我国地图制图学与地理信息工程学科发展研究

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2007 年 5 期 第 测 绘 通 报 1

学地, 抽象概括地反映自然界和人类社会各种现象的 空间分布, 相互联系, 空间关系及其动态变化 ,并对空 析, 处理和可视化 ,建立相应的空间信息系统 ,以图形 和影像方式传输空间地理环境信息的科学.目前 ,以 间地理环境信息进行获

取, 智能抽象, 存储, 管理, 分

地理空间信息数据库, 计算机地图制图, 地理信息系 统和计算机网络技术为主体的数字化地图制图 ,已经 取代了传统手工地图制图 ,并正向以地理空间信息综 变 ,地理空间信息获取的天, 地一体化, 空, 信息处理 制图学与地理信息工程学科的新特征.

合服务为核心的信息化地图制图与地理信息工程转 的智能化, 信息服务的网络化正在成为信息时代地图

地图制图生产的基本技术手段 , 彻底改变了地图制 图技术的落后状况 , 增强了地图制图与出版的科学 性 ,提高了成图速度 , 缩短了成图周期 , 适应了经济 建设 , 国防建设和社会发展的需求 ,是地图科学发展 史上的里程碑性的变革 .
2. 初步构建了我国及全球基础空间数据库 ,

收稿日期 : 2007203202 作者简介 : 王家耀 (19362) ,男 ,湖北武汉人 ,教授 ,博导 ,中国工程院院士 ,主要从事地图制图与地理信息工程研究 .

文章编号 :049420911 ( 2007) 0520001206
八项主要任务 .

中图分类号 : P28 文献标识码 :B

我国地图制图学与地理信息工程学科发展研究
王家耀
( 信息工程大学 测绘学院 ,河南 郑州 450052)

Research on the Progress of Cartography and Geographic Inf ormation Engineering in China
WAN G Jia2yao

摘要 :在计算机及相关学科的促动下 ,地图制图学与地理信息工程学科取得了长足的发展 .在分析国内相关研究成果的基础上 ,

从十个方面对地图制图学与地理信息工程学科的研究进展进行归纳 ,分析学科发展面临的机遇和挑战 , 并提出学科发展的趋势和

关键词 :地图制图学与地理信息工程 ; 进展 ; 机遇 ; 发展趋势 ; 任务

地图制图学与地理信息工程是研究利用图形科

据库 ,: 万数字高程模型数据库 , 1 5 各种比例尺的海 洋测绘数据库 , 五大江湖 1 : 万数字高程模型数据 1 库等之后 ,又建成了我国 1 : 万基础框架数据库 , 5
1: 万中国及其周边地图数据库 ,: 万世界地 300 1 500

图数据库 , 数字正射影像数据库 ,各省市 1: 万数据 1 库和 1: 000 ,1: 000 ,1 : 000 ,1 : 基础地理信 5 2 1 500 息数据库也在建设之中 , 初步构成了我国及全球基 础地理空间数据框架 , 为数字地球 , 数字中国 , 数字 省 ( 自治区 , 直辖市) , 数字城市 , 数字江河 , 数字海洋 建设奠定了坚实的空间数据基础框架 .
3. 省 , 市地图集的编纂出版水平有了新的提高

五卷本中华人民共和国大地图集的编纂出版 ,

曾经树起了我国地图科学发展史上的一座丰碑 .近 年来编纂出版的 《中华人民共和国行政区划地图 集》 江苏省地图集》 中国巴西地球资源卫星影像 《 , 《 , 地图集》 新疆维吾尔自治区地图集》 中华人民共 《 , 《 , 和国语音地图》 澳门特别行政区与周边地区地 , 《 图》 导航电子地图》 南极系列地图》 《 , 《 , 等地图集具 有代表性 ,特别是其中的省市地图集的编纂出版水 平有了新的提高 .
4. 地理信息系统技术紧跟国际先进水平 ,

, 一 地图制图学与地理信息工程学科 取得的进展
计算机 , 数字化方式的跨越式发展

地图制图生产实现了由手工 , 1. 模拟方式向

地图制图与出版的数字化与一体化已成为中国

地理信息服务形式更加多样化 我国的地理信息系统技术虽起步较晚 , 但经过

引进 , , , 消化 吸收 再创新 ,取得了明显进步 .GIS 产 品种类逐年增加 ; 拥有自主知识产权的商品化 GIS 软件 , 如 Map GIS , Super Map , GeoStar 等 GIS 软件 企业的市场竞争力大幅提升 ; 实现信息共享与互操

空间数据索引技术研究进一步深入

继建立我国 1: 万 ,: 万 ,: 万地图数 100 1 50 1 25

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测 绘 通 报 2007 年 5 期 第 2 作已经成为 GIS 领域的研究热点 ; 提出了利用 Web Service 技术实现分布异构网络环境下空间数据互 操作 和 空 间 数 据 处 理 功 能 互 操 作 的 新 的 解 决 方 案 [ 1 ] ; 探 讨 了 Agent 与 网 络 相 结 合 的 基 于 Multi2 Agent s和 Web GIS 的 新 思 路 [ 2 ] ; 提 出 了 利 用 Web
Service技术实现分布异构环境下空间数据库互操作

应用协同技术思想 ,设计了一个虚拟协同交互系统 , 并在此基础上通过利用 VRML 和 J ava 技术实现了 一个融合了协同机制的虚拟就业市场系统 , 具有真 正意义的分布性 , 维性 , 3 交互性 , 多媒体集成性和 境界逼真性 ,从而更接近实用 .
8. 空间数据挖掘和知识发现研究越来越受到

和功能互操作的解决方案 . 5. 地图自动制图综合研究取得了实质性 , 突破性进展 目前空间数据的多尺度表达与自动综合仍然是

重视和关注 空间数据挖掘和知识发现 ( Spatial Data Mining and Knowledge Discovery ,简称 SDM KD) 是人类面对海 量数据的一个极具吸引力和挑战性的研究领域 ,由于 问题的复杂性和解决问题的困难性 ,越来越受到学术 界的重视和关注 ,近年来 ,取得了显著进展.李德仁 等[24 ]的学术专著 《空间数据挖掘理论与应用》 ,分 中 析了国内外在该领域的研究进展和空间数据挖掘的 难度 ,研究了空间数据挖掘的基础 ,分析了空间数据 挖掘的数据源 ,就空间数据清理, 空间数据挖掘可用 的理论方法, 地学粗空间, 云模型, 数据场, 基于概念 格的空间数据挖掘, 宝塔滑坡的监测数据挖掘, 空间 聚类知识挖掘等专门问题进行了探索 ,介绍了空间数 据挖掘系统研发情况 ,最后给出了结论和展望.
9. 地球空间信息网格技术的研究有了良好

国际学术界公认的难题 .其核心是自动综合的正确 程度完全取决于功能模拟模型和输入数据是否客 观, 正确地反映人脑思维系统 .可喜的是 , 近年来 , 我国年轻的学者在解决自动综合的许多难题方面做 了大量卓有成效的工作 , 取得了充分体现自主创新 精神的优秀成果 [ 3～19 ] ,包括一系列自动综合的模拟 模型 ,特别是提出了自动综合链以及基于保质设计 的自动综合的理论和方法 , 建立了自动综合过程控 制模型 ,为空间数据的多尺度表达和自动综合的最 终实现创造了非常有利的条件 .
6. 空间数据不确定性与数据质量控制研究

进一步深化 史文中所著 《空间数据与空间分析不确定性原 ( 理》2005) 是中国在该领域的代表性研究成果[ 20 ] , 深入研究了空间数据的不确定性模型 , 空间分析不 确定性建模 , 不确定性理论在空间数据挖掘中的应 用等 ,研究成果具有科学性 , 系统性 , 创新性和前瞻 性 .数字高程模型 ( DEM ) 的不确定性是近几年备 受关注的问题 , 王光霞的 DEM 精度模型建立与应 《 ( 用研究》2005 ) 在该领域研究方面具有代表性[ 21 ] ,

的开端 网格是高速互联网上实现资源共享和协同解决 问题的一种计算环境 , 各个不同的专业领域都可以 从自身的特点来理解网格 , 在高速互联网上构建本 领域资源共享和协同工作的计算环境 .在这种背景 下 ,地球空间信息科学或测绘科学技术领域提出了 空间信息网格 ,它实质上是网格技术与空间信息技 术的融合与集成 .文献 [ 25 ] 提出了一个 Grid 与 Agent 集 成 的 网 格 地 理 信 息 系 统 即 基 于 Multi
Agent s的 Grid GIS 的体系结构 , 探讨了 Grid GIS 中 Mobile Agent ( M Agent ) 的实现 , GIS 中Agent 的 Grid

提出了 DEM 误差分析与精度模型的内容体系 , 深 入研究了基于地形特征的 DEM 精 度 评 估 模 型 , DEM 线性建模的传递误差模型 , 细节层次 LoD 误 差模型与精度评估及 DEM 与地物 ( 如道路等) 模型 融合的精度评估 ,具有重要的理论与实际意义 .
7. 虚拟现实技术向通用化和实用化发展

部署等问题 . 10. 地图制图学与地理信息工程理论研究 有了长足的进步 一方面 ,除了地图投影 , 地图综合和地图符号等 传统理论外 ,地图制图学与地理信息工程科学又增 加了地图空间认知理论 , 地理信息传输理论 , 地图视 觉感受理论 , 地图模型理论 , 地理空间信息语言学理 论, 地学信息图谱理论 , 空间数据的不确定性理论等

文献 [ 22 ] 利用 HLA 构建分布式虚拟地理环境 ( Dist ributed Virt ual Geographic Environment , 简 称 DV GE) 系统框架可用于地理多维信息的综合管理 与多媒体集成发布 , 人机交互/ 交融式 , 创新式科学

研究 , 分布式地理协同规划 , 设计与决策 , 地理旅游 , 现代理论 ,理论体系正在逐步形成 ; 另一方面 , 近年 ( 教育 , 培训及娱乐等 ,可为数字地球 , 数字中国 , 数字 来 ,撰写和出版了 《地图学与地理信息工程研究》王 省 ( 自治区 , 直辖市) , 数字城市 , 数字海洋 , 数字江河 家耀 ,科学出版社 ,2005 ) 《数字高程模型及地学分 , ( 等数字信息工程建设提供方法和技术支撑 . 析的原理与方法》 汤国安等 , 科学出版社 ,2005 ) , ( 文献 [ 23 ] 高效地对虚拟场景进行建模与控制 , 《空间数据与空间分析不确定性原理》史文中 ,科学
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2007 年 5 期 第 测 绘 通 报 3 ( 出版社 ,2005) 《地球信息理论和零初始化问题》胡 , 鹏等 ,测绘出版社 ,2006 ) ,空间分析建模与原理》 《 (朱长青等 , 科学出版社 ,2006 ) 《Algorit hmic Foun2 , ( dation of Multi2Scale Spatial Representation 》 Zhilin Li , Taglor and Francis Groud ,2006 ) , 等等 .我国的 地图制图学与地理信息工程 ( 地图学与地理信息系 统) 已经步入国家重点学科的先进行列 .

的形势下必须面对的挑战和机遇 . 4. 面对空间信息源多样化的挑战和机遇 尽管 20 世纪 60 年代遥感就已经成为空间对地 信息获取的主要技术手段 ,但时至今日 ,地理信息系 统 ( GIS) 的空间数据主要还是来自于地图数字化 . 造成这种状况的主要原因是 : ① 影像识别技术滞 后 ,有用的海量卫星影像数据还没有转变成可用的 信息 ; ②目前尚不能自动从影像数据中提取矢量数 据 ,影像数据和矢量数据之间缺乏互动能力 ( 李德 仁 ,2004 ) ; ③ 由于卫星影像数据管理体制上的原 因 , GIS 本身对矢量数据与影像数据的融合使用还 很不够 .因此 ,地图制图学与地理信息工程学科应 该面对卫星遥感已成为当今空间对地信息获取的主 要手段和信息源的多样化的挑战和机遇 , 着力研究 与解决这三个方面的问题 .
5. 面对数字社会建设需求的挑战和机遇

, 二 地图制图学与地理信息工程学科 面临的挑战和机遇

面对自主创新战略的挑战和机遇 1. 跟踪 , 吸收的多 , 自主创新的少 , 导致我国地图 制图学与地理信息工程学科在理论和学术方面落后 于西方发达国家 .如果说过去采取跟踪 , 吸收的方 法实现了我国地图制图学与地理信息工程科学技术

的长足进步和追赶发达国家的先进水平 , 那么要想 在 21 世纪实现我国地图制图学与地理信息工程科 学技术整体水平的全面提升甚至超过发达国家的先 进水平 ,就必须致力于自主创新 , 特别是原始创新 , 如果不是这样 ,就不可能构建我国地图制图学与地

地图制图学与地理信息工程学科的发展还不能 满足数字社会建设的要求 .数字社会是一个广义的 概念 ,包括数字地球 , 数字中国 , 数字省 ( 自治区 , 直 辖市) , 数字城市 , 数字海洋 , 数字江河 , 等等 .怎样 为数字地市的信息基础设施建设提供空间数据与技 术支撑 ,怎样为城市各领域应用系统提供 GIS , IS M 和 OA 集成的软件支撑 ,怎样为电子政务 , 电子商务 与现代物流 , 数字企业和数字社区提供不同的空间 信息共享平台 ,等等 ,这些都是地图制图学与地理信 息工程学科在新时期面临的挑战和机遇 .

理信息工程学科的理论 , 技术和应用服务体系 ,就不 可能实现第二次跨越式发展 . 2. 面对数学科学发展的挑战和机遇 数学科学是自然科学, 技术科学, 社会科学, 经济 和管理科学的巨大智能资源.地图制图学与地理信 息工程科学技术具有多学科交叉融合的特征 ,数学科 学也是本学科巨大的智能资源.利用现代数学方法 求得自动制图综合及其过程控制的整体解决 ,利用现 代数学方法解决复杂空间分析的数学建模, 空间决策 支持建模并归结为数学问题求解 ,利用现代数学方法

, 三 地图制图学与地理信息工程学科 的发展趋势和任务
以空间认知为核心的地图制图学与地理信 1. 息工程学科理论体系将进一步完善和深化 目前 ,在地图空间认知研究方面 ,理论体系尚不 完善 ,空间认知过程研究不够深入 ,用于指导地图设 计和可视化还不够有力 .据此 , 今后要重点研究以 下问题 :
1. 空间认知理论体系框架 ; 2. 空间认知过程 , 实验方法与技术 ; 3. 地图可视化系统中的 "人 — 地图" 关系及表

进行形式化描述和解决空间数据挖掘与知识发现问 题 ,以及利用数学方法研究空间数据和空间分析的不 定性问题等方面仍做得不够.地图制图学与地理信 息工程科学技术的许多深层次问题 ,都需要具有很高 数学素养的科学家和工程师才能解决.
3. 面对信息科学技术飞速发展的挑战和机遇

地理空间信息的获取 , 传输 , 存储 , 处理和应用 技术与电子计算机和通信网络技术的发展还不相适 应 .怎样解决 TB 级以上的海量空间数据的管理和 应用 , 高效存储和访问 ,怎样将空间数据转换为空间

示方法 ; 4. 地图空间认知功效学理论 ;
5. 地图空间认知的文化意义 . 2. 基于保质设计的地图自动制图综合及其

信息 ,并进一步转换成为空间知识 ,怎样利用高速互 联网把分布在不同地理位置上的计算机 , 数据库 , 存 储器和软件等资源连成整体 , 形成充分共享的资源 集成 ,同时协同工作等等 ,所有这些问题都是我国地 图制图学与地理信息工程学科在信息科学迅速发展

过程控制的智能化将取得突破性进展 , 并 进入实用化阶段 目前的研究离实际应用还存在不尽如人意的地


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测 绘 通 报 2007 年 5 期 第 4 方 : 一是自动综合模型 , 算法还不具普适性 ; 二是自 动综合结果还有不尽如人意的地方 .因此 , 还必须 进行 持 久 深 入 的 研 究 .今 后 重 点 研 究 的 问 题 应 包括 : 1. 几何信息的尺度依赖与空间认知理论的联 系;
2. 多尺度空间数据库的数据模型与数据结构 ; 3. 网络环境下的空间数据多尺度表达与在线 6. 基于空间信息可 视 化 的 协 同 工 作 与 决 策

支持 . 5. 空间数据挖掘和知识发现的研究正在 兴起并向智能化发展 空间数据挖掘和知识发现 ( SDM KD) 实际上是 空间信息技术发展的必然结果 , 也是将有用的海量 信息变成可用知识的需要 , 根本目的是服务于决策 支持 .今后的研究重点是 : 1. 空间数据挖掘与知识发现的理论体系 ; 2. 空间数据挖掘与知识发现方法 ( 基于时空间 统 计 分 析 的 SDM KD , 于 空 间 关 联 规 则 的 基 SDM KD , 基于求解问题不确定性的 SDM KD , 基于 可视化的 SDM KD , 基于人工智能的 SDM KD 等) ; 3. 面向决策支持主题的分布式空间数据提取 , 预处理 , , , 变换 挖掘 模式解释/ 知识评估 ;
4. 面向 SDM KD 的查询语言和数据导航方法 ; 5. SDM KD 中数据 , 算法 , 可视化的有机结合 (形 , , 数 理的统一) . 6. 地理信息系统运行向网格时代跨平台 , 互

式自动综合理论与方法 ; 4. 智能体 ( Agent ) 技术支持下的地图自动综合 决策分析与自适应操作 ; 5. 自动综合的智能化 , 自动综合的过程控制与 质量评价 ; 6. 3 维城市模型的自动综合 ; 7. 地图自动综合的人机协同机制 .
3. 地理空间信息数据库向图形 ( 矢量数据 ) , 影

像( 栅格数据 ) 和数字高程模型 ( 格网数据 ) 的多源数据一体化及完全面向对象发展 根据国内外研究进展 , 我国在该领域应重点研 究:
1. 图形 ( 矢量数据) , 影像 ( 栅格数据) 与数字高 程模型 ( 格网数据) 数据融合的理论和方法 ; 2. 海量图形 , 影像与数字高程模型数据的一体

操作 , 资源共享和协同解决问题发展 网格是构建在高速互联网上实现资源共享和协 同解决问题的一种计算环境 , GIS 领域完全可以在 网格环境下实现 GIS 与 Grid 的融合与集成 ,构建新 一代地理信息系统 ,即网格地理信息系统 Grid GIS . 目前 ,国内外在这方面的研究基本上处于探索研究 阶段 ,今后重点研究的问题如下 : 1. 基于信息网格的新一代地理信息系统即网 格地理信息系统体系结构和总体方案 ; 2. 基于信息网格的地理空间信息管理与服务 标准和规范 ;
3. Grid 与 Agent 集成模型 ; 4. 地理空间信息服务与 Grid 集成模型 ; 5. 基于 Grid 与 Agent 的地理空间信息服务技

化管理及高效快速索引技术 ; 3. 基于图形 , 影像与数字高程模型数据一体化 的完全面向对象的方法 ; 4. 基于图形 , 影像与数字高程模型数据融合的 地学空间分析理论与方法 ; 5. 基于图形 , 影像与数字高程模型数据融合的 3 维可视化理论与技术 .
4. 空间信息可视化与地理环境虚拟现实技术

向与 GIS 集成的一体化和实用化方向发展 地理信息系统具有强大的海量空间数据存储 , 管理 , 处理和分析功能 ,空间信息可视化与虚拟现实 具有多维动态可视化和实时交互式操作的效果 , 两 者优势互补 ,集成与一体化是一个必然的趋势 .据 此 ,提出如下重点研究问题 : 1. 地理信息系统 ( GIS) 与虚拟现实 ( VR ) 集成 框架及集成平台 ; 2. 空间数据多尺度可视化表达的自适应地图 符号系统 ; 3. 面向时空模拟与仿真的演化模型 ; 4. 空间信息可视化人机自适应界面及多通道 交互机制 ; 5. 多维动态空间数据模型及其表达体系 ;

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术 ( Geo2Agent 技术 , Agent 的迁移机制 , Agent 巡回 路线规划等) ;
6. 基于网格的空间数据访问与集成 . 7. 空间数据不确定性将由理论研究向空间


数据质量评价与控制的实用化发展 空间数据不确定性问题 , 就是空间数据的质量 问题 ,直接关系到 GIS 空间分析的可靠性和数字地 图产品应用的可靠性 ,应重点研究的问题包括 : 1. 空间数据不确定性与数据质量的内容及评 价指标体系 ; 2. 空间数据不确定性理论及其可视化方法 ; 3. 属性数据不确定性理论与方法 ;

2007 年 5 期 第 测 绘 通 报 5 4. 数字高程模型 ( DEM ) 数据的不确定性理论
其在河系体系结构化中的应用 [J ] . 测绘学报 ,2005 ,34
[ 9 ] ,侯 ,钱海忠 ,等 . 自动制图综合中的线目标 武 芳 璇 [10 ] 王辉连 ,武 ,王宝山 ,等 . 用于数字地图自动综合 芳 [11 ] 王辉连 ,武 ,张琳琳 ,等 . 数学形态学和模式识别 芳 ( 2) :1542160. 1012102.

与方法 ; 5. 空间数据不确定性关系模型和空间分析的 不确定性 ;
6. 多尺度空间数据融合的不确定性 ; 7. 空间数据基于不确定性的数据质量评估与

控制模型 . 8. 嵌入式地理信息系统将向更广泛的应用 领域渗透 目前的嵌入式 GIS 运行受限于特定的操作系 统平台 ( 如 WinCE) , 有限的处理芯片 ( 如 ARM 系列 和 X86) ,应用软件复用性差 ,响应实时性差 ,异构系 统互联 , 互通 , 互操作性差 .根据军 , 民两方面对嵌 入式 GIS 的广泛而紧迫的要求和嵌入式 GIS 目前 存在的问题 ,提出如下重点研究任务 : 1. 嵌入式 GIS 通用硬件平台 ; 2. 嵌入式 GIS 中间件 ( EGISM) 技术 ; 3. 强实时响应关键算法 ; 4. 多种数据融合和高效空间数据压缩算法 ;
5. 支持二次开发的 EGISM 应用软件开发包 .

[ 12 ] 钱海忠 ,武 ,邓红艳 . 基于 Circle 特征变换的点群 芳 [13 ] 钱海忠 ,武 ,张琳琳 ,等 . 基于极化变换的点群综 芳 [14 ] 邓红艳 ,武 ,翟仁健 ,等 . 基于遗传算法的道路网 芳

[ 15 ] 钱海忠 ,武 ,谭 ,等 . 基于 AB TM 城市建筑物 芳 笑

[ 16 ] ,武 ,钱海忠 . 空间分析方法在道路网自动 陈 波 芳

在过去的时间里 , 我国的地图制图学与地理信 息工程科学技术已经取得了历史性的进步 .有理由 相信 ,在全球信息化和国家信息化的大环境下 ,再过 10～15 年时间 ,一定能实现我国地图制图学与地理 信息工程科学技术的更大发展 ,理论 , 技术与应用服 务水平将得到大幅提升 ,并全面进入国际先进行列 .

[17 ] 钱海忠 ,武 ,郭 ,等 . 基于制图综合知识的空 芳 健 [18 ] 张琳琳 ,武 ,王辉连 ,等 . 等高线空间关系的确定 芳 [ 19 ] 钱海忠 . 自动制图综合及过 程 控 制 的 智 能 化 研 究 [ D ] . 郑州 : 信息工程大学 ,2005. [ 20 ] 史文中 . 空间数据与空间分析不确定性原理 [ M ] . 北

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更正 :本刊 2007 年第 3 期第 56 页中 ,因编校失误 ,将 1938 年" " 误排为 1983 年"特此更正 ,并向读者致歉. " , ( 本刊编辑部)

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  本文关键词：我国地图制图学与地理信息工程学科发展研究，由笔耕文化传播整理发布。