摘要： 地图学是一门古老的学问，因为人们总是要用地图来认识世界。地图的这一工具性的意义，从古至今没有改变。不论是手工描绘的地图，还是计算机绘制的地图，都是人类空间认知的工具。
地图的实质虽未改变，但本世纪的后50年却是地图史上变化最大、最快的50年。这是因为计算机技术的引入和认知科学的兴起，改变了地图学的面貌，促进了它的发展。我们可以先把地图的新产品作一描述，看看发生了什么振奋人心的变化，然后再回到地图学的问题上来，就会发现这一个古老的学科所面临的挑战和从未有过的广阔的前景。
(一) 实地图与虚地图
这里我们需要涉及几个新的术语，以描述当前地图产品多样化的现状。实地图，就是我们为之工作了几十年并誉为“指挥员的眼睛”的地图。这些年为了和数字技术相对应，实地图也称为模拟式地图，它是可视的地面实际的模拟。这个模拟还有另一层含义，即它是经过人工抽象和符号化了的，来源于地面(或照片)又优于地面(或照片)。之所以要花费几十年的时间、人力和物力把航空照片改制成地图，就是因为只有被读者理解的内容才能产生信息价值，这是信息论的基本原则。而航空照片除了少数专家可以看懂(也得借助某些设备、仪器)，大多数人只感到新奇和生动，但无法从中得到更多信息。可以说，实地图是空间数据可视的地图，不管它是印刷在纸上，或是显示在屏幕上，或是制成地景立体模型，或是使用虚拟现实技术提供一个“可进入”的地形仿真环境，它们都可以称之为实地图。
虚地图指的是存贮于人脑或电脑(计算机)中的地图，是指导人的空间认知能力和行为的心象，或据以生成实地图的数据。存贮于人脑中的地图称为“心象地图”(mental map)，这是心理学早已研究过的问题。地图学家在近十年来也因探索地图的认知功能和改善地图设计而对其给予关注。当计算机制图系统在生产中已被大量采用的情况下，就启动了对存于电脑中的地图的研究，包括计算机图象识别与数据输入，空间数据结构，数据库技术，以及按地图的结构建立的空间数据库等一系列的问题的研究。这些经过处理的空间数据就称为“数字地图”(digital map)。
起初，把地图数字化的结果存于光盘，或准备以地图形式表现出来的数据文件均称为数字地图。进而为了新技术的连续性，把用计算机处理和绘制出来的地图也称为数字地图。这种延伸可以理解，但不严格。因为只要将地图绘成可视的，它就不再是数字地图而是模拟地图了。所以，数字地图应是一种虚地图，它和心象地图相对应，只是贮存于不同地方而已。有必要把数字地图的概念和数字制图加以区分，以计算机技术为主制作实地图，称为数字制图技术，制出来的地图不能再称为数字地图。高水平的技术已使数字制图的成果在外形上与手工产品毫无差别，甚至更精美。用户并不关心，也区别不出某一幅图是怎样制成的，他只要求便于使用。
但是，也有不同的意见，认为数字地图的概念应由两部分来定义：地图数据文件和可视化方法^[1]。可视化方法还可以扩展为“可感知”的方法，以便把触觉地图包括进去。这种定义把技术和成果混为一谈，无法界定其含义，况且“可视化方法”是一个更广的范畴，也是一个待界定的术语。也有的学者提出“硬地图”(复制于硬材料上的地图)和“软地图”(显示于屏幕上的地图)的分类方法^[2]。但这只能是对实地图的再划分，不能从理论和实际上反映当前地图的复杂多样的现实。
把地图区分为实地图与虚地图，有非常重要的意义，特别有利于信息时代地图学的发展。这不是一种目录学的分类，而是具有发生学和认识论意义的概念。心象地图的研究离不开人的空间认知的经验、感受和经历；将人工智能引进地图设计、生产以及地理信息系统(GIS)的设计，也不能脱离电脑与人脑的比较研究。这将使“地图是人类的空间认知工具”这一地图学的核心命题得到更广泛的理解，并成为地图学强大生命力的基础。否则，单纯从地图生产的技术过程来认识地图学，就可能导致某些观念上的困惑，误将地图功能的扩展和式样的变化，视为地图可以被某些新技术产品所取代的理由，而放弃了地图学本身的研究。
静态地图与动态地图
传统的绘制和印刷的地图都是静止的叫静态地图。一旦制成，就将所表示的内容固化在那里，直到下次修订再版，因此它只是变化着的实在(reality)的瞬时记录。动态地图又称动画地图(animated Map)，是连续快速呈现的一组画面，以表现某种物体和现象的变化或趋势。这就决定了它只能在图象技术支持下的电子屏幕上实现。现在的数字制图技术已可以承担这项工作，并将动画技术提供给地图使用者，作为一种分析研究的工具。动画地图按可交互的程度分为两级，初级动画地图是根据某一主题制作在视频媒体上(磁带、光盘等)，使用者仅能改变其动作的速度或固化某一场景，用于演示地面发生的事件和现象。高级动画地图主要具有交互功能，用户根据库存或实时传输的数据按个人需要进行制图，以期从各种参数的动态图象中发现潜在的规律或倾向性的问题。这是地图学领域的一个极有前途的前沿，是GIS及各种管理系统的支撑技术^[3]。动画地图的设计除了应用静态地图的视觉变量外，至少还要考虑3个动态量：持续时间(duration)、变化率(rate of change)和排序(order)。这是完成一幅动画地图设计或开发供生成动画地图的软件所必须考虑的因素^[4]。
计算机制图系统提供了动画地图设计与制作的硬、软件环境，但利用这一工具创造出有价值的地图或实现有成效的分析研究，还需要很强的时间和空间观念。动画地图有两种运动维。时间维依时间变量显示动态；性质维依某一给定变量显示动态。创造力即“创意”，是动态地图设计者应具有的能力，计算机的功能再强，也不能代替角本的拟定和方案的创意等创造性思维。这是地图家学的职业与专业优势。只要注意眼下各种传播媒介中那些粗制滥造的地图，就可以理解这一点。
平面地图、立体地图、可进入地图
地图都是平面的，在大多数情况下称之为2维，或2.5维地图(指那些用概念方法或能产生“心理立体视觉”的方法制作的地图)。当使用这种地图仍感到缺乏直观形象，特别是用等高线表示地面起伏不易理解时，就产生了制作立体地图的愿望。从古代的马援“聚米为山谷，指画形势”(后汉书)，到现代指挥员堆制的沙盘，都表明对立体地图的这种需要。当今的计算机三维动画图象技术已可以给我们提供一种制作三维立体地图的工具，再加上双眼立体观察设备，生产具有“生理立体视觉”的三维地图已不困难，并且在很多使用地图的场合被采用。使我们感兴趣的是，在这个基础上，地图学能在虚拟现实(virtual reality)的技术领域中找到了一个新的生长点^[5]。
从方法论上来讨论，地图学所研究的不仅仅是地图的制作问题，而且还要研究地图的使用方法及使用效果。在视觉效果上，用图者总希望地图从平面“发展”成立体表象；在分析研究的方法上，地图从静态到动态将是一种进步。大多数用户在读图时都有过“进入”地图中去的欲望，特别是在观看一个沙盘或城市立体模型的时候，这种悬想更是时常出现。因此，一旦计算机技术发展到可以实现这种要求时，把虚拟环境当做是地图功能的延伸就是很自然的了。
从认识论上来讨论，地图是人类空间认知的工具，是客观世界的模型(物理的和概念的模型)而不是真正的客观世界。因此，从建立空间模型的地图制图系统转入建立可交互的虚拟环境系统，是人类环境与空间认知手段的发展和深化。可以预见虚拟地景仿真这一地图学的前沿课题在测绘工程中将有广阔的前景。几乎在同一时期，国外地图学者也都陆续关注这一问题^[3]，并认为虚拟现实将是沟通地图与现实世界的桥梁。
(二)
在概述本世纪末地图所发生的重大变化之后，我们还可以从下面几个地图学前沿技术领域的分析中加深对地图，特别是对数字地图的认识，并形成一个21世纪地图学的轮廓。
地理信息系统(geographic information system，GIS)
在地图学的百年发展中，地理信息系统的出现和完善是一件大事，因为GIS是数字地图的主要用户之一。也可以说，数字制图(digital mapping)技术和数字地图导致了GIS的出现^[6]。本来在地学领域就有地理系统理论的基础和空间分析的方法，现在有了数字制图软硬件和空间数据的支持，使地理空间分析与研究工作如虎添翼，GIS应运而生。
由于GIS在数据处理和显示上的特殊功能，使科学家和研究人员第一次尝到了随心所欲地处理数据并充分表达自己创造性思维的甜头。这是一个通过地理空间图形的分析与地图的制作来修正、完善、深化自己思维成果的过程。尤其重要的是这个过程是开放的，是可以直接与他人交流、融合、讨论的过程。这也是GIS作为空间信息可视化工具的最重要特征。忽视GIS在设计中将地图的制作与使用相结合的特征GIS就失去了它存在的意义和价值。这是因为：
1.制图(mapping)作为一种认知方法，是一个创造性的认识和发现规律的过程。癌症分布地图绘出后，才能发现若干癌病的区域性特点，从而启发人们从环境诱因上去深入探索；制作地震分布图才能寻求地震带与大地构造的某些关系。
2.制图也是一种形象思维的工具，它协助大脑将零散的空间知识和地理心象(Mental image)加以整合。我们每个人都有一定的空间知识基础，但未见得完整和正确，制图过程则可以将这些心象系统化，使认识趋于正确。军事上，战场分析要在地图上实施，一边标绘双方态势，一边形成作战决心；作家茅盾在写《霜叶红似二月花》时，是先绘制一张江南小县城的地图，然后才据以构思人物与事件的时空关系的。
3.制图又是一种强化建立记忆线索的方法。心理学家早就知道记忆的提取要靠线索，人的大脑有一种把位置信息纳入长期记忆的编码机制，而不必有意识地专门记住它。例如我们可以记住某条新闻在报纸上的位置而不必存心这样去做；我们记得某个答案在笔记本中的某处而不必记住这个答案。绘制地图有助于强化人的空间记忆能力，小学生用填绘暗射地图来强化地理知识就是例子。
过去想用上述方法强化科学家的研究工作是十分困难的事：难于找到合适的地图，常常要改变比例尺，要去照像、复制底图……，那些需要由专业制图人员完成的工作和众多的设备，使研究者望而却步。而今天，GIS能提供一切方便，从数据源到处理分析，制图软件都随手可得(理想化应该是如此)。这是数字地图和数字制图为科学家们提供的工具，是GIS得以推广和得到认可的原因。
以上是从个体研究工作的特点上来说明GIS的实质。对于一个专业单位或一个管理部门来说，它们建立的GIS的规模当然要庞大多了，不论从数据获取技术上，分析模型的建立上，数据处理与可视化处理的规模上都是一个大的系统工程。但其GIS的实质并未改变。
地理空间数据的可视化
可视化(visualization)在没有成为信息技术的专业术语之前，仅是形象化的一般性解释，如形象化教学法等等。它被赋以新的含义并走红起来，是在80年代末智能计算机即第五代计算机的研制受阻之后。
80年代中后期，试图以计算机模拟大脑的思维活动的研究工作面临一些无法逾越的障碍，除了生理学家还不能提供大脑的真实思维模型之外，现行的诺伊曼计算机也无法模拟人脑的并行性思维，随后的大型并行计算机模拟形象思维的研究也存在理论和方法上的困难^[7]。想用电脑替代人脑的愿望在可预见的未来尚无法实现。例如在视觉模拟方面如想达到实时处理，则需要处理的比特量极大，眼下的计算机还不可能实现。大脑的功能再度引起重视。“由于人类是依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识的，是在多维化的信息空间中认识问题的，而现有的信息处理工具(尤其是数字计算机)只具有在数字化的单维空间中处理问题的能力，这就产生了人类认识问题的认识空间与所用工具的处理问题的方法空间不一致的矛盾”^[8]。如果建立一种以视觉为主的多维信息空间，在人-机协作的环境中去处理问题，可能是一条有实际意义的途径。这期间不少学者又从人工智能、认知科学和计算技术的不同角度，强调了这一综合集成途径的正确性。1987年心理学家Larkin的论文从识知的角度较全面地阐述了“为什么一个图形可抵一万字”的道理^[9]；同年美国科学基金会提出了“科学计算中的可视化”(ViSC)的优先选题指南，并由此促进了这一领域的研究；王珏、戴汝为在回顾人工智能的发展史之后，提出走综合集成之路的结论，并认为建立人-机协作的环境是今后发展的主要着眼点之一^[10]。
地图学领域中可视化的研究就是在上述背景中发展起来的。因为测绘技术已全面地进入了数字化时代。由于数字地图及其相应技术的出现空前地扩大了地图的功能。传统地图本来就是可视化的，而存于计算机中的数字地图则面对一个可视化应用的更广阔的领域：地理信息系统，虚拟地形环境仿真，即构成一个多维信息空间以及各种动态电子地图等等。从近年来的研究工作看，可视化的提出也和在其他科技中的促进作用一样，在地图学领域产生了几个很有发展前景的生长点。
数字地图的可视化技术促进了地图表示法的深化，在描述环境、解释客观规律上较之传统地图有了重大突破。它可以突破时空限制，利用时间压缩、空间压缩、拓扑对应等方法将十分复杂的自然、社会现象表现出来。例如将几十万年间的地球板块运动，在几分钟内演示出来，将植被几十年的变化在几秒或几分钟内显示；将影响地表环境状况的多种因素同时显示，以探求其主导因素等等。这就是前面所谈的动态地图的优势。
地图学的可视化研究不论将重点放在开发地理空间数据可视化技术方面，还是放在数字地图可视化应用方面，都包含了“分析/视觉思维”和“传输/表示法”的成分。因此数字制图技术的发展和可视化环境已经促使传统的Kolacny地图信息传输模型的异化^[11]。也就是说，在传统的传输过程中，内容是已知的，只有标准的地图信息被传输，但在基于可视化的模型中，内容是未知的，用户是一个分析研究者，而系统则在人-机交互中以可视的数据协助他获得新知识。因此有必要提出一个新的基于交互和可视化条件下的地图信息传输模型^[11]。可以看出，可视化的概念和技术必将促进地图学理论研究的发展。
虚拟生存环境
利用数字地图和虚拟现实(VR)技术构制一个虚拟生存环境，进而提供一个多维感知的“赛博空间”(cyberspace，暂用这一中文译名)是地图学今后大有作为的领域，也是当前很引起重视的“数字地球”(digital earth)^[12]所追求的境界。人们普遍认为21世纪的信息技术在建立和谐的人-机环境方面将有许多新的创造和发展。人将通过视觉、听觉、触觉以及体态、手势参与到信息处理的环境中去，以取得身临其境的体验。这种多维信息空间就是一种“可进入的地图”，也就是赛博空间。虚拟现实技术和地图学的结合将提供其实现的基础。这就要求数字地图数据的提供应以多种分辨率或多种比例尺的配合来实现，以适应构建虚拟环境时，满足视觉“细部分层水平”(LOD)的要求。同时必须有多维地理空间数据的特点，来适应研究工作和产生真实感的需求。
90年代初，现场模拟和运作模拟首先用于影视界的科幻环境的生成，并为军事作战模拟提供虚拟战场，但眼下已不限于此。凡是拟制大型施工、建筑设计、防灾减灾、环境保护等等计划时，都需要事先进行模拟演示，以发现潜在的问题，改进方案。1995年波黑“代顿”谈判中，美国的国防制图局(DMA，1996年已改为国家制图局NIMA)用数字地图制成该区的虚拟地景供双方观察，进行领土划分，为达成协议起到了促进作用。前两年德国法兰克福市的城市规划，英格兰明奇海峡大桥的设计都采用了虚拟地景的演示方法，获得公众的认可，在议会中也得以顺利通过。
数字制图系统
基于计算机技术的数字制图系统(digital mapping system)是本世纪测绘科技发展的最有代表性的成果之一。因为在此之前地图的制作都是以手工操作为主的，尽管作了最大的努力，实现了机械化，例如用摄影测量方法制作大比例尺地形图，但制图过程仍然在暗室中用操作手轮的办法来实现。小比例尺地图的制作更是靠大脑和手的技巧来完成。当前数字制图技术已可以实现从数据采集、处理、编辑和出版的全数字化过程，所生产出的地图其质量已超过手工方法生产的水平。只是在靠大脑功能才能完成的若干环节还离不开人的参与，例如在地图设计、航空立体像对的匹配等智能性的工作上。
用数字技术生产常规纸印地图，仍然是很长一个时期的重要测绘任务，因为纸质地图有它便捷之处，便于标绘涂改，便于携带，不受环境(自然环境，计算机硬、软件环境)限制等等，是电子地图一时无法取代的。当初，测绘科技人员研究数字制图技术的初衷也只是为了纸质地图生产的自动化，把手工换成机器。只是这一进步促使了“数字地图”的出现，并进而看到了数字地图的生命力和更广阔的应用面。
数字制图系统是一个总称，其规模和数字化的程度、智能化的程度都因任务不同而有很大差别。大到一个国家级的规范化的地图生产体系，小到一个地理信息系统中的地图制作子系统，都可以称为数字制图系统。航空摄影测量的中心任务是制作大比例尺地形图，当今已发展为数字摄影测量，但仍然以制作数字地图为其主要任务，在很多国家也将其纳入数字制图系统。就长远来看，地理空间数据的获取和数字地图的制作与修正主要将依靠数字摄影测量与遥感的方法来实现。在测绘科学的框架内，数字摄影测量的地图学特征应得到充分的重视。
* 高俊教授是测绘学名词审定委员会副主任。