计算机地图制图学发展及其应用

巴全光

（中国矿业大学（北京） 资源与环境工程学院，北京 ）

摘要：在计算机及相关学科的推动下，计算机制图学发生了深刻的变化，这些涉及到制图数据来源、制图生产过程、制图表现形式乃至制图工具诸多方面，并不断向前发展。计算机制图学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一，并广泛的在地图制图和在采矿工程制图中得到发展和应用。

关键词：计算机制图，采矿工程， 发展及其应用

1、前言

计算机图形学作为一门新兴学科，虽然只有几十年的时间，已经在电子印刷术、计算辅助设计与制造（CAD∕CAM）等方面性的进展外，在其他领域的应用也相当广泛。其中计算机辅助设计与制造就是典型的应用，计算机辅助设计与制造（CAD∕CAM）最早应用于航空工业。在计算机辅助制造方面，由于计算机图形学的支持，使得计算机图像编程成为可能，从而充分发挥了数控机床的效能，消除了手工编程和减轻了程序员的劳动。计算机集成技术和系统也由于利用了计算机图形学的原理，才得以在CAD、CAM和CAQC之间传递产品外形和技术数据。计算机地图制图就是随着计算机技术、图形图像处理技术、网络技术以及空间数据库等技术在制图领域的广泛使用而不断发展和完善起来的一门新的制图技术，并得到了广泛的应用。

2、计算机地图制图概述

2。1计算机地图制图的概念

它是研究地图制图原理和地图编辑计划的要求，利用计算机及其联结的输入和输出设备作为主要的制图工具，通过应用数据库和图形学的数字处理技术，实现最佳的解决地图信息的获取、变换、传输、显示和输出。它的出现取代了传统手工制图的生产方法，增强了地图工作中解脱出来；缩短了成图周期，提高了地图的现势性；改变了传统地图产品的种类，改变了地图产品形式过于单一的局面，丰富了地图产品的种类，改变了地图的应用模式，拓宽了地图应用领域；降低了地图制图的专业门槛，使更多的人都可以参与到地图的制作，增强了人们对地图的认识与了解；在制图学到现代制图学的跨越，是地图学领域的一次根本性变革。计算机制图学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一。

2。2计算机制图的发展历程

传统的制图绘制过程全部是手工清绘、刻绘。数字制图技术的引入了生产力 ，提高了工作效率 ，这是一个质的飞越。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风Ⅰ号计算机的附件诞生了；1958年，美国Calcomp公司由联机的数字纪录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪；50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系。60年代，1962年，MIT林肯实验室的I。E。Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文；1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bezier提出Bezier曲线、曲面的理论。19年MIT的教授Steven A。Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面；遥感制图。70年代光栅图形学迅速发展区域填充、裁剪、消隐等基应算法纷纷诞生；图形软件标准化：1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议；ACM成立图形标准统”（Core Graphics System）；ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS； 真实感图形学：1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型；1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理；1975年，Phong提出了著名的简单光照-Phong模型；实体造型技术：英国剑桥大学CAD小组的Build系统；美国罗彻PADL-1系统。80年代，1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算Whitted模型；遥感制图的大力发展，环境变化与资源整合；图形硬件和各个分支，ACM SIGGRAPH会议全称“the Special Interest Group Graphics and Interactive。 90年代以后，显示设备：液晶显示器、图形加速卡以及数据输入设备，三维软件得到快速发展，真实感更强。

在计算机制图条件下，地图数据可以存于数据库中，提高了数据的利用率，这是另一个质的飞跃。传统的地图出版工作 ，从编绘到印刷出版一般周期较长 ，这是不符合信息时代节奏的 ，因而也成了现代地图学引进计算机辅助制图技术的动力。

2。3 计算机地图制图的发展变革

1）资料准备 这一阶段主要是根据制图要求，搜集资料。传统的制图资料包括地图资料、控制测量成果、文字和统计资料。新技术条件下新增加的制图资料包括地图数据库和遥感图像等。地图数据库是以数字地图的形式存储各种来源的数据，地图数据库一旦建立，长久受益，广泛地为社会各行各业服务，提供丰富多彩的数据产品，避免重复劳动 ，节约社会劳动力，创造更多的社会财富。同时可长期保留数据，动态更新，充分提高数据的利用率，创造更大的社会效益和经济效益。摄影测量学已有一二百年的历史 ，遥感学科是本世纪60年代提出并发展起来的，随着新型传感器的不断研制、影像处理技术的进步，制图工作者不仅可以从低空、中空、高空飞机上 ，而且可以从人造地球卫星、载人宇宙飞船、航天飞机等空间飞行器上取得各种图像作为地图制图的数据源，这些图像的覆盖范围可以小至几百米，大到覆盖 1/ 3的地球，图像类型不仅有黑白、彩色、彩红外片，而且有可见光、红纸基地图亦称传统地图，是空间地理环境的抽象化、概念化和可视化的图形符号模型，它是按照严格的数学法则和科学的制图法则，利用符号系统记录空间地理环境信息，能反映自然和社会现象的空间分布、组合、联系与制约关系。它具有静态的局部性，不能有效反映具有时间特性的连续变化的地理环境，无法进行动态分析。尽管如此，目前它在国民经济和国防建设中仍有不可取代的作用。因为它适合人们较传统的习纸基地图亦称传统地图，是空间地理环境的抽象化、概念化和可视化的图形符号模型，它是按照严格的数学法则和科学的制图法则，利用符号系统记录空间地理环境信息，能反映自然和社会现象的空间分布、组合、联系与制约关系。它具有静态的局部性，不能有效反映具有时间特性的连续变化的地理环境，无法进行动态分析。

2）制图编辑计算机制图技术的应用，使得制图设计工作进入了一个崭新的境界，它给地图制图及设计人员提供了强大的支持与保障，它可以使设计的意图充分表现出来，设计者不必畏手畏脚，担心设计思想实现不了。地图资料信息源的扩大和数据采集技术的发展，搜集资料不再是难事，庞大的地图数据库可以让人们开拓视野、放宽思路，使地图制图的目的和地图的用途随设计者的愿望而实现，计算机软硬件强大的功能及其附属的输入输出设备的高度精确性、稳定性使得诸如地图投影的选择、符号的配置、线划的质量、比例尺的改变、地图的整饰等等传统作业方式下比较繁锁的工作都已不在有任何困难，计算机可以给设计工作提供一个交互的、所见即所得的工作界面，不但可以提高设计工作的效率，而且可以保证设计方案的质量，避免重复返工现象，缩短成图周期。计算机三维技术、动画技术、多媒体技术、图形图像技术的发展，实现各种功能的软件浩如烟海，各种硬件设备的成熟，这些条件可以让我们充分利用计算机进行创意设计，新技术条件下的创意设计不仅使得传统地图的设计锦上添花，而且使电子地图、三维立体地图等新的地图产品把地图的艺术表现手法提高到一个新的层次，另人耳目一新，使地图除了最基本的实用功能外，有了更多的科技含量和更高的艺术魅力。

3）数据库的建立与地图成果输出制图数据经过人机交互或计算机自动处理以后在输出设备上输出，形成纸基地图或电子地图成果，可充分满足各行业用户的现势需求。并且地图数据库中的地图数据经过一定时期的生产积累在不断扩大采集存储数据量的同时，利用数据库中的这些数据定期对已存储数据进行动态更新，经过较少的处理就可以输出新成果，那么在相关制图区域地图的出版工作中，尤其是已有图的再版或系列地图的出版工作，优势更加明显，这样可以充分提高数据的利用率，极大地缩短成图周期、降低制图成本。

4）地图产品的多样性地图学所以充满生机和活力，重要的原因是地图是社会发展需求中不可替代的产品。计算机及相关学科的发展，使地图的表示形式突破了纸基地图的局面，带来了地图产品的多样化。在计算机制图环境下，有了数字地图，既能生成电子地图又可生成纸质地图。数字地图、电子地图、纸基地图各有不同特点和作用，任何时候都是不可能互相取代的。习惯的视觉读图效果，不需专门硬件设备即可携带使用。但携带大批量的图纸资料，即不方便又不符合地图保密安全的要求。电子地图是目前在计算机技术支持下发展起来的一种新型地图 ，又称屏幕地图和瞬间地图。它一经问世 ，就因其独特的动态性、交互性和探索性、多媒体结构等性能而倍受青睐。电子地图与纸基地图相比其最大特点是 ，数据存储与显示是分开的 ，地图内容通过数字化形式存储在相关介质中 ，应用时，由读图系统界面提供符号化图形。电子地图具有多媒体等技术优势，充分地体现了地图绚丽多彩、形式多样化的现代艺术设计手段，如图形图像学支持下的 

5）三维立体地图、虚拟现实技术支持下的现代化的地图产品。数字地图具有信息载负量大、传输迅速方便等特点。地图制图可以凭借在图上的强大专业优势 ，向其他行业提供数字地图 ，节约社会必要劳动时间，创造更大的社会效益与经济效益。光盘、磁带等存储介质容量大，稳定性、安全性高，可以用于装载传送数字地图；目前计算机网络技术空前发展 ，数字地图可以形成标准格式，通过Internet的Email等形式直接传递给用户。这也是地图的新技术产品以新技术方式为社会服务的关键所在。家庭计算机的拥有量正迅速增加，广泛开发应用的地理信息系统产品与传统地图相比，GIS数据源在增多，数据量在增大；在遥感等技术的支持下，可保证数据的现势性；数据查询、检索方式灵活多样，信息传输的可选性增强；通过数据分析和计算，可以为用户提供大量的派生信息；计算机图形技术提供了多种多样的地理信息产品及传输方式。因此大力发展桌面GIS ，并使之进入千家万户，使我们的地图产品和服务方向产生一个新的质的飞跃。 

3在采矿工程专业的应用

采矿工程是一种在地表或地下空间进行的岩土开挖工程。在采矿过程中，需要绘制矿山地质、采矿和测量图形的制图工作。计算机技术，尤其是计算机图形技术的发展使得以计算机为基础的CAD系统大量出现。利用CAD技术进行二维图形的自动输入和输出已比较成熟。

3。1采矿工程制图取得的进展概述

煤矿矿井开采的重要特点是地下作业， 生产环节多、工序复杂。井下生产系统包括掘进、提升、通风、排水、动力供应等系统， 井下生产系统巷道、硐室空间交错复杂。因此， 精确的矿井设计图纸对指导煤矿建设和生产显得尤为重要。矿井各种设计图纸是矿井设计、施工及生产工作安全、合理、有序进行的保证， 也是实现煤矿信息化的基础。计算机绘图是实现矿图数字化和精确化的基础和保证。

1）传统手工绘制矿图存在的问题：过去绘制图纸的方法较为单一， 基本采用手工制图。传统的矿图处理与采矿设计工作都是由手工来完成， 存在较多的问题， 如: 设计绘图速度慢， 设计周期长; 绘图重复工作量大; 图纸质量差， 标准化和规范化程度低; 手工设计的图纸普遍存在精度低、误差大的问题， 有些误差会给生产带来严重的后果; 图纸资料利用率低， 不易保存、交流和管理成本高、效率低、效益差。因此， 计算机辅助设计系统对于实现矿图设计数字化， 提高矿图设计的质量， 缩短设计周期， 降低设计成本具有重要意义。因此学生熟练掌握计算机绘图方法， 对于在校期间完成各种设计任务和将来从事的工作都有重要的帮助。

2）CAD 辅助设计软件绘制矿图，AutoCAD 是美国Autodesk 公司研制开发的计算机辅助绘图软件， 在机械、建筑设计等领域有着广泛的应用， 是目前国内使用最多的CAD 软件。结合采矿工程的专业特点， 对于AutoCAD 进行一些简单的二次开发工作， AutoCAD 就能成为采矿工程中最为适用的绘图软件。例如在讲授线型加载这部分内容时， 要给学生讲解自定义线型的方法。通过自定义采矿工程专业线型， 可以提高绘图的速度和重复使用该线型。在绘制采掘工程平面图时， 要用到一些如井田边界线、煤柱保护线等专业线型，通过使用已经开发好的线型可以快速的绘制平面图形。煤矿井下巷道系统在空间上交错布置，对于生产实践基础较少的学生，仅从矿井设计平面、剖面图上看出巷道的空间布置关系具有一定的难度。

3。2计算机制图在采矿工程应用的优势

计算机制图系统和传统制图相比，在工艺流程、制图精度、成图周期等方面都产生了巨大变革。传统的手工制图生产流程正逐渐被新的作业方式和技术要求所替代。计算机制图具有以下特征：

1）引入了三维信息和时态信息，使得制图的内容更加具有丰富性和多样性

2）计算机制图是一个可提供查询、分析和应用的多元化模式的地图，因而，具有无缝性和高精度性。

3）在计算机制图中，用户可以依据自己的需要对进行分类、组合、计算和处理，从而形成与自己需求相符合的各种比例的图形。这是由于在计算机制图中，通过专门的程序可以将各种遥感图像、普通图像、普通地图和专题地图等信息转化为各种数据，而这些数据却恰恰是计算机制图的数字来源。

4）计算机制图是一种有着交互技术的新型制图形式，与传统制图的色彩、比例尺等存在要素的单一性不同，计算机制图具有较强的实用性、适用性以及用户的广泛性。具有表现在不仅更加易于编辑、修改、更新，还具有快速、精确、丰富的信息量以及新颖多样的图形，用户可以根据自己的要求进行随意的补充和更改。

4、计算机制图在采矿工程中面临的问题

现有的制图数字化生产方式包括制图图数据采集、数据处理、制图图编辑和制图输出等技术环节，从近几年的实际应用情况来看，有以下问题需要解决：

1）制图数据采集、制图编辑、制图输出以及质量检查等环节的软件相互，不支持网络协同或同步作业，应急制图作业能力差，生产作业效率较低，需要实现网络化制图生产作业。

2）现有数字制图软件常常限定于单一比例尺和单一图种，软件不够通用，缺少利用现有地理信息资源实现专题制图设计与制图的数字制图系统。

3）在矿山图件生产中应用多源数据集成与同化技术的研究还需要进一步加强。现有数字制图软件功能不足，多源数据的处理功能还比较薄弱，对影像数据、扫描图像以及部分现有矢量数据的纠正与处理方法不多，新型资料的处理和应用功能较弱，不同坐标系统和投影系统转换不够灵活，不同格式的数据导入导出不够方便。

4）现有数字制图软件不具有制图设计和综合编绘功能，缺乏数据处理自动化和智能化技术。制图设计综合长期以来一直依靠人工进行，即使在计算机环境下也是如此，速度慢，标准性差，需要解决制图设计和综合智能化与半智能化的问题。

基于上述几点，为提高制图生产作业效果，完善和加强数字化制图生产体系，须研制以数据采集、数据处理、制图编辑、出版处理、制图输出和质量检查为一体的基于网络的新一代制图系统，即计算机制图技术发展需要实现生产网络化，制图设计与综合智能化，多源信息集成化，专题制图通用化，纸质、数字、电子地图生产一体化，从而满足矿山图件生产急需，缩短成图周期，使各种矿山图件的生产和更新更加高效快捷。

结束语

随着科学技术的发展，计算机制图技术的应用前景广阔，与许多学科都有联系，尤其与计算机的、信息、物理、测量、地理、数学、水文地质、卫星遥感以及色彩学等学科的联系更为密切。计算机科学与信息科学、数学、物理学是数字制图的技术基础，测量学给制图提供地面控制成果和实测地形原图，地理学为制图提供认识和反映地理环境及其空间分布的基础，水文地质给制图提供地面和地下空间分布规律的基础信息，航空像片也成为编制地图的一种重要资料，色彩学体现数字制图产品的视觉效果。由于实际制图编制工作中制图软件在某些功能的实现方面还存在一定的局限性，因此在今后的工作中还将有更多的计算机地图制图技术问题以及在采矿专业中广泛应用需要去研究和探讨。

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