[科普中国]-数字制图

数字地图

数字地图是信息时代制图技术发展的必经途径，数字制图技术的发展使地图学与GIS有机地结合起来，并在理论与实践等方面取得了重大进展。在地球科学领域,地理信息系统技术的蓬勃发展，严重地冲击着古老而传统的制图学，专家系统(ES)、遥感(RS)以及全球定位系统(GPS)、数字摄影测量系统(DPS)与GIS的有机结合，将为制图学不断注入活力，数字制图工艺及过程也正在不断地得到更新与改进。空间信息可视化与虚拟现实技术(VR)作为地图学新的生长点，对于拓宽和促进地图学理论与技术的进步必将产生更加深远的影响。
数字电子地图的特点有如下6个：
1、可以快速存取显示。
2、可以实现动画。
3、可以将地图要素分层显示。
4、利用虚拟现实技术将地图立体化、动态化，令用户有身临其境之感。

5、利用数据传输技术可以将电子地图传输到其他地方。

6、可以实现图上的长度、角度、面积等的自动化测量。

主要特点具有高度的灵活性和强大的选择性数字地图以数据为基础, 它不受地形图分幅的限制, 避免地形图拼接、剪贴、复制的繁琐, 它可以按所要制图的区域生成电子地图;数字制图不受地形图几种固定比例尺的限制, 其比例尺可在一定的范围内调整。同时, 数字地图可以非常方便地复制、整饰、携带、交换。数字地图可以提供远远超过传统地形图的内容, 根据研究工作或制图目的的需要可以分要素、分层和分级提供空间数据, 有利于针对制图对象选择与之相应的表达方式, 避免了传统地形图上多种要素及专题特征综合表达的方法, 特别有利于要素图和专题图的绘制, 制图的目的性大大增强。

具有良好的现势性及动态性现势性是体现地图实用性的重要标志之一。传统地图一旦印制, 图面所有内容就固定化了, 而客观研究对象却是时刻变化着的。地图的更新问题一直是制图领域需要解决的问题之一。为解决此问题,需要补做很多更新与修改的工作, 而且地形图修测和再版的周期较长, 成本也很大。即使如此, 普通制图的步伐也是跟不上客观对象的变化。数字地图是存储于介质上的数据, 又具有修改更新的软件支持,借助于遥感、GPS 等现代地图数据采集途径, 更新较为简便, 因此, 真实反映客观实际状况的特点就可以有效地体现出来。

从另一方面来讲, 数字地图的支撑数据库可以将不同时期的数据存储起来, 并在电子地图上按时序再现, 这就可以把某一现象或事物变化发展展示出来, 便于深入分析和预测, 这是传统地图难以做到的。随着资源环境研究的深化, 人类为了自身的生存和发展, 必须解决一系列困扰社会可持续发展的重大问题, 数字地球理论框架的提出, 一个重要的技术支撑就是数字化的动态制图, 只有这样, 才能实现对宏观世界的过去、现在及未来的客观认识。数字制图技术的动态性在资源及环境的过程模拟及趋势预测等方面具有广泛的应用潜力。

制图过程智能化及信息载体多样化数字制图在很大程度上是一种计算机系统支持下的智能化制图。其过程的许多环节是在软件环境中实现的。人虽然也在数字制图中发挥着重要作用, 但其作用与传统的制图过程已大不相同。无论是制图设施的硬件(扫描仪、数字化仪、彩色绘图仪等), 还是软件(CAD 、各种GIS 平台), 都是现代计算机技术、网络技术、数据库技术、通讯技术、信息技术快速发展条件下的高新技术综合应用, 智能化体现在数字制图的整个过程中。数字制图与传统制图的一个重要区别表现在地图信息的传送介质方面。传统地图主要以可视化的形式印制在各种纸质媒体上, 同时, 还被印制在丝绸、塑料或金属表面。数字地图则常常以磁带、光盘、软盘等信息载体为介质, 以数字的形式存储数据, 并且数据可以通过数据库进行多种处理。随着网络化的发展, 数字地图还将通过网络传输。

数据及数字地图安全的紧迫性随着数字制图技术的发展及数字化地图产品的应用, 数据安全及数字地图的安全管理迫在眉睫。在网络及地理信息系统的条件下, 数字地图的安全管理措施将全然不同于以往纸质地图安全规定。传统的地图有一系列的管理办法, 政府对其有绝对的管理权威, 数字制图由于灵活性大, 制图部门多, 其管理问题将是一个新的挑战。特别是在全球信息共享以及网络化的形势下, 数据安全与数字地图的安全尤其显得重要, 并需要一系列信息技术来维护其安全使用。

技术应用地理信息是表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形等的总称。要把地理信息转化为地图信息, 需要了解地理信息与地图信息表达的特点以及地理信息的制图表达过程。数字制图技术的出现, 不仅仅是简单地用数字存储管理的方式代替了经典的地形图、专题图等信息输出方式, 而且对信息的处理和利用起到了已有方法所难以起到的作用。数字地图的应用范围很广, 一方面是借助于可视化技术将地理空间数据变成印刷地图、电子地图或虚拟环境, 通过人的大脑和视觉分析制图对象的本质特征;另一方面是数字地图的直接应用, 即制图数据通过处理并获得结果, 应用于定位和空间分析等方面1。

制作传统的纸质地图是数字地图最初的任务,电子地图将是未来数字地图最主要的一种可视化处理方法。目前数字地图主要是记录在光盘上流通,网上传输还由于多种原因而受到限制。利用数字地图构置虚拟环境, 以提供一个cyberspace , 是数字地图的重要应用领域, 也是数字地球所要追求的目标1。

数字制图除了在普通地形图的编制、更新等方面有广阔的应用前景外, 更重要地是灵活地应用在农业、林业、牧业、石油、地质、水利、测绘、交通、运输等行业以及地球科学等学科的许多领域, 特别是在资源环境领域具有巨大潜力。21 世纪的信息技术在建立和谐的人—地关系方面将会有许多新的创造和发展, 数字制图也将在上述方面发挥重要作用。随着国家基础信息设施及国家空间数据基础设施建设的进展, 特别是数字地球理论框架的不断完善, 为现代制图学提供了广阔的发展空间。知识创新工程中地图学的学科规划、地图信息图谱的理论和方法、我国自然地图集的创新与发展、电子地图的空间认知、多媒体地图可视化、Web 环境下数据挖掘和信息共享、地图信息自动综合算法体系的建立、虚拟地形环境中实体的几何建模技术及数字技术与地图学的进展等都将发生变革。GIS 、GPS、DPS 、VR 等技术的发展, 为数字制图提供了良好的技术支撑, 制图学将以全新的面貌, 在21 世纪为人类社会的可持续发展服务1。

应用优势原始制图是将纸张、布或其他可见真实大小的物体为载体的，制作出的地图内容是绘制或印制在这些载体上。而数字制图而成的电子地图是存储在计算机的硬盘、软盘、光盘或磁带等介质上的，地图内容是通过数字来表示的，需要通过专用的计算机软件对这些数字进行显示、读取、检索、分析。电子地图上可以表示的信息量远远大于普通地图，如公路在普通地图上用线划来表示位置，线的形状、宽度、颜色等不同符号表示公路的等级及其他信息。在电子地图上，是通过一串X、Y坐标表示位置，通过线划的属性表示公路的等级及其他信息，比如‘1’表示高速公路、‘2’表示国道等，电子地图上的线划属性可以有很多，比如公路等级、名称、路面材料、起止点名称、路宽、长度、交通流量等等信息都可以作为一条道路的属性记录下来，能够比较全面地描述道路的情况，这些是普通地图简单的符号不可能表示出来的。

数字电子地图可以非常方便地对普通地图的内容进行任意形式的要素组合、拼接，形成新的地图。可以对电子地图进行任意比例尺、任意范围的绘图输出。非常容易进行修改，缩短成图时间。可以很方便地与卫星影像、航空照片等其他信息源结合，生成新的图种。可以利用数字地图记录的信息，派生新的数据，如地图上等高线表示地貌形态，但非专业人员很难看懂，利用电子地图的等高线和高程点可以生成数字高程模型，将地表起伏以数字形式表现出来，可以直观立体地表现地貌形态。这是普通地形图不可能达到表现效果。
中国测绘局现有全国范围的1∶400万、1∶100万、1∶25万电子地图，今后还要生产1∶5万数字电子地图，这些是国家基础地理信息系统的重要组成部分,是其他各部门专业信息管理、分析的载体。各省、市测绘及城市规划部门生产了大量的大比例尺电子地图，如1∶5000,1∶2000,1∶1000等，可用于城市规划建设、交通、旅游、汽车导航等许多部门。所有这些数字地图将各部门日常工作由原来一大堆地图翻来翻去，变成为计算机前作业，科学、准确、直观,大大提高效率。
数字制图中的电子地图种类很多，如地形图、栅格地形图、遥感影像图、高程模型图、各种专题图等等。
Google继在去年10月收购Keyhole后，首次向广大用户推出一个免费的基于卫星图片的地图软件。这与之前收购了Picasa后的计划颇为相似。GoogleEarth的功能犹如该公司的在线地图服务——GoogleMap，用户可以在一副3D地图上放大目的地或获得驾车指南。
Keyhole总经理JohnHanke表示，GoogleEarth利用宽带流以及3D图形技术，这点好似视频游戏，可以让用户交互式地探索世界——要搜索的目的地最近可以是自家的邻居；最远可以是全球某个角落。此外，GoogleEarth与GoogleMap最大的不同点是，GoogleEarth还可以让用户旋转角度来观看地形和建筑物，为地图增添注释。

北京电子地图·部分

GoogleEarth功能简介：
1、结合卫星图片，地图，以及强大的Gogole搜索技术；全球地理信息就在眼前。
2、从太空漫游到邻居一瞥；
3、目的地输入，直接放大；
4、搜索学校、公园、餐馆、酒店；
5、获取驾车指南；
6、提供3D地形和建筑物，其浏览视角支持倾斜或旋转；
7、保存和共享搜索和收藏夹；
8、添加自己的注释。
数字制图下的电子地图与纸质地图相比较有以下特点：
1、电子地图以计算机屏幕和投影大屏幕为媒介，而传统地图一般以纸张作为信息的载体。
2、电子地图的制作、管理、阅读和使用能实现一体化，对不满意的地方能够方便实时地进行修改。而传统纸质地图的生产、管理和使用都是分开的。
3、电子地图显示地图内容的详略程度是可以随时调控的，而传统纸质地图的内容是固定的、不变的。
4、电子地图能把图形、图像、声音和文字合成在一起，而纸质地图则做不到。
5、电子地图的使用要依赖专门的设备，而纸质地图的使用则不需要。
6、电子地图由于受计算机屏幕尺寸和屏幕分辨率的限制，整幅地图显示的效果受影响，以分块分层显示为主。而传统纸质地图以图幅为单位整页出版印刷，幅面大，读图的整体印象深刻，地理要素相互之间的关系明白清楚。2

专业术语数字制图的专家们使用的计算机设备中也有相当多的专业术语如下：
吸收：指在既没有反射系数又不可传输的物体或介质中既不传输也不反射光线。

锐度：感受到的边缘锋锐度或记录介质（像胶卷）的清晰度。它可以分辨对比度和清晰度的细微变化。

适应性：眼睛的晶体改变形状的能力，用于补偿在感受物体时距离的变化。

色消：缺乏色调，如白色，黑色或灰色。

附加色：合成三种基色波长的过程，以形成其他的颜色，包括白色。

鸟瞰视图：一种高空透视，在大气光线散射中有轻微的散射和衰减。

环境光：均匀且间接地照射物体的光线，它通常是软光和散射光。

相似色：在颜色轮中彼此靠近颜色的合成色。

各向异性：指材质的折射率取决于入射光的方向。

孔径：就是光圈，它通过改变张开尺寸控制进入镜头的光线量。

弧光灯：一种明亮的灯光，通过两个电极的电发光。

阵列：以某种方式排列的多个物体实例。

区域光：一种灯光类型，用于照射一个空间区域，为柔光照射和散射照射。通常它们是点光源按阵列方式排成的一个阵列。

高宽比：图象的宽度和高度之比。

衰减：光强随距离而减弱。

背景屏幕：一种在肖像，设置窗户和门时使用的背景图象。

位图：计算机中图形的数字化表示，也指图形的2D表示。

亮度：感受光线的强度，范围从全黑到全白。它也可以表示亮度上的差别。

Candela：一种光强测量单位，它表示为每平方米特殊光的亮度。

CIE：全称为“CommisionInternationaledel'Eclairage”。它是一个国际性组织，用于传播和支持有关照射，光照和颜色方面的艺术，文化，科学和技术。

CMY：减法色彩模型。

CMYK：印刷业色彩标准。

互补色：在颜色轮上彼此相对的色调。如果两种色重合起来是白色，则这两种颜色互补。

Cookie：放在光源前的遮罩。是来源于摄影的词汇。

颜色投射：在场景中或照片的所有颜色中起主要作用的颜色。

颜色恒定：在不同光照条件下感知和保持某一特定物体颜色的能力。

色彩模型：在3D坐标系中物体或系统的可用颜色安排。

颜色空间：在3D坐标系中安排的可能颜色范围。

色温：用于表示感受的光源品质，通过将它和能量辐射进行比较来以数字形式表示。

视锥：一种感光器，用于在视网膜上感受颜色，它只适用于有光的条件。

对比度：可视图形的明亮区域和黑暗区域间的差别。它是进入胶卷的光线数量和光线穿过它的数量的比值。

景深：物体清晰显示的长焦或短焦区域，为临界焦点提取最清晰物体图象的区域。

衍射：指光线绕着边缘弯曲使得光线的强度和方向发生变化。衍射产生交错的明暗区。

扩散：光线从表面上均匀的散开。

弥散：指光线在经过彼此具有不同折射系数的介质时光线分离成不同的波长。这就是通常所说的棱镜效果和栅格效果。弥散需要使用两种不同的介质工作，在透明介质中折射系数的改变产生不同的波长。

距离光源：覆盖一个宽的平行光线区域的光源，也叫做无限光源。因为这种方式会扩展和影响场景。

动态范围：在不同的状态生成不同的系统或物体的能力，它也可测量一个系统在数量上能处理多少变化和在范围上能处理多少数据的输入和输出。

电磁频谱：从伽马射线和X射线短波到无线电长波的辐射范围，也包括可见光部分。

平面灯光：无阴影前向柔光。

F-stop：焦距和孔径之比。

Gamma：一种来自特定胶卷或感光剂的分布曲线的对比度测量，也表示显示系统和参考信号的分离。

全局照明：在环境中从光源到它的反射和散射的转移光统计值，也是场景中直接和间接光线分布的统计。

环绕投射阴影：在每一个顶点添加强度值并将其分配到多边形表面上的一种阴影投射法。

光晕：通过侧向散射进入胶卷的间接生成光线。

高光：场景中的明亮区域。也指场景中物体上非常明亮的反射。

HLS：一种色彩模型

HSV：一种复锥状色彩模型。

色调：定义为光波长确定的颜色属性。

照明度：位于表面特定区域的光线数量和强度。

入射光：直接落在物体上的光线。

开方规律：指没有介质散射和吸收的光源与距离成开方关系，随着光源覆盖区的增大，光线或能量逐渐衰减（也称为平方反比衰减）。

各向同性：指材质的折射系数与入射光线的方向无关。

LambertianShading：一种投影方式。

光照比率：关键灯光与填充灯光的比率，也指场景中创建色调的每一灯光分布的光照单位。

泛光灯：一种全向光源。

法线：垂直于多边形表面的方向矢量，它定义表面的内表面和外表面以及可见性。

光子：光照射的单位。

曲面片：由两个或多个曲线合成的表面。也指具有由相交样条曲线定义的表面或实体的物体。

点光源：在各个方向上发射光线的单一灯光。

极化：基于方向的选择性传输。当光线被反射和折射时，它的方向和排列发生了改变。

辐射：通过粒子发射转换或释放能量，所有的物体都有一些辐射形式。

光线跟踪：通过光线路径计算光线从光源到目标的传输。

饱和度：色调的光度或暗度及色调的纯度。CIE将饱和度定义为区域的鲜艳度对亮度。

样条：近似的直线或曲线，可以通过插入控制点修改曲线。

聚光灯：一个高锥角的方向光，有一个定义光线品质的外部和内部照明。

表面模型：不考虑容积的3D物体定义，生成和表示。

顶点：由坐标系定义的空间点的唯一表示。

Zone系统：指场景或图象中从黄色到橙黄色的色调配置。它表示阳光，火焰和蜡烛情景。

Zoom：以明显的表示方式显示物体的作用，处理和改变。

暖色投射：一种胶卷暴光和显影的照相系统，用于在印刷时得到一个特殊的色调。它可以精确地控制高光区和阴影区。3

发展趋势数字制图主要用于电子地图方面，而进入新世纪以来，随着互联网的不断普及，地图已经从纸上走到了互联网和个人电脑甚至手持设备里面。如今，人们可以很容易的在电子地图里面搜索感兴趣的地点，行车线路和公交线路等，大大方便了地图使用者。除了传统的地理信息服务，各大地图和内容提供商还研发了基于电子地图的许多有趣应用。如今，电子地图已经越来越多的成为人们一个常用工具。
预计在将来，电子地图将集成更多的应用，并且更多的应用3D技术和卫星技术，让人们的出行和日常生活更方便。

数字制图的发展表现在四个方面：
1、各类生活信息会进一步细化，能及时反映变化情况
2、覆盖地域将逐步扩展到全球
3、一些专题或特殊需求地图会增多，如房地产开发地图、旅游景点大比例尺俯瞰图、各类探险路线图等等
4、将更多地应用卫星遥感数据和虚拟现实技术，立体地貌图会增多，电子地图上也将会高山耸立，大河奔流，树木苍翠，能更逼真地反映地球的全貌。

制图相关关于数字电子制图利用比例尺计算距离方法：根据地图上的比例尺，可量算任意两地之间的直线距离。

具体方法是:先看好比例关系，在两处两地的图上距离（厘米），然后根据比例尺算出实际距离。例如：比例尺是“6百万分之一”，即图上1厘米的距离代表实际上六百万厘米，即60千米：若两处图上距离为5厘米，则两地实际距离为：60千米×5=300千米。
比例尺的大小：由于比例尺是分式，分母越大，比例尺越小。也就是说，图上1厘米代表的实际距离越长，比例尺的值越小。如1：1000的比例尺大于1：100000的比例尺。
同样图幅的地图，比例尺较大的，表示的范围较小，但内容详尽：比例尺较小的，表示的范围较小，但是内容较简略。
根据绘制的内容要求不同，可选择相应的比例尺，如绘制学校平面图或一个社区的平面图，一定要选用大比例尺，而绘制一张中国或者亚洲的地图则一定要用小比例尺。