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摘要 本篇根據GIS具體應用實例，詳細闡述了GIS的基本數學模型，深入分析了非地理屬性數據的本質特性及組織方法，並提出了繪圖即編碼的新觀點。
關鍵詞 GIS 非地理屬性數據 圖形編碼
0． 引言
近年來，GIS數據處理技術正以前所未有的速度，滲透到社會的各個部門。各行各業的GIS開發應用急劇增加，專業GIS平臺種類繁多，新技術、新理念層出不窮，給人以目不暇接的感覺。作爲一名業餘GIS從業人員，根據行業應用具體例子，闡述GIS數據處理技術的基本原理及其應用方法。所述觀點有偏薄之處，還請GIS行家斧正。
1． 現行GIS數學模型
GIS處理的數據對象不僅僅侷限於地理測繪部門，基於地理信息基礎上的規劃、市政、土管、電力、電訊、自來水等相關行業，同樣適用於GIS數據處理技術，這是無庸置疑的客觀事實。值得探討的是：各相關部門該如何利用測繪部門提供的基礎地理信息？他們又該如何組織各自的專業數據？
現行的GIS數據處理模型，都是在海量級數字地理背景圖上，疊加各自專業圖符佈置圖，然後利用內置或外掛的關係型數據庫，查詢統計圖形符號所屬的參數記錄。這樣的數學模型，實際應用效果並不理想：操作人員在圖形、表格之間煞費苦心，但始終不得要領；應用單位除了承擔昂貴的專業GIS平臺外，還得承擔同樣昂貴的關係型數據庫平臺。筆者以爲，現行GIS數學模型的基本原理有待探討。
2． GIS數據的基本結構
海量級數字地圖本來是按一定比例尺度、一定投影帶度（地理座標系），分幅保存在地理測繪部門。以前都是以圖紙形式，現在通行數字地圖格式。大概是計算機圖形處理技術太易於拼接疊加，程序設計人員很容易將數量衆多的地理分幅圖，拼接成海量級數字地圖，作爲各GIS相關行業的地理背景。這樣的系統設計方法，違背了模塊化設計這一信息處理技術的基本原則。
就單純的地理信息而言，最小的、能夠獨立使用的基本數據模塊，就是每張一定比例、一定投影帶度的地理分幅圖。單張地理分幅圖的信息數據量相當有限，數量衆多的地理分幅圖疊加起來，才形成海量級地理背景圖。在很小的電腦屏幕上，調集海量級圖形數據，顯示效果如同印象派畫家的傑作，不知所云。實際應用當中，操作人員爲了保持畫面的清晰，常常關閉地理背景圖層。早知今日，何必當初。
GIS相關行業在數據初始化階段，確實應該儘可能蒐集所有地理分幅圖，包括不同座標體系的地理圖，這樣可以在圖紙或電子地圖上，轉錄各自行業圖符佈置圖，不必花費大量的人力、物力，到現場進行實地勘測，系統開發週期可以大大縮短。轉錄過程是必不可少的，因爲測繪部門的圖符規範與各行業規範不盡相同，圖符之間的邏輯關係更是隔行如隔山。關於這一點，各相關行業部門並無異議，實際應用也是這樣操作的。但無論從數據處理的基本原理，還是實際應用角度，都沒有理由疊加海量級地理圖作爲基礎背景。
也許有人要問，轉錄後的行業圖符地理佈置圖，仍常常需要基本地理信息作爲參考背景，那該如何處置？實際上這很容易解決，你只需將所有地理分幅圖保存在指定的硬盤目錄，需要時逐一調入疊加。很顯然，這樣的應用模式，更符合數據處理的基本原理，計算機系統資源也可大大節約。
這裏想強調一點，無論是基礎地理信息圖，或是行業圖符佈置圖，必須遵循測繪部門的地理座標系。地理座標系不僅具有嚴密的數學投影公式，而且是法定的標準規範。常常碰到一些非地理專業的設計人員，任意假定自己的地理座標。這樣的設計方法，能夠應用一時，但給日後的數據維護運行帶來無窮的後患。你的所有數據將成爲“信息孤島”：無法被別人共享，也無法共享別人信息。“地圖永遠跟不上建設”，你搜集到的最新版式的地圖，很可能是五年甚至是十年前的地形地貌。動態變化的地理信息，是按照固定的座標體系不斷修測更新。地理座標體系實際上是地理信息數據的基本編碼字典，設計人員怎能憑自己的意願，各自假定編碼字典。筆者並非地理專業人員，認識地理座標的重要性，完全是經驗之談。
3． 非地理屬性數據的組織方法
筆者認同這樣的觀點：從內部結構上講，計算機數據處理技術可以概括爲邏輯上的關係型數據庫處理模型；所有信息數據，無論是文本、數字、圖形、圖象、聲音等等，都是以抽象的表格記錄形式存貯在計算機內部。這是專業級系統開發商探討的技術問題，筆者根本沒有能力深入剖析。從具體應用角度出發，抽象的或者說是邏輯上的關係型表格數據庫，是否都得影射成外觀的表格數據記錄，這就值得應用開發人員仔細推敲。就最常用的DXF格式的圖形交換文件（數據）而言，其內部形式就是標準ASCII碼錶格數據，但它們的外部表現形式，則是具體形象的幾何實體。對應用開發人員猶其是應用操作人員來講，表格記錄與圖形數據是完全不同的數據類型，它們的組織方法、查詢手段也是完全不同的。
單純的圖形數據組織方法與單純的表格數據組織方法，誰也不會混淆。現行GIS相關行業的非地理屬性數據的組織方法，筆者不敢苟同。絕大多數應用開發人員，都將它們整合成結構嚴謹的表格記錄，並在表格數據庫中進行相關的查詢、統計。表面看來，似乎符合這些屬性數據的管理模式。在未有計算機圖形處理技術以前，這些屬性數據無一例外地集中存貯在表格簿冊之中。但這是不得已而爲之。它們本該分散標註在圖形符號的背後，只是在手工繪圖階段，根本無法實現。在計算機圖形技術日臻完善的今天，可以利用隱含顯示、透明疊加等計算機圖形處理技術，方便準確地將屬性記錄標註在圖形符號背後，直觀形象地進行查詢統計，應用效果如同“看圖識字”。那只是還非地理屬性數據以本來面目，從本質上講，它們本來就屬於圖形數據，並非一般意義上的表格數據。它們的組織方法如同繪圖一樣，必須將一條條屬性記錄（類似於幾何實體），分散標註在它們本該出現的位置。方便靈活的分散標註過程只是人機對話的表面形式，集中存貯仍是屬性數據計算機內部結構。對編程人員來講，面對的仍是整齊劃一的DXF格式的數據表格，這與普通表格數據沒有兩樣（實際上DXF格式數據只是應用開發人員的數據組碼，低層的數據代碼更爲整齊劃一，但這是專業級開發商面對的數據格式）。對具體應用人員來講，直觀形象地進行查詢統計，是他們最大的願望。
4． 圖形編碼法
普通表格數據庫中的數字編碼，我們已經運用得駕輕就熟，對圖形編碼[1]可能還比較陌生。但“信息技術工作者，逐步意識到用地理位置來檢索數據，是組織和使用數字式數據的基本方法”[2]。講得通俗點，使用圖形編碼是組織和運用圖形數據（包括非地理屬性數據）的基本方法。所謂圖形編碼法，就是以圖形符號爲基本工程語言，依照行業設計規範，繪製或標註圖符、屬性的全過程，就是圖形編碼法。簡而言之，繪圖即編碼。
圖形編碼在未有計算機圖形處理技術以前就已存在，手工繪圖的全過程，運用的就是圖形編碼法，但使用範圍侷限於狹義的圖形符號。隨着計算機技術的迅猛發展，圖形編碼的使用範圍早已超出狹義的製圖設計過程。司空見慣的條形碼技術，就是典型的圖形編碼在表格數據庫中的具體應用。DOS操作系統與Windows操作系統最本質的區別，前者採用的是數字編碼命令體系，後者採用是圖形編碼命令體系。
遺憾的是，由於不瞭解非地理屬性數據的實質就是圖形數據，沒有認識到繪圖標註過程就是編碼過程，也可能是關係型數據庫技術過於流行，GIS相關行業的程序設計人員，都將非地理屬性數據分門別類，集中存貯在內置或外掛的關係型數據庫中，並人爲添加一條編碼字段，進行日常的查詢統計。這從數學原理上講是不成立的，簡單的圖形符號，比如條形碼，尚能用一串數碼來描述；複雜的圖形符號及其相互間的邏輯關係，根本無法用數碼來表示，否則就不存在各行業的工程設計語言。實際應用當中，非地理屬性數據在關係型數據庫中的查詢統計效果，差強人意，操作人員始終處在雲裏霧裏。更爲煩惱的是，管理人員爲了維護程序設計人員外加的編碼體系，費盡心機，但始終不得要領。非地理屬性數據的編碼字典，就是管理人員熟知的行業設計規範。程序設計人員必須首先掌握GIS及相關行業的工程設計規範，然後才能進行應用系統的組織、設計。
非地理屬性數據採用圖形編碼法，才能滿足數據模塊化設計的原則。GIS相關行業的基本數據模塊，就是每張專業圖符（屬性）地理佈置圖，它們是由不同類型的圖符實體，依據各自的行業規範，準確連接而成的、可以獨立使用的基本數據模塊。這在關係型表格數據庫中是無法實現的，表格數據庫採用的是分門別類方法，不同類型的屬性數據無法整合在同一表格簿冊中。這既是它的優點，也是它的不足。數據處理技術並非只有關係型數據庫一種，程序設計人員首先考慮的就是根據不同行業數據特性，選擇不同的數據處理技術。
5． GIS應用實例
圖例是筆者利用最普通的ACAD（R14）作爲GIS平臺（Autodesk公司提供專業GIS平臺，如AutoCAD Map、MapGuide等系列），引用當地最常用的寧波獨立座標系，依據圖形編碼法，準確繪製的配網地理接線圖。沒有任何地理背景，需要時可以隨時疊加任何已有的或者今後再版的地理分幅圖。沒有外掛任何關係型數據庫（ACAD支持多種關係型數據庫），你用鼠標就可直接點取任一電氣設備的全部屬性參數。爲了保持畫面的清晰，只顯示一、二項屬性參數，其餘均被隱含在圖形符號的背後。你當然可以根據不同的統計口徑，編制小段管理程序，彙總統計各種參數，編程過程並不複雜。應用人員幾乎可以不經任何培訓，就能上機查詢，真正體現“所見即所得”設計目標。
根據模塊化設計原則，剝離了海量級地理背景圖，配網地理接線圖也是按饋線分別存貯在指定的硬盤目錄，需要時逐一調用，這樣的GIS應用模型可以在P/100/40M普通微機上流暢運行。採用更高檔的系統機型，選擇更專業的GIS平臺，應該根據系統的綜合性能價格比，由用戶作出最終抉擇。作爲程序設計人員，必須確保信息處理的數學模型科學規範，維護運行的人機界面簡單明瞭。