（地图学与地理信息系统专业论文）mapinfo支持下的数字统计地图生成环境研究.pdf

m a p i n f o 支持下的数字统计地图生成环境研究黄会平摘要：在我国经济建设的生产、管理实践中，不同行业、类别的统计数据多以表格的形式存储在数据库管理软件系统中，人们难以从中发现隐藏在数据内部的规律性。现有的g i s 软件可以提供统计数据可视化的功能专题图制作，但m a p i n f o 、a r e v i e w 、m a p g i s 等国内、外软件在专题地图制作方面存在缺点：用户在选择专题图之前不能判断数据的分布特征，并依据不同的数据分布特征选择相应的分类、分级方法，难以更准确地挖掘出隐藏在数据内部的规律；g i s 软件虽然对数据提供了专门的分类、分级处理方法，但分类、分级方法数目较少，难于满足和适应越来越广泛的不同用户多元化的需求，使制作的数字统计地图的科学性受到较大影响。本文试图在g i s 软件中，集成已相对成熟的统计数据分类、分级方法、数学统计软件s p s s 、自动矢量化软件r 2 v ，以提高数字统计地图的科学性和实用性。能够在g i s 软件中判断数据的分布特征、提供更多的分类、分级方法、获取符合数据分布特征的分级界线是本文探讨的重要内容。目前，s p s s 是一个功能强大的统计软件包，为统计数据的处理提供了各种方法，并可以作出各种图形：r 2 v 是一种高级栅格图矢量化软件系统。该软件系统将强有力的智能自动数字化技术与方便易用的菜单驱动图形用户界面有机地结合到w i n d o w s 环境中，为用户提供了全面的自动化栅格图像到矢量图形的转换，其数字化的结果可直接转为m i f 格式供m a p l n f o 导入；m a p b a s i c 是在m a p i n f o 平台上开发用户定制的应用程序的理想的编程语言，用户可以开发个性化的m a p i n f o 界面，并具有强大的数据库访问功能，可以提供开发的结构，调用w i n d o w s 的d l l 或用c等语言编写的d l l 等。作者主要从目前统计数据可视化存在的问题及常用软件功能入手，充分发挥各软件的优势。根据目前软件之间集成的方法，利用m a p b a s i c 进行了二次开发，把几种软件集成在m a p l n f o 主环境中操作。数字统计地图生成环境可以提供更准确、更丰富的专题地图制作功能，同时提供详尽的帮助菜单，使不熟悉本环境的用户可以在帮助菜单下顺利完成专题图的科学制作与修改。自动矢量化软件r 2 v替代m a p i n f o 的屏幕跟踪数字化功能；利用s p s s 判断数据的分布特征；采用菜单式的界面，把m a p l n f o 一些较复杂的功能简单化，利用m a p b a s i c 编程使空间数据和属性数据的连接更加简单；分类、分级方法更加完善，它的实现，主要采用m a p b a s i c 调用d l l ( 动态链接库) 的方式进行，扩充了m a p i n f o 的功能。本文试图在以下方面有所创新：1 ) 把前人总结的统计数据分类、分级方法及数学统计软件、自动矢量化软件集成于g i s 软件，在制作统计地图时，首先判断数据的分布特征，使用户能够选择适合该分布特征的分类、分级方法，得到分类、分级界线，从而更清晰地发现隐藏在数据中的规律，更好地为辅助决策服务。整个环境的操作仍然在m a p i n f o主界面中，易于被用户掌握；2 ) 数字统计地图生成环境提供了更多的统计数据分类、分级方法，用户可以依据不同的数据分布特征进行选择，弥补了目前g i s 分类、分级方法相对较少的缺陷；3 ) 本环境采用m a p b a s i c 程序设计了良好的操作界面，提供详细的帮助菜单，使不熟悉本环境的用户也能非常容易地进行操作，制图出科学、美观的统计地图；4 ) 数字统计地图生成环境设计了数据分布特征的标准模板，用户可以把自己的判断结果和标准模板进行比较，可以辅助用户进行分类、分级方法的选择。关键词：m a p i n f o ，数字统计地图，集成，分类、分级r e s e a r c ho ne n v i r o n m e n to fd i g i t a ls t a t i s t i c a lm a pb a s e do nm a p i n f oh u a n gh u i - p i n ga b s t r a c ti no u re c o n o m i c a lc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n tp r a c t i c e ，p e o p l ec a n n o tf i n dt h eu n d e r l y i n gl a w si nd a t at h a ta r es t o r e di nd b m si nf o r mo ft a b l e s t h o u g hc u r r e n tg i ss o f t w a r ec a np r o v i d et h ef a b r i c a t i o no ft h e m a t i cm a p s ，j u s ta sm a p l n f o ，a r c v i e w , m a p g i sa n ds 0o n ，t h em a i nd i s a d v a n t a g e se x i s t e di nt h e s es o f t w a r ea r et h a tt h e yc a n n o tj u d g et h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro fd a t ab e f o r ef a b r i c a t i n gt h e m a t i cm a p s a sar e s u l t ，c o n s u m e r so fg i sc a n n o tc h o o s er i g h tm e t h o do fc l a s s i f i c a t i o nf o rt h e s ed a t a ，a n di ti sd i 伍c u l tt od i s c o v e rt h el a w sh i d i n gi nt h e m ，a n dt h en u m b e ro fc l a s s i f i c a t i o ni nc u r r e n ts o f t w a r ei ss os m a l lt h a ti tc a n n o ts a t i s f yt h em o r ea n dm o r ed i f f e r e n tn e e d so f u s e r s t h ee n v i r o n m e n tm e n t i o n e di nt h i sa r t i c l ea i m sa tb o o s t i n gt h ep r a c t i c a i i t yo fs t a t i s t i c a lm a pb e c a u s ei ti n t e g r a t e st h ec o m p a r a b l ym a t u r e ds t a t i s t i c a ls o f t w a r es p s s ，a u t o m a t i cv e c t o r i n gs o f t w a r er 2v i no r d e rt oa d v a n c ep r a c t i c a b i l i t yo fm a p s o n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t so ft h i st h e s i si st h ee n v i r o n m e n tc a np r o v i d em o r em e t h o d so fc l a s s i f i c a t i o na n dj u d g et h ec h a r a c t e ro fd a t ab e f o r ec h o o s i n gt h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d a tp r e s e n t ，s p s si sas o f t w a r e 晰t l lf o r m i d a b l ef u n c t i o n s ，i n c l u d i n gv a r i o u so fd a t ad i s p o s a la n df a b r i c a t i o no fg r a p h ；i 也vc a r li n t e g r a t et h ei n t e l l i g e n td i g i t a lv e c t o r i n gt e c h n o l o g ya n dt h es i m p l em e n ui n t e r f a c ei n t ow i n d o w s ，i ta l s op r o v i d e st h ei n t e r c h a n g ef r o mr a s t e rd a t at ov e c t o rd a t a , t h er e s u l t so fv e c t o r i n gc a nb ed i r e c t e di n t om a p l n f o ；m a p b a s i ci sa nu n e a r t h l yp r o g r a m m el a n g u a g eb a s e do nm a p l n f o ，a n di tb e a r st h ef u n c t i o no fi n t e r v i e w i n gd a t a b a s e ，p r o v i d e ss t r u c t u r eo fe x p l o i t a t i o n , t r a n s f e r sd l lc o m p i l e db yw i n d o w so rcl a n g u a g e t h ea u t h o rs t a r t sw i t ht h ep r o b l e m se x i s t i n gi nd a t av i s u a l i z a t i o na n de x e r t so nd i f f e r e n tf u n c t i o n sa n da d v a n t a g e so fc u r r e n ts o f t w a r e t h ee n v i r o n m e n tc a r r i e ss e c o n dd e v e l o p m e n tu s i n gm a p b a s i c ，a n di th a n d l e sd i f f e r e n ts o f t w a r ei nm 印h l f o ，c a np r o v i d ea b u n d a n tf u n c t i o n so ft h e m a t i cm a pf a b r i c a t i o n ，m o r ed e t a i l e dh e l pm e n u ss ot h a tu s e r sw h oa r en o tf a m i l i a rw i t ht h ee n v i r o n m e n tc a no p e r a t ei t a u t o m a t e dv e c t o r i n gs o f t w a r er 2 vr e p l a c e sm a p l n f o ；j u d g e st h ec h a r a c t e r i s t i co fd a t au s i n gs p s s ；s i m p l i f i e ss o m ef u n c t i o n so fm a p l n f ob yw a yo fm e n ui n t e r f a c e ；t h ec o n n e c t i o no fs p a c ed a t aa n di i ia t t r i b u t ed a t ab e c o m e ss i m p l e ；e x t e n d st h ef u n c t i o no fm a p l n f ob yp e r f e c t i n gc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d su s i n gm a p b a s i c t h i st h e s i st r i e st oi n n o v a t ei ns e v e r a la s p e c t s ：t h ee n v i r o n m e n ti n t e g r a t e st h ec u i t e n tc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a ls o f t w a r e a u t o m a t e dv e c t o r i n gs o f t w a r ei 毪vi n t og i s i ta tf i r s tj u d g e st h ec h a r a c t e r i s t i co fd a t ab e f o r es e l e c t i n gc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，a n du s e r sc a l lc h o o s er i g h tm e t h o ds ot h e yc a l lf i n dt h eu n d e r l y i n gr u l e s t h ew h o l ee n v i r o n m e n ti so p e r a t e di nm a p l n f os ot h a tu s e r sc a nm a s t e ri te a s i l y ；2 、t h ee n v i r o n m e n tp r o v i d e sm o r ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ss ot h a tu s e r sh a v em o r es e l e c t i o n ，a n dt h i sf u n c t i o nm a k e su pt h ef l a w so fc u r r e n ts o l , w a r e ；3 、t h ee n v i r o n m e n tp r o v i d e sf a v o r a b l eu s e ri n t e r f a c ea n dd e t a i l e dh e l pm e n us ot h a tu s e r sw h oa r en o tf a m i l i a rw i t ht h ee n v i r o n m e u tc a r lo p e r a t ei te a s i l ya n dc a l lt a i l o rs c i e n t i f i c ，h a n d s o m em a p s ：4 11 1 1 ee n v i r o n m e n td e s i g n sn o r m a lc l a s s i f i c a t i o nt e m p l a t es ot h a tu s e r sc a nc o m p a r er e s u l t so f t h e i ro w nw i t hi t ，a sar e s u k ，t h ep r e c i s i o no f c l a s s i f i c a t i o ni sb o o s t e d k e yw o r d s ：m a p l n f o ，d i g i t a ls t a t i s t i c a lm a p ，i n t e g r a t i n g ，c l a s s i f i c a t i o n1 选题的意义绪论统计是人类认识世界和改造世界的有力武器，统计数据可以帮助我们总结过去、认识现在、展望未来；当今世界已进入数字化信息时代，社会的发展、决策的需求，使得统计数据越来越为人们所重视，国家和社会也对统计工作提出了越来越高的要求。面对大量的统计数据，如何进行科学的分析处理，如何形象直观地表现数据间的规律，如何有效地提供决策依据? 所有这一切都向各级统计部门提出了迫切而重要的课题。通常，各级统计部门所采集的方方面面的数据，都以表格的形式存放在e x c e l 、f o x p r o 、o r a c l e 等不同形式的数据库中。数据库中的数据仅以文字的形式表现出来，不仅形式呆板，而且可能将一些重要的信息和规律隐藏在文字的背后。如何能进行有效的数据挖掘，方便地从中提取出有用的信息，并形象直观地表现出来呢?事实上。存储在数据库中的统计数据都具有地理属性。比如不同地区的人口自然增长率、人均消费水平、不同省份的第一产业从业人数、城市内商业网点的分布等。如果使用电子地图，将统计数据和地理位置联系起来，将数据库中的数据叠加到地图上，利用m a p i n f o 所提供的地图分析和表现功能，通过各种专题图的设计和制作，进行形象、直观的分析，使隐藏在数据表中的规律跃然眼前；通过m a p l n f o ，地图已经不再是简单的图形，而成为一种新的数据类型空间数据。利用数据库中数据的空间关系，各种来源的数据表可以结合于地图以供分析这就是m a p i n f o 所倡导的数据可视化技术：通过强大的、有效的地图环境将复杂的表格数据以地理图形的形式展现出来，挖掘出数据之间的关联性和发展趋势，为业务环境提供更好的决策支持和分析能力，这一过程又称“知识挖掘”。统计数据的知识挖掘和可视化问题很早就引起了人们的重视，研究的重点集中在统计数据的分类、分级及分级数据的视觉变量模拟上，并取得了大量的研究成果。现有的数学统计软件如s a s 、s p s s 能够实现对数据分析、统计处理等功能，可以绘制条形图、线图、面积图、圆图、高低图、散点图、直方图、序列图等，较好地反映了数据的分布特征以及内在规律，但无法实现统计数据和空间数据的连接；国内、外的g i s 软件如m a p i n f o 、a r c v i e w 、m a p t i t u d e 等可提供专题地图的制作功能，然而很多统计数据的使用者并不具备数据分级和可视化的理论知识，在使用软件制作统计地图时难以选择正确的分类、分级方法。因此本文从目前g i s统计制图方面存在的不足入手，在数学统计软件、自动矢量化软件、g i s 软件专题图制作、数据库软件的集成方面试图进行尝试和努力，以实现统计地图更加正确、合理、直观的制作。2 主要研究内容统计地图是专题地图的重要组成部分，本文通过对g i s 的产生、发展、研究现状、发展趋势的介绍，对数据挖掘、地图可视化、统计数据分类、分级方法、模型理论知识、m a p b a s i c 语言使用要点及软件集成方法的分析和介绍，本文对g i $中统计地图的制作进行了研究和探讨。论文的内容及结构组织如下：第一部分：数字统计地图研究现状。本部分分析了目前国内、外常见的g i s 软件在统计图制作方面的主要方法及存在问题，并对目前本领域的研究现状作了简单的介绍。第二部分：环境设计的理论基础。环境设计的理论基础主要为可视化和数据挖掘，本部分介绍了可视化和数据挖掘理论的产生及发展，并指出了本环境设计时所依据的可视化和数据挖掘理论的具体含义。第三部分：数字统计地图生成环境功能模块及所需技术。数字统计地图生成环境共包括图形信息输入、图形编辑与分析、统计数据的管理与维护、统计信息处理、分类、分级模型库、专题图制作与输出等六个模块；所涉及到的技术主要包括图形扫描、栅格图像的矢量化、数据库、软件集成、统计分析等。第四部分：分级的数据处理。本部分主要介绍了目前常见的分类、分级方法、各方法的数学模型、模型的特点、适用范围及动态链接库( d l l ) 的实现方法。第五部分：数字统计地图生成环境的具体设计。包括用户界面、窗口、不同软件之闯接口实现、统计图制作与修改等内容。如何利用面向对象的方法，通过m a p b a s i c 编程，在m a p i n f o 环境下集成数据库软件、自动矢量化软件、数学统计软件，实现数字统计地图生成环境的功能是本部分也是本论文的重点。第六部分：数字统计地图生成环境运行实例。以2 0 0 2 年中国各省市人均消费水平统计数据实现专题图的制作为例来说明环2境的具体操作和运行。第七部分：结束语。指出了本论文取得的结论、存在的不足及今后工作的方向。3 研究的技术路线数字统计地图生成环境的最大特点是把图形数据库和属性数据库完美地结合在一起，把数学统计软件和自动矢量化软件集成在m a p i n f o 操作主界面中，目的是能够充分发挥各软件的优势，准确地判断出数据的分布特征，选用正确的分类、分级方法和合适的专题图类型，挖掘出隐藏在数据内部的规律性，进行辅助决策分析。数字统计地图生成环境开发技术路线见图1 。图1 环境开发技术路线图3第一部分数字统计地图研究现状1 问题提出的背景1 1g i s 的发展与趋势地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统“3 。完整的g i s 主要由四部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据库和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统，空间数据库反映了g i s 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。1 。其构成见图i 1 。图1 1g i s 构成图g i s 是有关空间数据和空间信息分析的计算机系统，其功能遍历数据采集、分析、决策应用的全过程。它的工作流程见图1 2 。图1 2g i s 工作流程g i s 起源于北美，加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料，于印年代开始建立，7 0 年代初投入产品生产，成为世界上第一个运行性g i s 。8 0 年代，g i s 的产品走向成熟并得到推广应用，成为重要的辅助决策工具。9 0 年代，向网络化、部件化和智能化方向发展，g i s 产业逐步形成。目前，国际流行的g i s4软件如a r c i n f o 、a r c v i e w 、m a p l n f o 、m i c r o s t a t i o n 、g e n a m a p 等功能强大，应用于社会生活的各个方面。我国目前已开发的具有自主版权的软件有中国地质大学的m a p g i s 、武汉大学的g e o s t a r 、北京大学的c i t y s t a r 等，已基本走上商品化的轨道。随着计算机和信息技术的发展，g i s 也随之迅速发展，未来g i s 的发展趋势主要表现在以下几个方面。( 1 ) g i s 与r s 、g p s 的集成。地理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 和全球定位系统( g p s ) 集成的3 s 中，g p s 实现准确的实时定位，遥感影像提供最新的地理信息，将g p s 数据、遥感数据和各种有关资料在g i s 中进行综合处理和分析，便可得到地理实体全面、准确的动态信息。( 2 ) 对象技术的应用。原来的g i s 软件一般采用文件方法管理矢量图形数据，关系数据库管理系统管理属性数据。目前主要的g i s 软件都采用了商用关系数据库管理系统同时管理图形和属性数据。( 3 ) g i s 与专家系统( e s ) 的结合。二者的结合能拓宽g i s 的应用范围，利用专家知识解决各种复杂问题。( 4 ) g i s 的网络化。g i s 用户通过软盘、磁带、光盘等形式获取的空间数据尚存在周期较长、数据反映环境变化不及时、质量和进度事先难检查等缺点，网络技术的发展为人们提供了解决这些问题的途径。( 5 ) g i s 与多媒体技术、虚拟现实技术的结合。多媒体技术集声音、文字、图形、图像、动画等于一体，通过这些信息载体充分调动用户的各种器官，以最直观的方式表达信息，从而使人们更容易接受。1 2g i s 中统计地图的作用统计行业各个部门拥有大量的统计指标数据，涉及国家经济和人民生活的方方面面。地图能够有效、方便地从这些海量数据中提取出有用的信息，并形象直观地表现出来，它把传统的数据库数据带入到可视化空间，弥补了统计工作中数据分析的局限性。g i s 不只是为了有效地存储、管理、查询和操作地理空间以及属性数据，更重要的是以可视化的形式将数据或经过深加工的地理信息呈现在用户面前，方便通过图形认识地理空间实体和现象及其相互关系。当数据库中的数据被描绘在地图上，信息就变得容易理解和解释。g i s 的发展是从地图制图开始的，因而g i s 的主要功能之一为地图制图、建立地图数据库。地图制图是g i s 中不可缺少的功能模5块之一，无论将来的g i s 是什么样子，如果没有有效的可视化工具，面对浩如烟海的g i s 数据，用户将会一筹莫展。所以，在g i s 日趋大众化的形式下，研究如何更有效地传输信息以适应人的视觉特点的可视化问题，将是一个值得探索的领域。突出地表示一种或几种自然或社会经济事象的地图叫专题地图。1 。统计地图是专题地图的重要类型，是对特定主题在地图上渲染的过程，是分析和表现数据的一种强有力的方式。通过将数据地图化，并用色彩、符号和图案进行渲染，就可以在地图上清楚地看到在数据列表中几乎不可能发现的模式和趋势，完成信息传输的功能“。1 3g i s 中统计地图研究现状目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种，它们大小不一，风格各异。国外比较著名的如m a p l n f o 、a r c v i e w 、a r c l n f o 、m a p t i r u d e 等；国内的有m a p g i s 、g e o s t a r和c i t y s t a r 等。它们都提供专题图制作模块，尤其在统计地图制作方面各具特色。a r c v i e w 提供了一种“图例编辑器( l e g e n de d i t o r ) ”的专题制图工具，包括单一符号圈( s i n g l es y m b 0 1 ) 、独立值图( u n i q u ev a l u e ) 、分级色彩图( g r a d u a t e dc o l o r ) 、分级符号图( g r a d u a t e ds y m b 0 1 ) 、点密度图( d o td e n s i t y ) 、饼图( p i ec h e r t ) 和直方图( b a rc h a r t ) 等六种，有五种可供选择的分级方法：自然裂点法( n a t u r a lb r e a k s ) 、分位数法( q u a n t i l e ) 、等面积法( e q u a la r e a ) 、等差数列法( e q u a li n t e r v a l ) 和标准差法( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) 。a r c v i e w 的图面是由各种“帧”所组成的，每一个“帧”都是专题地图的一个组件，用户可以对专题地图各要素进行设鼍和修改( 参见( u s i n ga r c v i e wg i s ) ) 。m a p t i t u d e 提供了六种统计地图向导：图表专题图、图案专题图、点密度专题图、饼图和直方图、比例符号专题图、棱柱图，并提供咀下五种分级方法：分位数法、等差数列法、等面积法、等长度法和数值表( 参见m a p t i t u d e4 0 用户手册) 。m a p l n f o6 0 提供了七种不同类型的专题图，即范围图、直方图、饼图( 见图1 3 ) 、等级图、点密度图、独立值及格网图。每种专题地图都有其特定功能和不同的创建方法，所提供的分级方法有等计数划分、等范围划分、自然划分、标准差划分、分位数划分、用户自己定义范围。m a p l n f o6 0 可以将数据划分在最小为2 最大为1 5 的不同范围，其中缺省值为5 ”1 ( 见图1 4 ) 。6图1 3m a p l n f o 专题地图制作窗口图1 4m a p i n f o 统计地图分级方法a r c i n f o 的a r c p l o t 允许通过创建和编辑m a pc o m p o s i t i o n 在屏幕上交互地制作地图。地图制作器可以永久地储存在a r c p l o t 中产生的任何图形，可以在c o m p o s i t i o n 中增加、编辑、和删除地图要素。其制作地图的基本步骤为：( 1 ) 设计地图平面布局：( 2 )建立图例文件和查找表来支持设计的符号；( 3 ) 打开一个m a pc o m p o s i t i o n 或w a t c h ：( 4 ) 设置位置、比例尺、页尺寸或其他参数；( 5 ) 画c o v e r a g e 特征和制图元素；( 6 ) 关闭m a pc o m p o s i t i o n 或w a t c h 文件：( 7 ) 产生一个绘图文件。这些软件的专题制图工具由一系列对话框组成，通过对话框完成必要的人机交互或参数输入，能根据系统提供的缺省参数制作出多种专题地图。但它们有一些共同缺点：专题制图表示方法不全面，专题地图类型较少，统计地图所提供的分类、分级方法大都采用传统的数列分级法、分位数法、标准差法等，不能满足对复杂多指标数据的分类、分级处理：数据模型没有考虑数据本身的分布特点，分类、分级结果不一定合理；没给用户提供选择分类、分级方法的参考信息。因此，有必要利用图形思维的方法，对g i s 原有的专题地图制作功能进行扩充和完善，最大可能地挖掘出数据中的规律并以可视化的形式展现在用户面前。2 国内、外统计地图研究现状及发展趋势7对统计地图的研究很早就引起了人们重视，在早期的论文中，人们主要探讨了统计数据分级方法、分级界线的确定等问题。分级界线的确定是一个比较复杂的问题，主要以保持数据分布特征为主，其次还得顾及地图显示、数据类型以及其它一些特殊要求和考虑。g i s 的发展更多地得益于社会对信息的管理功能而不是空间分析与模拟的需求，集成作为多种技术融合的手段亳无疑问将为g i s 的深入应用提供有效的帮助，也已成为g i s 软件重要的发展趋势。解放军信息工程大学周海燕、华一新在“g i s 中定量专题制图模板的研究与实践”中根据目前g i s 软件中存在的问题，提出定量专题制图模板的概念，指出计算机技术、专家系统知识和g i s 技术的结合，是设计定量专题制图模板的基本思路。为完善统计地图制作提供了新的方向。张显峰，崔伟宏在“基于g i s 与空间统计分析的可持续发展度量方法研究以缅甸m y i n g y a nd i s t i r c t 为例”一文中，提出目前g i s 软件大多缺乏已经成熟的统计分析功能，所以系统主要提供统计分析方法，所选用的统计分析软件为s p s s软件包。其中的文件交换予环境负责在g i s 平台和统计分析平台之间进行数据格式的转换。文本数据格式是这两种环境都能接收的公共格式，这种集成方式是异构环境( g i s 与模型环境) 之间最常用也是最简单的集成方式。统计地图作为对空间地理目标专题数据或属性数据最有效的可视化工具，制作前需对数据进行分级处理。分级表示方法实际上是统计学和制图学相结合的产物，分级的数据处理侧重于统计学方面的问题，它涉及到广泛的数学处理方法；分级的视觉变量模拟则侧重于制图学方面的工作，它以视觉变量和心物学研究的理论和方法为基础。这两方面的工作是互相影响、互相制约的，人们已经开始从这样的角度来看待问题，且试图把两方面联系起来考虑。最好的解决方法是将目前成熟的数学统计软件和g i s 软件及传统的分类、分级方法结合起来，以实现统计地图的科学制作。8第二部分数字统计地图生成环境设计的理论基础l 可视化理论1 1 可视化的基本概念所谓可视化( v i s u a l i z a t i o n ) ，牛津英语词典解释为“构成头脑情景的能力或过程，或不可直接察觉的某种东西的视觉。”此术语也指使本来不可见的东西成为可见图像的过程。其实，可视化不仅是指变不可见为可见，更重要的是指各种不同目的的思维过程中的可视化分析，这是指利用可视化去探究概念及作为概念加工和深化的一条途径”1 。可视化在科学中的应用已形成科学可视化( v i s c ) 学科。m c c o r m i c k 等认为，科学可视化“是一门为计算机辅助可视化而进行工具、技术和环境的开发有关的学科。它着重研究可使计算机与可视化信息的领悟、利用和传递之间相协调的人和计算机的机理。”1i 2 可视化的发展历史尽管可视化已有很长的发展历史，但科学可视化主要是近十年内发展起来的新学科。最早提出科学可视化的是美国科学基金会在1 9 8 7 年发表的一份报告。该报告指出，如果美国许多计算机中心的超级计算机要充分发挥作用的话，必须开展可视化研究。其实，科学可视化还可追溯至更早，早在六十年代，英国罗斯福实验室和卡尔汉( c u l h a m ) 实验室的科学家已开始制作科学数据的动画片系列。八十年代，科学可视化的重要趋向是由科学家独立编写程序向直接利用软件包方向发展。进入九十年代，可视化的实现主要利用积木式( b u i l d e r ) 环境。现代计算机设备所具有的运行速度，可实现对实时观察客体的人机对话操作放大、漫游、旋转、分割和对目标物及景物的穿透等操作，十分有利于对数据实现可视化浏览。1 3 地图可视化地图自古以来就是用图形表示事物，可以说是一种最早的可视化形式。地图9学研究以图形的、数字的或触觉的形式反映空间关联信息的结构、传输、表现和利用的科学，随着科学计算可视化的兴起和计算机技术的发展，地图学与可视化的结合产生了地图可视化“。目前，不同学科领域的研究人员对地图可视化解释的侧重点不同”1 ”“，地图学家主要从认知的角度去认识可视化，如m a c e a c h r e n( 1 9 9 0 ) 等将地图可视化理解为：“首要的也是最重要的一种认知行为，它是人类在发展意念表示上的能力，这种意念有助于辨别模式、创造和发展新次序。而按p h i b r i c k ( 1 9 5 3 ) 的看法，地图可视化把地图当作研究或空间分析的工具。t a y l o r则认为可视化是现代地图学的核心，有可能导致地图学与地理学新的综合，他强调了计算机技术支持下的地图可视化。总之，对于地图学来说，可视化技术已远远超过了传统符号化及视觉变量表示的水平，而进入了一个新阶段“”。地图可视化是一门以计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与g i s 为基础，以直观、形象地表现、解释、传输空间信息并揭示其规律为目的，关于信息表达、传输的理论、方法与技术的学科“”。虽然对地图可视化存在各种不同的解释，但地图设计的目的就是为了使地图成为有效的视觉传输的媒介，给读者传递最多、最有用的信息。1 4 可视化在g i s 中的应用1 4 1 人机交互的可视化界面利用可视化技术可以增强g i s 环境界面的友好性、交互性，使其具有形象化的特征，以便于用户操作和使用环境功能。任何非专业人员都可以通过形象的图标、按钮，并可根据提示，方便、直观地进行操作和使用。i 4 2 地理信息的直观表示现代地图可视化的最重要表现就是其具有宣观、形象的特征。它是通过生动、直观、形象的图形、图象、影象、声音等，把各种信息展示给读者“”。地理信息具有空间特征和属性特征，可以用空间数据来描述事物或现象的位置，用属性数据来描述事物或现象的特性，如类别、等级、数量、名称等。1 4 3 地理信息的可视化查询1 0在g i s 中，利用可视化技术可以为用户提供具有选择、过滤、搜索等功能的可视化界面和向导，使用户能够通过可视化查询语言，方便、灵活、实时、高效地从地理数据库中查询所需要的信息。1 4 4 空间分析的可视化描述g i s 具有强的空间分析功能，通过对原始数据模型的观察和实验，用户可以获得新的经验知识。利用可视化技术，可将时空数据分析过程和分析结果直观、形象地传递给用户，增强分析过程和结果的可理解性，为空间行为决策提供依据。1 4 5 制作动态地图制作动态地图是可视化技术在g i s 中的主要应用之一“。传统空间地理信息的可视化形式主要表现为二维静态地图，它具有静态的局限性，一旦制成，所表示的内容就被固化了。但是，地理信息具有时间特征，是动态的，随着g i s 实时化要求的提出，g i s 处理的将是大批量的时空数据，时间将成为一个非常重要的参数。在g i s 中引入时间维，通过对时间维的描述，借助可视化方法可直观地表达空间信息的动态变化，制作随时间变化的动态地图。1 4 6 制作多媒体地图信息载体是多维的，人类对信息豹获取不但来自于视觉，还来自于听觉、触觉等。地理信息的表达也具有多种媒体形式，如地图图形、统计图表、图像、音频、视频、动画、文本描述等。因此，必须借助于多媒体技术，才能完整、合理地表达和传输空间信息。它的出现使得g i s 的表现形式更丰富，更灵活。1 4 7 虚拟现实技术的应用虚拟现实( v r ) 通过创建一个三维视觉、听觉和触觉的环境，使用户利用系统所提供的人机对话工具“”。借助虚拟现实技术，可将地图上的地理要素转化为具有三维交互特征的地表形态景观、城市三维景观等，便于人们进行观察和分析，提高认知效果。虚拟现实在g i s 中的应用尚处于发展之中，这是一种高级的可视化，将改变地图的传输方法和功能。本文所依据的可视化概念主要指它的前两个方面，专题地图是地理信息系统可视化的主要形式之一，分级表示法则是常用的专题地图表示方法。应用分级表示方法的关键是如何确定专题制图要素的分级方案，分级方案的优劣，直接关系着地理信息传输的科学性，决定着g i g 的可视化效果。因此，如何获取优化的专题制图要素分级方案，便成为g i s 可视化的基本问题之一；而要获得优化的分级方案，必须运用科学的分级定量标准和合理的分级方法。三十多年来，国内外诸多学者在分级定量标准和分级方法两个方面，进行了大量的试验研究，取得了丰硕的成果。但是，随着g i s 的普及与应用、g i s 理论与技术的发展，g i s 的可视化问题日益突出，现有的分级定量标准和分级方法己不能满足要求。本文拟在前人研究的基础上，就分级定量标准与分级方法进行探讨。2 数据挖掘理论2 1 数据挖掘的基本概念数据挖掘d m ( d a t am i n i n g ) 是指检查和分析数据以得到隐含在数据中潜在的有用信息的过程。也就是使用复杂的统计分析和模型技术来揭示隐藏在组织机构的数据集中的模式和关系。这种模式和关系用普通方法是难以发现的，而数据挖掘可以通过建立模型来发现汹1 。2 2 数据挖掘的主要任务数据挖掘技术的目标是从大量的数据中，发现隐藏于其后的规律或数据间的关系，从而服务于决策。数据挖掘的主要任务包括以下几个方面。“。2 2 1 数据总结数据总结的目的是对数据进行浓缩，给出它总体的综合描述。通过对数据的总结，实现对数据的总体把握，最简单的数据总结方法是利用统计学的传统方法，计算出数据库中各个数据项的总和、平均、方差等。2 2 2 分类1 2分类的主要功能是使用一个分类函数或分类模型，该模型能够根据数据的属性将数据分派到不同的组中。这样我们就可以利用该模型来分析已有的数据，并预测新数据将属于哪一组。2 2 3 关联分析数据库中的数据一般都存在着关联关系，也就是说两个或两个以上变量的取值之间存在某种规律性。2 2 4 聚类当要分析的数据缺乏描述信息，或是无法组成任何分类模式时，可以采用聚类分析。聚类分析是实现聚类的一种手段，它主要研究基于几何距离的聚类。数据挖掘大部分核心功能的实现都以计量和统计分析方法作为支撑。统计学、数据库和人工智能共同构成数据挖掘技术的三大支柱，统计方法构成了数据挖掘的核心内容。本文所探索使用的数据挖掘技术主要利用统计分析方法判断大量数据分布特征，在此基础上选择合适的分类、分级方法。1 3第三部分数字统计地图生成环境功能模块及所需技术目前大多数统计信息具有空间分布属性，但统计型信息环境既不能反映信息空间分布的特征，又不能满足区域分布和布局的要求。而基于m a p l n f o 的数字统计地图生成环境中专题图制作的特点是以研究区域中的行政分区或规定分区为单位，收集、整理数据资料，以其行政单元或规定分区进行定位，使统计数据资料都成为所取单元的属性数据。对分区单元的空间定位利用r 2 v 进行矢量化，这样可以把统计数据定位到所需要的空间领域中。它的功能模块主要包括图形信息的输入模块、图形信息的编辑与分析模块、统计数据的管理与维护模块、统计信息处理模块、分类、分级模型库、专题图制作与输出模块。这六个模块组成的结构关系见图3 1 。1 数字统计地图生成环境功能模块概述1 1 图形信息输入模块1 1 1 图形栅格数据输入主要是对图形数据的数据源，利用彩色或黑白扫描仪把图形目标扫描存储成 b m p 、 j p g 等m a p i n f o 可以识别的格式，并对其进行数据压缩等工作。1 1 - 2 图形矢量数据的输入以统计数据所在区域的工作底图( 一般为地图) 作为图形数据的数据源，把扫描的栅格数据利用m a p l n f o 屏幕跟踪数字化功能进行矢量化，或者利用r 2 v 软件进行自动矢量化，并把矢量数据转成m a p l n f o 可以直接读取的m if 格式，然后对数据进行预处理。本环境图形矢量数据的输入方法采用集成r 2 v ，把r 2 v 的操作界面直接调入数字统计地图生成环境中。1 2 图形编辑与分析模块1 2 1 图形编辑1 41 5自动检查图形数据的各种逻辑错误，对图形基本