提要 本篇根據(jù)GIS具體應(yīng)用實例，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。
關(guān)鍵詞 GIS 非地理屬性數(shù)據(jù) 圖形編碼
0． 引言
近年來，GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)正以前所未有的速度，滲透到社會的各個部門。各行各業(yè)的GIS開發(fā)應(yīng)用急劇增加，專業(yè)GIS平臺種類繁多，新技術(shù)、新理念層出不窮，給人以目不暇接的感覺。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。所述觀點有偏薄之處，還請GIS行家斧正。
1． 現(xiàn)行GIS數(shù)學(xué)模型
GIS處理的數(shù)據(jù)對象不僅僅局限于地理測繪部門，基于地理信息基礎(chǔ)上的規(guī)劃、市政、土管、電力、電訊、自來水等相關(guān)行業(yè)，同樣適用于GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這是無庸置疑的客觀事實。值得探討的是：各相關(guān)部門該如何利用測繪部門提供的基礎(chǔ)地理信息？他們又該如何組織各自的專業(yè)數(shù)據(jù)？
現(xiàn)行的GIS數(shù)據(jù)處理模型，都是在海量級數(shù)字地理背景圖上，疊加各自專業(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，查詢統(tǒng)計圖形符號所屬的參數(shù)記錄。這樣的數(shù)學(xué)模型，實際應(yīng)用效果并不理想：操作人員在圖形、表格之間煞費苦心，但始終不得要領(lǐng)；應(yīng)用單位除了承擔(dān)昂貴的專業(yè)GIS平臺外，還得承擔(dān)同樣昂貴的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫平臺。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)
海量級數(shù)字地圖本來是按一定比例尺度、一定投影帶度（地理坐標(biāo)系），分幅保存在地理測繪部門。以前都是以圖紙形式，現(xiàn)在通行數(shù)字地圖格式。大概是計算機圖形處理技術(shù)太易于拼接疊加，程序設(shè)計人員很容易將數(shù)量眾多的地理分幅圖，拼接成海量級數(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)計方法，違背了模塊化設(shè)計這一信息處理技術(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，才形成海量級地理背景圖。在很小的電腦屏幕上，調(diào)集海量級圖形數(shù)據(jù)，顯示效果如同印象派畫家的杰作，不知所云。實際應(yīng)用當(dāng)中，操作人員為了保持畫面的清晰，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，不必花費大量的人力、物力，到現(xiàn)場進行實地勘測，系統(tǒng)開發(fā)周期可以大大縮短。轉(zhuǎn)錄過程是必不可少的，因為測繪部門的圖符規(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，各相關(guān)行業(yè)部門并無異議，實際應(yīng)用也是這樣操作的。但無論從數(shù)據(jù)處理的基本原理，還是實際應(yīng)用角度，都沒有理由疊加海量級地理圖作為基礎(chǔ)背景。
也許有人要問，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目錄，需要時逐一調(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，計算機系統(tǒng)資源也可大大節(jié)約。
這里想強調(diào)一點，無論是基礎(chǔ)地理信息圖，或是行業(yè)圖符布置圖，必須遵循測繪部門的地理坐標(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業(yè)的設(shè)計人員，任意假定自己的地理坐標(biāo)。這樣的設(shè)計方法，能夠應(yīng)用一時，但給日后的數(shù)據(jù)維護運行帶來無窮的后患。你的所有數(shù)據(jù)將成為“信息孤島”：無法被別人共享，也無法共享別人信息。“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。動態(tài)變化的地理信息，是按照固定的坐標(biāo)體系不斷修測更新。地理坐標(biāo)體系實際上是地理信息數(shù)據(jù)的基本編碼字典，設(shè)計人員怎能憑自己的意愿，各自假定編碼字典。筆者并非地理專業(yè)人員，認(rèn)識地理坐標(biāo)的重要性，完全是經(jīng)驗之談。
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：從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上講，計算機數(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)庫處理模型；所有信息數(shù)據(jù)，無論是文本、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算機內(nèi)部。這是專業(yè)級系統(tǒng)開發(fā)商探討的技術(shù)問題，筆者根本沒有能力深入剖析。從具體應(yīng)用角度出發(fā)，抽象的或者說是邏輯上的關(guān)系型表格數(shù)據(jù)庫，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體。對應(yīng)用開發(fā)人員猶其是應(yīng)用操作人員來講，表格記錄與圖形數(shù)據(jù)是完全不同的數(shù)據(jù)類型，它們的組織方法、查詢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，誰也不會混淆。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)庫中進行相關(guān)的查詢、統(tǒng)計。表面看來，似乎符合這些屬性數(shù)據(jù)的管理模式。在未有計算機圖形處理技術(shù)以前，這些屬性數(shù)據(jù)無一例外地集中存貯在表格簿冊之中。但這是不得已而為之。它們本該分散標(biāo)注在圖形符號的背后，只是在手工繪圖階段，根本無法實現(xiàn)。在計算機圖形技術(shù)日臻完善的今天，可以利用隱含顯示、透明疊加等計算機圖形處理技術(shù)，方便準(zhǔn)確地將屬性記錄標(biāo)注在圖形符號背后，直觀形象地進行查詢統(tǒng)計，應(yīng)用效果如同“看圖識字”。那只是還非地理屬性數(shù)據(jù)以本來面目，從本質(zhì)上講，它們本來就屬于圖形數(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（類似于幾何實體），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)注過程只是人機對話的表面形式，集中存貯仍是屬性數(shù)據(jù)計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對編程人員來講，面對的仍是整齊劃一的DXF格式的數(shù)據(jù)表格，這與普通表格數(shù)據(jù)沒有兩樣（實際上DXF格式數(shù)據(jù)只是應(yīng)用開發(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，但這是專業(yè)級開發(fā)商面對的數(shù)據(jù)格式）。對具體應(yīng)用人員來講，直觀形象地進行查詢統(tǒng)計，是他們最大的愿望。
4． 圖形編碼法
普通表格數(shù)據(jù)庫中的數(shù)字編碼，我們已經(jīng)運用得駕輕就熟，對圖形編碼[1]可能還比較陌生。但“信息技術(shù)工作者，逐步意識到用地理位置來檢索數(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，使用圖形編碼是組織和運用圖形數(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，就是以圖形符號為基本工程語言，依照行業(yè)設(shè)計規(guī)范，繪制或標(biāo)注圖符、屬性的全過程，就是圖形編碼法。簡而言之，繪圖即編碼。
圖形編碼在未有計算機圖形處理技術(shù)以前就已存在，手工繪圖的全過程，運用的就是圖形編碼法，但使用范圍局限于狹義的圖形符號。隨著計算機技術(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)計過程。司空見慣的條形碼技術(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)的實質(zhì)就是圖形數(shù)據(jù)，沒有認(rèn)識到繪圖標(biāo)注過程就是編碼過程，也可能是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)過于流行，GIS相關(guān)行業(yè)的程序設(shè)計人員，都將非地理屬性數(shù)據(jù)分門別類，集中存貯在內(nèi)置或外掛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，并人為添加一條編碼字段，進行日常的查詢統(tǒng)計。這從數(shù)學(xué)原理上講是不成立的，簡單的圖形符號，比如條形碼，尚能用一串?dāng)?shù)碼來描述；復(fù)雜的圖形符號及其相互間的邏輯關(guān)系，根本無法用數(shù)碼來表示，否則就不存在各行業(yè)的工程設(shè)計語言。實際應(yīng)用當(dāng)中，非地理屬性數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的查詢統(tǒng)計效果，差強人意，操作人員始終處在云里霧里。更為煩惱的是，管理人員為了維護程序設(shè)計人員外加的編碼體系，費盡心機，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)計規(guī)范。程序設(shè)計人員必須首先掌握GIS及相關(guān)行業(yè)的工程設(shè)計規(guī)范，然后才能進行應(yīng)用系統(tǒng)的組織、設(shè)計。
非地理屬性數(shù)據(jù)采用圖形編碼法，才能滿足數(shù)據(jù)模塊化設(shè)計的原則。GIS相關(guān)行業(yè)的基本數(shù)據(jù)模塊，就是每張專業(yè)圖符（屬性）地理布置圖，它們是由不同類型的圖符實體，依據(jù)各自的行業(yè)規(guī)范，準(zhǔn)確連接而成的、可以獨立使用的基本數(shù)據(jù)模塊。這在關(guān)系型表格數(shù)據(jù)庫中是無法實現(xiàn)的，表格數(shù)據(jù)庫采用的是分門別類方法，不同類型的屬性數(shù)據(jù)無法整合在同一表格簿冊中。這既是它的優(yōu)點，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)庫一種，程序設(shè)計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)用實例
圖例是筆者利用最普通的ACAD（R14）作為GIS平臺（Autodesk公司提供專業(yè)GIS平臺，如AutoCAD Map、MapGuide等系列），引用當(dāng)?shù)刈畛Ｓ玫膶幉í毩⒆鴺?biāo)系，依據(jù)圖形編碼法，準(zhǔn)確繪制的配網(wǎng)地理接線圖。沒有任何地理背景，需要時可以隨時疊加任何已有的或者今后再版的地理分幅圖。沒有外掛任何關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（ACAD支持多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫），你用鼠標(biāo)就可直接點取任一電氣設(shè)備的全部屬性參數(shù)。為了保持畫面的清晰，只顯示一、二項屬性參數(shù)，其余均被隱含在圖形符號的背后。你當(dāng)然可以根據(jù)不同的統(tǒng)計口徑，編制小段管理程序，匯總統(tǒng)計各種參數(shù)，編程過程并不復(fù)雜。應(yīng)用人員幾乎可以不經(jīng)任何培訓(xùn)，就能上機查詢，真正體現(xiàn)“所見即所得”設(shè)計目標(biāo)。
根據(jù)模塊化設(shè)計原則，剝離了海量級地理背景圖，配網(wǎng)地理接線圖也是按饋線分別存貯在指定的硬盤目錄，需要時逐一調(diào)用，這樣的GIS應(yīng)用模型可以在P/100/40M普通微機上流暢運行。采用更高檔的系統(tǒng)機型，選擇更專業(yè)的GIS平臺，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的綜合性能價格比，由用戶作出最終抉擇。作為程序設(shè)計人員，必須確保信息處理的數(shù)學(xué)模型科學(xué)規(guī)范，維護運行的人機界面簡單明了。