计算机地图制图件和数据库及坐标体系和空间数据及其结构

一、地图数据库
1.地图数据库的概念
地图制图是一种信息传输过程，也是地理数据的处理过程。这个过程必须以数据库为中心，以便更有效地实现地图信息采集、存储、检索、分析处理与图形输出等的系统化。地图数据库是计算机制图系统的核心，也是地理信息系统的重要组成部分。

地图数据库可以从两个方面来理解：一是把它看作软件系统，即“地图数据库管理系统”的同义语；一是把它看作地图信息的载体----数字地图。对于后者可以理解为以数字的形式把一幅地图的诸多内容要素以及它们之间的相互联系有机地组织起来，并存储在具有直接存取性能的介质上的一批相互关联的数据文件。

从应用方面来看，地图数据库主要有两种类型，即地理信息系统中的地图数据库和计算机制图系统中的地图数据库。两者之间的主要区别在于前者主要为信息检索服务，并对专题数据进行覆盖分析和其它统计分析评价等，而后者主要为自动化制图以及其他方面的地图数据处理服务。

2.地图数据库的组织
在数据库系统中，图形数据与专题属性数据一般采用分离组织存贮的方法存贮，以增强整个系统数据处理的灵活性，尽可能减少不必要的机时与空间上的开销。然而，地理数据处理又要求对区域数据进行综合性处理，其中包括图形数据与专题属性数据的综合性处理。因此，图形数据与专题属性数据的连接也是很重要的。图形数据与专题属性数据的连接基本上有4种方式：

（1）专题属性数据作为图形数据的悬挂体。属性数据是作为图形数据记录的—部分进行存储的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。

（2）用单向指针指向属性数据。与上一方案相反，这种方法的优点在于属性数据多少不受限制，且对图形数据没有什么坏影响。缺点是，仅有从图形到属性的单向指针，互相参照非常麻烦，且易出错。

（3）属性数据与图形数据具有相同的结构。这种方案具有双向指针参照，且由—个系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门对建立信息系统的要求。

（4）图形数据与属性数据自成体系。这个方案为图形数据和属性数据彼此独立地实现系统优化提供了充分的可能性，能更进一步适合于不同部门对数据处理的要求。但这里假设属性数据有其专用的数据库系统，且它能够建立属性到图形的反向参照。

3.地图数据库的管理与设计
（1）地图数据库管理系统
就功能而言，与通用数据库管理系统（DBMS）一样，其在数据库中对地图数据的输入、存贮、维护、操作等进行管理。但是地图数据库作为一种用于专门领域的数据库技术，其管理系统仍具有一定的特殊性。目前地图数据库的管理方案有以下几种：

对不同的应用目的，建立不同的管理系统；对通用DBMS进行功能附加，就可达到管理空间数据的功能；建立空间数据库管理子系统及属性数据管理子系统，共同受控于总的DBMS；建立真正的DBMS，直接对空间数据库和属性数据库进行管理。

（2）地图数据库系统中的坐标体系
地图数据库中涉及多种数据源，这些数据往往具有不同的坐标体系。由于地图数据库在数据处理过程中又涉及多种技术，如数据输入及转化、数据存贮、数据显示等技术，为了解决多方面的问题，在地图数据的处理过程中采用了不同的坐标体系：

用户坐标体系    用户坐标体系就是平时使用地图时的各种坐标，如地形图上的高斯—克吕格投影坐标，小比例尺地图中所采用的各种特定坐标，以及某些区域范围使用的没有经纬网控制的地方坐标等。在用户坐标体系中使用较多的是直角坐标系，即笛卡尔坐标系，坐标系参数由用户自行设定，与设备无关。

设备物理坐标体系    设备物理坐标系就是地图数据在输入、输出（显示）时，根据所使用的设备而采取的坐标体系。虽然设备坐标系采用的也是直角坐标系，但各种设备都有其独特的坐标参数或规定：数字化仪和绘图仪的坐标原点均在其板面的左下角，而图形显示器的坐标原点大都在左上角。在数字化仪上对地图进行数字化时，由于数字化仪采集点给出的是设备物理坐标，而不是地图所依据的地球投影坐标，所以在一般情况下都要进行从设备物理坐标到用户坐标的转换，使得一幅图或多幅相关联的地图始终在同一种参考坐标系中；当地图数据库中的数据在显示器上显示或在绘图仪上输出时，设备所需求的是设备坐标。

数据库标准坐标体系    数据库标准坐标体系实际上是由用户定义的一种坐标体系。地图数据的特点就是具有大量的图形坐标点，在计算机内存贮时要占用极大的存贮空间。虽然现在的硬盘存贮空间越来越大，但为了充分、合理地利用空间，又不损失地图数据真实度，应采用两个字节的整型数来表示地图的图形坐标。所以在地图数据库中，把两字节整型数的值域确定为标准坐标。

在地图数据入库时，用户坐标借助于一定的设备坐标，并转化成数据库标准坐标体系存贮在计算机存贮空间中。这样，采用一种标准的坐标体系，不仅可以节约存贮空间，更重要的是优化了地图数据库中数据的定位功能，方便了数据库中数据的检索。

在整个地图数据库的建库、维护和使用过程中，三种坐标体系的关系可以相互转换如图所示。

（3）地图数据库的功能设计
空间数据和非空间数据的互相检索    地图数据库建成后，并不是简单地将空间数据和非空间数据自成体系地存放起来，而是要在数据使用时，做到空间数据和非空间数据能互相定位，也就是说，当选择了空间数据库中的一条记录时，能够在非空间数据库中迅速找到相对应的非空间数据。选择了非空间数据中的一条记录时，也能迅速在空间数据库中找到所表示的空间数据，并同时以某种形式予以显示。

空间数据的自动概括    地图数据库的出现是地图数字化的一次革命，其深层的意义不仅体现在以数字的形式表示地图信息，更重要的是通过数学逻辑的方法，对地图内容进行自动化处理，从而在一定的程度上使地图概括增强了客观性和科学性，同时也使制图人员从繁琐枯燥的手工编制中解脱出来。这不仅有对空间数据“形”的概括，更重要的是结合非空间数据库中的属性特征，结合专家知识系统，从而力图达到模拟或接近人脑思维的地图概括水平。

专题地图的自动生成    地图生产的趋势就是利用电子技术生成专用的地图数据库，每次更新和修改地图数据时只需要修改地图数据库中的数据，利用地图数据库的功能，生成和输出新的专题地图。所以专题地图的自动生成就成了地图数据库的一个重要功能。地图数据库中存放的专题地图数据，有经常变更和相对稳定两类：相对稳定的就可以直接以图形的形式存贮起来，在每次有生产任务时稍加改动；经常变更的主要是指社会经济指标等数据。专题制图时可以在空间数据库系统中，先读取非空间数据，而后在空间数据系统中，生成代表非空间数据库中具有数量或质量意义的空间数据，并以适当的形式表现出来。如地图中道路的自动生成，在空间数据库中为节约存贮空间，可以只存贮道路中心线的空间数据，但是在生成地图时，必须表示出道路的等级，所以建立的地图数据库就需要能在空间数据库系统中，先读取非空间数据库中有关道路等级的数据，然后在地图空间数据库系统中，直接生成以道路宽度来代表道路等级的地图空间数据。

二、地图制图软件
计算机地图制图硬设备只有配备绘图软件，组成绘图系统，才能进行地图制图工作。绘图系统的信息处理能力，绘图速度、精度，图形的清晰度、美观性及使用方便程度等，不仅取决于硬设备的好坏，也取决于软件的功能。只有好的软件才能使硬件充分发挥作用。所以，计算机制图软件在制图中占有重要地位。

1.图形处理功能软件
图形处理功能软件是在计算机系统软件和高级语言基础上形成的，其功能包括：图形处理的输入输出管理；文件和数据库管理、绘图程序的编辑与调试；图形数据和字符的处理等。

2.图形处理应用软件
图形处理应用软件是在图形处理功能软件的基础上，根据不同领域的特殊需要而开发的软件，如各种地图制图程序（绘等值线程序、绘立体图程序、绘面状晕线程序、绘晕渲程序等）都属此类。它是利用一种高级语言及库函数程序，加上一些图形处理的功能模块扩展而成的。

3.绘图控制程序
绘图控制程序是指控制绘图机基本工作的程序。在整个绘图系统中，绘图控制程序是自动绘图的组织者，它接受命令和数据的途径，一是来自操作员，二是来自中央处理机或外围设备。绘图控制程序的主要功能包括：接受操作员的指令，设置绘图参数；解释、处理各种指令；形成和发送绘图指令；人机对话、故障通知等。

计算机地图制图软件系统的组成如图所示。

国内制图软件目前主要有MAPCAD、MAPGIS、GEOSTAR、SUPERMAP、SITYSTAR、北大方正技术研究所研制的方正智绘等。其都是基于Windows的彩色地图制图、排版系统，具有点、线、面编辑功能，可自动处理拓扑关系，达到了多窗口同步、所见基本即所得的效果，能进行幕数字化、地图投影转换、图像配准、符号编辑、颜色管理等操作。

国外的制图软件大型的如美国Intergraph公司的MGE,美国环境系统研究所的ARC/INFO等，其注重空间分析及属性数据管理，制图系统只是其中的一部分。小平台如Mapinfo，AreView等桌面地图系统，其功能虽不如大型系统完善，但它面向大众、操作简单，得到了广泛的应用。[NextPage]

三、地图数据结构
地图基本要素所能提供可见的、有形的“图”的信息，是表达地理信息的基本单元，称之为实体。特定的实体往往有很多属性与之相对应，通过对实体相对应的，能代表地理实体类型、等级、数量等特征的属性分析，又能得出自然、社会经济等多方面的数据信息。地图实体和属性经转换后输入计算机，成为计算机可识别的图形和文本数据，就构成了数字地图。根据地图数据所反映的信息以及地图实体和属性的概念，可以将地图数据分为空间数据和非空间数据两种类型。

1.空间数据及其结构
空间数据也叫图形数据，用来表示物体的位置、形态、大小、分布等各方面信息，是对现实世界中存在的具有定位意义的事物和现象的定量描述。根据空间数据的几何特点，地图数据可以分为点数据、线数据、面数据三种类型。

在地图制图系统中，空间数据必须按照一定的结构描述地物的空间位置信息。典型的空间数据格式有矢量结构和栅格结构，它们都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型（如下图）。

用矢量结构表示空间数据时常用的表示方法是：在点数据上给出表示其位置的坐标值，如x、y平面坐标等；线段定义为两个端点范围内的点组；面定义为构成其边界线的线段组，然后加上表示这些点、线、面属性的特征码，如图所示。

栅格数据表示方法是：将空间分割成有规则的格网，在各个格网上给出相应的属性。图8-6即为这种方式，它与数字影像的表示方式相类似，只是将数字影像的灰度值换成目标的属性值。对于地图而言，点状符号以其中心处的像元表示；线状地物则以中心轴线的像元连续链构成；而面状符号则为其所覆盖的像元集合。按一定像元对地图扫描后，即得到可以用 0、1表示的二值地图栅格数据，然后再加上它们的特征码和属性。

空间数据的一个重要特点是它包含有拓扑关系，即网结构元素（境界线网、水系网、交通网等）中结点、弧段和面域之间的邻接、关联、包含等关系。拓扑关系数据从本质上或从总体上反映了地理实体之间的结构关系，而不重视距离和大小，其空间逻辑意义比几何意义更大。因此，在地图空间数据处理、地图综合应用以及地图制图等方面发挥着重要作用。

2.非空间数据及其结构
非空间数据主要包括专题属性数据和质量描述数据、时间因素等有关属性的语义信息。由于这部分数据中，专题属性数据占有相当的比例，所以在很多情况下，非空间数据直接被称为地图属性数据。

非空间数据是对空间信息的语义描述，反映了空间实体的本质特性，是空间实体相互区别的重要标识。典型的非空间数据如空间实体的名称、类型和数量特征（长度、面积、体积等），社会经济数据，影像成像设备、像幅、分辨率、灰度级等。时间因素也就是GIS中的时间序列。传统的地图制作由于地图制图周期长，再加上显示动态变化困难，所以时间因素往往被忽视。由于计算机技术的发展，地图实时动态显示的实现，使得时间因素在地图显示过程中的表示成为可能，且十分必要。

非空间数据的组织方式受通用数据库技术的影响较大，因为在空间数据与非空间数据连接之前，非空间数据可以看作是通用数据库的应用，因此现代通用数据库技术在属性数据的组织时，几乎全部能够实现。

地图数据库中非空间数据的表示有如下几种模式：

（1）简单表格结构  简单表格结构把数据看成由行（记录）和列（字段）构成的一批表格的汇集。它允许把属性代码与地理要素连接起来。其主要缺点在于不能维护数据的完整性，因为每个表格是独立的，两个不同表格用到相同的数据时就得重复，从而会出现不一致的情况。此外，它也不能提供良好的存储效率和必要的灵活性。但是这种数据结构易于编程并且易于系统的转换。

（2）层次结构  层次结构在专题数据处理中应用较少。这种是面向极为稳定不变的数据集的，即数据间的联系很少变化或根本不变，数据间的各种联系被固定在数据库逻辑观点之内。此外，对双亲数目的限制也不能满足实际地理数据处理的要求。最后，查询语言是过程化的。要求用户知道DBMS实际使用的存贮模式。

（3）网络结构  这种结构在专题数据的处理中的应用并不比层次结构多，在灵活性方面它与层次结构具有相同的限制。但是，它在表示地理数据联系中更为有力的结构，使得它能对地理数据进行更好的构模。网络数据库的查询语言仍是过程化的。

（4）关系结构  在关系数据结构中，数据也是用表格的形式组织的，但与简单表格中的结构有本质的区别。这里的表格具有更严密的定义，如数据类型一致，数据不可再分割，两行数据不能相同等。关系数据结构具有简单、灵活、存储效率高等特点，因此在地图非空间数据的组织中得到了广泛应用。