地圖分析

地圖分析是採用一定的方法，認識和分析研究運用地圖語言再現的空間地理模型，以提取所需要的有關地圖信息，解決現實問題的一種手段或方法 ^[2]  。任何自然或經濟現象在地圖上都有各自設計表現的特有方式，目視分析形象特徵表現的規律，可達到看圖知意的效果。而對地圖的平面觀察仍有侷限性，有時尚須利用側視或建立三維圖解的方法，製作剖面圖或立體斷塊圖，有助於從不同的側面觀察地表形態的組合形式和地下埋藏狀況。對地圖上各種地物方位、長度、面積、地形起伏高度等，更可為不同目的需要從定量方面進行分析、量算的精度主要取決於地圖本身的精確性和量測技術的精度。不同地圖投影的地圖，對量測方向、距離、面積等要素的數值產生效果不同。為獲取正確的分析數據，應瞭解各種投影響性質及產生誤差的規律以資訂正。近年來，電子計算機和製圖自動化等新技術手段的引進，使地圖分析中數理統計和建立數學模式的方法得到廣泛應用。主要用於研究製圖現象統計特徵值和分佈密度函數性質，以及研究分析各種製圖現象間的相互聯繫，進行趨勢預測與綜合評價等方面。正確運用數學方法的另一方面，在於應用地理觀點，所採集的運算數據要有代表性或合理性，才能在可信的基礎上，更加深入分析研究區域規律性問題。

(1)地圖分析的範疇和內容。傳統的地圖分析主要是對專題地圖和普通地圖進行閲讀和解譯分析，以獲取區域某種現象要素分佈的狀況、規律，或幾種現象要素的相關關係。現代專題地圖的發展，使地圖的應用幾乎遍及自然、社會、經濟等所有的領域和學科，尤其是經濟地圖、人口地圖、環境地圖、城市地圖、資源地圖等，為地圖分析應用提供了豐富的內容，開拓了廣闊的領域。計算機和遙感技術在地圖學領域的應用，使傳統地圖學的理論、方法、技術等發生了根本的變化。同時，地圖的表象形式也出現了多樣化，數字地圖、影像地圖等新型地圖的出現和發展，對現代地圖分析的範疇、內容、方法等提出了新的要求。地圖分析除了對紙質地圖進行分析外，將逐漸轉向對數字地圖的空間信息分析和對遙感圖像數據的分析，併為多學科、多部門提供多種應用信息。因此現代地圖分析的範疇已經擴展到社會經濟發展和決策管理，區域和城市規劃，自然和社會經濟發展預測及環境科學、生態學等各個領域，地圖分析的內容也將從傳統的地理基本要素逐漸發展到對地理環境空間信息及其組合的分析 ^[3]  。

(2)地圖分析的技術方法。傳統的地圖分析基本上是由手工作業來完成，如對地圖的閲讀、圖解，對某種要素或多種要素的分析及分析結果的地理解釋等一系列過程都由專業人員手工完成。這種傳統的分析手段不僅效率低，而且與現代製圖新技術的發展也不相適應。現代地圖學新技術，尤其是計算機科學的發展和應用，為實現地圖分析自動化提供了必要的技術條件。現代地圖分析發展的根本任務就是要研究在人工監控下，藉助於計算機技術實現對地圖和地理環境空間信息的自動化、智能化分析，評價、解譯和傳輸。因此現代地圖分析發展的主要技術方法就是計算機及其軟件系統 ^[3]  。

現代地圖學的發展,使其學科體系和理論日趨成熟和完善,尤其是近20年來,國內外地圖學者對地圖學理論作了深入的探討和研究,製圖綜合理論、地圖信息論、地圖感受論、地圖模型論、地圖符號學等已逐漸構成了現代理論地圖學的基本內容。

地圖分析應用作為地圖學的分支學科，也應該有相應的理論基礎。從現代地圖分析的特徵和發展趨勢來看，認為可以把地圖信息論和地圖模型論作為現代地圖分析及其發展的基本理論。

地圖信息論是把地圖作為空間客體信息的載體，着重研究空間客體信息的表示、採集、組織、存貯、轉換、分析、傳輸、利用等技術和理論問題，可以用數量、質量、位置和時間因素等四個主要特徵來描述任何一種空間客體現象或多種現象的相關關係。從地圖信息論的觀點來看，地圖作為空間客體信息表達的一種重要形式，它不僅能精確、合理地描述空間客體的基本特徵，而且便於對空間客體現象信息進行認識和理解。地圖分析作為空間客體信息分析的重要手段，它是以表示了時空信息特徵的地圖作為分析對象，通過對地圖進行信息提取或解譯，獲取空間現象的分佈位置、分佈規律及相關關係等多方面的信息。地圖上表達的空間信息可分為直接信息和間接信息。對於紙質地圖，直接信息主要表現為位置、類型、範圍、數量、符號含義、註記等。間接信息則表現為相對位置、相互關係等。因此地圖分析實質上就是空間現象信息組織、信息分析、信息解譯和信息傳輸的過程。

地圖模型論是現代理論地圖學的一個重要理論，地圖作為地理環境現象的空間圖像模型和再現空間客體的形象一一符號模型，它精確、合理地表示了地理空間各種現象的位置、類型、數量、分佈等，通過對地圖進行分析、解譯、歸納，可以獲取各種現象的數量、質量特徵，分佈特點、規律以及各種現象間的結構、合成、相關關係等多種信息依據。用數學方法描述空間客體的分佈，建立再現地理環境現象分佈的數學模型和數字模型，是實現地圖分析標準化、定量化的根本前提，也是提高地圖分析精確性，充分利用地圖傳輸功能的有效途徑。空間客體現象的多樣性及各種現象間關係的複雜性，僅用定性的方法難以從地圖圖形上準確地認識、把握客觀世界。而藉助於數學語言來研究、分析地圖，能深入、準確地揭示空間客體間的聯繫、規律和本質。根據地圖數學模型建立空間客體與計算機存貯之間的對應關係，才能將各種地理環境現象轉換為數字形式存貯於計算機內，並根據分析評價模型編制相應軟件，從而實現圖形信息的自動分析 ^[3]  。

現有的地圖分析方法可以歸納為目視分析法、地圖量算法、圖解分析法、數理統計分析法、數學模型分析法等。在這五種分析法中，除了目視分析法外，其他四種分析法都與數學有着密切的關係 ^[4]  。

地圖的量算分析法是通過地圖的量測和計算來獲得各種要素或現象的數量特徵的一種方法。若量得圖上兩點座標為A和B，則其長度可按距離公式來算；為算得圖形面積，可採用梯形法；體積可直接利用圖上的等高線進行計算，其基本原理是在地形圖上求出各等高線所圈定的面積，將兩等高線之間作為錐台計算體積。

地圖的圖解分析法是根據地圖製作各種圖形、圖表來分析各種現象的方法。利用地圖能夠製作各種各樣的圖形、圖表，應用較多的是剖面圖、塊狀斷面圖以及玫瑰圖表等。在繪製圖形、圖表的過程中用到了數學方法。比如在剖面圖的繪製過程中，要根據比例尺製作剖面線、座標Z值的等間距線以及把平面上的剖面線、各特徵點展繪到剖面上等都使用了數學方法 ^[4]  。

地圖的數理統計分析法是研究地圖內容的數量特徵的一種有效方法，主要用於研究各種現象在空間分佈或一定時間範圍內存在的變異、相互關係，從中找出事物內部的規律。地圖的數理統計分析法主要用在以下幾個方面：

1.地圖要素分佈的統計特徵和分佈密度地圖上表示的某種現象可以看成是在不同空間或時間範圍內存在的總體，而總體是由無數相同性質的個體組成的，我們可以從總體中選取若干個體，稱為樣本。從地圖上獲得樣本的觀測值x₁，x₂，……，x_n，組成該現象的統計數列。從統計數列中進一步分析現象的數量特徵，用樣本推測總體。

2.製圖現象相互關係密切性的分析為了利用地圖研究現象間相互關係的密切性，通常採用數理統計中計算相關係數的方法。為此，首先要確定兩種或兩種以上現象的不同數量指標，最好是利用等值線圖或分級統計圖獲取數量指標的觀測值，然後計算其相關係數，以判斷現象間相互關係的密切性 ^[4]  。

地圖的數學模型分析法地圖的數學模型分析法是在地圖獲得的原始數據上建立各種現象或過程的空間數學模型，以此來對各種現象和過程進行分析，這種方法叫做地圖的數學模型分析法。因為地圖上表示的各種現象或過程相互之間存在着一定的函數關係，表現為空間或時間的函數，這就決定了可以用數學模型法分析各種現象和過程 ^[4]  。

地圖數據庫是地圖或地理數據存貯、組織、管理的有效手段，任何地理環境現象都可以通過模數轉換，以數字形式存貯於地圖(地理)數據庫系統中。從地圖傳輸的觀點來看，整個地圖生產即是數據獲取、組織、存貯、管理、分析、處理、輸出的過程，因此地圖數據庫被作為機助製圖系統的核心。地圖分析實質上就是地理信息提取、分析和分析結果的重新組織、管理等一系列過程。因此要實現地圖分析自動化，首先必須解決的問題是動態數據源，其要求如下：(1)隨時提供分析所需的各種地理現象數據；(2)能按綜合分析的要求對各種相關的地理數據進行動態組織；(3)建立分析結果與原始數據之間的聯繫，包括對分析結果的數據進行分解和組織；(4)將分析結果以各種數據文件提供給輸出設備等幾種功能。地圖(地理)數據庫不僅能提供地圖分析所需的各種地理現象數據，而且能方便、快速地組織和管理空間數據。由此可以看出，現代乃至將來的地圖分析應用活動將以地圖(地理)數據庫為依託來進行 ^[3]  。

地圖分析應用作為地圖學的重要組成部分，其根本任務就在於促進和推動地圖在各行業、各部門的應用。儘管近年來國內外許多地圖學者在地圖應用研究方面做了許多努力，也取得了可喜的成果。但總的來説，以往的工作主要侷限於地圖分析的方法和技術等問題的研究，對於地圖的實際應用則做的工作不多，已出版的地圖利用率很低，大量的地圖作品積壓在資料櫃裏，未能發揮它應有的社會經濟效益，是國民經濟中一種很大的資源浪費。現代地圖學的發展，使地圖信息源及應用領域得到空前擴大，特別是計算機、遙感技術在地圖學領域的應用，為地圖分析提供了新的技術條件，同時地圖分析的方法也日趨完善。因此加強地圖分析的實際應用，尤其是在經濟決策，資源開發及社會發展、城鄉規劃等領域的應用，充分發揮地圖信息傳輸功能，是當前地圖分析應用巫待解決的主要任務 ^[3]  。

設計研製地圖分析系統軟件是實現地圖分析自動化的中心任務。地圖分析自動化實際上就是藉助於計算機和一系列地圖分析軟件實現對地理信息的自動獲取、組織、管理，按使用目的和要求對某種或多種地理現象數據進行合成運算和定量、定性分析，並將分析的結果以圖形、圖表等多種形式自動輸出，以滿足不同用户的多種需要。地圖分析系統軟件的設計應包括以下幾個方面的功能：

(1)地圖(地理)信息的獲取功能，主要是將地圖圖形、觀測統計數據和遙感圖像數據轉換為計算機能夠接受的形式存入計算機，作為空間信息分析的數據源；

(2)空間地理信息數據組織、管理功能，主要是對反映地理現象狀況的數據進行有效的組織和管理，尤其是作多元信息合成分析所需的空間信息多重數據的組織與分解；

(3)地理信息分析功能，地圖信息分析系統軟件的核心，它應包括地圖分析的所有方法和功能，如圖解分析、相關分析、聚類分析、迴歸分析、模糊迴歸分析、多元迴歸分析、模糊綜合評判等，構成一個功能完善的空間信息分析軟件包；

(4)分析結果數據的重新組織功能，主要是對柵格分析的結果進行邊界擬構及對碎部邊界的綜合處理，也包括對分析結果數據的重新分解及數據類型的轉換處理等；

(5)機助製圖及圖形輸出功能，主要是利用分析處理後的數據製作分類、分區、分級圖形、圖表或派生出新的地圖，並將其打印、輸出到圖紙上直接提供用户使用或翰出到膠片上供製片印刷之用 ^[3]  。

專家系統是人工智能的應用領域，從應用的角度來看，由於專家系統技術具有特定領域專家解決實際問題的能力，近年來在醫學、地質勘探、語音識別等許多領域都開始了廣泛的研究，並取得了許多可喜的成果。80年代初，人工智能被引進了地圖學界，很快在地圖設計、專題地圖、製圖綜合等方面展開了研究，並取得了較大進展。從專家系統的基本原理和專家系統在地圖領域研究已取得的成果來看，發展地圖分析專家系統是完全可行的。一個完整的地圖分析專家系統應由6個部分組成:知識庫、綜合數據庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制、人機接口。當然設計地圖分析專家系統也存在一些非常難以解決的間題，尤其是知識的獲取和知識的應用。地圖分析專家系統的知識庫含有非常豐富，而且也相當複雜的知識，它既包括地圖分析專家所提供的經驗、規律、判斷、推理等各種啓發式知識，還必須包括地圖、地理方面廣泛而又缺乏嚴密結構的知識，這就為知識的獲取、表示帶來很大困難，而且這些知識之間還存在着層次、類別、相互關聯、相互制約等多種複雜的關係，怎樣有效地組織、管理這些知識是一個非常複雜的問題，也是關係到怎樣應用這些知識去分析、解譯地理現象的核心技術問題，這個問題不解決，地圖分析專家系統根本無法實現。儘管如此，發展地圖分析專家系統仍然是現代地圖分析所面臨的重要課題，在研製地圖分析系統軟件的基礎上進一步發展地圖分析專家系統是地圖分析研究的必然趨勢 ^[3]  。