专题地图集设计理论、方法与应用研究

【摘要】：随着统计技术、遥感技术以及Internet技术的发展,大量的空间、时间数据被创建和积累,特别是在“数字地球”的概念被提出以后,“数字省”、“数字市”、“数字交通”、“数字中国”的研究与发展,由此产生的空间、时间数据更是以指数速度增长,在这些海量地理空间、时间数据中,可供人类利用的只有不到10%的数据得到充分利用,从而出现了“丰富的数据”与“贫乏的知识”并存的矛盾与尴尬局面,因此,在这一背景下如何从海量数据中发现有用的专题知识提取信息,对数据进行时空数据挖掘与知识发现及其可视化表达的研究显得格外重要。 另一方面,经历几千年演变发展,作为人类认识客观世界、传递时空信息的方式之一的地图,已经深入到人类社会经济生活的各个领域与方面,并持续发挥着巨大的作用。随着计算机技术、现代空间技术在地图学领域的应用和发展,尤其是多媒体和地理信息技术的应用与发展,地图的产品越来越多样化。当代地图已经不再局限于局部的静态的空间表达,目前可以利用遥感技术与知识发现技术等实现多种时空信息的表达。在这样的时代背景下,利用专题数据与信息进行时空表达,如果仍用专题地图表示方法表示某一制图区域与主题有关的所有时空信息已不太适合,笔者认为利用专题地图集表达更加适合。 专题地图集强调的不是单幅地图,而是各种专题信息按照某种规律组织起来的、组成有机的信息综合体,是一个可以更深刻地表现某一专题要素或现象及其客观实际的思维集合。认识了地图集的这种综合性质,才能够更好地开发专题地图集的信息承载、传输、认识等功能。专题信息的地理时空知识是非常复杂也非常丰富的,同时也是专题地图集编制中的核心与主体。因此,研究专题信息的地理时空知识发现可以充分挖掘数据中存在的空间规则、空间模式、时间规则、时间模式,发现专题信息的时间、空间规律,并指导专题地图集的编制设计,因而具有非常重要的理论意义和社会意义。 在以上两大背景之下,在国内外现有研究的基础上,本文将数据挖掘理论与专题地图集智能设计研究结合起来,一方面对专题地理空间知识发现和专题地图集设计两个领域的几个关键技术进行了深入研究,另一方面探讨了专题地图集设计中地理空间知识发现的问题,提出了专题地图集智能设计(TAID)的概念,为专题地图集设计研究工作提供相应的空间理论依据,同时本文以中国性别平等与妇女发展地图集为研究案例,研究了该地图集及时空统计数据挖掘问题,得出了关于专题地图集智能设计的相关结论。通过比较研究国内外具有代表性的专题地图集成果,分析和认识专题地图集的内部结构设计驱动力及其应用,为专题地图集的制作提供理论参考。具体研究工作如下： (1)系统讨论了时空数据的基本问题,并对时空数据和常规数据在知识发现领域中的根本区别进行了详细探讨；分析了地理专题知识的基本内涵与知识表达方式,对地理专题知识库进行了讨论,包括知识库的层级结构和组织结构等；探讨了时空数据挖掘的基本理论,分析了时空数据挖掘所能发现的知识类型；分析了目前现有的时空数据挖掘方法,并对其类别进行了归纳,分析了时空数据挖掘的体系结构与一般过程。将时空数据挖掘的概念引入专题地图(集)设计,以期解决当前专题地图设计与制作中出现的问题。 (2)提出了地理专题知识管理和地理专题知识管理系统的概念和理论,包括地理专题知识管理的定义与一般过程等；提出了地理专题知识管理系统的概念、总体结构设计与主要功能模块设计；以性别统计数据为例,设计了基于性别统计数据的性别平等与妇女发展专题知识管理系统,包括系统的功能设计、知识库设计、结构设计、运行原理设计等。由此强调地理专题知识管理研究的重要性。 (3)分析了构成地图符号系统的构成元素,并探讨其设计规则。地图符号系统并不是由孤立的、互不联系的符号所组成,这些点、线、面乃至图形、色彩、文字都是按一定法则、互相联系的符号系统。更为重要的是,不同的专题可以形成独特的设计思路和地图符号系统,不断完善的专题地图符号系统具备了复杂的图形、固定的表达和普遍认同的色彩体系。 (4)从设计学的角度,对国外具有代表性的一些专题地图集进行比较研究,并着重在方法设计和符号设计两方面,选取典型案例进行解析。专题地图集是以地图形式反映的科学和艺术相结合的成果。专题地图集所选主题具有系统性、完备性的特点,表示方法多样,编图程序及制印工艺复杂,一定程度上可以代表同期专题地图集的编制水平。从专题地图集设计的角度,选取国内外专题地图集的典型地图作品进行比较研究,针对表示方法和符号设计方面的一些案例,发现专题地图设计集的一些规律和经验,为中国性别平等与妇女发展地图集的设计与制作提供参考。 (5)选择专题地图集研究中一个比较重要的问题：数据处理与地图设计作为重点研究对象,深入剖析了专题地理数据挖掘的基本内涵,提出了时空统计数据挖掘和专题地图智能设计的概念,深刻分析了性别数据挖掘、统计数据挖掘、时空统计数据挖掘与知识发现之间的概念区别和联系；首次对性别时空统计数据挖掘进行了归纳总结；对性别时空统计数据挖掘和知识管理进行了重新研究；介绍了专题地图集的基本情况；分析了目前专题地图集设计体系存在的问题,并给出了相应的解决方案；对专题地图集设计的要素选取问题进行了详细探讨,主要包括对国外的专题地图集和国内现有的专题地图集情况进行了探讨,分析了其不合理之处；提出了专题地图集的智能设计理论,对其基本概念和原理做了详细介绍,并指出了其优越性和可行性及意义；提出了专题地图集的智能设计层级划分与设计方案,并以以中国性别平等与妇女发展地图集为例,通过编制图集来详细介绍了时空统计数据挖掘和专题地图集智能设计的方法,为数字地图产品的应用提供支持。 (6)介绍了专题地图集的研究现状；以中国性别平等与妇女发展地图集为例,选取了中国性别平等与妇女发展地图集总体设计与编辑设计等几个方面及其数据挖掘与地理空间知识发现进行了实例分析；对中国性别平等与妇女发展地图集设计中存在的问题进行了分析；对这些问题提出了相应的对策；探讨了专题地图集需重点建设的几个领域。