微型计算机在地理制图教学上的应用.pdf

第4卷 1985 年 第8期 9 月 地 理研 究 GE O G RAPHICA LRE SEARCH V o l 4 N o 3 SePt 1985 微型计算机在地理制图教学上的应用 王泽深 黄广耀朱剑如黄钧尧 中山大学地理系 香港中文大学地理 系 提要 本文介绍了微机制图的三种类型 字符方式 图案方式及晕线方式的分级统计图软件包的设计 由于本软件最终由打印机输出图形 能使自动制图的教育与普及有所促进 七十年 代随着微型计算机的 出现 计算机技术迅速发展 目前 由于微机制图软件落后 于 硬件 致使 自动制图 的普及 缓慢 本文 介绍 的微 机分级 统计制图软件 应用 A PPL E 井且所有程序均用 BAS IC语言 易学易用 用 打 印机作 最 后输出而 无需绘图 仪 因此便于 推 广 有助于机助 制图 的教 学 与应用 推 广微机制 图 的主要障碍一是微机内 存小 这 一点 将通过 大量应用随 机数据文 件 来解 决 另一为大部分用户不具备 绘图仪作为外围设 备 但 A PPL E 贾及新 一 代 的 微机都有高 分 辨率 制图 的功能 且 能从 打 印机输出 屏幕图 形 的硬 拷 贝 本 软件 选择 中国分省图 作 为 分级统计图的 底图 以三种方式来绘 制 分级统计图 即 1 字 母方式 是机助制图 的原始方式 具 有成图速度 快 的优点 且在普通 打 印状态 下输出 即 在 不 具备高分辨率制图 功能 的计算机 如T R s 一8 上 也能 打 印出图 形 2 图案方 式 属 扫描式 的 屏幕 制图 3 晕线方式 属矢量式屏幕 制图 一 程序结构和 数据文 件 一 程序 结 构 APPLEI小型 系统只有48K内存 当处于 高分 辨 率制图状态 时 留给用户的 内存就十分 有 限 为节省内存 底 图数据全部以 数据文件的形式放 在磁盘上 当然 采用数据文件的另一 好处是 保持数据 对于程序 的独 立性 即一 份程序可以 调用不同的数 据文件 而同一 数据 文件 又 可以 为不同的程序提供数据 本制图软件的另 一结 构特点是 涉 及 程序 较多 为方便用 户 设计了一个总控程 序 执行 此程 序时 屏幕 立 即显示 三类分 级统计 图 的清单 用户即可 通过人机对话 的方式选择执行所需绘图程序 二 数据文件 木文1 98 谧年 3 月1 2 日收到 7 月2 3 日收到修改稿 3 期 王泽深等 微型 计算机在地理制图教学上的应用 6 9 本绘 图软件涉及的 数据 文件较多 但都是描述底 图用的 就中国一 幅而言 共用 了四个 文件 按照本软件绘 图程 序 的需要 四个文件均 采用随机数据文件 A P PL E I的 随机文件 需要由用 户指定文件名 记 录长 及每 个记 录 的项目数 每个项目的 名及字长 不必 指定 现 在简述 每个 文件 的数据 结 构 第一个文件用在字 母方式 的程 序 中 总 记 录数决定 于整幅图所覆盖 的字 符的行数 本图 为3 7 行 故需3 7个记 录 考虑 到侮 个扫描 行经过的行 政区不超 过1 1个 我们把每个记录的项目 数 定为22 每两 项 作为一组 分 别记 录每 个行政区的代码及该区最右边一 个字 符所在的列数 例如 中国分省底图 的 第一 个记 录为 6 0 5 6 2 8 6 6 o 一 共 中 6 0 表 示 中国以外 的区域是从第 一 列起至 6 0 列止 5 6 2 表示 代码为 5的 行政区 内蒙 古 是从6 1 列 起至6 2列 I J 8 6 6 表 示 代码为 8 的 行政区 黑 龙 江 是从63列起至6 6列止 以 下 的 表 示6 7列以后进 入 中国以外 的区域 文 件二用于边界及图案程 序 由于A PPL E I高 分辨率制图第一 页的可 见绘图区是 由16 0 条 扫描线所组成 所以 本文件设置了 至15 9 个记录 类 似 于文件一 每个记录 有 1 5 组数 据 但由于 要勾 划 出行政区边界 故每 组比文件一多一个数 据 用它 来描 述边界所 占的网格 单元 数 文 件三为特征点 坐标文件 只 用在晕线程序 中 它 记 录了侮 个特征点的x Y坐标 在本 试验用的数 宇底图 中 共有4 09 个特征点 对应着4 09 个记 录 由于 坐标 值不超 过 三位 故记录 长定为 8 文件四为特征点 系列 文件 也是用在晕 线程 序 中 它 描述了各 个 行政区是 由那些特征点 围成的 每 个行 政区对应于一 个记录 由于用了信自 压 缩 的方法 尽管某些区的特 征点多达 数十个 仍 可以 把记录 中所 含的项目数 定为11 二 程序内容及原理 A P PL E 的高 分辨率 制图 状态把 整 个屏幕 分为2 8 义19 2 个网格单 元 但网格数 量毕竟有 限 故分辫率还 是较 低的 如要绘制一 张 内容较多的地 图 必须 在绘图软件上加上开窗功 能 把 一幅图分成 儿部 分来绘制 除此以 外 屏 幕制 图还有如 下两 个特点 1 兼有矢量 及 扫描两种绘 图 方式 这 也是 屏幕 制 图的 一大 优 点 屏幕矢量制 图 程序极易移植到笔绘图机上 执行 且 易 于 放大 缩 小 扫描式 制 图速 度快 数据处理简单 但需预先准备 的信息 远 多于矢 量 图 且 不易放大 缩小 2 屏幕 本身 占用内存 这本 来是缺点 但随之 而来的优点是可 以 整 幅图储存在 磁盘中 形成机 器语 言文 件 这对于专题制 图非常有 利 底 图事先准备好 用 时 调入 机器拜显示于屏幕上 然后再迭 加 上专题耍素 可 使制 图过 程大 大加 快 C 本 文只限于分级统计图的 研究 共提出三种制图 方式 下面分 别讨论其原理 字符 方式以制作 中国分省 图为例 为 了便于底图数字 化 先将一张 接近8 0列字符 宽 度 的 中国分省图描到 透明纸 L 再用程序控制打 印一张每行都 由 01234 5 6789重 复 排列八次 长达数十行的 纸 然后把 透 明底 图蒙于其上 就可 以从上到下 每行从左 到右读 取计算机底 图数 据 当扫描线从左到右碰 到一 个行 政区时 先读取行 政区代码 再读该区最 地 理研 究 开始 4 卷 总控程 序 进入字母方式进入图案方式进入 晕线方式 读入统计资料 读入符号数组 读入统计资料 打印直方图 读入统计资料 读入特征点系列文件 读入各级上限 任意 等差 分级l一 分级 分位点 分级 标准差 分级 把压缩的特征点系列 表展开读入坐标文件 T尸 一 卜 S 斤二 比 级 卜一 等分 统计资料定级 画出区域边界 统计资料定级 统计资料定级 读底图文件井绘图 读底图文件 一荆刁印成图 绘南海诸岛附图 计算并绘制晕线 火 否 N 12 目一月N 二N l 绘南海诸岛附图 图 1 本软件简化框图 5im Plifiedflow ehart 后一 个字符 的列 数 一 行中所有行政区读完之后 就用零填 满剩下 的各 项 然后用键盘输入 读取 的数据 建 立数 字化 底图 文件 当程序执行时 采 取逐 行处理的方法 即 读入一 行数据 之后 马上处理并打 印输出 这种方法能把 占用的 内存减 到最低限度 具体算法 是 在处理 每组的两 个数据 时 首先挑出第一 项数 据所代表 的 政区的等级所对应的 字符 然后从左边相 邻那个区的最 后一 个 字符的 列数加1 到该组 数据 的第二 项 指示 的列数为止 全部打上此对应 字符 就可以 了 本程序 向用户提 供五 种分级方 法 第 一 种为任意 定级 由用 户指定分级数及每级之 上 限 第二种为等差自动分 级 第三 种为等比 自动 分级 第四种 为分位点 自动分级 这种分级 的结 果能使属于每级的行政区数目尽可能相等 上述 三 种 自动 分 级用户都只须指定 分数级 计算机就会 自动算出每级之 上限 然后 自 动完成 整 幅图 的制 作 按照我们的设计 这里的 分级数最多不能 超过十级 第五种为标准差分级 当选择这 种 分级时 程序会自动求出平 均 值及标准差 然后 自动取 平 均数以 下两个标准差为第一 级上限 以 后每级依 次增加 一 个标准 差 第六级则以 大于这组数 中所有数 的一个数 为上限 即 共有六级 这种分级方法具有明显 的统计学意义 但耍求个体较多且 分布接近正态 这 时 第一级或第 六 级出现的 几率就应在 5 以下 本 程序的第二个特点是为帮 助用户 选择分 级方 法 程序 还 具有 自动打 印直方图 的 功能 这 里直方图 的分级方式是 固定 的 采用十级等差分级 在读入 统计资 料井打印 出直 方 图后 才耍求用户选择制图所用 的分级方法 图案方式 图案方式 制 图类似于字 符方式 二 者 均属扫描式 区别在于它是在高分辨 率状态下进行制图 故 具 有比字 符方式 更 高的分辨率 例 如本软件采用 2 x Z 个网格 作为图 案单 元 而一个字 符却 占 7 x s 个网格 故其分辨率比字 符制 图高1 4倍 粗看起来 2 x Z 3 期 王泽深等 微型计算机 在地理制 图教学 L的应用 的单 元只能表现四个等级 即第一级采用四点之 中一点亮 表示 第二级两点 依此 类推 由 于四种 之 中两 点 亮有几种排列 方法 我们选择了其中区别比较明显 的 五个等级的 表示 由低 至高依 次 为 霭 赢 黔蘸 翼 我们用 与 1表示屏幕 上一个网格 单元 的暗 与亮 对应 于打 印时 的 白与黑 如 图 1 的框图所示 在 程序开始处首先把这些由 和 1 组成的图案数据读入一个三维数 组中 该数 组的 三个下标变量分 别表示 图案对应的等级以 及行 数和列数 跟着是读入 统计资 料和分 级上 限 由计算机定级 然后 类似于字符 方式 采取逐 行读入扫描 底图 经处理后 马上输出 但 处理过 程却 比字 符方式复杂 因 为图案单位不 能 象 字 符一样 作为整体 一次打印在屏幕上 而 是需作逐 点 的判断 具体 来说 当读 入底图 文件的某 个 记录时 因为 一 个记录 对应于一 条 扫描行 程序就先判断此行 的奇偶性 当从 左到右进入某个行 政区时 先提取该区所属级别的 图案 然 后逐点判断其所 在 列数 的奇偶性 如 果该点是处 于 偶行偶 列 则对应于图案单 元的左上角点 偶 行奇列 就用右上角点 其余两点 类推 有 兴趣的 读者 可 把本 程序采用的 2 丫 2 网格的图案单元改为 3 又 3 个网格 相信会具有更强的表 现 力 晕线方 式晕 线 方式 是分级 统计图 的一 种传 统表示 方法 无 论从编码还 是计算方 法 来 说 都是几种方法之中最复 杂的 晕线制图 碰 到的第一个 问题是编码 这里 有区编码与特征 点编 码 区编码当然应与统计资料的顺序尽 可 能一致 而特征点的数量及每个点 的位置则是 由设 计 者人 为选定 的 由于 受 到机器内存 和图 象分辨率的 限 制 因此耍求我们不要 也没有 必 要选取 过多的点 但 耍保持一个区的形状又耍求我们选取 的 点不能过少 在中国分省图 中 我们选取了40 9个点 特征点的代码一般可从边上的某个政区 开始排 为清楚起见 各 区应统 一取顺时针向或反时针向排列 两 个区的公 共边只设 置一次特征点 完 成 了点编码 的 工作之 后 如果 用 户浚有 数字化 坐标仪 可蒙上透 明网格 纸读取每个点 的坐标 拜以特征点坐 标 文件的形式存放于磁盘中 但 这 还不够 要让计算机 知道 某 个区是由那 些特征点构成的 还要 建立一 个特征点系列文件 每个行政区对 应于该文件的一个记录 而 每一记录则包括 围 绕此区的 所有特征点的编 号 例如 福建省是 由 15个特征点组成的多边 形 见图2 特征点 按代 码 的 次序可分为以 下三 段 即3 69一3 7 3 36 6 一362 3 59 一 35 6为节省存储空 间和处理方便 起见 我们以13 69 37 3 23 6 6 3 62 235 9 55 0 0 一 表示 福建省的特征点系列 其 中千位上 的 1 和 2 分 别表示 此特征点系列是 递增 或递减系列 之所以在千位位设置 此事务 码 是因 为此例 的 中国分省底 图只有40 9个特征 点 故用千 位数 不会妨碍特征点的排列和识别 第二个问题是 晕线 的计算与绘制 简单 来说 耍画一 条晕线 必先求 得晕线端 点的 坐 图 2 构成福建省的特征点及其编码 N odesa n d their eodes to fo rm the outlin eof FuiianPr o vine e 地 理研 咒 4 卷 标 从数 学上说 就 是求解晕线与区域多边形相应边的 交点 在算法 L是这 徉来实现的 从特 征点系列表 我们知道 某个多边形是由那 些特征点构成的 第 一 步就是 找出这些 点 中X的 最小 值与最大值 然后以x的 最小值加上晕线间距 作为第一条晕线 的 位矍 以后侮 条晕线依次增 加 一 个晕 线 间距 设某晕线为 x 二a 如图 3 1 所示 第二 步是逐 条检 查区域多边形的海条 边 看它两 个端 点的X值之间是否包含 a 如 架是 则求 出 x 二 与该边 的交点 当碰到凹 多边 形时 这 样得 到的 交 点可 能会超 过 两 个 见图 3 2 而成对地增加到四个 六 个 或更 多 在这 种情况下 为了不至画错 还要增加一个步骤 把这些交点按Y植的大小重新排列 然 后连结 1 2 点 3 4点 一道至画完一条晕线 当晕线 的 x 值超 过该多边形 X 的最大值 时 循环过程结束 转入下 一个多边形 犷 行 井 图 3 晕线的计算及处理 C ale ulatio nan dp roe e s singo f sha dinglin os 1 刊断晕线与多边形的哪条边相 交 2 交点多于两个的情 况 3 交点经过特征 点 图 4 中国分省边界图 Po siti丫eve r siox一o f the 阳象 b o 一n d a Chih a 图 5 图案方式的中国分 C圣 1inaehor o Plethior n a P d r wn 分级统计图 PointPa以e rlls 省 叮 升期 王泽栗净 微型计算机庄地理制图教学上 的应用 卜卜 一 毛查些 生 卜 不川川 丫丫右二 气乒一一一一兮嗯彝浏浏浏 补补 飞飞飞飞 图 6 晕线方式 的中国分省分级统计图 Chin ae ho r o Plethie m a Pd r awn dy shadin giin e 三 讨论 为检验仁节的 程序 笔者光后似虚拟的统 计责料 分 别以字符方式 图案方式 及晕 线 方 式 绘制 出分级 统计图多幅 图 4 5 6 分别 为中国分省图 阳蒙 图 案方式 以及晕 线方 式 绘制 的 中国分省分级统计图 各图互 有优劣 以 下 略加讨沦 以上各图 从美观 的角度 来看 荡分辨率 图 形胜过 字符方式 且分辨率 也较 高 在图案 及晕线两 种屏幕制 图方式 中 由于 我们选用较小 的图案单元 拜且 是在二 维上重 复出现的 故 不致象晕线图那 样 有的地 方分 不清是晕线 还是 行政 区边界 但 是晕线图亦有 其 独 到 之 处 一是 可以放 大缩小 二是略为改动即 可用 于 绘图仪 三 是 底图数据量减少 从消耗 机时 米看 则以分辨率最低 的字 符方式 最 快 图案次之 晕线 最慢 但后者亦 不过 是数分钟的时 间 卞绘图软件之 主要 功用之一在于教 学示范 使低 年级 的学生对微 型 计算机的绘 图功 能及 其 在地理上的 应用增加成性认识 高年级学生在具备一 定 的计算机基 础知识之 后 也可以深 入一步 研究 流程 图及 程序 对程序加 以发 展 或制作新的底 图 这 在大学 地理教育方面尤为 重要 而 地图 学亦应在 讲授人工制图之外 增加计算机 制图部分 拜由学生亲 自操 作 加 强 这力l颐的 训练 一与认 识 本软 件之 主要对象在于 教学 方面 但 其功 能亦不限于教育 对于一般 规模 较 小的 地 理研 究 或规划部门也 有 一定 的作用 而由图案 或晕线程 序所 绘出之地图 其美观 程度已足以 供一 般出版之 用 根据已经进行的相当广泛的试验 笔者 认为 微机制 图 尤其是 屏幕 制图有着极大 的潜 力及推广价值 只要 我们能掌握好 屏幕 制图 的 特点 又充分利用随机数据 文件 在缺乏 绘图 仪 的情况下 也 能绘 制 出等植线图 符 号地图 用范