趙計環(huán)，薛志忠，張貴俊，張智清

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速出圖技術(shù)的研究與應(yīng)用
——以“內(nèi)蒙古快速出圖系統(tǒng)”為例

趙計環(huán)，薛志忠，張貴俊，張智清

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

常規(guī)地圖生產(chǎn)過程中，制圖綜合自動化程度低是長期困擾地圖工作者的難題，內(nèi)蒙古地圖院快速出圖系統(tǒng)采用數(shù)符分離模型，基于自動綜合技術(shù)和專家知識模版，依托WJ-Ⅲ地圖工作站建立了數(shù)據(jù)綜合與制圖應(yīng)用技術(shù)體系，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從大比例尺到小比例尺的自動縮編，滿足數(shù)據(jù)日常更新，支持快速出圖，可向社會提供應(yīng)急保障服務(wù)。

數(shù)符分離模型；數(shù)據(jù)綜合；自動化成圖

一、引 言

地圖作為人類對地理空間認知活動的一個產(chǎn)物，承載著地球表面豐富的地理信息要素，使用范圍越來越廣，服務(wù)對象日趨呈現(xiàn)多極化趨勢。近年來，經(jīng)濟社會的快速發(fā)展及城鄉(xiāng)一體化建設(shè)對地圖的成圖周期提出了更高的要求，既要快速、準(zhǔn)確，又要現(xiàn)勢性強。但在實際工作中，由于常規(guī)的地圖出版制作周期長、效率低，地圖縮編綜合耗時間、費體力，是一項非常繁瑣的“細活”，少則十天半月，多則達數(shù)月之久，很多工作因等待成圖而耽擱，不能很好地滿足當(dāng)前用戶的用圖和政府部門的宏觀決策、規(guī)劃設(shè)計及應(yīng)急保障的需求。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種地理信息數(shù)據(jù)與地圖制圖軟件的應(yīng)用，地圖的生產(chǎn)方式實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的手工制圖向數(shù)字化生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)化。制圖進入數(shù)字化時代以后，整個生產(chǎn)的工藝流程發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，由先出圖后建庫模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄冉◣旌蟪鰣D。但從大比例尺到小比例尺的縮編自動化程度不高，都是計算機輔助人機交互操作實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)的聯(lián)動更新上也受到制約。因此，自動化、智能化快速出圖技術(shù)的研究應(yīng)用是當(dāng)前的重要課題。

本文以“內(nèi)蒙古快速出圖系統(tǒng)”為例，探討在已有地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)從大比例尺到小比例尺的自動縮編，實現(xiàn)對全區(qū)、各盟市、旗縣及部分城區(qū)的快速成圖與輸出，為自治區(qū)各級政府、社會提供及時、高質(zhì)量的地圖服務(wù)和測繪應(yīng)急保障服務(wù)。

二、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)模式

截至目前，內(nèi)蒙古地圖院經(jīng)過多年的事業(yè)發(fā)展，積累了大量地圖數(shù)據(jù)，既有不同比例尺的單幅地圖數(shù)據(jù)，也有較為完善的全區(qū)1∶5萬、1∶25萬和1∶100萬基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫，從2007年起啟動了“內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖出版基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”項目，運用山海易繪軟件，人工編輯了全區(qū)1∶25萬、1∶160萬、1∶350萬3種比例尺的大版和局部區(qū)域的1∶5萬制圖數(shù)據(jù)庫。但這些數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系、投影、格式和規(guī)格不盡相同，在資料的使用和更新上無法滿足現(xiàn)實需求，如在編制盟市單張圖時，技術(shù)人員利用1∶25萬制圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，為達到整飾美觀效果，使用CorelDRAW軟件，對新增變化的要素只能在1∶25萬制圖數(shù)據(jù)庫上進行修改，不能對其他尺度的制圖數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)動縮編修改，受到現(xiàn)有軟件CorelDRAW、山海易繪和Arc/Info的局限，地形數(shù)據(jù)庫和制圖數(shù)據(jù)庫也不能同時進行聯(lián)動更新，逐步造成制圖數(shù)據(jù)庫與地形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不匹配。因此，在數(shù)據(jù)的日常維護更新上需投入大量的人力、物力和較長的時間甚至重復(fù)勞動，非常有必要建立完善統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的實時更新，保證數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的現(xiàn)勢性。

三、快速出圖系統(tǒng)的技術(shù)特點

通過分析和研究現(xiàn)有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)模式及生產(chǎn)過程中存在的問題，內(nèi)蒙古地圖院提出了“快速出圖系統(tǒng)”項目建設(shè)，目的是滿足日常數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從1∶1萬到1∶5萬、1∶25萬、1∶100萬、1∶400萬的逐級聯(lián)動更新，以支持各級制圖數(shù)據(jù)庫更新并實現(xiàn)多種比例尺數(shù)據(jù)自動化高效成圖，支持打印以及網(wǎng)絡(luò)化等多樣輸出。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)動更新和快速成圖，主要解決數(shù)據(jù)從大比例尺到小比例尺的自動縮編，它也是快速成圖的數(shù)據(jù)源，因此快速出圖系統(tǒng)解決的核心問題就是數(shù)據(jù)的自動綜合和自動化成圖?；趦?nèi)蒙古地圖院的技術(shù)現(xiàn)狀，與中國測繪科學(xué)研究院合作借助基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫快速出圖技術(shù)，解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)點來實現(xiàn)。

1.數(shù)符可分可合模型

計算機輔助下的地圖表達就是在地圖符號庫的支持下，將符號表示數(shù)據(jù)與地圖編輯數(shù)據(jù)融為一體，其中符號表示數(shù)據(jù)用于確定表示地理要素的地圖符號，包括地理要素標(biāo)識符、符號庫標(biāo)識符與地圖符號標(biāo)識符3個基本成分，可由GIS關(guān)聯(lián)表描述或圖示表達的表達規(guī)則生成，CorelDRAW就是這種方式。而GIS側(cè)重于空間分析，以地理數(shù)據(jù)為中心，CAD側(cè)重于制圖，以圖形為中心。用這些軟件實現(xiàn)計算機制圖縮編時，都是把數(shù)據(jù)綜合(模型綜合)和圖形綜合一起考慮，兼顧的因素太多，計算機代替人腦對地圖的編繪比較復(fù)雜化，且自動化程度不高。

地理數(shù)據(jù)與符號均是對地理對象的描述，其中數(shù)據(jù)側(cè)重于記錄地理對象的信息，而符號側(cè)重于對地理對象信息的可視化表達。地理數(shù)據(jù)與符號是兩個不同的概念，它們之間既相互區(qū)別又相互聯(lián)系，地理數(shù)據(jù)負責(zé)描述并記錄地理要素客觀的地理信息包括幾何、拓撲及屬性數(shù)據(jù)，而符號負責(zé)描述并記錄地理要素的表達樣式信息，兩者之間通過ID或名稱等字段進行關(guān)聯(lián)，這樣就實現(xiàn)了符號與地理數(shù)據(jù)的分離。

快速出圖系統(tǒng)把數(shù)據(jù)綜合(模型綜合)和圖形綜合分開考慮，建立數(shù)符分離模型，將地圖自動綜合分為模型綜合和圖形綜合兩大類。模型綜合又叫數(shù)據(jù)庫綜合、地理信息提取、概念綜合。在模型層次進行綜合有利于GIS中的數(shù)據(jù)訪問。模型綜合和圖形綜合的區(qū)別是：模型綜合操作數(shù)據(jù)庫，且不依賴圖形表示。另外，圖形綜合是依賴于比例尺的，而模型綜合則不依賴于比例尺。同時，模型綜合由分析查詢驅(qū)動，而圖形綜合主要由信息需要驅(qū)動。但是，二者并不是獨立的，模型綜合是圖形綜合的先導(dǎo)。

符數(shù)分離模型實現(xiàn)了地圖符號獨立于制圖平臺，符號數(shù)據(jù)既可以與地理數(shù)據(jù)整合在一起生成可以出圖的地圖數(shù)據(jù)，又可以隨時把符號數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)分開。

2.數(shù)據(jù)綜合

任何一種比例尺地圖都有其容量限制，不可能將地面上客觀存在的物體全部都表示出來，只能根據(jù)地圖的用途、比例尺和制圖區(qū)域的特點，以概括、抽象的形式反映研究對象的主要特征，這個過程叫地圖綜合。它是通過概括和取舍的方法實現(xiàn)的，概括是對制圖對象的形狀、數(shù)量和質(zhì)量特征的化簡，去掉輪廓的碎部代之以總的形狀特征，縮減分類分級的數(shù)量，減少制圖物體間的差別。取舍就是從大量的制圖物體當(dāng)中選取較大的、較重要的物體表示在地圖上，地圖綜合是一個人類發(fā)揮創(chuàng)造性才能的過程。

信息化時代的地圖縮編需要將人類智慧全面轉(zhuǎn)化為計算機的智能，讓計算機模擬人腦完成地圖綜合，地圖綜合過程實際是一個目標(biāo)約束下的優(yōu)化問題，也就是尋求最優(yōu)解，采用基本綜合算法滿足若干制圖約束條件下的優(yōu)化過程。地圖綜合對象可以分為兩類，一類是自然地物，一類是人工地物，要素劃分為點、線、面3類，針對不同的類型采用不同的算法?？焖俪鰣D系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)建自動綜合知識引擎及層次索引，自動制圖綜合在全要素、全過程、可控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)，并依據(jù)內(nèi)蒙古快速出圖系統(tǒng)的特點完善了點群、道路網(wǎng)和居民地等選取的算法，完善了主體要素與附屬要素之間的綜合方法，確定了各要素綜合的區(qū)域性技術(shù)指標(biāo)，建立了18個逐級、跨尺度綜合知識庫，建立了5種典型尺度的制圖知識庫，實現(xiàn)了WJ-Ⅲ地圖工作站與內(nèi)蒙古地圖院多尺度數(shù)據(jù)庫的對接，建成了基礎(chǔ)地理信息應(yīng)用技術(shù)體系實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合。

3.自動化成圖

目前傳統(tǒng)的地圖制圖方式對單一的功能都已經(jīng)實現(xiàn)自動化處理，但對于整個配圖流程來說，自動化程度相對不高，如手動選擇分層字段來對圖層進行分層，手動調(diào)整圖層間的順序，手動修改圖層的名稱，逐層創(chuàng)建注記層和配置創(chuàng)建后的注記信息，逐層符號化和修改符號化后的結(jié)果，以及逐層的設(shè)置可見比例尺等。對于多圖幅和多圖層數(shù)據(jù)來說，流程煩瑣，工作量大，是一個非常耗時耗力的過程。針對這些在地圖配圖過程中如細分層、注記、符號化、地圖整飾和圖例等存有大量的重復(fù)性工作，快速出圖系統(tǒng)基于制圖專家知識模板技術(shù)，將地圖符號分解為數(shù)據(jù)分層、壓蓋處理、符號表達、注記配置、制圖分層和屏幕表達6個主要環(huán)節(jié)，并建立各環(huán)節(jié)具有訓(xùn)練和學(xué)習(xí)能力的開放式專家知識模板，構(gòu)成制圖知識庫，建立了自動制圖的六階業(yè)務(wù)模型，讓計算機程序代替制圖人員完成，實現(xiàn)地圖的自動化成圖。

四、快速出圖系統(tǒng)的應(yīng)用體系

1.WJ-Ⅲ地圖工作站

快速出圖系統(tǒng)依托WJ-Ⅲ地圖工作站建立了數(shù)據(jù)綜合與制圖應(yīng)用技術(shù)體系，主要由基礎(chǔ)軟件、符號編輯器、顏色校正軟件、專業(yè)地圖渲染引擎和圖形處理卡5部分構(gòu)成，具有地圖制圖、GIS處理分析和制圖綜合功能。其中地圖制圖具有數(shù)據(jù)導(dǎo)入、制圖分層、符號制作、自動制圖、地圖顯示、地圖編輯、地圖輸出等功能，支持地圖切片一體化管理，無縫支持大文件、MySQL、Oracle、Beyond、本地瓦片等一體化輸出；制圖綜合提供點群、線群、面群、單線、單面等地理要素的綜合，提供可變的綜合參數(shù)，支持模板化定制自動綜合，適應(yīng)逐級縮編以及跨尺度縮編。

2.生產(chǎn)流程

快速出圖系統(tǒng)的生產(chǎn)主要流程為：數(shù)據(jù)整理→模版制作→自動成圖→地圖整飾。

數(shù)據(jù)整理包括數(shù)據(jù)的日常維護更新，以及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的屬性字段、圖層代碼、分類代碼及拓撲關(guān)系等信息的一致性、完整性的整理，日常維護更新就是將新增變化的內(nèi)容在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫上進行修改，確保資料的現(xiàn)勢性，也是快速出圖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

模板制作是依據(jù)成圖要求制作模版，該模板為一鍵成圖模板，包括分層模板、改名模板、綜合模板和配圖模板。其中綜合模板、配圖模板是實現(xiàn)自動綜合和快速出圖的關(guān)鍵模板，綜合模板是依據(jù)比例尺設(shè)置地理各要素的綜合參數(shù)，包括居民地模板、道路模板、水系模板、等高線模板、境界模板等，可以逐級或跨級設(shè)置，實現(xiàn)逐級或跨尺度比例尺的綜合。配圖模板是依據(jù)成圖的比例尺設(shè)置地理各要素的配圖符號，包括符號模板和注記模板。

自動成圖主要是進行數(shù)據(jù)的綜合，就是將原始的點、線、面進行綜合取舍以滿足最終出圖比例尺需求。對于點的綜合，可以根據(jù)出圖比例尺需求利用軟件里的點綜合工具，按照原始數(shù)據(jù)的百分比進行取舍以滿足出圖點分布密度需求，該工具可以根據(jù)點分布密度的不同在不同的區(qū)域設(shè)置不同的取舍比例。線綜合取舍包括線的綜合和線的化簡兩部分，線綜合是對線的分布密度按照線的等級進行取舍。在地圖制圖中所涉及的線主要是等高線、不同等級的道路及水系線，對于等高線的綜合是以等高距為依據(jù)，通過刪去中間部分等高距以實現(xiàn)等高線的綜合；對于道路的綜合需要考慮不同等級道路的最終構(gòu)網(wǎng)，通常不對省道及以上的道路進行取舍，只對縣道及以下的道路根據(jù)比例尺不同進行取舍，取舍依據(jù)為在整個道路構(gòu)網(wǎng)的位置、道路的等級及道路的長度；水系的綜合取舍是對水系密集區(qū)按照出圖比例尺需求對低等級及短的河流進行綜合。線化簡是在大比例尺轉(zhuǎn)換為小比例尺時將線的節(jié)點抽稀并對一些不具有特征意義的拐點化簡。

地圖整飾用戶根據(jù)自己成圖比例尺制作適當(dāng)大小、粗細的點狀和線狀符號，標(biāo)繪相應(yīng)的顏色，并將這些符號及顏色集中在一起形成符號化模板，利用WJ-Ⅲ系統(tǒng)的一鍵符號化實現(xiàn)地圖的及時符號化，注記配置系統(tǒng)通過自動注記功能將屬性表中需要的屬性自動展現(xiàn)在地圖表面，系統(tǒng)還可以自動生成整飾外框及與地圖內(nèi)容相符的圖例，最后將地圖直接輸出、打印，即可達成地圖的縮編和快速出圖。

五、地圖編繪自動化試生產(chǎn)

在研發(fā)階段，基于快速出圖系統(tǒng)進行了由基礎(chǔ)地理信息庫數(shù)據(jù)提取的呼倫貝爾市 1∶5萬到1∶25萬，呼和浩特市1∶5萬到1∶25萬、1∶5萬到1∶60萬，以及自治區(qū)1∶25萬到1∶160萬、1∶25萬到1∶350萬等系列尺度的地圖編繪自動化試生產(chǎn)，并將試生產(chǎn)結(jié)果與原有人工編繪的同比例尺制圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行了比較，得出如下結(jié)論：

1)在作業(yè)模式上，該系統(tǒng)在制圖綜合和地圖符號化方面以計算機為主、人工手段為輔，實現(xiàn)了地圖綜合的高度自動化，傳統(tǒng)體系以人工為主、計算機輔助。

2)在生產(chǎn)效率上，該系統(tǒng)的自動化程度較高，達98%以上，通遼市1∶25萬數(shù)據(jù)縮編至1∶160萬，不到30 s，呼和浩特市1∶5萬數(shù)據(jù)縮編至1∶25萬，不到20 s，而傳統(tǒng)體系生產(chǎn)至少半個月。

3)在多尺度的一致性上，該系統(tǒng)的多尺度比例尺地圖縮編源于一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)容高度一致，而傳統(tǒng)體系不一致。

4)在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率上，該系統(tǒng)對高等級要素選取與概括標(biāo)準(zhǔn)一致，準(zhǔn)確率達98%，其他要素90%以上，但對于具有紀(jì)念意義的特征點要素和一些小于指標(biāo)的具有特殊意義的如河流等線狀地物要素需要人機交互選取，傳統(tǒng)體系人為判斷，標(biāo)準(zhǔn)不一。

5)在適應(yīng)范圍上，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由1∶1萬到1∶400萬可以進行逐級及跨尺度編繪，實現(xiàn)任意范圍、任意尺度的快速成圖，傳統(tǒng)體系數(shù)據(jù)由1∶1萬到1∶400萬必須逐級編繪。

6)在數(shù)據(jù)的維護更新上，該系統(tǒng)只需維護更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，不同尺度的數(shù)據(jù)庫聯(lián)動更新比較容易實現(xiàn)，傳統(tǒng)體系需要分別維護更新不同尺度的數(shù)據(jù)庫，耗時費力，造成重復(fù)勞動。

7)在應(yīng)急保障上，該系統(tǒng)在生成制圖數(shù)據(jù)的同時可以生成圖例、圖外整飾、圖名等，實現(xiàn)地圖提供從“按天計時間”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍葱r計時間”。

六、結(jié)束語

內(nèi)蒙古快速出圖系統(tǒng)目前還在試運行，某些功能有待進一步的改進完善，但通過該系統(tǒng)的建設(shè)，依托WJ-Ⅲ地圖工作站，構(gòu)建了數(shù)據(jù)綜合與制圖技術(shù)體系，達到了工程化實用程度，能夠滿足自治區(qū)內(nèi)各種業(yè)務(wù)和應(yīng)急反應(yīng)，向用戶快速、高效提供地圖。該系統(tǒng)的集成度高、創(chuàng)新性強，基于綜合知識和制圖知識引擎的處理過程自動化程度達98%，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，達到國際領(lǐng)先水平。

項目的成功實踐，為構(gòu)建“一套數(shù)據(jù)＋自動綜合與成圖系統(tǒng)”的基礎(chǔ)地理信息化管理與服務(wù)技術(shù)體系開創(chuàng)了先例，為提升地圖編繪生產(chǎn)力水平提供了科學(xué)手段。

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The Research and Application of Rapid Drawing Technology for the Basic Geographic Information Data

ZHAO Jihuan，XUE Zhizhong，ZHANG Guijun，ZHANG Zhiqing

P208

B

0494-0911(2014)12-0114-04

趙計環(huán)，薛志忠，張貴俊，等.基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速出圖技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].測繪通報，2014(12)：114-117.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0413

2014-05-23

趙計環(huán)(1964—)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)、地圖制圖方面的工作。