象学的转变反映了地图学家们一直试图为地图学寻找一个可供研究的本体，已摆脱传统理论包括纯粹的认知模型和传输模型作为其它科学活动方法学的从属性地位。而地图学语言学正好契合了这种转变，同时也不排斥原有的理解模型。目前，大多数地图语言学的研究是在理论框架、符号学、语用学、应用语言学、认知语言学等领域。数字技术的发展有希望推动地图语言学向更深层次的发展，其主要表现为：地图语言的语音、语义和语法的研究导致对空间信息内部结构的分析与揭示，作为数字制图系统和地理信息系统中空间信息的概念模型(杜清运，1999)；地图语言理解与人工智能中自然语言处理的结合导致地图数据处理中人工智能因素的引入，建立与自然语言处理平行的图形语言智能处理能力，提高空间信息处理的智能化程度(Du,1998)；地图语言学作为一个很好的理解模型，可以充分地与认知科学、语言学、心理学的研究成果相结合，使与数字地图信息相关的理论与方法研究得以整合和体系化，真正起到本体化和理论框架的预测与指导作用。DavidMark（1999）对这个多学科体系的作用有以下概括：地图学提供地理空间概念与关系；认知与环境心理学提供实验调查与人本模型；人工智能提供形式化与计算模型，以及认知模型发展的本体和结构；语言学提供与描述性空间短语的构造及空间隐喻(metaphor)使用的相关联系；哲学提供空间概念的理论基础。进一步将地图作为一种认知和交流功能的语言现象在社会、经济、历史、文化等背景上加以研究和探讨，为数字地图产品的应用提供支持。语言学模型在地图学领域和地理信息科学两个领域同时受到重视并不是偶然的，同其它理解模型相比，语言学模型的解释与预测能力更强，包容性更大，结构主义语言学和数理语言学本身已和计算机技术结合多年，可借鉴的理论和应用成果丰厚，这些都成为未来地图语言学模型进一步发展的动力。3．技术的进步技术的进步是近年来地图学所经历的最大革命。它的影响最主要表现为产品模式、生产技术、分发途径和使用方式四个方面。3．1产品模式数字地图的出现打破了模拟地图一统天下的局面。数字地图通过数字表示传统在纸质地图上用图形、符号、颜色、注记等表示的空间信息，以计算机外存设备存贮管理，在地理信息系统的空间数据管理与处理软件的支持下可完成传统人们通过使用和阅读地图完成的一些空间信息加工活动。数字地图由于和计算机高效、准确的处理功能相结合很容易灵活地产生各种满足不同需求的新的产品模式。产品模式可以表现为存贮介质、显示设备和内容三个方面的差别。存贮介质主要以计算机存贮器为主，如硬盘、软盘、光盘等。随着便携设备的发展，又出现了闪存、SIM卡、MD等小型存贮设备。存贮介质的类型在容量、存取速度、可携带程度等方面由较大差别。显示设备则包括计算机显示器、电视屏幕、手机及个人数字助理（PDA）的液晶显示器、等离子显示器、高清晰度电视（HDTV）等，在颜色、分辨率、尺寸等方面有较大差别。除了载体的变化外，数字技术也为地图本身的内容及其与其它信息的集成提供了可能性。数字形式的地图在内容上变得更为丰富和多样化，主要表现在三维信息和时态信息的引入。数字技术还使得地图与影像、不同比例尺地图、不同类型地图的纵向连接与集成，以及城市、省、国家及世界范围的地图横向“无缝”连接成为可能。3．2生产技术计算机技术的出现对地图的生产技术支撑起到了非常大的推动作用。它不仅使传统意义上的地图制作过程的全数字化成为可能，同时也带动其他相关技术在地图数据获取、地图表现等方面提供了新的可能性。3．2．1地图生产过程的全数字化随着计算机硬件和软件技术的不断发展，包括扫描仪、图形处理工作站、激光照排设备的日益普及化和图形设计和处理软件的不断涌现，在短短的几年时间内地图的制作工艺过程迅速地过渡到全数字化地图制图工艺，绘图、刻图以及传统的地图制印工艺正在成为历史。近几年来，使用新的全数字化制图技术从事地图生产迅速得以普及。通过采用桌面出版系统