GIS與地圖信息綜合基本模型與算法

　　《GIS與地圖信息綜合基本模型與算法》是作者毋河海完成的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家測(cè)繪局科研項(xiàng)目和教育部高校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目等地圖綜合問(wèn)題研究成果的集成，書(shū)中研究的僅是在地圖數(shù)據(jù)庫(kù)或GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的地圖空間信息。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．綜合的DLM（數(shù)字景觀(guān)模型）觀(guān)因?yàn)榫C合子過(guò)程多種多樣，我們可把它們“再綜合”為兩類(lèi)，DLM類(lèi)和DCM類(lèi)。第一類(lèi)包括信息變換算子；第二類(lèi)包括圖形再現(xiàn)算子（數(shù)字／圖形轉(zhuǎn)換），它原則上不涉及信息量的改變?；谶@一觀(guān)點(diǎn)，我們可把核心問(wèn)題集中于研究改變地圖內(nèi)容及其細(xì)節(jié)的第一類(lèi)算子。所謂的模型綜合、數(shù)據(jù)庫(kù)綜合與DLM綜合，它們是完全等價(jià)的。綜合的對(duì)象是DLM，而不是表示它們的符號(hào)DCM本身。 2．地圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)自動(dòng)綜合的支持地圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)自動(dòng)綜合的支持體現(xiàn)在：綜合對(duì)象的支持——DLM（數(shù)字景觀(guān)模型），它是地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)觀(guān)點(diǎn)；數(shù)據(jù)關(guān)系支持——語(yǔ)義關(guān)系，空間關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系；為綜合所需的基于布爾集合運(yùn)算的多準(zhǔn)則數(shù)據(jù)檢索；綜合結(jié)果（多尺度，多文件）結(jié)果的存儲(chǔ)與管理。 3．非線(xiàn)性綜合思想的提出非線(xiàn)性綜合的思想體現(xiàn)在以下兩個(gè)主要問(wèn)題中：（1）在結(jié)構(gòu)化綜合中，地圖載負(fù)量的變化是遵循s形（非線(xiàn)性）模型，它是一種受限生長(zhǎng)模型或邏輯斯蒂（Logistic）模型；（2） 作者提出了擴(kuò)展分維模型及其在綜合中的應(yīng)用，其中強(qiáng)調(diào)指出了通常分維（線(xiàn)性，常量，單參數(shù)和自相似）與擴(kuò)展分維（s形，函數(shù)，雙參數(shù)和非自相似）的本質(zhì)差別。作者的觀(guān)點(diǎn)是，綜合在宏觀(guān)上應(yīng)遵循非自相似原則，即非線(xiàn)性原則。自相似猶如函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或曲線(xiàn)的切線(xiàn)那樣，只存在于函數(shù)或曲線(xiàn)的無(wú)窮小鄰域。關(guān)鍵問(wèn)題是如何建立多分辨率與多比例尺之間的合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4．結(jié)構(gòu)化地圖綜合GIS與地圖信息的結(jié)構(gòu)化綜合通過(guò)三級(jí)結(jié)構(gòu)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）總體構(gòu)思子模型，它執(zhí)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)任務(wù)，遵循國(guó)家系列比例尺地圖載負(fù)量變化的一般非線(xiàn)性（邏輯斯蒂）規(guī)律確定地圖的載負(fù)量，其主要問(wèn)題是要確定在新設(shè)計(jì)地圖上要表示“多少物體”。（2）結(jié)構(gòu)實(shí)施子模型，它的任務(wù)是要確定用“哪些物體”來(lái)構(gòu)成已確定的“多少物體”，此處可用的輔助手段是確定和利用必要的語(yǔ)義關(guān)系、幾何關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系等，即通過(guò)結(jié)構(gòu)關(guān)系來(lái)選定所需數(shù)量的物體，或者說(shuō)這是一個(gè)由多種關(guān)系來(lái)制導(dǎo)的過(guò)程。（3）實(shí)體塑造子模型，它的任務(wù)是以已選定物體個(gè)體為對(duì)象，對(duì)其細(xì)節(jié)進(jìn)行綜合，把原物體雕塑成具有新面貌的新對(duì)象。5．上述綜合原理在四類(lèi)幾何形體綜合中的體現(xiàn) 上述綜合原理已在下述四類(lèi)幾何形體中得到初步實(shí)現(xiàn)：點(diǎn)群目標(biāo)綜合的實(shí)現(xiàn)步驟為：（1）生成凸殼層的多層嵌套；（2）通過(guò)層數(shù)的減少或合并進(jìn)行全局結(jié)構(gòu)上的綜合；（3）最后對(duì)位于各層（多邊形）上的點(diǎn)狀物體進(jìn)行取舍，這一步驟猶如進(jìn)行一般的曲線(xiàn)綜合一樣，因此，此方法的實(shí)現(xiàn)，意味著方法論上的變換，即將點(diǎn)群目標(biāo)（面狀目標(biāo)）的綜合轉(zhuǎn)換為殼層（線(xiàn)狀目標(biāo)）上點(diǎn)狀物體（曲線(xiàn)上的頂點(diǎn)）的綜合。 線(xiàn)群目標(biāo)（以河系為例）綜合的實(shí)現(xiàn)步驟為：（1）建立河系的等級(jí)樹(shù)（非自然樹(shù)）結(jié)構(gòu)；（2）根據(jù)各條河流在樹(shù)結(jié)構(gòu)中的地位和它所擁有匯水面積來(lái)確定它的重要性，匯水面積可作為統(tǒng)計(jì)意義上的河系線(xiàn)狀目標(biāo)的Voronoi圖來(lái)建立。面群目標(biāo)（以居民地建筑物為例）綜合的實(shí)現(xiàn)步驟為：（1）確定兩鄰近面狀物體的重心連線(xiàn)，并以此作為引力方向；（2）根據(jù)兩相向側(cè)面的形狀特點(diǎn)進(jìn)行不同方式的合并。地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)化綜合的實(shí)現(xiàn)步驟為：（1）生成地貌骨架線(xiàn)（山脊線(xiàn)與谷底線(xiàn)）的等級(jí)樹(shù)結(jié)構(gòu)；（2）猶如河系綜合那樣，此處對(duì)谷底線(xiàn)按其在樹(shù)結(jié)構(gòu)中的地位和它所擁有的統(tǒng)計(jì)匯水面積來(lái)確定它的相對(duì)重要性，從而決定取舍。因?yàn)檫@里谷底線(xiàn)被看成是谷地的“替身”，所以它的取舍意味著與它相關(guān)的一組等高線(xiàn)彎曲的去留。因此，這里發(fā)生的是等高線(xiàn)彎曲的成組綜合。最后，作者對(duì)下述與空間對(duì)象的分析和表達(dá)有關(guān)的問(wèn)題也進(jìn)行了研究：（1）斜軸拋物線(xiàn)光滑插值，它確保曲線(xiàn)的最大曲率點(diǎn)（結(jié)構(gòu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎點(diǎn)）位于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)上；（2）S形分布的數(shù)據(jù)擬合數(shù)學(xué)模型研究；（3）I）TM主要因子生成的密集窗口等高線(xiàn)束方法；（4）保留全部原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的不規(guī)則四邊形DEM生成方法；（5）二次有理插值與逼近，這里有四種實(shí)現(xiàn)途徑：最小二乘法、五特征點(diǎn)法、五分段和值法以及基于給定結(jié)點(diǎn)的插值法。二次有理方法的優(yōu)點(diǎn)是：多項(xiàng)式次數(shù)低（二次）、計(jì)算簡(jiǎn)單和自由度高（五度）。當(dāng)然，不可忘記，它是不便于駕馭的?！禛IS與地圖信息綜合基本模型與算法》可供地理、地質(zhì)、林業(yè)、水利、測(cè)繪、石油、環(huán)境保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)、管理與規(guī)劃等部門(mén)的專(zhuān)業(yè)人員參考應(yīng)用，同時(shí)，也可作為地圖和GIS相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生、碩士研究生與博士研究生的學(xué)習(xí)參考書(shū)。當(dāng)前，各國(guó)又在大力上馬“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等，地理信息的多尺度或多分辨率表達(dá)已經(jīng)成為熱點(diǎn)，本書(shū)對(duì)此也有參考價(jià)值。

　　毋河海，男，武漢大學(xué)教授（博士生導(dǎo)師），1933年12月26日出生于河南省靈寶縣，1962年2月畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科測(cè)繪工程學(xué)院地圖學(xué)系，獲（蘇）地圖制圖工程師稱(chēng)號(hào)。1979—1981年，在聯(lián)邦德國(guó)法蘭克福應(yīng)用測(cè)量研究所進(jìn)行自動(dòng)化地圖制圖與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（CDBMS）研究。1988年被武漢市科協(xié)評(píng)為武漢科技新秀，被國(guó)家人事部授予國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專(zhuān)家稱(chēng)號(hào)。自1991年起享受政府特殊津貼。白l993年起擔(dān)任國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)特邀評(píng)委。2002年被湖北省科協(xié)評(píng)為湖北省科技精英?！≡诘貓D學(xué)領(lǐng)域中，相繼提出了下述理論和方法：l965年發(fā)表《地勢(shì)圖高度表選擇的原理與方法》，推導(dǎo)出變距高度表視覺(jué)變形“數(shù)值”評(píng)估公式。1978年提出與實(shí)現(xiàn)“斜軸拋物線(xiàn)光滑插值”，它能自動(dòng)調(diào)節(jié)曲線(xiàn)松緊，無(wú)需人工干預(yù)，具有自適應(yīng)性。l981年在原西德測(cè)繪雜志上發(fā)表《地貌形態(tài)自動(dòng)綜合的原理與方法》（Prinzipund Methodeder Automatischen Generalisierung der Reliefformen），首次提出并初步實(shí)現(xiàn)了基于地貌結(jié)構(gòu)線(xiàn)的地貌形態(tài)自動(dòng)綜合。國(guó)際制圖協(xié)會(huì)自動(dòng)綜合委員會(huì)主席R．Weibel（1987）認(rèn)為該文所述的是真正的地貌形態(tài)綜合，適應(yīng)于更大的比例尺跨度，并把該文作為本研究領(lǐng)域的第一篇論文；原西德學(xué)者W.Weber（1982）認(rèn)為該文所提出的方法是用二維的“線(xiàn)”實(shí)現(xiàn)三維“體”的綜合。此外，WanningPeng、MoracotPilouk、KlausTempfli（1996）等專(zhuān)家也做了類(lèi)似的評(píng)價(jià)。