郭仁忠，應(yīng) 申

1. 深圳大學(xué)智慧城市研究院，廣東 深圳 518060； 2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 3. 國(guó)土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034

論ICT時(shí)代的地圖學(xué)復(fù)興*

郭仁忠1,2,3,，應(yīng) 申2,3

1. 深圳大學(xué)智慧城市研究院，廣東 深圳 518060； 2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 3. 國(guó)土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034

在ICT技術(shù)推動(dòng)下，地圖學(xué)的發(fā)展迎來(lái)空前的挑戰(zhàn)，本文針對(duì)當(dāng)前地圖學(xué)的發(fā)展面臨的問(wèn)題和轉(zhuǎn)變，深入分析傳統(tǒng)地圖學(xué)的限制——物理空間的傳統(tǒng)約束，面向現(xiàn)代地圖的形式松散化，從現(xiàn)實(shí)與虛擬、外表與內(nèi)里、紙質(zhì)與電子等8個(gè)方面論述現(xiàn)代地圖學(xué)信息空間的數(shù)字自由，并針對(duì)數(shù)字時(shí)代和大數(shù)據(jù)的發(fā)展機(jī)遇和需求，拓展地圖學(xué)框架，同化新興元素，推動(dòng)地圖學(xué)復(fù)興。

地圖學(xué)；復(fù)興；大數(shù)據(jù)；現(xiàn)代地圖學(xué)；信息空間

人們通常將人類文明史定義為有文字記載的人類發(fā)展史。雖然人類進(jìn)化過(guò)程歷經(jīng)幾百萬(wàn)年，但迄今考證的最早地圖是土耳其公元前6200年地圖和4000年前的地形圖[1]，而迄今發(fā)現(xiàn)的最早文字是公元前3200年左右的楔形文字[2]，這就意味著地圖先于文字產(chǎn)生，貫穿整個(gè)人類文明史。

地圖作為空間信息可視化表達(dá)和傳輸?shù)姆绞綒v史悠久，并隨著人類進(jìn)步和科技發(fā)展而不斷演進(jìn)，任何人也無(wú)法否認(rèn)地圖對(duì)推進(jìn)人類文明進(jìn)步的巨大作用。Anne Godlewska指出，地圖是改變世界的十大地理思想方法之一[3]。高俊院士指出，無(wú)法想象一個(gè)沒(méi)有地圖的世界[4]。王家耀院士認(rèn)可地圖是人類三大通用語(yǔ)言之一(另兩個(gè)是音樂(lè)和繪畫)[5]，雖然這里的“語(yǔ)言”不是以文字表達(dá)的語(yǔ)言，但其表達(dá)和傳輸信息的功能是一致的。地圖作為一種特殊的“語(yǔ)言”，既是人類認(rèn)識(shí)世界的工具，也是人類改變世界的成果。

地圖學(xué)(cartography)顧名思義是關(guān)于地圖的學(xué)問(wèn)，以地圖制圖(mapping)為基礎(chǔ)，對(duì)地理對(duì)象進(jìn)行分類、抽象，以可視化方式表達(dá)其空間特征及其關(guān)系，存儲(chǔ)空間信息，解釋空間現(xiàn)象，揭示空間規(guī)律，傳播空間知識(shí)。地圖學(xué)的理論與方法隨著科技的進(jìn)步而不斷發(fā)展。在20世紀(jì)的后半葉，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展步伐的加快，地圖學(xué)得到飛速發(fā)展，地圖符號(hào)理論[6-7]、地圖信息理論[8]、地圖感受理論[6,9-11]、計(jì)算機(jī)制圖以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)相繼產(chǎn)生，地圖學(xué)理論得到完善，技術(shù)得到提升。這一時(shí)期可以認(rèn)為是地圖學(xué)的“春天”。

近30多年來(lái)，信息和通信技術(shù)(information and communication technology，ICT)迅速發(fā)展，地圖學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步主要表現(xiàn)為信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的數(shù)字化發(fā)展，即地圖制作的數(shù)字化技術(shù)、地圖應(yīng)用分析的數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字化地圖的管理和服務(wù)技術(shù)，這既包括生產(chǎn)力層面的技術(shù)進(jìn)步，也包括生產(chǎn)關(guān)系層面的模式創(chuàng)新，其突出成果是作為新興學(xué)科分支的GIS技術(shù)的發(fā)展、成熟和提升。這些技術(shù)的進(jìn)步和模式的創(chuàng)新使地圖制作和應(yīng)用的專業(yè)門檻大幅度降低，很多地圖不再是由專業(yè)人士設(shè)計(jì)制作，而是由地圖用戶或者地圖愛好者創(chuàng)作(圖1)；制作方法也不再囿于經(jīng)典的地圖學(xué)理論，常表現(xiàn)出各種創(chuàng)新、突破和“離經(jīng)叛道”。當(dāng)代地圖學(xué)領(lǐng)域的這一狀態(tài)在呈現(xiàn)數(shù)字技術(shù)帶來(lái)的地圖繁榮的同時(shí)對(duì)地圖學(xué)也產(chǎn)生負(fù)迭代作用：一方面，人們對(duì)地圖學(xué)理論的關(guān)注越來(lái)越少，即使是地圖學(xué)的核心技術(shù)或者重大理論問(wèn)題，往往也得不到必要的重視，從而出現(xiàn)違背地圖學(xué)基本理論原則或者地圖學(xué)理論缺位的“地圖故事”(如圖2(a)所示的違背地圖投影基本原理的南極科考路線標(biāo)注，以及圖2(b)所示將地圖投影的正確應(yīng)用作為地圖投影創(chuàng)新的解讀)；另一方面，地圖學(xué)理論無(wú)法引領(lǐng)和指導(dǎo)信息時(shí)代的地圖學(xué)實(shí)踐，如大量涌現(xiàn)的微地圖[12]、類地圖等新生事物在經(jīng)典地圖學(xué)理論教科書中均沒(méi)有論述。因此，我們有理由認(rèn)為，地圖學(xué)理論研究正處于低谷，面臨新技術(shù)和新需求兩方面的挑戰(zhàn)，地圖學(xué)者面臨對(duì)傳統(tǒng)地圖學(xué)“守成”還是迎接挑戰(zhàn)的“突圍”抉擇。

本文正面提出地圖學(xué)復(fù)興問(wèn)題，從傳統(tǒng)地圖的思維模式分析入手，認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)地圖學(xué)的局限性——物理空間約束，面向現(xiàn)代地圖的形式松散化，認(rèn)識(shí)信息空間的數(shù)字自由，希望通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)地圖學(xué)的技術(shù)特征分析以及數(shù)字時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇和需求歸納，尋求信息化時(shí)代地圖學(xué)的發(fā)展路徑。

圖1 新時(shí)代的地圖Fig.1 Maps in new era

(本圖為專題內(nèi)容示意圖，不涉及各國(guó)版圖信息)圖2 不同地圖投影的南極科考地圖Fig.2 Route maps with different projections of Antarctica scientific investigation(http:∥www.chinanews.com/gn/news/2009/10-14/1909473.shtml)

1 傳統(tǒng)地圖學(xué)：物理空間的傳統(tǒng)約束

傳統(tǒng)地圖學(xué)雖然內(nèi)容豐富，體系復(fù)雜，但構(gòu)成其理論框架和技術(shù)基礎(chǔ)的核心是地圖投影、地圖綜合和符號(hào)系統(tǒng)，三者結(jié)合以表達(dá)復(fù)雜地理世界的對(duì)象、結(jié)構(gòu)和關(guān)系。

地圖投影、地圖綜合和符號(hào)系統(tǒng)均具有嚴(yán)密的理論邏輯和技術(shù)體系，其科學(xué)性和必要性無(wú)可置疑，對(duì)這三大理論方法的理解和精通程度直接體現(xiàn)一個(gè)地圖學(xué)專家的專業(yè)素養(yǎng)。從另一方面看，地圖學(xué)的這三個(gè)核心分支領(lǐng)域也與傳統(tǒng)地圖學(xué)的特定技術(shù)水平和應(yīng)用條件有關(guān)，是某種意義上的“歷史產(chǎn)物”。

以地圖的方式用二維的平面表達(dá)地理對(duì)象，需要進(jìn)行從球面到平面的映射變換。由于地球球面的不可展開性，這種映射必然引入各種誤差。針對(duì)具體地圖的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，需要在各種誤差之間進(jìn)行權(quán)衡，以趨利避害，達(dá)到盡可能優(yōu)化完善的表達(dá)效果，這就是地圖投影研究的主要任務(wù)。

從誤差類型出發(fā)，地圖投影分為等角、等距離和等面積投影；從投影方式出發(fā)，地圖投影分為圓柱、圓錐和方位投影；從投影方位出發(fā)，又有正軸、橫軸和斜軸之分；從投影面與地球面的關(guān)系出發(fā)亦有切、割、離之別。此外，以上各種投影的混合和變異導(dǎo)致地圖投影方式方法豐富多樣，也導(dǎo)致對(duì)地圖投影理解和應(yīng)用的困難。不恰當(dāng)?shù)牡貓D投影不能客觀、真實(shí)的表達(dá)地理問(wèn)題，甚至傳遞錯(cuò)誤的空間信息。例如圖2(a)，由于使用不恰當(dāng)?shù)牡貓D(嚴(yán)格講是不恰當(dāng)?shù)牡貓D投影)標(biāo)注南極科考路線，將路線表示為迂回曲折的“8”字形，而實(shí)際路線如圖2(b)所示[13]。另一個(gè)案例是圖3所示的最短中美航線，其跨越北極圈而不是太平洋[14]。

傳統(tǒng)地圖的二維平面制約著地理對(duì)象的表達(dá)維度，三維地理對(duì)象只能以其在平面上的投影表達(dá)，可能的妥協(xié)是予以高程標(biāo)注的2.5維表達(dá)，如傳統(tǒng)的二維平面房產(chǎn)圖難以表達(dá)垂直和水平非均勻分布的城市三維產(chǎn)權(quán)劃分，如圖4(a)的三維產(chǎn)權(quán)體，需要采用多個(gè)傳統(tǒng)二維平面房產(chǎn)圖來(lái)協(xié)調(diào)表達(dá)，而事實(shí)上它是一個(gè)不可再分的統(tǒng)一三維產(chǎn)權(quán)空間。

地圖綜合源于地圖比例尺約束。為了在有限和固化的地圖空間(圖幅)表達(dá)盡可能多的內(nèi)容，同時(shí)保持地圖的分辨率和易讀性，直接形成了地圖圖面載負(fù)量問(wèn)題，從而需要對(duì)地圖要素進(jìn)行壓縮和概括，即地圖綜合。顯然，權(quán)衡地圖載負(fù)量以及地圖要素的綜合都會(huì)造成地圖信息的損失。

圖3 不恰當(dāng)?shù)耐队暗貓D造成航線認(rèn)識(shí)誤區(qū)Fig.3 Incorrect projections result in wrong understanding of the airlines

圖4 三維產(chǎn)權(quán)體空間的表達(dá)Fig.4 Three dimensional property unit

地圖符號(hào)系統(tǒng)是地圖可視化的基礎(chǔ)，也是地圖綜合的伴生手段。地圖符號(hào)兼具抽象性和具象性，傳遞著對(duì)地物的指代信息。地圖的符號(hào)化過(guò)程是對(duì)地物的認(rèn)識(shí)加工過(guò)程，一方面選擇的地物要素傳達(dá)了人們對(duì)現(xiàn)實(shí)地物分類的定性認(rèn)知，另一方面符號(hào)是對(duì)地物形狀的近似表達(dá)，同時(shí)符號(hào)化改變了原始地物位置的分布(圖5)。地圖符號(hào)的可視化模型和地圖綜合的有關(guān)操作(如合并、分割、移位等)一定程度上進(jìn)一步導(dǎo)致了定位、形狀和邏輯的誤差或錯(cuò)誤。

圖5 地圖符號(hào)化的占位引起不正確的空間關(guān)系Fig.5 Map symbolization and spatial relationships

以上分析表明，地圖學(xué)理論與方法體系在很大程度上受制于地圖的二維特征和固化屬性，如果消除了這些物理空間的傳統(tǒng)約束，地圖學(xué)理論與方法應(yīng)該有不同的發(fā)展。

2 數(shù)字地圖學(xué)：信息空間的數(shù)字自由

隨著ICT技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)大大豐富地圖表達(dá)的方式和手段，信息空間創(chuàng)造了顛覆性的數(shù)字自由，物理空間的傳統(tǒng)約束一定程度上得到解除，給地圖學(xué)帶來(lái)革新，而且這種革新將會(huì)重新定義地圖學(xué)的角色[15-16]。信息空間的數(shù)字自由充分解放了地圖符號(hào)體系的二維紙質(zhì)約束，特別是視覺(jué)變量從基于Bertin的形狀、尺寸、方向、色彩、亮度和密度發(fā)展到動(dòng)態(tài)地圖的持續(xù)時(shí)間、變化速率、變化次序、節(jié)奏[17-18]，進(jìn)而到面向三維地圖和三維模型的姿態(tài)、紋理、光照、陰影和清晰度[19]，并可從狀態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化和操作三個(gè)方面[20]來(lái)表達(dá)三維場(chǎng)景的質(zhì)量、數(shù)量、動(dòng)態(tài)和關(guān)系特征。傳統(tǒng)地圖中人工干預(yù)最強(qiáng)的地圖注記，在數(shù)字空間中發(fā)展為沿地物線性或圍繞標(biāo)注對(duì)象的隨動(dòng)注記，這種彈性指代和基于碰撞思維[21]的注記解除了傳統(tǒng)地圖中注記與符號(hào)的占位問(wèn)題。

歸納起來(lái)，信息空間的數(shù)字自由主要表現(xiàn)在：

(1) 突破平面紙質(zhì)地圖和投影的限制，實(shí)現(xiàn)三維及多維的可視化表達(dá)、多基底面的電子紙表達(dá)；

(2) 突破傳統(tǒng)地圖符號(hào)體系，實(shí)現(xiàn)靈活多樣、自定義的地物表達(dá)；

(3) 突破表達(dá)對(duì)象的特征，實(shí)現(xiàn)虛擬和虛實(shí)融合；

(4) 突破固定比例尺的數(shù)據(jù)采集與表達(dá)，淡化比例尺特征，縮放與漫游使比例尺成為動(dòng)態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)或無(wú)級(jí)的連續(xù)可視化表達(dá)。

2.1 二維與三維

地圖的內(nèi)容主要通過(guò)二維幾何對(duì)象(點(diǎn)、線、面)來(lái)表達(dá)。在地圖上表達(dá)三維信息始終是個(gè)挑戰(zhàn)，除了透視方法外，暈渲是地圖學(xué)的特有三維表達(dá)手段，如圖6(a)。數(shù)字空間突破紙質(zhì)二維平面的限制，基于三維體空間的建模、管理和應(yīng)用快速發(fā)展，如三維地籍[22](圖4)、三維地質(zhì)。此外，數(shù)字空間中信息自由疊加，增加了對(duì)立體、多元、多維數(shù)據(jù)的支持和可視化表達(dá)，如在地圖可視化中用第三維表達(dá)人口的連續(xù)分布(圖6(b))、網(wǎng)格化的城市基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)與量的分布(圖6(c))。三維表達(dá)在很多應(yīng)用場(chǎng)景下是必不可少的，如傳統(tǒng)二維地圖難以表達(dá)的地質(zhì)構(gòu)造、地下空間、三維地籍等。

圖6 多維地圖Fig.6 Multi-dimensional maps

2.2 現(xiàn)實(shí)與虛擬

數(shù)字化表達(dá)技術(shù)容許我們對(duì)真實(shí)地理環(huán)境和虛擬對(duì)象(如城市規(guī)劃方案和建筑設(shè)計(jì)模型)進(jìn)行無(wú)縫融合、集成表達(dá)(如圖7)，從地圖學(xué)角度看，虛擬現(xiàn)實(shí)的展示是地圖符號(hào)體系的三維拓展體現(xiàn)，這種表達(dá)手段是傳統(tǒng)地圖學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖7 虛擬與現(xiàn)實(shí)的無(wú)縫融合Fig.7 Integration the reality with virtual reality

2.3 抽象與形象

由于手段的限制和制作成本的因素，傳統(tǒng)地圖多趨向于對(duì)地理對(duì)象的抽象表達(dá)，如利用等高線表示地形，以雙線和單線表達(dá)河流。在地圖經(jīng)歷紙質(zhì)地圖、數(shù)字地圖、電子地圖、動(dòng)態(tài)地圖以及三維地圖之后，地圖表達(dá)的寫真形象性成為趨勢(shì)，且往往更受歡迎。這種形象化的寫實(shí)地圖在傳輸?shù)乩砜臻g信息時(shí)往往不需要用戶具備專門知識(shí)而讓其快速識(shí)別和了解地理環(huán)境(如圖1)。形象的寫實(shí)地圖是地圖藝術(shù)美的集中體現(xiàn)，表現(xiàn)手法也存在寫真與寫意之分(圖8)。全局的色調(diào)、筆風(fēng)決定著地理環(huán)境的描繪特征，藝術(shù)風(fēng)格轉(zhuǎn)移技術(shù)[23]可以讓地圖傳達(dá)名畫的韻色，同時(shí)可以通過(guò)色調(diào)的調(diào)配來(lái)協(xié)調(diào)各地物或語(yǔ)義的渲染，增強(qiáng)對(duì)該地理環(huán)境的空間認(rèn)知和重要地物的展示。

圖8 圖片的寫真與寫意(圖片來(lái)自南京師范大學(xué)楊昕博士)Fig.8 Pictures in photo and artwork

2.4 業(yè)余愛好者VS專業(yè)從業(yè)者

地圖制作歷來(lái)是地圖學(xué)專業(yè)人士的專利，但隨著泛在測(cè)繪的展開和志愿者的加入，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的志愿者在各種軟件工具的支持下可以在線或離線制作“隨心所欲”的個(gè)性化地圖。這些業(yè)余的志愿者更多地拋棄了地圖復(fù)雜性的魅力，而選擇了圖形簡(jiǎn)單性的利落。他們的地圖作品從專業(yè)角度看，水平不高，制作粗糙，甚至存在違背地圖學(xué)原則的錯(cuò)誤，但從應(yīng)用環(huán)境和場(chǎng)景看，往往與需求更貼切。這些“業(yè)余”的地圖由于未經(jīng)“專業(yè)”加工，可能更符合普通大眾的思維定式和認(rèn)知習(xí)慣，更受歡迎，也可能由于不受“專業(yè)”框框的限制，有出其不意的創(chuàng)新，如現(xiàn)在廣為流行的地鐵路線圖就由非地圖專業(yè)人士設(shè)計(jì)而成，并不斷發(fā)展(圖9)。業(yè)余愛好者的主動(dòng)性、參與性，鮮明地促進(jìn)了地圖的大眾化和普及化，同時(shí)地圖的用戶體驗(yàn)特征使得地圖的個(gè)性化、多樣化突出。因此，更開放包容地向業(yè)余愛好者學(xué)習(xí)是地圖學(xué)創(chuàng)新發(fā)展的路徑之一。一定意義上，個(gè)性化、定制化地圖是ICT環(huán)境下的社會(huì)產(chǎn)物，促進(jìn)了地圖的普適化，而傳統(tǒng)地圖是基于科學(xué)觀測(cè)的客觀產(chǎn)物，二者的定位和出發(fā)點(diǎn)不同，受眾面也不同。

2.5 預(yù)制與實(shí)時(shí)

由于制圖樣式的多樣性，尤其是各類專題的表達(dá)方式靈活多變，因此預(yù)制地圖樣式來(lái)供用戶選擇并實(shí)時(shí)繪制地圖結(jié)果成為當(dāng)前在線地圖的重要模式，包括地圖慧、CartoDB等。用戶只需輸入要表達(dá)的專題數(shù)據(jù)，選擇已預(yù)制樣式中的一種，并可以強(qiáng)交互，可實(shí)時(shí)生成與地理位置關(guān)聯(lián)的專題地圖(如圖10)。在此模式下，制圖者的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)通過(guò)樣式預(yù)制來(lái)體現(xiàn)，而用戶的參與則通過(guò)數(shù)據(jù)的輸入、風(fēng)格選擇來(lái)體現(xiàn)，該模式有效的實(shí)現(xiàn)制圖加工和讀圖可視化的同一化、制圖者的專家知識(shí)與用戶個(gè)性的融合，同時(shí)也改善了地圖信息傳輸理論中的中間交互環(huán)節(jié)。

圖9 非地圖專業(yè)人士設(shè)計(jì)的地鐵路線圖Fig.9 Different metro maps(http:∥www.kickmap.com/about.html)

圖10 預(yù)制符號(hào)體系與實(shí)時(shí)展示繪制結(jié)果Fig.10 Prefabricated symbols and online visualization

預(yù)制與實(shí)時(shí)模式也反映出地圖定制化的前景與背景特色。用戶對(duì)專題興趣的需求，產(chǎn)生各種興趣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)(前景)需要最基本的地理參考(背景)，此時(shí)基礎(chǔ)地理信息的陪襯作用仍然客觀存在，并且一直存在；但是專題或興趣要素的凸顯性更明顯。

2.6 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

地理信息的數(shù)字自由解放了紙質(zhì)地圖的靜態(tài)表達(dá)約束，可以實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)表達(dá)，當(dāng)然這可以從地圖要素本身的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)以及可視表達(dá)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面的組合來(lái)分析，如個(gè)人行車的軌跡靜/動(dòng)態(tài)可視化、城市交通流的靜/動(dòng)態(tài)可視化。同時(shí)，一部分基于GIS的空間分析也通過(guò)地圖可視化進(jìn)行展現(xiàn)，如光照陰影分析、城市噪聲場(chǎng)變化等。動(dòng)態(tài)地圖或動(dòng)態(tài)過(guò)程中的靜態(tài)地圖形象刻畫了地理現(xiàn)象和過(guò)程的表達(dá)，特別是對(duì)大數(shù)據(jù)分析的可視化，增強(qiáng)人們對(duì)現(xiàn)實(shí)的空間認(rèn)知，提供更清晰的決策支持。

2.7 外表與內(nèi)里

地圖和地理空間可視化對(duì)地理對(duì)象的展現(xiàn)多強(qiáng)調(diào)其外表，尤其是當(dāng)前的數(shù)字城市或虛擬城市。由于建模角度和管理對(duì)象的不同，很多地理對(duì)象是呈現(xiàn)聚集形態(tài)的，如空間的地上地下一體化、房產(chǎn)對(duì)象的集簇性。對(duì)城市三維空間的精細(xì)化管理，需要恰當(dāng)?shù)慕：涂梢暬侄危谡宫F(xiàn)其整體“外表”形狀的同時(shí)，管理簇元、突顯焦點(diǎn)對(duì)象，并保持其在整個(gè)群集內(nèi)的相對(duì)位置和拓?fù)潢P(guān)系是“內(nèi)里”建模和可視化的根本(圖11)[24]。

圖11 三維群集房產(chǎn)對(duì)象的外表及內(nèi)里建模與可視化Fig.11 Superficial visualization of buildings VS inner visualization of 3D property units

2.8 實(shí)體紙與電子紙

地圖是將地理空間變換為一種人類可認(rèn)知的鏡像，這種映射最簡(jiǎn)單的就是從球體到平面紙張。數(shù)字空間解放了傳統(tǒng)地圖學(xué)的二維紙質(zhì)地圖需要投影的限制，尤其是Google Earth的應(yīng)用更是靈活地展現(xiàn)不同范圍區(qū)域可視化的自由度、球面與平面的平滑過(guò)渡，使大眾對(duì)投影的概念更為弱化。電子紙具有可變的紙張基底，其基于變形技術(shù)展現(xiàn)地理空間分布更具有特色，如基于魚眼的凸顯可增強(qiáng)局部要素?；陔娮蛹埖牟煌郫B把用戶定位在地圖的地理場(chǎng)景中，給用戶不同的遠(yuǎn)近、左右空間感受(圖12)，在認(rèn)知場(chǎng)景、自我定位與導(dǎo)航、識(shí)別目標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。這種信息空間的自由充分發(fā)揮了地圖對(duì)地理空間的展示，讓人類的觀察視角從傳統(tǒng)“自上而下”的正射方向和俯視，發(fā)展到“側(cè)面看世界”的側(cè)視、旁視方向，再到“由外及內(nèi)”的窺視方向(圖11)。

圖12 基于不同基底面的電子紙地圖Fig.12 Map distortion visualization with digital papers

3 地圖學(xué)的復(fù)興

地圖學(xué)在強(qiáng)勁的ICT技術(shù)推動(dòng)下不斷進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的深入結(jié)合，促使地圖學(xué)從傳統(tǒng)制圖到自動(dòng)化和數(shù)字化、數(shù)量化以及現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)化和移動(dòng)化。計(jì)算機(jī)的發(fā)展首先促進(jìn)了地圖的自動(dòng)化和數(shù)字化，包括計(jì)算機(jī)輔助制圖、自動(dòng)地圖綜合、用戶定制和個(gè)性化服務(wù)等；數(shù)字空間的信息自由更是解放了紙質(zhì)地圖數(shù)據(jù)的約束，在數(shù)字環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了豐富的空間分析和地理空間可視化(如VR、AR)；移動(dòng)、互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及普及更是衍生了地圖的在線共享、眾包更新、眾智繪圖。地圖的網(wǎng)絡(luò)化使大眾制圖成為現(xiàn)實(shí)，地圖繪制的門檻降低，應(yīng)用多元化。但同時(shí)，地圖學(xué)發(fā)展的內(nèi)力略顯不足，技術(shù)的進(jìn)步大于地圖學(xué)理論的提升，對(duì)新的問(wèn)題還缺乏地圖學(xué)詮釋，上述第2節(jié)中新態(tài)勢(shì)還缺乏地圖學(xué)的新方法來(lái)進(jìn)行同化，還無(wú)法形成內(nèi)在緊密的一致性體系。因此，新時(shí)期地圖學(xué)的復(fù)興需要拓展地圖學(xué)的框架、同化滲入的新興元素。

地圖數(shù)據(jù)的多元(源)化和地圖表達(dá)的連續(xù)性構(gòu)成極坐標(biāo)來(lái)涵蓋地圖可視化的范疇(如圖13)。地圖的連續(xù)性體現(xiàn)在時(shí)間、尺度或比例尺的連續(xù)以及信息維度的拓展、抽象化到具體化的連續(xù)等多個(gè)方面。地圖數(shù)據(jù)的多源(元)化在逐漸增強(qiáng)，包括海量多類型的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)多維的出行數(shù)據(jù)等，都打破傳統(tǒng)地圖學(xué)的單一類型、單點(diǎn)定位、靜態(tài)的數(shù)據(jù)特征。地圖數(shù)據(jù)的多元(源)衍生地圖表達(dá)的多元化，這種多元化不僅體現(xiàn)在地圖的可視化、地圖的信息傳輸上，還在空間關(guān)系、空間結(jié)構(gòu)、決策支持方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖13 極坐標(biāo)下的地圖連續(xù)性和多元化Fig.13 Map continuity and map diversity in polar coordinates

大數(shù)據(jù)為地圖學(xué)框架的拓展、新元素滲入的同化提供了機(jī)遇，大數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來(lái)勢(shì)洶洶，對(duì)傳統(tǒng)地圖學(xué)的技術(shù)體系提出挑戰(zhàn)，但是地圖學(xué)所代表的空間思維是我們對(duì)人類社會(huì)和物質(zhì)世界的理解框架，地圖學(xué)的定位與描述正是多元(源)數(shù)據(jù)組織和集成的基礎(chǔ)和框架。地圖學(xué)天生具有表現(xiàn)大數(shù)據(jù)的能力，大數(shù)據(jù)與地圖學(xué)的結(jié)合并不是現(xiàn)在才有的，英國(guó)倫敦霍亂地圖就是典型的大數(shù)據(jù)思維來(lái)挖掘霍亂分布與水源地相關(guān)關(guān)系的經(jīng)典示例(http：∥matrix.msu.edu/～johnsnow/images/online_companion/ chapter_images/fig12—5.jpg)。各類大數(shù)據(jù)的空間化或落地化，促進(jìn)大數(shù)據(jù)與地圖的融合，從而實(shí)現(xiàn)從“互聯(lián)網(wǎng)+”到“地圖+”的轉(zhuǎn)變。

個(gè)體到群體、專業(yè)跨界是大數(shù)據(jù)空間化的典型特征[25]。傳統(tǒng)地圖學(xué)中的專題要素不等同于也不能覆蓋現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)的多樣性更突出，“地圖+”不再局限于傳統(tǒng)的制圖要素，需要擴(kuò)展和發(fā)展地圖的新元素。把人口、企業(yè)、設(shè)備、房產(chǎn)、醫(yī)療等數(shù)據(jù)在地圖上空間化時(shí)(圖14(a))，“地圖+”“人”的豐富結(jié)果可一覽清晰的展示城市層次的職住關(guān)系、交通分配(圖14(b))、學(xué)區(qū)調(diào)整、稅費(fèi)收入、養(yǎng)老輔助等社會(huì)空間現(xiàn)象。海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的主題多變性、強(qiáng)交互性、快捷性，使得“地圖+”站在一個(gè)新的起點(diǎn)上向更高發(fā)展。高速網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算支撐的大數(shù)據(jù)不斷刺激和催生著新需求和新應(yīng)用，用戶變得越來(lái)越任性和恣意，絕大多數(shù)情況下，僅有地圖是不夠的，地圖學(xué)的復(fù)興既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

圖14 大數(shù)據(jù)推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”到“地圖+”Fig.14 From “Internet+” to “Map+” driven by big data

拓展地圖學(xué)的框架，納入不在傳統(tǒng)地圖學(xué)比例尺、符號(hào)、投影約束范圍的室內(nèi)地圖、游戲地圖、變形地圖、手繪地圖等內(nèi)容，給地圖市場(chǎng)和大眾帶來(lái)新的地圖感受。移動(dòng)、增強(qiáng)顯示設(shè)備的普及和便利，使得美術(shù)、藝術(shù)的大眾化普及，促使藝術(shù)的可視化展現(xiàn)手段在地圖應(yīng)用中的接受度增強(qiáng)，同時(shí)也豐富著地圖學(xué)的可視化理論、模型和方法，尤其是視覺(jué)變量在不斷地?cái)U(kuò)充和轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

相比于以往任何時(shí)候的技術(shù)革新的影響，現(xiàn)在新技術(shù)對(duì)地圖學(xué)的刺激更能引起人們的廣泛關(guān)注，盡管我們不一定能全面認(rèn)識(shí)和理解到地圖學(xué)復(fù)興帶來(lái)的全部?jī)?nèi)容；現(xiàn)代IT技術(shù)只是技術(shù)的表面現(xiàn)象，更應(yīng)該注意到地圖學(xué)適應(yīng)這種變化的本質(zhì)，促進(jìn)復(fù)興地圖學(xué)。傳統(tǒng)地圖學(xué)在強(qiáng)調(diào)從人類認(rèn)知心理和美學(xué)來(lái)制作地圖；新地圖學(xué)則強(qiáng)調(diào)能生成出易讀、易獲取的地圖。在認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)地圖學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、一致等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也該發(fā)現(xiàn)其圖示、邏輯、關(guān)系表達(dá)上的局限，認(rèn)清傳統(tǒng)地圖學(xué)的物理空間約束才能更好地發(fā)揮信息空間中數(shù)字地圖的自由性，有利于復(fù)興地圖學(xué)；跳出地圖學(xué)的傳統(tǒng)技術(shù)和理論限制，整合技術(shù)與藝術(shù)，突出表達(dá)方式，從專業(yè)、政府應(yīng)用到公眾全民的普適，是地圖學(xué)復(fù)興的真實(shí)體現(xiàn)。ICT技術(shù)推進(jìn)了地圖從紙質(zhì)走向數(shù)字，開啟了眾多獨(dú)特的可視化表達(dá)方式，讓我們更直觀、快捷地觀察、理解空間和世界中復(fù)雜、多元甚至難以理解的現(xiàn)象，或增強(qiáng)相應(yīng)的空間認(rèn)識(shí)。地圖學(xué)向三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、虛實(shí)、多視角、新興元素表達(dá)的方向發(fā)展，使地圖語(yǔ)言真正體現(xiàn)人類普適語(yǔ)言的作用。

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

The Rejuvenation of Cartography in ICT Era*

GUO Renzhong1,2,3，YING Shen2,3

1. Research Institute for Smart City, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 2. School of Resources and Environment Science, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 3. Key Lab of Urban Resources Monitoring and Simulation, Ministry of Land and Resources of China, Shenzhen 518034, China

With the impetus of ICT, cartography faces the unprecedented challenges. The paper discusses the problems and changes of cartography facing the digital technology, analyzes the constraints of traditional cartography that are mainly delimited by 2D physical paper map. Diverseness of modern cartography shows various map products, and the paper illustrates the digital freedom in information space of modern cartography from eight aspects, including physical reality VS virtual reality, paper map VS digital map, superficial visualization VS inner visualization and so on. Modern cartography encounters the new development opportunities and fresh demands in digital era, and it’s necessary to extend the framework of cartography and to assimilate newly sprouted things to promote the rejuvenation of cartography.

cartography;rejuvenation; big data;modern cartography;information space

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 41671381；41371369；41531177); The National Key R&D Program of China (No. 2016YFF0201301); The Open Fund of Key Laboratory of Urban Land Resources Monitoring and Simulation, Ministry of Land and Resources of China (No. KF-2016-02-016)

GUO Renzhong(1956—), male, professor, academician of Chinese Academy of Engineering, majors in cartography, 3D cadastre, land resources management and smart city.

YING Shen

郭仁忠，應(yīng)申.論ICT時(shí)代的地圖學(xué)復(fù)興[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1274-1283.

10.11947/j.AGCS.2017.20170335.

GUO Renzhong，YING Shen.The Rejuvenation of Cartography in ICT Era[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1274-1283. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170335.

*本文源于2015-10-17在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)召開的國(guó)際地理信息科學(xué)研討會(huì)上的報(bào)告，并進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。

P208

A

1001-1595(2017)10-1274-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41671381；41371369；41531177)；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFF0201301)；國(guó)土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KF-2016-02-016)

2017-06-20

修回日期： 2017-08-21

郭仁忠(1956—)，男，教授，中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)榈貓D學(xué)、三維地籍、土地資源管理和智慧城市。

E-mail： guorz2013@qq.com

應(yīng)申

E-mail： shy@whu.edu.cn