張保鋼,楊伯鋼

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,北京 100038)

多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)建庫研究

張保鋼,楊伯鋼

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,北京 100038)

分析多尺度城市地形圖的特點(diǎn),對(duì)城市地形圖要素進(jìn)行分類,并將城市地形圖要素制圖綜合歸納為 3類映射共 19種變化。提出多尺度城市地形圖建庫、聯(lián)動(dòng)更新和可視化的思路。最后通過相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的“基態(tài)”、“增量”組織方法,實(shí)現(xiàn)了多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的組織。簡(jiǎn)述多尺度城市地形圖的聯(lián)動(dòng)更新及可視化方法。

多尺度;城市地形圖;建庫;制圖綜合;映射;數(shù)據(jù)組織

改革開放 30多年來,我國廣大城市地區(qū)發(fā)生了很大變化。隨著國家加快城鎮(zhèn)化建設(shè)政策的實(shí)行,今后若干年我國廣大城市地區(qū)仍將高速發(fā)展。與此相適應(yīng),城市地形圖的更新速度也在加快,如北京市 1∶500、1∶2 000、1∶10 000地形圖的更新周期已由 2、3、4、8年提升為 0.5、1、1、4年。上海市也實(shí)現(xiàn)了類似的提升。天津市更是走在了前頭,實(shí)現(xiàn)了地形圖的實(shí)時(shí)更新。由于財(cái)力和地形圖的用途不同,同一區(qū)域的地形圖存在多個(gè)尺度,如城市地形圖系列就有 1∶500、1∶2 000、1∶5 000和 1∶10 000多個(gè)尺度。它們量測(cè)了同一個(gè)客觀世界,只是量測(cè)的尺度不同。本文試圖建立同一地區(qū)多尺度的城市地形圖數(shù)據(jù)庫,盡可能地節(jié)約數(shù)據(jù)采集、加工、存儲(chǔ)成本,保持各尺度地形圖數(shù)據(jù)的一致性,實(shí)現(xiàn)相鄰尺度的城市地形圖數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)更新和可視化。

一、多尺度城市地形圖的特點(diǎn)

多尺度城市地形圖具有以下特點(diǎn):

1)空間范圍相同或具有包含關(guān)系。對(duì)指定城市而言,各尺度地形圖覆蓋相同的城市空間范圍,或較小比例尺地形圖覆蓋范圍包括較大比例尺地形圖覆蓋范圍。一般說來,較大比例尺地形圖覆蓋的城市范圍較小,如城市的中心區(qū)或規(guī)劃市區(qū),較小比例尺地形圖覆蓋的城市范圍較大,如城市的規(guī)劃市區(qū)或全市域等。

2)更新周期與比例尺成反向關(guān)系。各城市地形圖的更新周期隨其經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況等因素不盡相同。對(duì)指定城市而言,一般比例尺越大,覆蓋范圍越小,更新周期越短;相反比例尺越小,覆蓋范圍越大,更新周期越長。

3)地形圖要素分類逐步趨于統(tǒng)一。在《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[1]發(fā)布以前,各尺度地形圖要素的分類不統(tǒng)一,如1∶2 000～1∶500比例尺地形圖是一個(gè)分類代碼, 1∶10 000～1∶5 000比例尺又是一個(gè)分類代碼,國土基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)還有另外一個(gè)分類代碼,由此造成各尺度地形圖的要素分類與可視化表達(dá)不統(tǒng)一,難以實(shí)現(xiàn)各尺度地形圖的統(tǒng)一建庫、更新及可視化表達(dá)。《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)統(tǒng)一了不同尺度地形圖的分類代碼,一些地方標(biāo)準(zhǔn)如北京市的各尺度地形圖分類編碼尚存在不同情況,但總的趨勢(shì)是分類代碼統(tǒng)一。

4)表示內(nèi)容有詳略之分,表示方法成系列。不論城市地形圖位于何處、什么尺度,其內(nèi)容均包括定位基礎(chǔ)、水系、居民地,以及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被與土質(zhì)八大要素。表示內(nèi)容的詳略程度有所不同,比例尺越大,表示內(nèi)容越詳細(xì);比例尺越小,表示內(nèi)容越概略。地形圖的表示方法均采用地圖符號(hào)和注記。相鄰尺度的地形圖之間如 1∶2 000～1∶500采用同一種圖式,1∶10 000～1∶5 000采用同一種圖式。這兩種相鄰尺度區(qū)間圖式的各對(duì)應(yīng)符號(hào)間有對(duì)應(yīng)關(guān)系,一些符號(hào)基本相同或可進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

二、城市地形圖上地理實(shí)體的分類及其在不同尺度地形圖上的映射關(guān)系

根據(jù)地理實(shí)體的幾何特征,城市地形圖要素可分為點(diǎn)、線、面狀地理實(shí)體,地圖注記以及制圖輔助線幾種。其中線狀地理實(shí)體可以劃分為:由于實(shí)體間空間關(guān)系沖突移位的線如跳繪的境界線,依比例尺表示寬度的線狀地理實(shí)體和其他地理實(shí)體。根據(jù)文獻(xiàn)[2-3],設(shè)較大比例尺到相鄰較小比例尺地理實(shí)體的映射為 f:E→E′,其中 E={e},E′={e′}。對(duì)于 f根據(jù)自變?cè)c映像的關(guān)系分為:

1)1-1映射:e’=f1(e)。當(dāng) f1(e)=NULL(空映像)時(shí),表示 e在新尺度下綜合中被刪除;當(dāng)f1(NULL)≠NULL時(shí),表示在新尺度下增加了新的地理實(shí)體;當(dāng) f1(e)≠NULL時(shí),映像 e′保持目標(biāo)的獨(dú)立性與完整性,經(jīng)過簡(jiǎn)化后,e與 e′存在幾何特征或?qū)傩蕴卣鞯牟顒e。對(duì)地形圖來說僅存在幾何特征的差別。1-1映射的結(jié)果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①點(diǎn)、線、面狀地理實(shí)體沒有發(fā)生變化;②新增了點(diǎn)、線、面狀地理實(shí)體;③點(diǎn)狀地理實(shí)體被移位;④依比例尺表示寬度的線狀地理實(shí)體映射為不依比例尺表示寬度的線狀地理實(shí)體;⑤對(duì)不依比例尺表示寬度的線狀地理實(shí)體的形狀進(jìn)行了化簡(jiǎn);⑥對(duì)線狀地理實(shí)體進(jìn)行了移位;⑦面狀地理實(shí)體映射為點(diǎn);⑧面狀地理實(shí)體映射為線;⑨對(duì)面狀地理實(shí)體的形狀進(jìn)行了化簡(jiǎn);⑩制圖輔助線被刪除;○11新增地圖注記;○12地圖注記被移位;○13點(diǎn)、線、面狀地理實(shí)體或地圖注記被刪除。

2)n-1映射:e′=f2(e1,e1,…,en)。表現(xiàn)為多目標(biāo)的聚合,根據(jù)聚合的層次關(guān)系,又可分為 IS-A層次關(guān)系目標(biāo)的聚合(同質(zhì)聚合)和 PART-OF層次關(guān)系目標(biāo)的聚合(異質(zhì)聚合),在常規(guī)綜合算子中一般將前者稱為融合 (amalgamation),后者稱為聚合(aggregation)。地形圖綜合僅存在同質(zhì)聚合或融合。n-1映射的結(jié)果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①多個(gè)線狀地物合并為一個(gè)線狀地物并化簡(jiǎn);②多個(gè)線狀地物合并為一個(gè)線狀地物并化簡(jiǎn)移位;③多個(gè)面狀地物合并為一個(gè)面狀地物并化簡(jiǎn)。

3)n-m映射:(e′1,e′2,…,e′m)=f3(e1,e1,…,en)表現(xiàn)為群結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)多目標(biāo)的綜合映射,如群點(diǎn)的重采樣、街道網(wǎng)化簡(jiǎn)、河系樹化簡(jiǎn)、島嶼群的化簡(jiǎn)等。參與映射的 n個(gè)實(shí)體具有空間相關(guān)性或語義相關(guān)性,組成較高層次的符合目標(biāo),從另一個(gè)角度可以視為復(fù)合目標(biāo)的 1-1映射,但此時(shí)的目標(biāo)與前面討論的目標(biāo)不在同一水平,將其定義為 1-1映射更合適。N-m映射的結(jié)果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①多個(gè)群分布的點(diǎn)狀地理實(shí)體變換為群分布的點(diǎn)狀地理實(shí)體,如測(cè)量控制點(diǎn)、高程點(diǎn);②多個(gè)群分布的線狀地理實(shí)體變換為群分布的線狀地理實(shí)體,如街道網(wǎng)化簡(jiǎn)、河系樹化簡(jiǎn);③多個(gè)群分布的面狀地理實(shí)體變換為群分布的面狀地理實(shí)體,如街區(qū)的分割合并、湖泊群的分割合并等。

三、相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的建庫、更新、可視化思路

為滿足不同空間分辨率范圍層次用戶的需要,測(cè)繪工作者測(cè)繪了不同尺度的地形圖,由此分別建立了不同尺度的地形圖數(shù)據(jù)庫,并分別進(jìn)行更新和可視化。對(duì)于不同尺度的城市地形圖,分別進(jìn)行建庫、更新和可視化表達(dá)是最簡(jiǎn)便的方法。但與之相伴的是同一地理實(shí)體的多重采集、重復(fù)存儲(chǔ)和多重表達(dá)問題,導(dǎo)致大量的人力物力耗費(fèi)。如果只建立一個(gè)較大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫,能自動(dòng)綜合生成各級(jí)尺度地形圖數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)各尺度地形圖的聯(lián)動(dòng)更新,并自動(dòng)生成不同尺度的地形圖信息自然是最理想的了。但由于地物變化的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與獲取問題、自動(dòng)制圖綜合問題、大尺度比小比例尺地形圖成圖范圍小問題等未能很好解決,實(shí)現(xiàn)多尺度地形圖數(shù)據(jù)庫自動(dòng)的一體化建庫、更新及可視化還不現(xiàn)實(shí)。介于二者之間,本文提出一種相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)建庫、聯(lián)動(dòng)更新、可視化的方法。其基本思想是:①建立較大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫,以及與之相鄰較小尺度地形圖增量數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)建庫;②建立同一地理實(shí)體在相鄰尺度地形圖上不同表示方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)通過更新較大比例尺地形圖聯(lián)動(dòng)更新相應(yīng)區(qū)域的較小比例尺地形圖;③建立同一地理實(shí)體在不同尺度地形圖上的可視化圖形對(duì)照表,實(shí)現(xiàn)多尺度地形圖數(shù)據(jù)的可視化。

四、多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的組織方法

文獻(xiàn)[4]提出了多尺度空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量壓縮的技術(shù)策略:①只存儲(chǔ)變化的數(shù)據(jù)部分,取代完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ);②識(shí)別關(guān)鍵變化部分,過濾無關(guān)緊要的細(xì)小變化;③通過幾何圖形漸變函數(shù)導(dǎo)出新尺度下的數(shù)據(jù)表達(dá)。參照時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基態(tài)增量存儲(chǔ)模型,在進(jìn)行多尺度地形圖數(shù)據(jù)建庫時(shí)考慮建設(shè)一個(gè)基態(tài)庫、一個(gè)增量庫和一個(gè)不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫映射表。通過基態(tài)庫、增量庫和相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫映射表及相關(guān)制圖綜合程序生成目標(biāo)庫。基態(tài)庫是原始的較大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫,目標(biāo)庫是與基態(tài)庫相鄰尺度較小比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫,增量庫是目標(biāo)庫與基態(tài)庫不同地理實(shí)體或同一地理實(shí)體不同表達(dá)方式的數(shù)據(jù)集。不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫映射表反映了各地理實(shí)體在不同尺度地形圖上的映射關(guān)系。

基態(tài)庫的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)組織方式同單尺度版本地形圖數(shù)據(jù)庫,增量庫是映射后表現(xiàn)形式發(fā)生變化的地理實(shí)體數(shù)據(jù)集結(jié)果。相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表的結(jié)構(gòu)形式見表 1。

表 1 相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表

表 1中初始關(guān)鍵字或映射后的關(guān)鍵字定義為“尺度編號(hào) +層名 +順序號(hào)”,尺度編號(hào)是比例尺信息,如 1代表 1∶500,2代表 1∶1 000,3代表 1∶2 000,等等,層名是地理實(shí)體所屬數(shù)據(jù)層名,一般由語義名加幾何特征名構(gòu)成,如“RiverPy”代表河流面層,順序號(hào)是地理實(shí)體在圖層中的順序編號(hào),是一系列自然數(shù)。映射類型是本文第三部分所列 19種類型中的一種。綜合方式有兩種:考慮到目前制圖綜合技術(shù)現(xiàn)狀,19種類型中第④、⑤、⑦、⑧、⑨類型采用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)制圖綜合完成,其他類型的制圖綜合通過人機(jī)交互制圖綜合完成,結(jié)果存在增量庫中。對(duì)于第④、⑤、⑦、⑧、⑨種類型的制圖綜合,分別編制線、面狀地理實(shí)體中心線提取程序,線狀地理實(shí)體化簡(jiǎn)(或數(shù)據(jù)壓縮)程序,面狀地理實(shí)體質(zhì)心提取程序,面狀地理實(shí)體的形狀化簡(jiǎn) (或數(shù)據(jù)壓縮)程序,可對(duì)相應(yīng)類型的基態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖綜合處理,生成相鄰較小尺度城市地形圖相應(yīng)幾何特征類型數(shù)據(jù)。程序生成的這類目標(biāo)地形圖增量數(shù)據(jù)也寫入上文的增量庫中。目標(biāo)庫中的全部地理實(shí)體應(yīng)為:刪除基態(tài)庫中相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表中“映射后關(guān)鍵字”字段內(nèi)容為空的地理實(shí)體,增加基態(tài)庫中的全部地理實(shí)體。

當(dāng)建庫地形圖系列尺度不止兩個(gè)相鄰尺度時(shí),可將生成的較小比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫目標(biāo)庫作為新基態(tài)庫,再組織新基態(tài)庫與新目標(biāo)庫間的新增量庫和新的相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表,按上述方法生成新的目標(biāo)庫。再有更新的目標(biāo)庫時(shí)以此類推。此方法的缺點(diǎn)是各尺度之間必須是相鄰的,即使不需要實(shí)用相鄰尺度數(shù)據(jù)也要用相鄰尺度數(shù)據(jù)導(dǎo)出,其優(yōu)點(diǎn)是如此組織數(shù)據(jù)可大大降低數(shù)據(jù)量[4],非常適合于國家或地方基礎(chǔ)測(cè)繪和基礎(chǔ)地理信息管理部門使用。

五、多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)更新與可視化

當(dāng)基態(tài)庫中某個(gè)地理實(shí)體發(fā)生變化時(shí),可通過相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表或該地理實(shí)體的空間范圍找到增量庫中對(duì)應(yīng)目標(biāo)(若增量庫找不到相應(yīng)目標(biāo),說明增量庫無須更新),對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)化編輯,保持與基態(tài)庫數(shù)據(jù)一致性。若在基態(tài)庫中增加了新的地理實(shí)體時(shí),根據(jù)制圖綜合理論,確定相鄰較小比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫中是否增加該地理實(shí)體數(shù)據(jù),若需增加,則在增量庫中按上文的 19種變化對(duì)應(yīng)增加相應(yīng)地理實(shí)體,并在相鄰不同尺度地形圖數(shù)據(jù)庫地理實(shí)體映射表中記錄該地理實(shí)體的映射結(jié)果。由此實(shí)現(xiàn)了相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)更新。

多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的可視化與單尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的可視化方法相同,只是首先要生成多尺度城市地形圖數(shù)據(jù) (這里是骨架數(shù)據(jù)),建立相應(yīng)尺度的符號(hào)庫(如果相鄰尺度地形圖使用相同圖式,僅需建立一個(gè)符號(hào)庫,若使用不同的圖式,則需建立兩個(gè)符號(hào)庫),調(diào)用相應(yīng)可視化程序,實(shí)現(xiàn)多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的可視化。對(duì)于地形圖各地理實(shí)體間空間關(guān)系沖突的處理問題,限于篇幅,本文不再贅述。

六、結(jié)束語

本文首先分析了多尺度城市地形圖的特點(diǎn):空間范圍相同或具有包含關(guān)系,更新周期與比例尺成反向關(guān)系,地形圖要素分類逐步趨于統(tǒng)一,表示內(nèi)容有詳略之分,表示方法成系列。根據(jù)地理實(shí)體的幾何特征,對(duì)城市地形圖要素進(jìn)行了分類,并將城市地形圖要素制圖綜合歸納為 3類映射共 19種變化。提出了多尺度城市地形圖建庫、聯(lián)動(dòng)更新和可視化的思路:①建立較大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫,以及與之相鄰的較小尺度地形圖增量數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)建庫;②建立同一地理實(shí)體在相鄰尺度地形圖上不同表示方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)通過更新較大比例尺地形圖聯(lián)動(dòng)更新相應(yīng)區(qū)域較小比例尺地形圖;③建立同一地理實(shí)體在不同尺度地形圖上可視化圖形對(duì)照表,實(shí)現(xiàn)多尺度地形圖數(shù)據(jù)的可視化。最后通過相鄰尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的“基態(tài)”、“增量”組織方法,實(shí)現(xiàn)了多尺度城市地形圖數(shù)據(jù)的組織。簡(jiǎn)述了多尺度城市地形圖的聯(lián)動(dòng)更新及可視化方法,可供多尺度地形圖數(shù)據(jù)建庫及更新參考使用,為相鄰尺度的地形圖綜合提供了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和綜合方法。

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Study of Construction of Urban M ulti-scale TopographicMap Database

ZHANGBaogang,YANGBogang

0494-0911(2010)09-0012-03

P208

B

2010-04-19

地理空間信息工程國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(200908)

張保鋼(1965—),男,河北冀州人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事地理信息系統(tǒng)方面的研究與開發(fā)工作。