计算机地图制图的产生和发展及原理和方法

计算机地图制图是以地图制图原理为基础，在计算机硬、软件的支持下，应用数学逻辑方法，研究地图空间信息的获取、变换、存贮、处理、识别、分析和图形输出的理论方法和技术工艺手段。和传统地图制图相比，其制图环境发生了根本性的变化。过去制图人员面对的始终是有形的纸质地图，编图工作是在一种现实的可视（可以触摸）环境中进行的；现在制图者主要面对数据，所有制图资料变成计算机可以接受的数字形式，制图过程实际上就是对数据的编辑处理、管理维护和可视化再现的过程，数据联结各个制图环节。计算机地图制图也称为“数字制图”。但两者在涵义上，数字制图比计算机地图制图包括的范围要大些，但就其实质也有共同之处，即都是以空间数据作为处理对象。

一、计算机地图制图的基本原理
计算机地图制图的核心是电子计算机。为了使计算机能够识别、处理、贮存和制作地图，关键是要把地图图形转换成计算机能识别处理的数字（或称数据），即把空间连续分布的地图模型转换成为离散的数字模型。事实上，地图本身就是按照一定的数学法则，经过地图概括，运用特有的符号系统将地球表面上的事物显示在平面图纸上的一种“图形模型”。地图要素在由空间转绘到平面上之后，仍然保持着精确的地理位置和平面位置，而且图面上所有要素的空间分布，都可以理解为点的集合。因为图上的面状符号主要有其轮廓线构成，而线状符号和轮廓线关键是确定其特征点的位置，所以，点、线、面状符号都都变成如何确定点的空间位置。既然地图组成要素的基本单位是点，因此可以把地图上所有要素都转换成点的坐标（x,y和特征值z），这样就实现了地图内容的数字化。这些经数字化的地图内容被记录下来，即构成了地图数字模型。因此，计算机地图制图的原理就是通过图形到数据的转换，基于计算机进行数据的输入、处理和最终的图形输出。地图编制过程就是地图的计算机数字化、信息化和模拟的过程。在这个过程中，由于计算机具有高速运算、巨大存贮和智能模拟与数据处理等功能，以及自动化程度高等特点，因此能代替手工劳动，加快成图速度，实现地图制图的全自动化。然而，从上世纪50年代直至80年代末，计算机地图制图还不能解决所有的制图问题，一些非数学性的地图内容尚不能自动绘制出来。因此，计算机地图制图也曾被称为计算机辅助地图制图（Computer-Aided Cartography），简称“机助制图” 。计算机地图制图最主要的技术有：图数转换的数字化技术，生成、处理和显示图形的计算机图形学，数据库技术，地图概括自动化技术，多媒体技术等。

二、计算机地图制图的基本过程
与常规地图制图相比，计算机地图制图在数学要素表达、制图要素编辑处理和地图制印等方面都发生了质的变化。其基本工作流程可分为四个阶段。

1.编辑准备
根据编图要求，搜集、整理和分析编图资料，选择地图投影，确定地图的比例尺、地图内容、表示方法等，这一点与常规制图基本相似。但计算机地图制图本身的特点，对编辑准备工作提出了一些特殊的要求，如为了数字化，应对原始资料作进一步处理，确定地图资料的数字化方法，进行数字化前的编辑处理；设计地图内容要素的数字编码系统，研究程序设计的内容和要求；完成计算机制图的编图大纲等。

2.数据获取
实现从图形或图像到数字的转化过程称为地图数字化。地图图形数字化的目的是提供便于计算机存贮、识别和处理的数据文件。

数据获取的方法常用的有手扶跟踪数字化和扫描数字化两种。这两种数字化方法获取的数据的记录结构是不同的。手扶跟踪数字化仪获得矢量数据，扫描数字化获得栅格数据。把地图资料转换成数字后，将数据记入存贮介质，建立数据库，供计算机处理和调用。

3.数据处理和编辑
这个阶段是指把图形（图像）经数字后获取的数据（数字化文件）编辑成绘图文件的整个加工过程。

数据处理和编辑是计算机地图制图的中心工作。数据处理的主要内容包括以下两个方面：一是数据预处理，即对数字化后的地图数据进行检查、纠正，统一坐标原点，进行比例尺的转换，不同地图资料的数据合并归类等，使其规范化；二是为了实施地图编制而进行的计算机处理，包括地图数学基础的建立，不同地图投影的变换，数据的选取和概括，各种地图符号、色彩和注记的设计与编排等。

地图数据处理的内容和处理方法，因制图种类、要求和数据的组织形式、设备特性及使用软件的不同而有不同的处理方法。

4.图形输出阶段
图形输出是把计算机处理后的数据转换为图形形式，即通过各种输出设备输出地图图形的过程。对于高级计算机地图制图系统来说，常采用彩色喷墨绘图机喷绘出彩色地图，供编辑人员根据彩色样图进行校对，彩喷输出还可满足用户少量用图的需要。图形编辑与图形输出常是交互进行的。

对于大多数的计算机地图制图系统来说，由于实现了编辑与出版的一体化，因此输出四色分色胶片可以直接制作印刷版，上印刷机进行印刷。该法已成为主要的地图输出方式。此外，通过编辑制作并存贮于光盘上的电子地图、电子地图集也是一种重要的输出形式。

三、计算机地图制图的产生和发展
计算机地图制图经历了不断的发展。

传统的地图制图技术经长期发展，已日臻完善和成熟。但其弱点是：地图编制与生产难度大、生产成本高、周期长、制印技术复杂、专业性强；手工劳动占重要成份；地图产品种类单一，更新困难，不能反映空间地理事物的动态变化，信息难于共享等。因此，从上世纪50年代开始，计算机技术开始引入地图学领域。经过理论探讨、应用试验、设备研制和软件开发等发展阶段，如今，计算机制图已成为地图学的重要分支学科，即计算机地图制图学。

计算机地图制图技术与传统的制图方法大相径庭，特别是在地图信息的表达、传输和管理上，完全建立在一种全新的格局上，即地图的计算机信息化。因此，这门技术带来的变革和对地图学产生的影响极其广泛和深刻。目前，随着理论上的不断发展和创新，计算机地图制图已可基本代替传统的地图制图，实现了地图制图技术的历史性变革。

试验探索阶段1950年第一台能显示简单图形的图形显示器作为美国麻省理工学院旋风1号计算机的附件问世。1958年，美国Gerber公司把数控机床发展成为平台式绘图机， Calcomp公司研制成功了数控绘图机，构建了早期的自动绘图系统。1963年，美国麻省理工学院研制出了第一套人-机对话交互式计算机绘图系统。1964年牛津大学首先建立了牛津自动制图系统，用模拟手工制图的方法绘制出了一些地图作品。几乎同时，美国哈佛大学计算机绘图实验室研制成功了SYMAP系统，这是以行式打印机作为图形输出设备的一种制图系统。两者对计算机制图技术的发展做出了开创性的贡献。

发展阶段上世纪70年代，制图学家对地图图形的数字表示和数学描述、地图资料的数字化和数据处理方法、地图数据库、地图概括、图形输出等方面的问题进行了深入的研究，许多国家相继建立了软硬件相结合的交互式计算机地图制图系统，并进一步推动了地理信息系统的发展。80年代各种类型的地图数据库和地理信息系统都相继建立，计算机地图制图得到了较大发展和广泛应用。如1982年美国地质调查局建成了本国1：200万地图数据库，用于生产1:200万-1：1000万比例尺的各种地图；1983年开始建立1：10万国家地图数据库。
应用阶段90年代计算机地图制图技术代替了传统地图制图，从根本上改变了地图设计与生产的工艺流程，进入了全面应用阶段。各种地图制图软件得到了进一步的完善，出现了制图专家系统；地图概括初步实现了智能化，形成了完整的电子出版系统。多媒体地图信息系统的设计成为计算机地图制图发展的重要方向。电子地图产品成为这一时期地图品种发展的主流与趋势，它也是多媒体地图信息系统的雏形。计算机制图技术已由原来的面向专家，转变为面向广大用户。现代地图制图技术吸取和融合了计算机辅助设计、数据库和图形图像处理等信息技术，形成了以桌面地图制图系统(Desk Top Mapping System)为代表的高度集成的商品化软件。多种计算机出版生产系统在地图设计与生产部门得到广泛应用，如美国的“INTERGRAPH地图出版生产系统”、比利时的“BARCO GRAPHICS电子地图出版系统”。实现了地图设计、 编辑和制版的一体化。

我国计算机地图制图从70年代中期开始设备研制与软件设计，速度发展很快，到80年代后期建立和完善了计算机制图软件系统。采用计算机制图技术完成了《中国人口地图集》、《中国国家地图集》等。采用计算机地图出版系统完成了《中国国家自然地图集》的设计、编辑和自动制版。同时还研制出统计制图专家系统、地图设计专家系统。从1989年出版第一部《京津地区生态环境电子地图集》以来，电子地图集的研究、设计与制作也得到了迅速的发展。

随着网络地图制图系统、网络地理信息系统的出现，大型网络（Internet/Intranet），开放式的软件开发工具，数据仓库图形解决方案，空间和属性数据的统一数据库管理等技术应用于地图制图，计算机地图制图将朝着更广、更深、更快、更大众化、更方便的方向发展。

四、计算机制图的特点与发展趋势
1.计算机地图制图的特点
计算机地图制图可方便地应用计算机进等读取、分析、管理和输入地理信息。易于校正、编辑、改编、更新和复制地图要素。

用数字地图信息代替了图形模拟信息，提高了地图的使用精度。数字地图的容量大，因此包含比一般模拟地图多得多的地理信息。增加了地图的品种，拓宽了服务的范围。计算机制图不仅减轻了作业人员的劳动强度，而且减少了制图过程中人的主观随意性，这样就为地图制图的进一步标准化、规范化奠定了基础。加快了成图速度，缩短了成图周期，改进了制图和制印的工艺流程。地图信息能够进行远程传输。

2.计算机地图制图的发展趋势
多元数据采集手段一体化集成野外实测数据采集，现有地图数字化采集，遥感影像数据采集，GPS数据采集，数码像机数据采集，音频数据采集等，使数据采集手段一体化。
数据标准化数据标准化的研究包括数据采集编码的标准化、数据格式转化的标准化、数据分类的标准化等。实现数据标准化是计算机制图系统普及和应用的必要条件。

数据库集成化 在计算机地图制图系统中引入数据库管理系统，建立空间数据和属性数据之间的连接，并实现其共同管理与相互查询。地理信息系统与计算机地图制图的主要区别在于前者具有空间分析功能，其大多数分析功能都是建立在图形元素的拓扑关系基础之上。因此，建立获取数据的拓扑关系是计算机制图系统向地理信息系统发展的主要环节。
地图产品多元化 计算机技术的飞速发展，促进和形成多种测绘数字产品的出现，地图将不拘形式，形成多元化格局。