提要 本篇根據(jù)GIS具體應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)闡述了GIS的基本數(shù)學(xué)模型，深入分析了非地理屬性數(shù)據(jù)的本質(zhì)特性及組織方法，并提出了繪圖即編碼的新觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 GIS 非地理屬性數(shù)據(jù) 圖形編碼
0． 引言
近年來(lái)，GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)正以前所未有的速度，滲透到社會(huì)的各個(gè)部門(mén)。各行各業(yè)的GIS開(kāi)發(fā)應(yīng)用急劇增加，專(zhuān)業(yè)GIS平臺(tái)種類(lèi)繁多，新技術(shù)、新理念層出不窮，給人以目不暇接的感覺(jué)。作為一名業(yè)余GIS從業(yè)人員，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用具體例子，闡述GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用方法。所述觀點(diǎn)有偏薄之處，還請(qǐng)GIS行家斧正。
1． 現(xiàn)行GIS數(shù)學(xué)模型
GIS處理的數(shù)據(jù)對(duì)象不僅僅局限于地理測(cè)繪部門(mén)，基于地理信息基礎(chǔ)上的規(guī)劃、市政、土管、電力、電訊、自來(lái)水等相關(guān)行業(yè)，同樣適用于GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這是無(wú)庸置疑的客觀事實(shí)。值得探討的是：各相關(guān)部門(mén)該如何利用測(cè)繪部門(mén)提供的基礎(chǔ)地理信息？他們又該如何組織各自的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)？
現(xiàn)行的GIS數(shù)據(jù)處理模型，都是在海量級(jí)數(shù)字地理背景圖上，疊加各自專(zhuān)業(yè)圖符布置圖，然后利用內(nèi)置或外掛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢(xún)統(tǒng)計(jì)圖形符號(hào)所屬的參數(shù)記錄。這樣的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想：操作人員在圖形、表格之間煞費(fèi)苦心，但始終不得要領(lǐng)；應(yīng)用單位除了承擔(dān)昂貴的專(zhuān)業(yè)GIS平臺(tái)外，還得承擔(dān)同樣昂貴的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。筆者以為，現(xiàn)行GIS數(shù)學(xué)模型的基本原理有待探討。
2． GIS數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)
海量級(jí)數(shù)字地圖本來(lái)是按一定比例尺度、一定投影帶度（地理坐標(biāo)系），分幅保存在地理測(cè)繪部門(mén)。以前都是以圖紙形式，現(xiàn)在通行數(shù)字地圖格式。大概是計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)太易于拼接疊加，程序設(shè)計(jì)人員很容易將數(shù)量眾多的地理分幅圖，拼接成海量級(jí)數(shù)字地圖，作為各GIS相關(guān)行業(yè)的地理背景。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，違背了模塊化設(shè)計(jì)這一信息處理技術(shù)的基本原則。
就單純的地理信息而言，最小的、能夠獨(dú)立使用的基本數(shù)據(jù)模塊，就是每張一定比例、一定投影帶度的地理分幅圖。單張地理分幅圖的信息數(shù)據(jù)量相當(dāng)有限，數(shù)量眾多的地理分幅圖疊加起來(lái)，才形成海量級(jí)地理背景圖。在很小的電腦屏幕上，調(diào)集海量級(jí)圖形數(shù)據(jù)，顯示效果如同印象派畫(huà)家的杰作，不知所云。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，操作人員為了保持畫(huà)面的清晰，常常關(guān)閉地理背景圖層。早知今日，何必當(dāng)初。
GIS相關(guān)行業(yè)在數(shù)據(jù)初始化階段，確實(shí)應(yīng)該盡可能搜集所有地理分幅圖，包括不同坐標(biāo)體系的地理圖，這樣可以在圖紙或電子地圖上，轉(zhuǎn)錄各自行業(yè)圖符布置圖，不必花費(fèi)大量的人力、物力，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期可以大大縮短。轉(zhuǎn)錄過(guò)程是必不可少的，因?yàn)闇y(cè)繪部門(mén)的圖符規(guī)范與各行業(yè)規(guī)范不盡相同，圖符之間的邏輯關(guān)系更是隔行如隔山。關(guān)于這一點(diǎn)，各相關(guān)行業(yè)部門(mén)并無(wú)異議，實(shí)際應(yīng)用也是這樣操作的。但無(wú)論從數(shù)據(jù)處理的基本原理，還是實(shí)際應(yīng)用角度，都沒(méi)有理由疊加海量級(jí)地理圖作為基礎(chǔ)背景。
也許有人要問(wèn)，轉(zhuǎn)錄后的行業(yè)圖符地理布置圖，仍常常需要基本地理信息作為參考背景，那該如何處置？實(shí)際上這很容易解決，你只需將所有地理分幅圖保存在指定的硬盤(pán)目錄，需要時(shí)逐一調(diào)入疊加。很顯然，這樣的應(yīng)用模式，更符合數(shù)據(jù)處理的基本原理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源也可大大節(jié)約。
這里想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，無(wú)論是基礎(chǔ)地理信息圖，或是行業(yè)圖符布置圖，必須遵循測(cè)繪部門(mén)的地理坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系不僅具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)投影公式，而且是法定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。常常碰到一些非地理專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員，任意假定自己的地理坐標(biāo)。這樣的設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用一時(shí)，但給日后的數(shù)據(jù)維護(hù)運(yùn)行帶來(lái)無(wú)窮的后患。你的所有數(shù)據(jù)將成為“信息孤島”：無(wú)法被別人共享，也無(wú)法共享別人信息。“地圖永遠(yuǎn)跟不上建設(shè)”，你搜集到的最新版式的地圖，很可能是五年甚至是十年前的地形地貌。動(dòng)態(tài)變化的地理信息，是按照固定的坐標(biāo)體系不斷修測(cè)更新。地理坐標(biāo)體系實(shí)際上是地理信息數(shù)據(jù)的基本編碼字典，設(shè)計(jì)人員怎能憑自己的意愿，各自假定編碼字典。筆者并非地理專(zhuān)業(yè)人員，認(rèn)識(shí)地理坐標(biāo)的重要性，完全是經(jīng)驗(yàn)之談。
3． 非地理屬性數(shù)據(jù)的組織方法
筆者認(rèn)同這樣的觀點(diǎn)：從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上講，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以概括為邏輯上的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)處理模型；所有信息數(shù)據(jù)，無(wú)論是文本、數(shù)字、圖形、圖象、聲音等等，都是以抽象的表格記錄形式存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)部。這是專(zhuān)業(yè)級(jí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商探討的技術(shù)問(wèn)題，筆者根本沒(méi)有能力深入剖析。從具體應(yīng)用角度出發(fā)，抽象的或者說(shuō)是邏輯上的關(guān)系型表格數(shù)據(jù)庫(kù)，是否都得影射成外觀的表格數(shù)據(jù)記錄，這就值得應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員仔細(xì)推敲。就最常用的DXF格式的圖形交換文件（數(shù)據(jù)）而言，其內(nèi)部形式就是標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼表格數(shù)據(jù)，但它們的外部表現(xiàn)形式，則是具體形象的幾何實(shí)體。對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員猶其是應(yīng)用操作人員來(lái)講，表格記錄與圖形數(shù)據(jù)是完全不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，它們的組織方法、查詢(xún)手段也是完全不同的。
單純的圖形數(shù)據(jù)組織方法與單純的表格數(shù)據(jù)組織方法，誰(shuí)也不會(huì)混淆。現(xiàn)行GIS相關(guān)行業(yè)的非地理屬性數(shù)據(jù)的組織方法，筆者不敢茍同。絕大多數(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，都將它們整合成結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋砀裼涗洠⒃诒砀駭?shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行相關(guān)的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)。表面看來(lái)，似乎符合這些屬性數(shù)據(jù)的管理模式。在未有計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)以前，這些屬性數(shù)據(jù)無(wú)一例外地集中存貯在表格簿冊(cè)之中。但這是不得已而為之。它們本該分散標(biāo)注在圖形符號(hào)的背后，只是在手工繪圖階段，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)日臻完善的今天，可以利用隱含顯示、透明疊加等計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，方便準(zhǔn)確地將屬性記錄標(biāo)注在圖形符號(hào)背后，直觀形象地進(jìn)行查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用效果如同“看圖識(shí)字”。那只是還非地理屬性數(shù)據(jù)以本來(lái)面目，從本質(zhì)上講，它們本來(lái)就屬于圖形數(shù)據(jù)，并非一般意義上的表格數(shù)據(jù)。它們的組織方法如同繪圖一樣，必須將一條條屬性記錄（類(lèi)似于幾何實(shí)體），分散標(biāo)注在它們本該出現(xiàn)的位置。方便靈活的分散標(biāo)注過(guò)程只是人機(jī)對(duì)話(huà)的表面形式，集中存貯仍是屬性數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)編程人員來(lái)講，面對(duì)的仍是整齊劃一的DXF格式的數(shù)據(jù)表格，這與普通表格數(shù)據(jù)沒(méi)有兩樣（實(shí)際上DXF格式數(shù)據(jù)只是應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員的數(shù)據(jù)組碼，低層的數(shù)據(jù)代碼更為整齊劃一，但這是專(zhuān)業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)商面對(duì)的數(shù)據(jù)格式）。對(duì)具體應(yīng)用人員來(lái)講，直觀形象地進(jìn)行查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，是他們最大的愿望。
4． 圖形編碼法
普通表格數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字編碼，我們已經(jīng)運(yùn)用得駕輕就熟，對(duì)圖形編碼[1]可能還比較陌生。但“信息技術(shù)工作者，逐步意識(shí)到用地理位置來(lái)檢索數(shù)據(jù)，是組織和使用數(shù)字式數(shù)據(jù)的基本方法”[2]。講得通俗點(diǎn)，使用圖形編碼是組織和運(yùn)用圖形數(shù)據(jù)（包括非地理屬性數(shù)據(jù)）的基本方法。所謂圖形編碼法，就是以圖形符號(hào)為基本工程語(yǔ)言，依照行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，繪制或標(biāo)注圖符、屬性的全過(guò)程，就是圖形編碼法。簡(jiǎn)而言之，繪圖即編碼。
圖形編碼在未有計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)以前就已存在，手工繪圖的全過(guò)程，運(yùn)用的就是圖形編碼法，但使用范圍局限于狹義的圖形符號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖形編碼的使用范圍早已超出狹義的制圖設(shè)計(jì)過(guò)程。司空見(jiàn)慣的條形碼技術(shù)，就是典型的圖形編碼在表格數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體應(yīng)用。DOS操作系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別，前者采用的是數(shù)字編碼命令體系，后者采用是圖形編碼命令體系。
遺憾的是，由于不了解非地理屬性數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)就是圖形數(shù)據(jù)，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到繪圖標(biāo)注過(guò)程就是編碼過(guò)程，也可能是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)過(guò)于流行，GIS相關(guān)行業(yè)的程序設(shè)計(jì)人員，都將非地理屬性數(shù)據(jù)分門(mén)別類(lèi)，集中存貯在內(nèi)置或外掛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并人為添加一條編碼字段，進(jìn)行日常的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。這從數(shù)學(xué)原理上講是不成立的，簡(jiǎn)單的圖形符號(hào)，比如條形碼，尚能用一串?dāng)?shù)碼來(lái)描述；復(fù)雜的圖形符號(hào)及其相互間的邏輯關(guān)系，根本無(wú)法用數(shù)碼來(lái)表示，否則就不存在各行業(yè)的工程設(shè)計(jì)語(yǔ)言。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，非地理屬性數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)效果，差強(qiáng)人意，操作人員始終處在云里霧里。更為煩惱的是，管理人員為了維護(hù)程序設(shè)計(jì)人員外加的編碼體系，費(fèi)盡心機(jī)，但始終不得要領(lǐng)。非地理屬性數(shù)據(jù)的編碼字典，就是管理人員熟知的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范。程序設(shè)計(jì)人員必須首先掌握GIS及相關(guān)行業(yè)的工程設(shè)計(jì)規(guī)范，然后才能進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的組織、設(shè)計(jì)。
非地理屬性數(shù)據(jù)采用圖形編碼法，才能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則。GIS相關(guān)行業(yè)的基本數(shù)據(jù)模塊，就是每張專(zhuān)業(yè)圖符（屬性）地理布置圖，它們是由不同類(lèi)型的圖符實(shí)體，依據(jù)各自的行業(yè)規(guī)范，準(zhǔn)確連接而成的、可以獨(dú)立使用的基本數(shù)據(jù)模塊。這在關(guān)系型表格數(shù)據(jù)庫(kù)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，表格數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是分門(mén)別類(lèi)方法，不同類(lèi)型的屬性數(shù)據(jù)無(wú)法整合在同一表格簿冊(cè)中。這既是它的優(yōu)點(diǎn)，也是它的不足。數(shù)據(jù)處理技術(shù)并非只有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)一種，程序設(shè)計(jì)人員首先考慮的就是根據(jù)不同行業(yè)數(shù)據(jù)特性，選擇不同的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
5． GIS應(yīng)用實(shí)例
圖例是筆者利用最普通的ACAD（R14）作為GIS平臺(tái)（Autodesk公司提供專(zhuān)業(yè)GIS平臺(tái)，如AutoCAD Map、MapGuide等系列），引用當(dāng)?shù)刈畛Ｓ玫膶幉í?dú)立坐標(biāo)系，依據(jù)圖形編碼法，準(zhǔn)確繪制的配網(wǎng)地理接線(xiàn)圖。沒(méi)有任何地理背景，需要時(shí)可以隨時(shí)疊加任何已有的或者今后再版的地理分幅圖。沒(méi)有外掛任何關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（ACAD支持多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)），你用鼠標(biāo)就可直接點(diǎn)取任一電氣設(shè)備的全部屬性參數(shù)。為了保持畫(huà)面的清晰，只顯示一、二項(xiàng)屬性參數(shù)，其余均被隱含在圖形符號(hào)的背后。你當(dāng)然可以根據(jù)不同的統(tǒng)計(jì)口徑，編制小段管理程序，匯總統(tǒng)計(jì)各種參數(shù)，編程過(guò)程并不復(fù)雜。應(yīng)用人員幾乎可以不經(jīng)任何培訓(xùn)，就能上機(jī)查詢(xún)，真正體現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”設(shè)計(jì)目標(biāo)。
根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則，剝離了海量級(jí)地理背景圖，配網(wǎng)地理接線(xiàn)圖也是按饋線(xiàn)分別存貯在指定的硬盤(pán)目錄，需要時(shí)逐一調(diào)用，這樣的GIS應(yīng)用模型可以在P/100/40M普通微機(jī)上流暢運(yùn)行。采用更高檔的系統(tǒng)機(jī)型，選擇更專(zhuān)業(yè)的GIS平臺(tái)，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格比，由用戶(hù)作出最終抉擇。作為程序設(shè)計(jì)人員，必須確保信息處理的數(shù)學(xué)模型科學(xué)規(guī)范，維護(hù)運(yùn)行的人機(jī)界面簡(jiǎn)單明了。