1．概述

    无级比例尺数据管理是多种数据融合与仿真虚拟技术的必要条件。

    所谓“数字地球”无级比例尺数据管理是指以一个大比例尺（如：1∶5万）空间数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，从而使得空间地理信息的压缩和复现与比例尺自适应的一种信息处理技术。

    “数字地球”无级比例尺数据管理技术是一个世界性的难题，同时它也潜在着巨大的商业和社会应用价值。随着3S技术的飞速发展，各行业对不同地学应用目的和比例尺条件的地图产品需求与日俱增，规模空前。但是由于数字制图综合（无级比例尺）技术的瓶颈限制，目前大规模地图生产仍停留在传统手工作业的水平，因此不论从地图产品的种类、数量，还是生产速度和周期等方面都远远不能满足飞速发展的社会需要。

    尽管无级比例尺信息综合技术具有极为重要的价值，但由于该技术体系涉及的地理要素复杂多样，空间信息的综合规律难以描述和表达，因此需要非常先进、科学的制图综合模型、数据库、计算机人工智能与GIS信息处理技术的支持。近年来随着现代地图学、现代应用数学及相关信息综合技术理论的发展，以数字制图综合为基础的无级比例尺信息处理技术研究得到很大进步，从学术理论探讨到技术系统开发已成为90年代GIS的研究热点。其中比较典型的具有部分无级比例尺信息处理功能的商业化产品是Autodesk公司的MapGuide和Intergraph公司的 MGE，这些产品通过人机交互可进行一定程度上的信息综合处理。

    2．研究内容

    制图综合中各地理要素的“取舍”与“概括”是按照地物在时空范围内表现出来的差异性，由主要到次要、从高级到低级、由大到小、从整体到局部的严格次序来进行的，然而要用数学和逻辑语言来描述这个过程，必须首先将地物要素在空间属性方面进行等级化标定，然后建立面向空间对象的属性数据库，为实现无级比例尺信息处理提供准确、可靠的背景知识。

    无级比例尺信息综合的实现将涉及以下几方面关键技术（如图15．1所示）。

    （1）无级比例尺GIS数据库：地球是一个无限复杂、丰富多彩的世界，各种空间对象的层次结构和重要程度（从属地位）是通过该地理实体的空间属性所体现的。为了精确描述各空间对象之间所存在的差异性和相互关系，需要建立以属性特征为基础的地理实体空间数据库，这是实现GIS无级比例尺信息处理的核心技术。

    （2）面向空间对象的地理实体分类：由于自然界中的任何事物都具有整体上的统一性和内部结构上的差异性，具体表现为时间上的次序性和空间上的层次性，从而构成完整、严密的地物分类分级系统，我们称之为错误！未找到索引项。空间对象质量和数量特征分类系统。通过面向空间对象的地理实体分类可以建立结构化的空间地理信息体系，为空间属性数据库的生成奠定基础。

    （3）无级比例尺GIS地理信息编码：研究用数学和逻辑语言描述地理实体空间分布特征及其变化规律的空间对象地理编码模型。由于计算机模拟人脑思维的本质是要将一个复杂的质的问题转化为多个简单的量的问题，因此必须首先对空间实体在质量和数量等属性特征方面进行等级化标定，以便计算机能够“判断”出不同空间对象的主次、轻重地位，为地理要素的取舍提供客观、准确、科学的依据。

    （4）无级比例尺GIS信息综合模型：研究地图制图综合的本质特征及空间地理信息随比例尺变化的信息量增减规律。其内容是构建无级比例尺GIS的空间对象数量选择模型、空间对象内容选取模型和空间对象图形概括模型。

    （5）无级比例尺GIS的图形语义模型库：为了形象、直观、科学地表达各地学领域的地理信息，需要建立面向不同地学应用的地图符号库管理系统，以便计算机在完成地理实体的无级比例尺GIS信息处理后，自动调用相应的地图符号为每个空间对象赋予适宜的图形语义。因此我们需要根据现代地图学理论，研究适于表达不同地学领域的无级比例尺GIS地图符号库系统。

    （6）WebGIS无级比例尺数据管理组件： WebGIS是“数字地球”无级比例尺信息处理所依赖的基础技术平台，它的设计方法和技术路线将直接影响WebGIS信息综合的功能和效率。WebGIS无级比例尺管理组件主要包括：嵌入WebGIS服务器、WebGIS编辑器和WebGIS 浏览器三个平台层次的无级比例尺数据库管理、信息综合、图形语义模型，等等。

    3．无级比例尺信息处理流程

    无级比例尺信息综合的目标是根据数据显示窗口大小来确定该区域范围的地理要素选取数量和选取内容。人工制图综合是主要依靠人眼识别区域地理特征，并通过大脑综合判断各地理要素的重要性，然后按照“重要程度”从高到低的次序将地物选取到新编地图上。显然计算机没有综合与模糊判断能力，但是我们可以让机器模仿人工制图综合的思想过程，将一个复杂的质的问题转化为多个简单的量的问题。这样充分利用计算机的高速计算能力可以将复杂问题简化处理，其方法是通过空间属性数据库先将各地理要素根据其空间属性特征之间的差异进行等级化标定，这样计算机就能够根据不同的属性特征值精确计算不同地理要素的“重要程度”，并对每个类别的要素按照重要性程度高低进行排序，为计算机自动选取各类重要地物提供客观、准确、科学的依据。

    “数字地球”无级比例尺技术的具体目标是：在Internet环境下，通过人机交互和消息传递模式，实现以主题（地学应用）和地理区域为条件的空间对象无级比例尺信息处理。

    在进行无级比例尺GIS信息处理时，以原图内容载负量为基础，按照空间对象的信息综合模型，先确定新图比例尺条件下的空间对象数量选取标准，然后确定选取内容，继而对线状要素进行图形概括，最终在满足地图编绘规范和最佳目视效果条件下，以最大的信息载负量进行可视化输出[89]。具体实现过程如图7．1所示。

    1）确定地学应用

    用户通过TCP/IP在客户端确定具体的地学应用目标，包括应用专题（如土地利用分类）和地区范围（如，黄淮海地区），WebGIS将远程浏览器上的请求传送到WebGIS服务器。

    2）指定信息源

    信息源是指WebGIS无级比例尺管理所依赖的原始数据源，它是以某区域范围（如，中国全境）的大比例尺（如，1∶5万）基础地理和专题信息所构成的大型空间数据库，该数据库通常由数千或数万幅同比例尺的系列图件（如，地形图、专题图）在统一的地理坐标参照下逻辑拼接而成，并由地图库管理系统负责维护和更新。

    3）计算新图比例尺

    有了用户选定的区域范围及其在屏幕上的显示面积（或成图幅面），即可推算出新的地图比例尺，这是无级比例尺GIS信息处理的前提条件。

    4）分层处理

    一个应用项目通常由多个数据层（地物要素）构成，对不同的空间对象进行无级比例尺GIS信息处理时需要与之相适宜的模型和算法，这样可以将复杂的地学问题分别加以解决，这种方法称为地理要素的分层、分维。例如，可将地理要素分为基础地理要素（居民地、道路网、水系、等高线、境界）和专题地理要素两大类（如：土地利用分类），然后再按各地理要素的内容特点细分数据层，对水系来说可细分为点层（井、泉）、线层（单线河、双线河）和面层（水库、湖泊、池塘），最后根据不同数据层的要素进行相应的信息综合处理。

    5）符号设置

    地图符号是表达地理信息的语言，不同的空间对象在不同的地学应用和比例尺条件下所采用的地图符号各不相同。其中本系统的图形语义模型库的主要用途是针对比例尺和应用主题赋予各种地理信息以适宜的图形符号（中心点位、线型、线宽、线色、填充图案和填充色）及相应的要素注记。

    6）信息综合

    对于基础地理信息（居民地、道路、水系等），系统根据要素符号、制图综合知识库和专家信息综合模型分别确定新图上地物选取数量、选取内容（线状及面状要素）和图形化简等操作；对于专题地理信息（如，土地利用分类）则主要是进行以类别属性合并为基础的图斑综合，其中多边形边界平滑的处理方法同基础要素图形概括相似。

    7）图形修饰

    经过以上步骤的处理，原来地图的信息量已大为减少，这时的地物要素数量已能够与新比例尺的地图幅面相适应。为了表达原有线状和面状要素的外部轮廓特征，需要对该图进行图形修饰。例如采用张力样条函数插值法可对经过数据压缩的线状要素作曲线光滑处理。

    8）多层叠置

    在完成了各要素（数据层）的无级比例尺GIS信息处理后，需要在统一的地理坐标参照下将各数据层叠置起来，由于在分层信息综合过程可能会产生一些位移误差（由移位、化简、夸大表示时产生），需要协调各数据层的要素位置关系，主要原则是：

    （1）自然要素不变（河流），人工要素移位（河流附近的道路）；

    （2）主要地物固定（河流），次要地物移位（河流所属桥梁）；

    （3）稳定地物不动（等高线），易变地物移位（等高线附近河流）。

    9）图形输出

    经过上述过程，Web GIS无级比例尺信息处理的任务基本完成，通过网络数据传输即可在远程客户端的 Web GIS浏览器上获得具有最佳目视效果，并符合专业制图规范的成果图件。