菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012)

基于省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖的關(guān)鍵技術(shù)研究

菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012)

基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的自動快速制圖,是目前地圖學(xué)研究的關(guān)鍵問題之一。首先研究地理信息數(shù)據(jù)與地形圖之間的邏輯關(guān)系,再根據(jù)國標(biāo)圖式表達(dá)規(guī)范,采用面向制圖和 GIS的省級基礎(chǔ)地理信息分類編碼體系,開發(fā)了相應(yīng)的符號庫系統(tǒng),以自動或半自動化方式實現(xiàn)了地圖的符號化,解決了符號配置過程中要素之間的各種關(guān)系處理、注記的自動配置以及自動整飾等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了基于省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫自動快速制圖系統(tǒng)。

省級基礎(chǔ)地理信息;編碼體系;符號表達(dá);要素關(guān)系

一、前 言

對于省級基礎(chǔ)測繪而言,基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)地形圖一樣,在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要的作用。目前,國內(nèi)絕大部分省級測繪單位在進(jìn)行省級基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)(這里主要指 1∶10 000、1∶5 000 DLG)時,采用如下兩類工藝流程：①數(shù)據(jù)采集→地形圖生產(chǎn)→空間數(shù)據(jù)建庫;②數(shù)據(jù)采集后,地形圖生產(chǎn)與空間數(shù)據(jù)建庫同時進(jìn)行。兩者存在的問題是：前者拉大了建庫的生產(chǎn)周期,降低了庫體空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性,難以滿足日益增長的對基礎(chǔ)地理信息的要求;后者雖然縮短了庫體的生產(chǎn)更新周期,但地形圖編輯與空間數(shù)據(jù)入庫處理存在著重復(fù)工作,且一般由不同單位、人員完成,從而造成浪費。如果先進(jìn)行空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)或更新,再通過空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)實現(xiàn)地圖制圖,將是最優(yōu)模式,也最節(jié)省資源,能產(chǎn)生最大效益[1]。本文旨在探討基于省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的快速制圖的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),提高省級基礎(chǔ)測繪效率,縮短成圖周期,降低制圖成本,為省級基礎(chǔ)地理信息“圖庫一體化更新”奠定必備基礎(chǔ)。

二、地理信息數(shù)據(jù)與地形圖

國家基本比例尺地形圖 (即地形圖)屬于地圖范疇,具有地圖的三大基本特性 (即嚴(yán)密的數(shù)據(jù)法則、特定的符號系統(tǒng)與科學(xué)的地圖概括)和四大基本功能(信息負(fù)載與存儲、傳輸與交流,地圖模擬與模型、認(rèn)知與感受)[2],通常圖面輸出效果是地形圖生產(chǎn)時考慮的重點之一,主要內(nèi)容有符號化效果要嚴(yán)格滿足相關(guān)圖式規(guī)范要求、符號線劃與色彩要符合印刷要求等。因此,地圖是以單個圖形對象為單元,每個圖形對象可以表示為[3]：

地理圖形對象 ={地圖符號,圖形對象之間的壓印優(yōu)先級,出版顏色,坐標(biāo)}

而基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)則是依據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)定,如要素分類代碼、數(shù)據(jù)字典等來描述地理空間對象,確定地理要素的類別、等級和特征,主要用要素編碼、屬性描述和幾何特征來表示[4]。因此,地理信息數(shù)據(jù)則是以單個地理要素對象為單元,每個地理要素對象可表示為[3]：

地理要素對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo)}

由于地圖中的簡單圖形對象的地圖符號、顏色可以通過地理要素對象的要素編碼和屬性與特定的符號系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng),因此,這部分地理圖形對象又可表達(dá)為：

簡單地理圖形對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo),符號對應(yīng)關(guān)系,顏色對應(yīng)關(guān)系,要素之間的壓印優(yōu)先級}

而復(fù)雜圖形對象需要通過特定算法實現(xiàn),因而可表達(dá)為：

復(fù)雜地理圖形對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo),特定算法,顏色對應(yīng)關(guān)系,要素之間的壓印優(yōu)先級}

因而,地圖即可表達(dá)為：

地圖 =簡單地理圖形對象 +復(fù)雜地理圖形對象 +非地理圖形對象

其中,非地理圖形對象包括圖廓整飾等。

從上述公式不難看出,雖然地圖與地理信息數(shù)據(jù)之間存在著較大的差異,但兩者在一定程度上可以相互轉(zhuǎn)換,即通過將地理信息數(shù)據(jù)中的分類代碼、屬性與特定的地圖符號系統(tǒng)建立對應(yīng)關(guān)系,使得地理信息數(shù)據(jù)在一定程度上可以轉(zhuǎn)換成可視化的地圖。由于這種對應(yīng)關(guān)系的不完整性,僅通過這種方式得到的地圖往往離地圖出版的要求還有很大的差距。

三、基于省級地理信息數(shù)據(jù)庫制圖的關(guān)鍵技術(shù)

1.面向制圖和 GIS的分類編碼體系

基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖不僅是制圖問題,還與編碼體系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集規(guī)定等標(biāo)準(zhǔn)緊密相關(guān)。在省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建庫時,需明確建庫的目標(biāo)是建庫與出圖并舉,在數(shù)據(jù)采集時首先遵循建庫數(shù)據(jù)的要求,同時兼顧制圖輸出[5]。

我國發(fā)布的《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[6],采用線分類法將要素類型按從屬關(guān)系依次分為大類、中類、小類、子類四級,分類代碼由 6位數(shù)字碼組成。該分類代碼體系引入了面向?qū)嶓w對象而非地形圖的對象概念,確定了地形要素(對象)的分類標(biāo)準(zhǔn),能較好地反映地形要素的分類特性,但未能較好體現(xiàn)地理實體對象在計算機(jī)中表達(dá)的復(fù)雜性,一定程度上忽略了地圖制圖需求,無法滿足當(dāng)前對于基礎(chǔ) GIS和制圖的雙重需求。

因此在此國標(biāo)的基礎(chǔ)上,需進(jìn)一步擴(kuò)展基礎(chǔ)地理信息要素分類編碼體系,使其能同時滿足傳統(tǒng)地圖制圖與面向 GIS的雙重需求。面向制圖與 GIS的基礎(chǔ)地理信息分類編碼以國標(biāo)地形要素代碼為基礎(chǔ),并在其上擴(kuò)展而來。如浙江省測繪與地理信息局起草的《浙江省基礎(chǔ)地理信息要素分類與圖形表達(dá)代碼》(已通過審定),代碼由 10位十進(jìn)制數(shù)字碼構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 省基礎(chǔ)地理信息要素圖形表達(dá)代碼結(jié)構(gòu)

其中前 6位為要素類碼,遵循 GB/T 13923—2006規(guī)定的代碼結(jié)構(gòu);第 7位為要素碼,用于區(qū)分具有相同圖形特征碼要素符號化表達(dá)的制圖樣式;第 8位為幾何特征碼,以數(shù)字描述要素的幾何類型,如 1對應(yīng)無向點等;第 9、10位為圖形特征碼,描述要素圖形特征,如定位點、配置點、定位線、配置線和注記等。

面向制圖與 GIS的基礎(chǔ)地理信息分類編碼方法有機(jī)地結(jié)合了制圖數(shù)據(jù)與 GIS數(shù)據(jù)的編碼特點,能夠兼顧地形圖制圖、GIS應(yīng)用、建庫、數(shù)據(jù)共享等多種需求和應(yīng)用。該編碼方式應(yīng)用于浙江省基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)中,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2.符號與色彩系統(tǒng)

利用常見的 GIS平臺 (如ArcGIS等)的符號庫功能,將要素編碼與地圖符號對應(yīng),可以滿足地圖實時動態(tài)顯示的需要,但不能滿足地圖出版的要求[7]。在實踐中,我們通過研發(fā)獨立的符號設(shè)計系統(tǒng),克服了ArcGIS自帶的符號庫不能滿足我國制圖要求的缺點,不僅完全符合國標(biāo)圖式 G B/T 20257.2—2006[8](以下簡稱“圖式”),還可靈活定制。為了滿足在制圖的全過程而不是某一環(huán)節(jié)實現(xiàn)符號化,并且滿足地圖要素采集、編輯修改能實時符號化的要求,屏幕上定義的符號大小、形狀、顏色與最終地圖出版時是一致的,即實現(xiàn)“所見即所得”。

一般印刷品采用 CMYK四色印刷,因此用于發(fā)排系統(tǒng)中定義的顏色體系也為 CMYK色彩空間,所有顏色都是由 CMYK色合成。而通常 GIS軟件系統(tǒng)在顯示和定義符號顏色時通常使用 RGB色進(jìn)行合成,當(dāng)?shù)貓D轉(zhuǎn)換成發(fā)排格式 (RGB色)后,如果不進(jìn)行人工強(qiáng)制色彩空間轉(zhuǎn)換,而利用發(fā)排的自動轉(zhuǎn)換,則得到的要素顏色不純。因此在符號設(shè)計時定義使用了顏色與印刷色的對應(yīng)關(guān)系,在轉(zhuǎn)換發(fā)排時進(jìn)行顏色強(qiáng)制替換。

3.數(shù)據(jù)與圖形表達(dá)的關(guān)系處理

這里說到的圖形表達(dá),不僅是簡單地將要素按給定的符號進(jìn)行表達(dá),還需具有專門處理地圖中的特殊要素以及基于符號化的各種要素之間復(fù)雜關(guān)系的功能(如圖層及要素顯示順序設(shè)置、道路網(wǎng)對水系的壓蓋等)。

(1)基于事件驅(qū)動的符號化處理

2006年版圖式嚴(yán)密、復(fù)雜的制圖要求,簡單地靠一個符號庫,借助點符號、線型和面填充是難以達(dá)到的?？臻g要素可歸納為規(guī)則要素、半依規(guī)則要素、不規(guī)則要素三類,每類要素有自己的符號屬性和關(guān)系事件,據(jù)此筆者采用要素符號化事件處理機(jī)制作為所有空間要素符號化的支撐體系。規(guī)則要素可根據(jù)預(yù)先設(shè)置配置庫對應(yīng)關(guān)系直接符號化(如涼亭等);半依規(guī)則要素可以借助符號庫,通過輔助參數(shù)、符號組合等生成符號 (如流向等);不規(guī)則要素則通過對應(yīng)代碼促發(fā)相應(yīng)繪制程序進(jìn)行符號化(如依比例尺斜坡等)。

根據(jù)上述分類,研發(fā)了符號化插件,將要素符號事件處理機(jī)制預(yù)先制定成規(guī)則。符號化時,點擊按鈕,組件直接訪問ArcGIS繪圖底層驅(qū)動單元,實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的分類編碼動態(tài)匹配符號,由于地圖符號繪制與圖形底層無縫融合,無須在地物中捆綁冗長的私有畫法,無須符號輔助線層,從而達(dá)到支持大型空間數(shù)據(jù)庫無損、快速地方符號化瀏覽、出圖。進(jìn)行符號匹配后就能完整地表示出符合國標(biāo)圖式要求的式樣,如電力線、斜坡、陡崖、沙灘等復(fù)雜的要素,從而大大減少了數(shù)據(jù)冗余量,提升了工作效率。

以雙線堤的符號化為例：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中常存在一邊齒線變長、一邊齒線等長的雙線堤,由于數(shù)據(jù)入庫時沒有將輔助線要素 (齒線)錄入 (如圖 2(a)所示),同時也未對上棱線進(jìn)行區(qū)分,因此常用的符號化方法難以滿足要求。本文通過空間分析,按照堤上棱線與相關(guān)要素 (如水域面)的空間關(guān)系來判斷以線型表達(dá)還是以變長齒線表達(dá),從而達(dá)到圖式要求的效果(如圖 2(b)所示)。

圖2 特殊雙線堤符號化比較

(2)要素壓蓋關(guān)系處理

不同要素之間的壓蓋關(guān)系處理一般是通過數(shù)據(jù)層之間的壓蓋關(guān)系實現(xiàn)的。在空間數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)按要素大類及其表達(dá)模型分層存儲,如居民地類通常分點層、線層、面層、注記層。通常,點(注記)、線、面要素自上而下壓蓋顯示,形成視覺層次。通過總結(jié)制圖專家知識,并結(jié)合數(shù)字制圖的特點,制定圖層顯示規(guī)則知識庫,以控制圖層各要素的空間顯示順序,實現(xiàn)圖層順序的自動調(diào)整。表 1為省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)部分要素層的壓蓋順序。

表 1 浙江省省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)要素層壓蓋順序

(3)路橋色帶處理

根據(jù)圖式要求,省道、國道、高速、專用道需用不同顏色的色帶表示,且色帶隨著公路寬度改變而改變。另外,橋梁需對下方的水系、道路進(jìn)行壓蓋。因此通過線型的方式來表達(dá)色帶難以達(dá)到滿意的效果。通過試驗探索,采取如下的方式處理：根據(jù)公路、橋梁的結(jié)構(gòu)線的幾何位置以及寬度屬性進(jìn)行緩沖區(qū)分析,搜索到其對應(yīng)的邊線,以此為基礎(chǔ)自動構(gòu)面,根據(jù)圖式要求對面進(jìn)行顏色填充,并通過自動調(diào)整不同色帶面之間以及與邊線之間的壓蓋關(guān)系,從而達(dá)到圖式要求。這種方法完全可以滿足新圖式中公路色帶的要求,同時人工干預(yù)的工作量也很少。效果如圖 3所示。

圖3 路橋色帶處理

4.注記自動配置

注記是地圖內(nèi)容的一個重要組成部分。通常庫體建設(shè)時,大量與注記的相關(guān)信息不進(jìn)行入庫,僅將注記的文本以屬性值的方式存儲于注記對象(名稱對象點、線)中。注記自動配置主要包括點狀、線狀和面狀對象注記的自動配置及自動壓蓋沖突處理。因此如何恢復(fù)注記的幾何位置、排列方式、樣式成為注記自動化的關(guān)鍵所在。其中樣式(例如字體、顏色、大小、字頭朝向等)通常與要素類別有關(guān),這樣可以通過事先設(shè)置注記樣式規(guī)則 (如圖 4所示),由程序自動實現(xiàn)。

因此注記的幾何位置和排列方式成為重中之重。由于不同的要素對注記位置要求不一樣,本文針對不同類別的名稱對象作了相應(yīng)的注記處理方式。線狀對象(如道路、名稱對象線等)其注記沿線分布,因此線狀對象的幾何信息可以作為注記位置的參考;面狀對象的注記一般通過名稱對象線的方式實現(xiàn),因而可歸到線狀要素注記;點狀要素 (如各類名稱對象點)其注記點位置很難對其注記位置作出參考,因此需通過其他途徑進(jìn)行判斷解決。本文中先對數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化,然后根據(jù)注記點周圍的灰度信息及位置優(yōu)先級來進(jìn)行注記最佳放置位置的查找。點注記使用傳統(tǒng)的 8位置方式,具體方法為：以正右側(cè)作為缺省配置位置,然后將所有注記和同色要素一并進(jìn)行柵格化處理,進(jìn)行柵格檢測,當(dāng)存在重疊時,則移動注記位置,直至找到一個合適的沒有重疊的位置為止。

圖4 注記樣式規(guī)則

5.圖廓整飾

圖廓整飾是制作標(biāo)準(zhǔn)地形圖的一項必不可少的工作。對于各標(biāo)準(zhǔn)比例尺地圖,各整飾要素的位置可以根據(jù)圖廓點的相對位置計算得到。一般省級基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新時,均制作了圖幅級的元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)中含有豐富的信息,基本可以滿足圖廓整飾所需的大部分內(nèi)容。鄰接圖信息也可以通過計算鄰接圖的圖號并從元數(shù)據(jù)庫中搜索得到。圖廓整飾的難點及解決方法如下：

(1)圖廓間自動注記

圖廓間注記主要有界端注記、曲線注記、居民地、湖泊、水庫(山塘)等。除居民地外,其他的界端注記內(nèi)容及位置通過內(nèi)圖庫與相應(yīng)要素進(jìn)行空間疊置分析獲取要素屬性得到。

(2)政區(qū)略圖繪制

政區(qū)略圖通過內(nèi)圖廓與境界面層進(jìn)行疊置分析求得,同時得到相應(yīng)的注釋。并且按照行政區(qū)域面積的大小,對注釋進(jìn)行自動排序。

(3)圖例生成

根據(jù)圖式要求,圖例生成應(yīng)從圖內(nèi)提取相應(yīng)的要素自動生成,考慮到圖例采用矢量的模式實時繪制,效率極低。對于一個省級區(qū)域來說,可大致進(jìn)行分類,對每類預(yù)先制作圖例,圖廓整飾時直接插入即可,這樣可以較快地實現(xiàn)地圖的圖外整飾。

6.制圖輸出

Adobe可移植文檔格式(PDF)以其符合跨媒體出版要求的特征,能夠保存任何源文檔的所有字體、格式、顏色和圖形,逐漸成為印刷領(lǐng)域的頁面數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[9]。因此,經(jīng)過地圖出版的各種處理后,將結(jié)果轉(zhuǎn)換成和屏幕顯示效果一致的 PDF格式文件,以供打印、印刷或傳閱。

經(jīng)試驗,利用 GIS自身攜帶的轉(zhuǎn)換功能,輸出效果不理想,如變形、偏離、墨點雜亂、部分字體不支持、輸出不穩(wěn)定、效率低等缺點。通過以下方式輸出可克服上述缺點：利用“打印至文件”的功能,輸出＊.prn文件,再轉(zhuǎn)換為 PDF格式打印輸出。

四、系統(tǒng)的實現(xiàn)與總結(jié)

基于ArcGIS平臺,以 VC++6.0為開發(fā)平臺,采用組件技術(shù),將上述功能插件形式加入到ArcGIS Desktop中。圖 5為利用本系統(tǒng)制作的標(biāo)準(zhǔn)地形圖。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)地形圖

經(jīng)過大量試驗,利用本文提供的方法和軟件,實現(xiàn)基于 1∶5 000、1∶10 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的地圖自動生產(chǎn),只需很少的人工作業(yè)就可以輸出滿足地圖出版需要的地圖成果,極大地縮短成圖周期、降低制圖成本。本文的研究解決了由面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向面向圖形的數(shù)字地圖圖形數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題,為改造省基礎(chǔ)測繪快速更新生產(chǎn)模式,實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息“圖庫一體化更新”奠定了基礎(chǔ)。

[1] 劉海硯.地圖制圖與空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)一體化理論和技術(shù)的研究[D].鄭州：信息工程大學(xué),2002.

[2] 袁勘省.現(xiàn)代地圖學(xué)教程 [M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[3] 劉海硯,孫群,肖強(qiáng),等.紙質(zhì)地圖與地理信息一體化生產(chǎn)技術(shù)研究[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2007,24(4)：239-243.

[4] 國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 20258.2—2006基礎(chǔ)地理信息要素數(shù)據(jù)字典[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[5] 國家測繪局.1∶10 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)與建庫總體技術(shù)綱要[R].北京：國家測繪局,2006.

[6] 國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 13923—2006基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[7] TSURU KOSUKE,GOTO NAOKI.Practical Experience of Automatic Generalization for Geo-spatial Information [C]∥ICC’2001.Beijing：Sinomaps Press,2001.

[8] 國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 20257.2—2006國家基本比例尺地圖圖式[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[9] 林其水.PDF格式的特點 [J].今日印刷,2003(5)：21-25.

Research on the Key Cartographical Technology Based on Provincial Fundamental Geographic Information Database

J IAN Jianhua,CA I Zhigang

0494-0911(2010)07-0049-04

P208;P283.7

B

2010-05-06

菅建華(1961—),男,浙江杭州人,高級工程師,主要從事制圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)研究。