中国国家自然地图集———电子地图集 3...

第 10卷第 3期2008年 6月

地球信息科学GEO2INFORMATION SC IENCE

Vol110, No13Jun1, 2008

收稿日期 : 2008204228; 修回日期 : 2008205204.

基金项目 : 国务院批准国家重点项目 (国科 249号 )

作者简介 : 廖　克 (1936 - ) , 男 , 研究员 /教授 , 博士生导师 , 国际欧亚科学院院士。从事地图学与地理信息系统、

遥感制图、地学信息图谱的研究。E2mail: liao_ ke@2631net

3 该电子地图集荣获 2007年 “中国政府出版提名奖 ”, 是全国电子地图集中唯一获政府提名奖的作品。

中国国家自然地图集 ———电子地图集 3 的研制廖　克 , 齐清文 , 池天河

(中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 100101)

摘要 : 该文包括三部分 : (1) 中国自然资源与环境空间信息的系统集成与形象显示。“中国国家自然地图集 —

中国自然资源与环境的形象显示与虚拟》 (电子图集 ) 在 “中华人民共和国国家自然地图集 ”的基础上 , 再度

创作 , 信息重组 , 并有所创新 ; (2) 体系结构和关键技术 : 体系结构和技术系统 , 关键技术问题的解决 (开发

平台的选择、地理信息的三维数据模型与三维可视化、地理信息的动态数据模型与时态可视化、虚拟地图可视

化、多源多类数据的集成 ) ; (3) 主要创新与特色 : 独特的交互界面结构 , 别致的动态交互工具 , 各种形式的

动态地图 , 丰富的三维地图浏览 , 生动形象的三维地形虚拟飞行浏览 , 新颖的多种表达方式的联合 , 查询检索

与地图分析功能。

关键词 : 国家 ; 自然地图集 ; 电子地图集 ; 设计 ; 研制

1　中国自然资源与环境空间信息的系统集成与形象显示

　　《中华人民共和国国家自然地图集》[ 1, 2 ]是代

表中国国家水平的一部大型综合性科学参考地图

集。该图集以地图的形式系统总结和概括了建国

50年来中国地学、生物学与环境科学等方面极其

丰富的第一手资料 , 揭示了中国自然环境的形成

与演变规律 , 各类自然资源与自然灾害的分布 ,

以及自然利用与自然保护工程建设的成就。图集

每幅地图都有深入的调查研究资料或创造性研究

成果作为基础 , 具有可靠性和权威性 , 其中 70%

为首次公开发表的原创性地图。而且图集的编制

与出版实现了数字化与自动化。图集出版后 , 国

内外专家给予很高评价 [ 3 ]。由我国权威专家组成

的图集鉴定委员会认为 : 国家自然地图集是 20世

纪末我国地球科学的一项重大创新成果 , 具有重

大的科学意义、应用价值与社会效益。该图集在

科学和技术上都有重大创新与突破。而且如此选

题广泛、内容丰富、技术先进的国家自然地图集

在国际上尚无先例 , 该图集是近十年国际上出版

的最优秀地图集 , 具有国际领先水平。国际地图

学协会主席本. 里斯德特教授、秘书长费. 奥美

林教授认为该图集 “为正在编制国家图集的其他

国家提供了一个非常好的榜样。”莫斯科大学的

伏. 吉库诺夫等四位教授在莫斯科大学学报上发

表文章较全面地介绍了该地图集 , 认为 “这部图

集乃是独一无二的地图巨著 , 是近十年出版的最

优秀地图集的典范。”在 2001年召开的第 21届国

际地图学协会与国际地图展览会上 , 该图集被评

为唯一荣获 “国际优秀地图奖 ”的地图集 [ 4 ]。

《中国国家自然地图集———中国自然资源与环

境的形象显示与虚拟》 (电子地图集 ) [ 5 ]在《中华

人民共和国国家自然地图集》的基础上 , 再度创

作 , 信息重组 , 并有所创新 , 例如从 540幅地图

中精选了 315幅地图资料、10万字的地图说明及

部分图片等 , 包括序图、自然环境、自然资源、

自然灾害、自然利用与保护等五个部分。其中多

数地图以矢量数据格式显示 ; 增加了最新的气象

卫星影像、地形三维虚拟飞行、部分地图的动态

演示与三维显示等新的内容 ; 设计了交互式图例、

自动量算与查询等多种分析功能以及多媒体技术。

该图集为各级领导干部、机关工作人员、规划设

计部门与科研单位的专业科技人员、大专院校师

生及其他读者了解中国自然环境、自然资源、自

然灾害、自然利用与自然保护的基本情况 ,为资

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图 1　中国国家自然地图集光盘封面

Fig11　CD cover of the Electronic Version of the National

Physical A tlas of China

源的合理开发利用、国土整治、生态环境保护、

自然灾害防治、经济建设与社会发展的规划布局

和宏观决策提供科学依据 , 同时也为科研与教学

提供重要参考图件。图集具有重要的科学意义与

应用价值 (图 1)。

2　体系结构和关键技术

211　体系结构和技术系统

中国国家自然电子地图集由数据、软件、辅

助资料、模型与方法四部分组成 (图 2)。其中数

据是图集的信息主体或核心 , 包括矢量地图、栅

格地图、属性数据三种 ; 辅助资料是数据部分的

辅助内容 , 包括说明性文字、实物图片、实景录

像和声音资料等 ; 模型和方法是在对地图集信息

表达、分析、模拟等操作中不可缺少的驱动工具

或驱动因子 , 包括符号模型、色彩模型、表达方

法、分析与模拟模型等 ; 软件则对上述数据、辅

助资料、模型与方法等进行有机的组织、联结、

图 2　中国国家自然地图集电子版的体系结构

Fig12　System structure of the Electronic Version of NPAC

5823期廖　克等 : 中国国家自然地图集 ———电子地图集 3 的研制　　　


包装和操作 , 是本图集与用户直接接触的最外在

的躯壳 , 包括交互界面、图形图像操作和数据库

操作等内容 [ 6 ]。

本电子地图集由图集阅览、表达 - 模拟、量

测分析、查询检索等功能模块组成。其中图集阅

览功能模块是用户在打开图集后最先接触的内容 ,

包括图集目录阅览 (图 3 )、分幅地图阅览 (图

4)、地图跳转和切换等功能 ; 信息表达和模拟功

能模块是本图集电子版最基本的功能部分 , 除基

本的二维地图显示和表达之外 , 还包括索引对比

显示 (即 “鹰眼 ”式全局图与大比例尺局部图的

对比与索引 )、交互图例显示 (即按图例面板上的

分类对象进行交互式的激活显示 )、地图动画模拟

(按时间或其他系列组成的自变量轴变化 )、三维

立体显示 (包括按 x、 y、 z三个轴旋转和三维立

体虚拟飞行 ) 等 ; 查询检索功能模块也是电子地

图较基本的功能 , 是针对数据库而进行的操作 ,

但本电子地图集除了一般的双向查询外 , 还设计

并实现了按关键字或表达式查询、模糊查询以及

用户自定义查询等功能 ; 量测分析功能模块则是

电子地图的扩展功能块 , 包括长度量测、面积量

算、叠置分析、专题分析等。

图 3　电子地图集目录界面

Fig13　Content structure and interface of Open Map

212　关键技术的解决

在实现该电子地图集技术系统的过程中 , 我

们解决了若干关键技术问题。主要包括 :

(1) 开发平台的选择

中国国家自然电子地图集的开发采用面向对

象及多媒体技术平台。其中系统的图形图像处理、

工具板制作、地图查询检索等功能的实现都采用

图 4　地质图 (局部 )

Fig14　Samp le part of the Map of Geology

“超图” ( SuperMap) GIS平台实现 ; 系统的交互界

面及各幅地图的逻辑组织则采用 D irector 8完成 ; 某

些地图特技和交互效果 , 还采用了 Flash技术平台等。

(2) 地理信息的三维数据模型与三维可视化

“中国年均降水量 ”、“中国年均冻土 ”等一批

专题图的三维立体表达采用线性八叉树模型 , 在

对三维地物进行建模后 , 综合运用色彩、阴影、

纹理、透视变换以及形状、尺寸、亮度、方向等

变量产生三维视觉效果。

(3) 地理信息的动态数据模型与时态可视化

对国家自然电子地图集动态地图的表达 , 采

用了基于事件的时空数据模型。其中时间维按地

理事件和地理事件间的先后关系显式地表达 , 对

于逐步变化或连续变化的地理现象 , 可以采取不

等的时间间隔 , 采用动态图像板和动态地图的方

式来表达时态信息。对其中线状要素的路径变化

和海岸线变迁 , 采用动态图例板的形式 , 把事先

准备好一系列地图组装成动画系列来展示 ; “寒潮

频次与路径 ”图幅中的寒潮路径则以线状符号的

自动蔓延产生真实的路径运动效果 ; 降水图、河

流冰情与凌汛图等 , 反映面状要素随时间推移所

发生的变化 , 表示方法是将每隔一段时间的段落

(例如 10天、一个月的时间间距 ) 作为一个单元 ,

把一系列面状地图组合起来在时间轴上播放 , 就

显示出河流冰冻线从 1111到 1121逐渐由北向南推

移 , 解冻线从 1121到 511逐渐由南向北推移 , 以

及 1至 12月各月太阳辐射量的变化、各月平均气

温的变化、各月降水量的变化、各月相对湿度的

变化等用分层设色法表现的专题内容 [ 7 ] (图 5 )。

682 地球信息科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年


图 5　各月气温图 (图上显示的为 7月气温 )

Fig15　The Map of monthly temperature

( temperature in July as an ex samp le)

(4) 虚拟地图可视化

以直观的三维地形、地物代替平面地图符号 ,

通过多重感觉通道使人沉浸于三维地理环境之中 ,

利用人机交互工具模拟人在自然地理环境中的空

间认知方式 , 并进行各种空间地理分析。同时 ,

虚拟地图又必然具有地图的抽象概括性 , 它不能

仅仅是真实世界的数字版本 , 而是从对现实世界

的三维表达中抽象出的认知规律。本电子图集中

应用虚拟地图可视化的技术对中国地形和地表景

观进行模拟和虚拟飞行表达。

(5) 多源数据的集成

包括将来源多样、类型复杂的数据进行空间

坐标体系的统一和规范化 ; 不同比例尺底图的统

一协调 ; 栅格数据与矢量数据之间的配准 ; 多媒

体数据与图形图像数据之间的超链接等。本电子

地图集的坐标体系统一确定为克拉索夫斯基椭球

体和北京 80高程系下的等积圆锥投影和等角圆锥

投影坐标系。为了把图形和图像的变形和误差减

少到最低程度 , 以国家基础地理信息中心制作的

1∶100万的地形图数据库为标准控制基础来纠正所

有的自然地图集矢量数据和栅格数据 ; 在图件配准

和形状纠正中 , 试验所有的纠正模式如仿射投影、

一至五次多项式的纠正模式等 , 针对不同来源和类

型的数据选择最优化的模式进行配准和纠正。

3　图集创新与特色

311　独特的交互界面结构

本电子地图集的交互界面的与众不同之处在

于每幅地图在共性界面基础上个性界面特征 , 即

每幅图的交互界面都具有一定的引导功能 , 引导

读图者如何在最快的时间内看和理解地图的图例、

内容结构等。

312　别致的动态交互工具

本图集的动态交互工具有三种 , 一是二维地

图的一系列按钮 , 即地图浏览 (放大、缩小、自

由缩放、漫游、显示全图 )、信息查询和索引图按

钮等 (图 6)。图集中用 Flash特别制作了动画按

钮 , 当鼠标移至按钮上时 , 按钮发生动态变化 ,

通过动画形象地表示出该按钮所具有的功能。第

二种是时间图例 (图 7)。在具体操作时 , 可以用

鼠标拖动时间滑条至任意位置 , 也可在动态演示

过程中通过时间滑条的移动来指示当前所显示内

容所处的时间。第三种是交互式图例 (图 8)。它

对用户具有引导作用。系统中所有的矢量地图都

具有交互式图例。图例上的每一个要素都与图上

内容相对应 , 用户单击图例上的任一色块或线条 ,

对应的地图内容单元就会闪烁并高亮显示 [ 6 ]。



313　各种形式的动态地图

该电子地图集中包括各种动态地图 : 如表现

随时间变化的时态地图 (黄河下游三角洲河口及

河道变迁 ) ; 以月为单位的中国太阳辐射、日照、

气温、降水量等的变化 ; 河流封冻日期及解冻日

期的推移等 [ 7 ]。此外 , 还有表现黄河下游决口冲

积扇的动态示意图、表现台风路径及寒潮路径的

线状符号等 (图 9)。

图 9　自然地图集电子版中的各种动态地图( a) 黄河下游三角洲河口及河道变迁 ; ( b) 以月为单位的中国降水量的变化 ;

( c) 黄河下游决口冲积扇的动态示意图 ; ( d) 台风路径及寒潮路径走向的有向线状符号的自动生成

Fig19　Dyanm ic map s from Electronic Version of NPAC

( a) Bayou and riverway flux map of Yellow R iver backward position; ( b) Monthly p recip itation change in China; ( c) Sketch map of alluvial

fan of Yellow R iver backward position; ( d) Automatically making the direct line symbol of typhoon route and cold wave

314　丰富的三维地图浏览

本电子地图集中有丰富的三维立体地图浏览

功能 , 包括三维地图的拉近、推远、三维漫游、

全图及分别绕 x、 y、 z 3个轴向的旋转等 (图 10)。

除了表现地表实际的三维形态之外 , 还可把其他

专题地图中的属性值以高度值 ( Z值 ) 的方式表

现出来 , 这样就可以把表现抽象专题内容 (非地

形内容 ) 的二维平面地图转化三维立体地图。例

如河流最大冰厚度立体图、年降水量三维立体图

等 (图 10)。

图 10　三维立体地图举例

左 : 中国年降水量平均分布三维立体显示 ; 右 : 旋转后的中国年降水量平均分布三维立体显示

Fig110　Examp le of 3D map

Left: 3D map of Chinaπs annual average amount of rainfall; R ight: Rotated 3D map of Chinaπs annual average amount of rainfall

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315　三维地形虚拟飞行浏览

本系统还制作了生态形象的中国地形的三维

虚拟飞行浏览 (图 11)。该三维地形以 DEM为立

体基础 , 其上叠加了真彩色的地表覆盖图像 , 形

成十分直观的中国三维立体地表景观。该飞行浏

览沿着北京 →华北 →东北大平原 →大、小兴安岭

→内蒙古高原 →黄土高原 →河西走廊 →祈连山 →

天山 →塔里木盆地 →青藏高原 →云贵高原 →四川

盆地 →长江中游两湖 →华南 →海南岛 →闽、浙 →

苏、皖 →黄淮海平原 →北京的路线 , 饱览全国地

形及地表覆盖景观。

图 11　中国三维地形飞行示例

Fig111　Examp les of fly2through on 3D landscape

316　新颖的多种表达方式的联合

本电子地图集将原纸质地图集中许多地图图

幅分解为多幅地图 , 有栅格地图、二维矢量地图、

三维地图以及各种形式的动态地图等。将这些地

图组成地图单元 , 例如降水量地图单元包括年降

水量的二维矢量地图、三维立体图以及各月的降

水量动态变化地图 , 以多种表达方法从不同侧面

反映了我国降水量的分布特点和分布规律。又例

如河流冰情与凌汛地图单元、台风频数与路径地

图单元、气温地图单元等。

317　查询检索与地图分析功能

系统具有一定的分析和查询功能 , 如量算坐

标、长度、面积、体积 , 从空间到属性的查询和

从属性到空间的查询 , 地图叠置分析等。这些功

能大大提高了本电子地图集的实用价值。

参考文献[ 1 ] 囯家自然地图集编委会 (廖克主编 ). 中华人民共和

国囯家自然地图集. 北京 : 中囯地图出版社 , 1999.

[ 2 ] 廖　克主编. 中国国家自然地图集—中国自然资源与环

境的形象显示与虚拟. 北京 : 中国地图出版社 , 2005

[ 3 ] 陈述彭. 超前决策与知识创新 ———囯家大地图集的经

历和启示. 地球信息科学 , 1999, (1) : 1～3.

[ 4 ] 廖　克 , 池天河 , 齐清文等著. 中国国家自然地图

集的设计编制与创新 ———数据库、电子图集与互联网

图集的设计与制作. 北京 : 气象出版社 , 2003.

[ 5 ] 廖　克. 中国囯家自然地图集的特点与创新. 地理学

报 , 2000, 55 (1) : 112～117.

[ 6 ] 齐清文 , 池天河 , 廖克等 . 中国国家自然地图集

(电子版 ) 的设计与研制. ICA囯家与区域地图集研

讨会论文集 (北京 2001) , 北京 : 气象出版社 , 2003,

125～134.

[ 7 ] 陈华斌 , 李伯楠 , 廖　克等. 多维动态地图时态信息

可视化研究. 地理学报 , 2001, 56 (增刊 ) : 43～48.



D esign and D evelopm en t of the Electron ic Version of Na tiona l

Physica l A tla s of Ch ina

L IAO Ke, Q IQ ingwen, CH I Tianhe( Institu te of Geographic Sciences and N atura l R esources R esearch, CAS, B eijing　100101, Ch ina)

Abstract: This paper includes three parts: 1. The Electronic Version of National Physical A tlas of China ( EN2PAC) , edited from The National Physical A tlas of the Peop le’s Republic of China, is the second created informa2tion p roduct which systematically integrates and vividly disp lays the spatial information on China’s natural re2sources and environment, and there are some innovations in its develop ing p rocess. 2. Setting up of its system

structure and resolving key technologies, including the selection of develop ing p latform, the building of 3D and dy2nam ic data model, virtualmap visualization, and integration of multi2source & multi2type data. 3. Main character2istics of ENPAC, i1e. , the unique interface structure, the special interactive tools, various types of dynam ic

map s, special browsing function, vivid virtual 3D relief fly2through, multip le rep resentation, as well as function of

analysis and query.

Key words: national physical atlas; electronic atlas; design; development

2008 ESRI开发竞赛首轮报名结束逾 1 000人参加

4月 31日 , 2008 ESR I杯中国大学生 GIS软件开发大赛首轮报名宣告结束。截至目前 , 已经有来自

80多所高校的 1000多名学生报名参加了此次比赛。其中 , 报名参加初级试题组的为 344人 , 空间处理与

建模组的为 63组 204人 , 应用开发组的为 160组 493人。除了初级试题组报名已经截止外 , 其他两组仍

在接受报名。据悉 , 今年的竞赛主题是 ———GIS也可以很酷 !

ESR I开发竞赛由中国地理信息系统协会主办 , 中国地理信息系统协会教育与科普专业委员会、ESR I

中国 (北京 ) 有限公司协办 , 是在校大学生课外活动中一项具有极强示范性与引导性的竞赛活动。该竞

赛自 2004年开始每年举办一届 , 目前已经成功举办四届。竞赛针对不同学习阶段学生的知识结构 , 设置

了由易至难的三个组 , 即 : 初级试题组、空间处理建模组和应用开发组 , 参赛学生可根据个人兴趣参加

其中一组或同时参加多组。不少学生表示 , 参加 ESR I开发大赛 , 不仅是对他们知识掌握程度的一种检

验 , 更是提升他们二次开发能力的一次机会。

GIS作为创建、管理、发布和传播地理知识的工具和平台 , 已经成为人类了解和观察现实世界的一

种新的载体 , 在国民经济和社会发展中得到越来越广泛的应用。今天 , GIS在全世界范围内得以广泛应

用 , 包括成千上万的研究机构、商业组织、政府部门等。它正影响着科学 , 影响着决策 , 甚至影响着整

个世界的进程 , GIS技术对我们把握世界将起到越来越重要的作用。ESR I开发竞赛旨在激发在校学生学

习、应用和交流 GIS技术的热情 , 增强学生的创造力和动手能力 , 大力推动 GIS技术在中国的普及 , 并

为 GIS产业的发展选拔和储备大量优秀人才。

( ESR I CH INA (Beijing) )

092 地球信息科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年


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