高 翔，徐京華，王 蕾，劉 剛

(西南交通大學 地理信息工程中心，四川 成都 610031)

交通要素啟發(fā)式多尺度表達技術方法探討

高 翔，徐京華，王 蕾，劉 剛

(西南交通大學 地理信息工程中心，四川 成都 610031)

針對當前地圖的單一尺度可視化與用戶所需地圖的多尺度表達之間的矛盾，利用多尺度制圖技術，探討基于用戶制圖需求的交通要素啟發(fā)式多尺度表達的技術方法。通過對用戶的制圖需求信息進行啟發(fā)式識別，提取出相應參數(shù)對不同尺度下各要素進行取舍和簡化，最終實現(xiàn)交通要素的多尺度表達。實踐表明，文中方法可以改善電子地圖表達尺度單一的缺陷，滿足用戶對多尺度地圖的制圖需求。

多尺度表達；制圖需求；啟發(fā)式；交通要素；道路綜合

隨著地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展，電子地圖已經應用于各學科和各部門。隨著應用范圍的擴大和交叉學科合作項目的增加，電子地圖的用戶類型逐漸增加，不同用戶的制圖需求存在巨大差異；即使是同一用戶，對地圖的要求也不斷提高，在通過地圖查找所需的某一類地物時，要求不同視距的地物具有不同的認知效果，即：用戶有地理信息的多尺度需求。

尺度有多重含義，如比例尺、分辨率、顆粒度、詳細程度等[1]。本文提到的尺度是指比例尺，多尺度即多比例尺，而多尺度表達即是動態(tài)顯示同一區(qū)域范圍內不同尺度的地圖，但在同一張地圖中，不同位置具有相同的比例尺。多尺度表達是近些年國內外GIS研究工作的熱點與難點。在國外，一些學者研究了基于多尺度數(shù)據庫，提高面向需求的網絡地圖自動綜合的能力，通過將多尺度數(shù)據庫與地圖綜合過程相結合的方法，利用多尺度數(shù)據庫來增進地圖綜合的需求[2-3]；在國內，也有學者進行了多尺度表達有關問題的研究，來解決該技術所面臨的數(shù)據存儲量大、操作響應慢等諸多問題[1]。但由于在電子地圖的多尺度表達中不存在目標比例尺，在制圖綜合中常用的數(shù)量指標的計算公式在這里失去了用武之地[4]。因此,目前的多尺度制圖方法主要還是獨立數(shù)字化各比例尺圖，所提供的地圖大多是按照特定比例尺、特定用途制作而成的，用戶無法根據自己的某種需求去編輯或者更改其內容或尺度，這就使地圖的靈活性大大降低，無法滿足用戶對地圖的多尺度需求。本文針對上述問題探討基于用戶制圖需求的交通要素啟發(fā)式多尺度表達方法，通過啟發(fā)式再識別過程，提取出制圖需求信息，根據用戶提供的尺度信息確定制圖比例尺，并結合制圖數(shù)據庫中的數(shù)據資料確定制圖所需參數(shù)，對要素進行取舍簡化，生成用戶所需專題和尺度的地圖，從而增強地圖的靈活性，實現(xiàn)交通要素的多尺度表達。

1 多尺度表達的啟發(fā)式設計

多尺度制圖過程是對地理現(xiàn)象的啟發(fā)式識別過程。在這個過程中，用戶可以根據自身需求，按照一定的標準，運用啟發(fā)式方案生成自己所需尺度的地圖。啟發(fā)式方案可以盡可能地保留重要地物的重要特征、縮短處理一個目標對象的時間，縮短地圖加載時間，加快地圖生成。該過程中，用戶利用操作平臺與計算機進行交互操作，通過交互區(qū)域輸入其制圖需求(交互區(qū)域包括用戶類型信息、制圖區(qū)域信息、制圖尺度信息等內容)。操作平臺將這些需求參數(shù)反饋給服務器，再由服務器對制圖需求信息進行提取與識別、處理與綜合，將用戶所需尺度地圖經由操作平臺反饋給用戶，在地圖顯示區(qū)域上顯示出來。制圖過程如圖1所示。

圖1 交通要素啟發(fā)式多尺度制圖過程

1.1 制圖需求信息提取與識別

對需求及其有關概念的識別是對制圖需求信息進行處理與綜合的基礎。但用戶對交通要素的需求千差萬別[5]，不同領域用戶對地理空間的認知和對地理數(shù)據的組織均有很大的差異[6]。例如：交通部門需要了解道路屬性、車流量信息、交通設施分布等與交通規(guī)劃管理相關的信息；而房地產開發(fā)商則更多關注與項目相關的道路分布、交通條件、基本設施分布等與房產開發(fā)密切相關的信息；社會民眾則注意行車路線、車站分布、道路通達度等與生活息息相關的信息；即使是同一領域的用戶，也可能因需求差異而需要不同尺度地圖的支持。以交通部門對城市道路的規(guī)劃管理為例：當城市主干道路遇到交通擁堵時，首先要依據大尺度圖查看堵塞道路的分布范圍，再利用中、小尺度圖，查找與堵塞道路相連道路的通達情況，若道路可以實現(xiàn)通達，則引導車輛經由此路繞行，從而對堵塞道路進行交通分流，減緩交通捅堵。

如上所述，交通部門、房地產商和社會民眾這3個主體之間以及各主體內部的不同子體對交通要素的制圖需求存在很大差異。為了準確地辨識這些需求信息，首先要獲取各行業(yè)所需交通要素的小尺度基礎數(shù)據(包括道路等級、道路邊線、交通附屬設施的定位和屬性信息等)，建立制圖數(shù)據庫，用戶利用瀏覽器作為輸入平臺，輸入其需求數(shù)據，瀏覽器將這些數(shù)據傳送給服務器，再由服務器對這些數(shù)據進行提取，并以制圖數(shù)據庫中的數(shù)據為基礎，對用戶制圖需求信息所涉及的相關領域的基本概念和同義詞進行準確地識別。由于涉及的用戶領域較多，不同用戶的數(shù)據需求差異較大，制圖數(shù)據庫中需要存儲的數(shù)據種類也很多，因此，識別基本概念的重點不僅在于保證其完整性、準確性，同時要確保制圖數(shù)據庫中含有相關領域內的基本術語。表1、表2中分別列出了在進行制圖需求信息識別時，不同尺度下不同用戶所需的交通要素中部分空間數(shù)據和屬性數(shù)據的差異。

表1 空間數(shù)據差異

表2 屬性數(shù)據差異

1.2 制圖需求信息處理與綜合

為了實現(xiàn)網絡環(huán)境下面向用戶制圖需求的啟發(fā)式多尺度制圖，在完成了對用戶制圖需求信息的識別之后，需要將識別后的需求信息與制圖數(shù)據庫中的數(shù)據信息進行匹配，確定與用戶制圖需求相關的參數(shù)，從而使用戶制圖需求從自然語言轉化到制圖語言[7]。

制圖數(shù)據庫中既包括元數(shù)據，也包括從對多尺度制圖領域有透徹了解和豐富知識的專家們那里獲取到的知識，如果兩者可以匹配，則直接進行要素的取舍與概括。如果發(fā)現(xiàn)有悖于知識的數(shù)據，則需進行需求啟發(fā)式再提取，根據用戶提供的信息確定與用戶制圖需求最接近的參數(shù)，同時把該數(shù)據記錄在制圖數(shù)據庫中，由相關領域的專家利用其豐富的知識來補充完善數(shù)據庫中的相應信息。這樣，用戶制圖需求和制圖數(shù)據庫之間便形成了一個相互促進、相互集成的環(huán)境，不斷地為各類用戶提供理想的制圖方法。制圖需求信息處理流程如圖2所示。

圖2 制圖需求信息處理流程

制圖需求信息經過處理后，需要對各要素進行綜合概括及符號設計。由于不同比例尺地圖所涵蓋的空間范圍不同[8]，所需數(shù)據類型不同，所展示信息的詳略程度也存在很大差異。因此，不同尺度下不同等級的要素，其綜合概括程度和符號設計的重點均存在差異?，F(xiàn)以交通要素中的道路為例進行說明。

1)道路選取。根據道路選取的原則，以道路面積負載量、道路等級及用戶用圖目的作為取舍的標準，共同決定道路的取舍。根據處理后的用戶制圖需求信息確定用戶所需尺度及地區(qū)類型，計算該地區(qū)各等級道路的面積載負量，再與制圖數(shù)據庫中儲存的相應尺度相應類型用戶對應的各要素面積載負量的閾值作比較，按照等級由低到高的順序逐漸舍去較低等級的道路，若大于該值，說明該等級要素在屏幕上顯示過為密集，需要將其舍去，減輕地圖負重；若小于該值，則將該要素保留，并以恰當?shù)姆柋硎境鰜怼?/p>

2)道路簡化與符號設計。本實驗主要通過Douglas-Peucker算法簡化比例尺縮小時線狀要素的形狀，它的優(yōu)點是具有平移和旋轉不變性，給定曲線與閾值后，化簡結果一定[9]。并以改變要素符號的尺寸、顏色這兩個視覺變量作為輔助方法，來實現(xiàn)不同尺度下各交通要素的表達。圖3所示為國道和省道在不同尺度的要素簡化與符號設計上存在的差異。不同要素之間的差異主要通過符號的顏色和寬度的變化來區(qū)別，其中顏色起主要作用，寬度隨著道路等級的降低也略有減短；同一要素間的差異主要通過要素形狀復雜程度的變化和要素符號寬度的變化來表達，如國道，不同尺度下其形狀都不同，隨著比例尺的縮小，選取不同的閾值對要素進行綜合，逐漸簡化符號的幾何形狀，剔除一些細小彎曲或抖動點，使其復雜程度降低，同時改變符號的尺寸，使其寬度降低，增強中小比例尺圖的可視化效果。在完成了要素的簡化綜合之后，運用設計好的地物符號形象地表現(xiàn)要素對象的屬性信息，符號化后生成用戶所需地圖，并根據用戶提供的需求信息確定顯示要素的屬性信息，顯示在客戶端顯示器上，實現(xiàn)多尺度可視化的最終表達。

圖3 不同尺度交通要素簡化與符號設計差異

2 實 驗

如前例所述，不同用戶對交通要素的制圖需求存在差異，這些不同的需求既反應了數(shù)據庫對知識的需求，同時也反映了電子地圖對多尺度表達的需求。為滿足不同用戶對交通要素千差萬別的需求，本文探討了基于用戶制圖需求的交通要素啟發(fā)式多尺度表達技術方法，設計了個性化的人機交互界面(圖4)。界面左側的4個選項為用戶制圖需求信息選項，用戶在此輸入其制圖需求，計算機可以根據其需求提取出制圖所需參數(shù)，并和已有數(shù)據庫中的數(shù)據及知識進行制圖需求信息識別，遵循交通部門的技術規(guī)范在數(shù)據庫中提取相關制圖空間信息進行多尺度制圖。界面左側第4欄是尺度選項，若用戶選擇了其所需尺度大小，系統(tǒng)會根據尺度信息確定制圖比例尺，并按照1.2中所述方法確定各類用戶所需各要素面積負載量的閾值和Douglas-Peucker算法的閾值，對交通要素進行取舍概括，確定所要顯示的要素等級，生成用戶所需尺度和類型的地圖。如果用戶不了解自己所需尺度的大小，也可以先不選擇尺度信息，系統(tǒng)會根據已提供的信息生成滿足用戶制圖需求的大、中、小3種不同尺度的地圖供用戶選擇，并將制圖結果通過右側顯示區(qū)顯示出來，用戶可以根據視覺效果并結合自身需求確定其所需地圖。

交通要素多尺度表達方案的成果如圖4所示。圖4(a)展現(xiàn)了所需尺度已知時交通部門對道路等級分布需求的大尺度可視化效果；圖4(b)展現(xiàn)了所需尺度未知時交通部門對道路等級分布需求多尺度可視化效果。

圖4 多尺度可視化效果

3 結束語

本文通過對不同領域用戶進行制圖需求調查，并根據用戶間的制圖需求差異，在本文提出的多尺度表達的概念和實驗設計方案的基礎上，選取了部分數(shù)據對交通要素啟發(fā)式多尺度表達方法進行了試驗。結果證明，該方法可以實現(xiàn)用戶對所需尺度地圖的快速查詢，并提供了多種不同尺度的地圖供用戶查詢分析，為多尺度制圖技術的發(fā)展提供了一定的借鑒。

然而，目前的啟發(fā)式多尺度制圖方法還處在初級階段，在以后的研究中還應著重于尺度變換時比例尺不連續(xù)以及多尺度表達時的自動綜合等方面的問題，力爭提高網絡地圖的自適應表達能力，改善無級縮放顯示效果。

[1]賈奮勵.電子地圖多尺度表達的理論與方法的研究[D].鄭州：信息工程大學，2002.

[2]ALESSANDRO CECCONI,etc. Improving Automated Generalisation for On-Demand Web Mapping by Multiscale Databases[C]. Symposium on Geospatial Theory, Processin g and Applications. Ottawa 2002.

[3]王卓苧. 基于Web服務的按需網絡綜合的研究[D].鄭州：信息工程大學，2006.

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[9]李鋼，黃強.城鄉(xiāng)一體化地籍中道路自動綜合研究[J].測繪科學，2011，36(4)：216-217.

[責任編輯：劉文霞]

Research of the technology and method of heuristics web map multi-scale representation

GAO Xiang, XU Jing-hua, WANG Lei, LIU Gang

(GIS Engineering Center of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

Aiming at the contradiction between visualization of sin gle scale maps and multi-scale representation of the maps that users demands, it uses a multi-scale mapping technology, and discusses the method of traffic elements heuristic multi-scale representation based on users’ mapping demands. By a series of heuristic recognition process of users’ mapping demands information, this method ranks the corresponding parameters to accept, reject and simplify all the elements in different scales. Finally it realizes the multi-scale representation of traffic elements. Practice shows that this method can ameliorate the sin gle scale flaws of web map representation, satisfy the demands of users to multi-scale web map.

multi-scale representation; mapping demands; heuristics; traffic elements; road generalization

2013-09-02

高 翔(1990-)，女，碩士研究生.

P283.7；P208

：A

：1006-7949(2014)08-0062-04