田江鵬，游 雄，賈奮勵(lì)，夏 青

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450052

?

移動(dòng)地圖制圖的句法模型

田江鵬，游 雄，賈奮勵(lì)，夏 青

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450052

采用形式語(yǔ)言的方法，研究了移動(dòng)地圖制圖的句法模型。剖析了移動(dòng)地圖制圖的過(guò)程，將句法模型定位在制圖的邏輯演算層面；結(jié)合地圖表達(dá)的層次性和遞歸性特征，將移動(dòng)地圖制圖的句法結(jié)構(gòu)抽象為“制圖詞匯+句法規(guī)則”的最簡(jiǎn)形式。在制圖詞匯方面，建立了制圖詞匯的分類(lèi)體系，并重點(diǎn)對(duì)空間關(guān)系謂詞系統(tǒng)進(jìn)行了建模；在句法規(guī)則方面，描述了句法操作規(guī)則和不同層次的句法單位描述規(guī)則。探討了句法模型的編譯流程和關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)移動(dòng)地圖制圖句法模型的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。句法模型的本質(zhì)是一種使用有限規(guī)則和詞匯動(dòng)態(tài)生成不同地圖表達(dá)形式的形式語(yǔ)言語(yǔ)法，可作為一種高階的人機(jī)交互制圖接口。

移動(dòng)地圖；動(dòng)態(tài)制圖；句法模型；上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法；形式語(yǔ)言

位置服務(wù)引起了地圖學(xué)的巨大變化，移動(dòng)地圖及其制圖成為了新的研究熱點(diǎn)。移動(dòng)地圖是指在位置服務(wù)的背景下，通過(guò)移動(dòng)信息設(shè)備實(shí)現(xiàn)的基于位置的地圖，或是類(lèi)似的地理信息可視化產(chǎn)品[1]。其主要特點(diǎn)可以歸納為：面向用戶需求與偏好，運(yùn)行在具備定位、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入功能的移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)獲取位置和用戶需求相關(guān)的各種時(shí)空地理信息，采用多模式可視化方法進(jìn)行表達(dá)等。對(duì)移動(dòng)地圖進(jìn)行制圖，簡(jiǎn)稱(chēng)移動(dòng)制圖，采取的是動(dòng)態(tài)解析用戶需求、動(dòng)態(tài)檢索與處理所表達(dá)信息、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)地圖表達(dá)的制圖技術(shù)，屬于一種“以圖適人、制用同時(shí)”[2]的地圖制作模式。較之傳統(tǒng)地圖制圖，移動(dòng)制圖將地圖生成在用戶使用的過(guò)程中，使得移動(dòng)制圖更加強(qiáng)調(diào)制圖內(nèi)容和表達(dá)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特征。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的要求，使得移動(dòng)制圖需要探索和改進(jìn)其制圖模型和相關(guān)技術(shù)。形式語(yǔ)言是由公理化表達(dá)和數(shù)學(xué)規(guī)則構(gòu)成的形式化模型，具有描述能力強(qiáng)、易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。從地圖作為一種人工語(yǔ)言的角度，建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)地圖動(dòng)態(tài)制圖的形式模型，統(tǒng)一其語(yǔ)法、語(yǔ)義和語(yǔ)用基礎(chǔ)，不失為解決該問(wèn)題的一種有效方法。在這方面，文獻(xiàn)[3]從數(shù)字地圖動(dòng)態(tài)生成的角度，探討了地圖語(yǔ)言的字母表和語(yǔ)法組成(操作、規(guī)則和寫(xiě)作機(jī)制)。文獻(xiàn)[4]在空間查詢(xún)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上提出了圖形表達(dá)語(yǔ)言(graphical presentation language,GPL)。文獻(xiàn)[5]基于XML提出了MapMML語(yǔ)言。文獻(xiàn)[6]將形式語(yǔ)言的方法擴(kuò)展到虛擬地理環(huán)境的構(gòu)建中等。作為地圖語(yǔ)言的重要研究對(duì)象，地圖符號(hào)的形式化描述、語(yǔ)法系統(tǒng)也是探討的焦點(diǎn)，例如基于BNF的地圖符號(hào)描述[7]，海圖符號(hào)語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)則和制圖指令[8]，專(zhuān)題地圖符號(hào)自動(dòng)生成模型[9]，語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的地圖符號(hào)動(dòng)態(tài)生成[10]等。采用形式語(yǔ)言方法的地圖制圖研究，雖已取得一定的研究成果，但仍存在句法模型不夠系統(tǒng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)制圖技術(shù)不夠深入等問(wèn)題，特別是在移動(dòng)地圖制圖方面，還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

本文針對(duì)移動(dòng)地圖的動(dòng)態(tài)制圖問(wèn)題，研究移動(dòng)地圖制圖句法模型的構(gòu)建與編譯問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建一個(gè)面向移動(dòng)地圖制圖過(guò)程的上下文無(wú)關(guān)地圖句法系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用形式語(yǔ)言指令進(jìn)行制圖，解決移動(dòng)地圖表達(dá)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)問(wèn)題，建立起一種制圖需求與制圖操作間的自動(dòng)化處理機(jī)制。

1 句法模型的認(rèn)識(shí)

1.1 句法模型與形式化

移動(dòng)地圖“以圖適人、制用同時(shí)”的制圖模式，決定了移動(dòng)制圖需兼顧兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是制圖內(nèi)容的動(dòng)態(tài)計(jì)算，二是制圖表達(dá)的動(dòng)態(tài)疊加，且二者是相互依賴(lài)的過(guò)程。制圖內(nèi)容和制圖表達(dá)的可計(jì)算，依賴(lài)于對(duì)人在地圖設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中的地理信息處理規(guī)律的形式化描述：制圖內(nèi)容的形式化，要求構(gòu)建面向情境的地理要素及其空間關(guān)系描述，形成制圖系統(tǒng)可識(shí)別和使用的語(yǔ)義信息和參數(shù)集；制圖表達(dá)的實(shí)時(shí)疊加，要求以地理信息的語(yǔ)義分析為基礎(chǔ)，通過(guò)統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)靈活的制圖規(guī)則系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，組合構(gòu)造制圖實(shí)體實(shí)現(xiàn)地圖動(dòng)態(tài)生成。

形式化的目的，是為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并提供可供執(zhí)行的統(tǒng)一語(yǔ)法和語(yǔ)義模型，使之能夠按照既定程序執(zhí)行地圖動(dòng)態(tài)制作和生成。制圖內(nèi)容和制圖表達(dá)的形式化，遵循了5個(gè)階層，即“環(huán)境認(rèn)知→地理概念理解和語(yǔ)義建?！茍D邏輯演算→制圖系統(tǒng)程序語(yǔ)言→機(jī)器指令執(zhí)行”。這5個(gè)階層是一種相對(duì)的高階至低階的相互作用關(guān)系：越是高階，人的特點(diǎn)越顯著，此時(shí)有關(guān)圖形、語(yǔ)言和認(rèn)知的思維能力發(fā)揮重要作用；越是低階，計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)越顯著，此時(shí)機(jī)器的快速計(jì)算、檢索和圖形渲染能力發(fā)揮主導(dǎo)作用。

句法模型是針對(duì)“制圖邏輯演算”這一階層提出的，目的是構(gòu)建統(tǒng)一的制圖語(yǔ)法規(guī)則系統(tǒng)。一方面，通過(guò)采用一定的語(yǔ)法描述規(guī)則來(lái)演繹地圖制圖過(guò)程，建立起一種相對(duì)于“制圖系統(tǒng)程序語(yǔ)言”階層的高階形式語(yǔ)言，使得低階的制圖系統(tǒng)能夠在該高階語(yǔ)言的控制下，“動(dòng)態(tài)地”執(zhí)行制圖操作，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)制圖系統(tǒng)只能按照固化或者部分固化的流程執(zhí)行制圖操作的不足。另一方面，相對(duì)于更高階的環(huán)境認(rèn)知和地理概念分析，句法模型可以通過(guò)良好的語(yǔ)法設(shè)計(jì)，使用形式語(yǔ)言的方式接納制圖內(nèi)容動(dòng)態(tài)計(jì)算的結(jié)果，使得計(jì)算機(jī)更為智能地進(jìn)行制圖。

1.2 句法模型參與的移動(dòng)制圖流程

從制圖過(guò)程來(lái)看，至少包括兩個(gè)方面：一是根據(jù)制圖情境確定所需制圖要素或數(shù)據(jù)；二是將這些要素或數(shù)據(jù)按照一定的制圖要求渲染出來(lái)。借鑒制圖代數(shù)模型[11]、全息位置地圖制圖模型[12]，構(gòu)建了一個(gè)顧及情境約束、制圖數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)獲取與重構(gòu)、制圖表達(dá)的動(dòng)態(tài)疊加與渲染，并以制圖形式語(yǔ)言銜接的動(dòng)態(tài)制圖鏈，如圖1所示。

制圖內(nèi)容的獲取與重構(gòu)方面：通過(guò)地理信息檢索、過(guò)濾和發(fā)現(xiàn)等技術(shù)，從泛在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、傳感器觀測(cè)等途徑獲得數(shù)據(jù)，形成結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的描述；通過(guò)構(gòu)建地理語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)，形成情境約束的制圖要素語(yǔ)義分析和理解，并完成地理信息向制圖數(shù)據(jù)的映射轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采用形式語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)范進(jìn)行描述。

制圖表達(dá)的編譯與渲染方面：基于句法模型，構(gòu)建形式語(yǔ)言的編譯器，編譯器將制圖語(yǔ)句編譯為制圖數(shù)據(jù)的抽象語(yǔ)法樹(shù)(abstract syntax tree,AST)，作為圖形渲染階段的輸入數(shù)據(jù)；再通過(guò)遍歷抽象語(yǔ)法樹(shù)，調(diào)用制圖引擎的應(yīng)用程序接口，完成地圖的渲染與輸出。

圖1 句法模型參與的移動(dòng)地圖動(dòng)態(tài)制圖流程Fig.1 The dynamic generation process of mobile maps in which syntax model participated

2 句法模型的構(gòu)建

2.1 移動(dòng)地圖的結(jié)構(gòu)化

類(lèi)比語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)[13]，可將移動(dòng)地圖的表達(dá)視為由多級(jí)制圖單位(材料)通過(guò)各種組合關(guān)系構(gòu)造而成的層次結(jié)構(gòu)，具有典型的層次性特點(diǎn)。例如，將一幅地圖視為篇章，則各個(gè)圖層可視為段落；空間要素及其位置的表達(dá)可視為命題，要素或命題間空間關(guān)系的表達(dá)可視為語(yǔ)句；符號(hào)可看作是構(gòu)成該語(yǔ)言的詞匯?？蓪⑵錃w納為篇章層、句法層和詞法層：篇章層描述不同句法表達(dá)集合之間的關(guān)系；句法層描述的是空間要素及其相互之間的空間關(guān)系，以及它們的表達(dá)規(guī)則；詞法層是地圖符號(hào)層次，關(guān)注符素[14-15]組合為符號(hào)的規(guī)則和方法。

確立移動(dòng)地圖構(gòu)造的層次結(jié)構(gòu)，可抽象不同制圖單位及其組織規(guī)律。參照文獻(xiàn)[16]提出的“主語(yǔ)+謂語(yǔ)+地點(diǎn)上下文”的一般結(jié)構(gòu)，“地圖符號(hào)+定位謂詞+地點(diǎn)副詞”構(gòu)成了命題，用以表征地理要素及其空間位置；“命題+空間關(guān)系謂詞+命題”可以構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的制圖語(yǔ)句，用以表征地理要素之間的空間關(guān)系。相應(yīng)的，還可以歸納出諸如“制圖語(yǔ)句+空間關(guān)系謂詞+制圖語(yǔ)句”、“制圖語(yǔ)句+空間關(guān)系謂詞+命題”、“命題+空間關(guān)系謂詞+制圖語(yǔ)句”等形式復(fù)雜的從句。通過(guò)反復(fù)使用(有限的)符號(hào)、命題等制圖材料，在特定的句法規(guī)則控制下，可構(gòu)成無(wú)限的地圖表達(dá)形式。本文將這一特點(diǎn)歸結(jié)為遞歸性特征，它是地圖多樣化表達(dá)能力的來(lái)源。

根據(jù)層次性和遞歸性特征，可以將移動(dòng)地圖制圖的句法結(jié)構(gòu)抽象為“制圖詞匯+句法規(guī)則”的最簡(jiǎn)形式。制圖詞匯是指地圖符號(hào)、定位謂詞、地點(diǎn)副詞等描述制圖對(duì)象、操作和地點(diǎn)上下文的詞匯。句法規(guī)則是諸如“命題=地圖符號(hào)+定位謂詞+地點(diǎn)副詞”這類(lèi)將制圖詞匯構(gòu)造為更高級(jí)句法成分的組合規(guī)則。

圖2通過(guò)3種要素的空間關(guān)系的表達(dá)為例，對(duì)句法結(jié)構(gòu)進(jìn)行示例說(shuō)明，其中，制圖詞匯包括：地圖符號(hào)：Sgreen(綠地)、Striangle(土堆三角點(diǎn))、Sroad(道路)；制圖謂詞：Plocate(定位謂詞)、Pcontain(包含空間關(guān)系)、Pintersect(交叉空間關(guān)系)；地點(diǎn)副詞：Gring、Gsring、Gpoint(使用幾何對(duì)象形式描述的空間位置)。

句法規(guī)則有：制圖命題=地圖符號(hào)+定位謂詞+地點(diǎn)副詞；制圖語(yǔ)句=制圖命題+空間關(guān)系謂詞+制圖命題；制圖語(yǔ)句=制圖語(yǔ)句+空間關(guān)系謂詞+制圖命題。

2.2 句法模型的數(shù)學(xué)建模

文獻(xiàn)[17]將自然語(yǔ)言形式模型歸納為4種文法層次：0型、1型、2型和3型文法，且每一種文法都是前一種文法的特例化。2型文法又稱(chēng)上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法(context free grammar,CFG)，其典型的特征在于遞歸，較為適合描述移動(dòng)地圖的層次性和遞歸性特征。因此，移動(dòng)地圖制圖的句法模型G可定義為以下4元組

G=(VR,VM,S,R)

式中，VR={r1,r2,…,rn},(i=1,2，…,n)是句法生成重寫(xiě)過(guò)程中的句法規(guī)則集合，n是規(guī)則的數(shù)量，ri是句法表達(dá)的句法規(guī)則(syntax-rule)，不能處于生成過(guò)程的終點(diǎn)；VM={m1,m2,…,mk},(i=1,2，…,k)是句法重寫(xiě)過(guò)程中使用的制圖詞匯集合，k是詞匯的數(shù)量，mi是句法表達(dá)的制圖詞匯(carto-lexicon)，例如地圖符號(hào)、空間關(guān)系謂詞等，只能處于生成過(guò)程的終點(diǎn)，其中，空間關(guān)系謂詞是構(gòu)成地圖語(yǔ)言和自然語(yǔ)言語(yǔ)法模型的顯著區(qū)別特征；S是語(yǔ)法形式模型生成的起點(diǎn)，可以取VR集合中不同規(guī)則并作為初始規(guī)則；R是規(guī)則的重寫(xiě)形式，其一般形式為

A→ω

式中，A∈VR且A≠?，即A必須是VR集合中的某一規(guī)則；ω是規(guī)則的重寫(xiě)結(jié)果。以此，圖2示例中的制圖對(duì)象及其相互關(guān)系就可以描述為

G=(VR,VM,S,R)

VR={sentence,prid,prop,symbol,geom}

VM={Sroad,Striangle,Sgreen,Plocate,Pcontain,

Pintersect,Gpoint,Gstring,Gring}

S=sentence

R:

(1)sentence→sentc+prid+prop

(2)sentence→prop+prid+prop

(3)prop→synbol+prid+geom

(4)synbol→{Sroad,Striangle,Sgreen}

(5)prid→{Plocate,Pcontain,Pintersect}

(6)geom→{Gpoint,Gstring,Gring}其中，R的規(guī)則(1)—(6)解釋了VR中的句法規(guī)則的遞歸形式：規(guī)則(1)—(2)解釋了制圖語(yǔ)句的遞歸規(guī)則，規(guī)則(3)解釋了制圖命題的遞歸規(guī)則，規(guī)則(4)—(6)分別解釋了符號(hào)、謂詞和幾何對(duì)象重寫(xiě)的規(guī)則。可以看出，移動(dòng)地圖制圖句法模型G，其核心在于制圖詞匯VM和句法規(guī)則R的設(shè)定。下文將重點(diǎn)對(duì)制圖詞匯和句法規(guī)則進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 移動(dòng)地圖的句法結(jié)構(gòu)示例(以制圖詞匯為材料、句法規(guī)則遞歸控制下的層次結(jié)構(gòu))Fig.2 An example of mobile map syntax: a hierarchical structure which uses syntax-rules to control carto-lexicons recursively

2.3 制圖詞匯(carto-lexicon)

文獻(xiàn)[18]提出了將點(diǎn)狀符號(hào)作為名詞，符號(hào)的顏色等修飾作為形容詞、要素與修飾之間以及要素與要素之間的空間關(guān)系作為動(dòng)詞，副詞反映距離和方向等思想。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為在句子結(jié)構(gòu)中，詞匯不僅參與制圖語(yǔ)句的構(gòu)圖，還具有多種不同的功能，例如表示某種空間關(guān)系，表達(dá)距離和方向，連接制圖語(yǔ)句等。綜合這些思想，本文將制圖詞匯概括為以下幾種類(lèi)型(見(jiàn)表1)：

在該分類(lèi)中，能夠描述和處理要素間空間關(guān)系的是空間關(guān)系謂詞。對(duì)空間關(guān)系的描述，不僅受到物體之間幾何關(guān)系的影響，也受到地理本體所屬類(lèi)型和語(yǔ)言環(huán)境等非空間屬性的影響[19]。因此，諸如4交模型、9交模型等高度形式化的拓?fù)潢P(guān)系模型，不完全適合于解決地理問(wèn)題，還需顧及要素的形狀和語(yǔ)義[20-21]。例如，一條河流可以“流入”另一條河流，道路“橫跨”河流，兩條道路“相交”等。若從拓?fù)潢P(guān)系角度，可能存在要素之間的拓?fù)潢P(guān)系一致，但實(shí)際中不可能存在的情況，例如“河流‘流入’道路”。因此，“流入”“橫跨”和“相交”這些空間關(guān)系詞匯，通過(guò)幾何和語(yǔ)義關(guān)系的記錄，精確地描述了要素間的空間關(guān)系，本文稱(chēng)之為空間關(guān)系謂詞。

通過(guò)對(duì)空間特征和空間關(guān)系進(jìn)行語(yǔ)義擴(kuò)展，可建立空間關(guān)系謂詞系統(tǒng)。本文將空間特征和空間關(guān)系劃分為位置、方向、距離和拓?fù)?個(gè)方面，每一個(gè)謂詞均對(duì)應(yīng)一個(gè)謂詞函數(shù)(如表2)。

表1 制圖詞匯類(lèi)型及其充當(dāng)?shù)木浞ǔ煞?/p>

表2 空間關(guān)系謂詞系統(tǒng)

采用幾何對(duì)象模型描述和記錄空間位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理實(shí)體幾何形狀的概括和抽象。幾何對(duì)象可以分為點(diǎn)、線和面3種基本形式。點(diǎn)可以分為單點(diǎn)(Point)或組合點(diǎn)(MultiPoint)；線可以重寫(xiě)為折線(LineString)、環(huán)(LineRing)以及線段(直線段(Line)、貝塞爾曲線(Bezier)、圓弧(CircularArc)和橢圓弧(EclipseArc))；面則可以重寫(xiě)為多邊形(Polygon)及其組合(MultiPolygon)。

2.4 句法規(guī)則(Syntax-Rule)

與上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法等價(jià)的巴科斯范式(Backus-Naur Form,BNF)，描述形式具有簡(jiǎn)潔清楚、易于閱讀、容易理解等特征，常作為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言語(yǔ)法描述的元語(yǔ)言，因此可采用BNF對(duì)句法的重寫(xiě)規(guī)則A→ω進(jìn)行描述。定義移動(dòng)地圖制圖語(yǔ)言句法的一般規(guī)則是

〈制圖語(yǔ)句〉::=〈句法操作〉〈句法單位描述〉。

2.4.1 句法操作規(guī)則

句法操作是指創(chuàng)建、刪除、編輯修改某一句法單位的功能操作。借鑒GPL[4，22]的6種繪制方式，并一定程度上顧及人的自然語(yǔ)言表達(dá)習(xí)慣，制定了以下5種句法操作：創(chuàng)建(Create)，創(chuàng)建并繪制一個(gè)新的制圖對(duì)象；刪除(Delete)，刪除一個(gè)制圖對(duì)象并擦除地圖繪制；疊加(Overlay)，在已有的制圖對(duì)象上疊加新的制圖對(duì)象，屬追加操作；高亮(Highlight)，高亮強(qiáng)調(diào)表達(dá)某個(gè)制圖對(duì)象，使之視覺(jué)凸顯；選中(Select)，選擇某一制圖對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行增量編輯和修改。句法操作規(guī)則的BNF描述見(jiàn)表3。

2.4.2 句法單位描述規(guī)則

句法單位描述規(guī)則主要分為：地圖和圖層描述規(guī)則(篇章層)；制圖語(yǔ)句描述規(guī)則(句法層)；制圖符號(hào)描述規(guī)則和幾何對(duì)象描述規(guī)則(詞法層)，如表4所示。其中，在制圖語(yǔ)句描述規(guī)則方面，使用了〈sql_select_stmt〉規(guī)則，可兼容SQL的SELECT-FROM-WHERE語(yǔ)法，實(shí)現(xiàn)從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索幾何和屬性數(shù)據(jù)，增強(qiáng)制圖數(shù)據(jù)的查詢(xún)和制圖效率。

表3 句法操作規(guī)則的BNF形式

表4 句法單位描述規(guī)則的BNF形式

3 編譯器構(gòu)建與制圖試驗(yàn)

3.1 編譯器架構(gòu)設(shè)計(jì)

編譯器是以移動(dòng)地圖制圖的制圖語(yǔ)句為輸入，通過(guò)詞法分析、語(yǔ)法分析生成抽象語(yǔ)法樹(shù)，并調(diào)用底層制圖系統(tǒng)API實(shí)現(xiàn)移動(dòng)地圖動(dòng)態(tài)制圖，其總體設(shè)計(jì)方案和流程可用圖3表示。其中，根據(jù)句法規(guī)則集VR和制圖詞匯集VM，構(gòu)建詞法和語(yǔ)法分析的規(guī)則文件；編譯錯(cuò)誤提示與反饋模塊則提示編譯過(guò)程中的錯(cuò)誤或警告信息。其中的關(guān)鍵步驟包括：①對(duì)所輸入的制圖語(yǔ)句進(jìn)行詞法分析；②基于詞法分析的結(jié)果，按照重寫(xiě)規(guī)則進(jìn)行語(yǔ)法分析；③根據(jù)語(yǔ)法分析的結(jié)果，重建抽象語(yǔ)法樹(shù)；④遍歷抽象語(yǔ)法樹(shù)，生成地圖場(chǎng)景樹(shù)(MapSceneGraph)，渲染至終端屏幕。

采用了較為成熟的Flex和Bison[23]作為詞法分析和語(yǔ)法分析的工具。按照Flex和Bison的規(guī)則編寫(xiě)規(guī)范，分別按照制圖詞匯集、句法規(guī)則集提供的標(biāo)識(shí)符和規(guī)則，編寫(xiě)Carto-Lexicon.l的詞法規(guī)則文件和Carto-Rule.y的句法規(guī)則文件(注：“.l”為Flex規(guī)則文件類(lèi)型，“.y”為Bison規(guī)則文件類(lèi)型)；使用Flex/Bison進(jìn)行編譯，可以得到能在制圖系統(tǒng)層面使用的詞法分析程序和句法分析程序模塊。

圖3 編譯器的設(shè)計(jì)方案Fig.3 The design of the compiler

3.2 編譯生成實(shí)例

生成實(shí)例采用的數(shù)據(jù)為某萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)室內(nèi)數(shù)據(jù)，采用幾何對(duì)象描述并記錄幾何數(shù)據(jù)，并用二進(jìn)制方式存儲(chǔ)在sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于使用〈sql_select_stmt〉規(guī)則，達(dá)到移動(dòng)端的快速空間數(shù)據(jù)檢索和使用的目的。

3.2.1 單一語(yǔ)句的生成過(guò)程和效果

表5給出了一組制圖輸入語(yǔ)句。以該廣場(chǎng)室內(nèi)一樓數(shù)據(jù)表FC_862000010020300001_F1為例，分別構(gòu)建了建筑物、購(gòu)物、衛(wèi)生間、問(wèn)訊處和電話亭等制圖語(yǔ)句，并分別為每一類(lèi)要素賦予了相應(yīng)的地圖符號(hào)。圖4(a)則顯示了該語(yǔ)句的制圖效果。

表5 試驗(yàn)用制圖形式語(yǔ)句

圖4 不同制圖語(yǔ)句編譯后得到的地圖效果圖Fig.4 The compilation and generation result of different cato-statements

3.2.2 不同語(yǔ)句動(dòng)態(tài)生成的效果

圖4(b)、圖4(c)給出的是模擬不同制圖情境、給定不同的制圖語(yǔ)句輸入，得到的一組實(shí)時(shí)地圖生成效果。其中，圖4(b)為Android終端上的生成效果，基于二維圖形引擎實(shí)現(xiàn)的偽三維室內(nèi)地圖表達(dá)；圖4(c)則是基于三維地圖符號(hào)生成的室內(nèi)三維場(chǎng)景。

從不同語(yǔ)句的生成實(shí)例來(lái)看，基于移動(dòng)地圖動(dòng)態(tài)制圖句法模型構(gòu)建的編譯器，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)給定的制圖語(yǔ)句，通過(guò)編譯和渲染等過(guò)程實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的地圖圖形。地圖生成的效果，取決于制圖語(yǔ)句的構(gòu)成，包括圖層、語(yǔ)句、符號(hào)、幾何數(shù)據(jù)的描述等。

4 結(jié) 論

本文探討了移動(dòng)地圖動(dòng)態(tài)制圖的句法模型，將移動(dòng)地圖的表達(dá)形式抽象為“制圖詞匯+句法規(guī)則”的最簡(jiǎn)形式，使得移動(dòng)制圖過(guò)程演變?yōu)榫浞ㄒ?guī)則控制下的制圖詞匯的構(gòu)造過(guò)程，體現(xiàn)了“通過(guò)有限符號(hào)表達(dá)無(wú)限復(fù)雜的真實(shí)世界”這一動(dòng)態(tài)制圖特征。建立起了一種相對(duì)于“制圖系統(tǒng)程序語(yǔ)言”的高階形式語(yǔ)言，使得低階的制圖系統(tǒng)能夠在這一高階語(yǔ)言的控制下，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)地圖的動(dòng)態(tài)制圖。

計(jì)算語(yǔ)言學(xué)認(rèn)為，公理化的形式語(yǔ)言描述使得機(jī)器人“仿真”人類(lèi)的認(rèn)知行為成為可能[24]，那么，公理化的制圖形式語(yǔ)言則在提高制圖系統(tǒng)的智能化水平方面具有較大潛力。移動(dòng)制圖的句法模型及其自動(dòng)化編譯機(jī)制，立足于制圖邏輯演算階層，一定程度上將屬于人類(lèi)智力活動(dòng)的空間認(rèn)知、地理概念語(yǔ)義推理，與屬于計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算、檢索和圖形渲染能力結(jié)合了起來(lái)。同時(shí)，使用形式語(yǔ)言的方式接納概念和語(yǔ)義層面的處理結(jié)果，對(duì)于地圖空間認(rèn)知學(xué)者尋求能夠模擬地圖認(rèn)知機(jī)理、表達(dá)地理語(yǔ)義計(jì)算過(guò)程的計(jì)算機(jī)工具，具有較好的借鑒意義。

進(jìn)一步的研究將會(huì)集中在以下幾點(diǎn)：一是移動(dòng)地圖制圖形式語(yǔ)言的認(rèn)知和語(yǔ)義問(wèn)題，BNF和CGF描述能力很強(qiáng)，但是缺乏語(yǔ)義描述，如何統(tǒng)籌考慮句法模型和語(yǔ)義模型，將是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題；二是句法規(guī)則的規(guī)范化；從數(shù)學(xué)模型來(lái)看，句法模型的生成能力是否強(qiáng)大、生成效率是否高效等，取決于重寫(xiě)規(guī)則制定的合理性與規(guī)范化程度，對(duì)句法規(guī)則進(jìn)行規(guī)范化，建立制圖語(yǔ)言語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)，是進(jìn)一步深化句法模型需解決的問(wèn)題；三是移動(dòng)地圖制圖的詞法模型與篇章模型的系統(tǒng)化研究，結(jié)合句法模型，可形成完整的移動(dòng)地圖制圖的語(yǔ)法基礎(chǔ)。

[1] REICHENBACHER T. Adaptive Concepts for a Mobile Cartography[J]. Journal of Geographical Sciences, 2001, 11(S1): 43-53.

[2] 閻超德, 趙仁亮, 陳軍. 移動(dòng)地圖的自適應(yīng)模型研究[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2006, 22(2): 42-45.

YAN Chaode, ZHAO Renliang, CHEN Jun. Adaptive Model of Mobile Map[J]. Geography and Geo-Information Science, 2006, 22(2): 42-45.

[3] RAMIREZ J R. Development of a Cartographic Language[M]∥FRANK A U, CAMPARI I. Spatial Information Theory a Theoretical Basis for GIS: Lecture Notes in Computer Science. Berlin: Springer, 1993, 716: 92-112.

[4] EGENHOFER M J. Interaction with Geographic Information Systems via Spatial Queries[J]. Journal of Visual Languages & Computing, 1990, 1(4): 389-413.

[5] 李霖, 尹章才, 朱海紅. 地圖制圖標(biāo)記語(yǔ)言的概念與模式研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2007, 36(1): 108-111. DOI: 10.3321/j.issn:1001-1595.2007.01.019.LI Lin, YIN Zhangcai, ZHU Haihong. Concept and Schema of Map-making Markup Language[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2007, 36(1): 108-111. DOI: 10.3321/j.issn:1001-1595.2007.01.019.

[6] JIA Fenli, YOU Xiong, TIAN Jiangpeng, et al. Formal Language for the Virtual Geographic Environment[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 74(10): 6981-7002.

[7] 黨麗娜, 黨高峰, 吳凡, 等. 基于描述方法的地圖符號(hào)表達(dá)及實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2010, 35(6): 253-256, 188. DANG Lina, DANG Gaofeng, WU Fan, et al. Representation and Realization of Map Symbols Based on Descriptive Method[J]. Science of Surveying and Mapping, 2010, 35(6): 253-256, 188.

[8] 郭立新. 海圖符號(hào)語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[D]. 鄭州: 信息工程大學(xué), 2012.

GUO Lixin. The Constructing and Realizing Techniques for Grammatical Rules of the Nautical Chart Symbolical Language[D]. Zhengzhou: Information Engineering University, 2012.

[9] 趙飛, 杜清運(yùn), 任福, 等. 專(zhuān)題地圖符號(hào)的句法結(jié)構(gòu)及其自動(dòng)構(gòu)建機(jī)制[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(6): 653-660. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0105.ZHAO Fei, DU Qingyun, REN Fu, et al. Syntactic Characteristics and Smart Construction Mechanism of Thematic Map Symbol[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(6): 653-660. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0105.

[10] 田江鵬, 賈奮勵(lì), 夏青, 等. 語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的層次化地圖符號(hào)設(shè)計(jì)方法[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 14(6): 736-743.

TIAN Jiangpeng, JIA Fenli, XIA Qing, et al. Design Method of the Semantic-driven Hierarchical Map Symbols[J]. Journal of Geo-Information Science, 2012, 14(6): 736-743.

[11] 李霖, 朱海紅, 賀彪, 等. 基于代數(shù)結(jié)構(gòu)的地形圖制圖模型[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2011, 40(3): 373-378.

LI Lin, ZHU Haihong, HE Biao, et al. Cartographic Model for Topographic Maps Based on Algebraic Structure[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2011, 40(3): 373-385.

[12] JIA Fenli, WANG Guangxia, TIAN Jiangpeng, et al. Research on Holographic Location Map Cartographic Model[C]∥Proceedings of the 11th International Symposium on Location-based Services. Vienna, Austria: LBS, 2014: 11.

[13] 羅賓斯 R H. 普通語(yǔ)言學(xué)導(dǎo)論[M]. 申小龍, 譯. 上海: 復(fù)旦大學(xué)出版社, 2008.

ROBINS R H. General Linguistics Fourth Edition[M]. SHEN Xiaolong, trans. Shanghai: Fudan University Press, 2008.

[14] TIAN Jiangpeng, PENG Keman, JIA Fenli, et al. The Concept of Symbol-morpheme and Its Application in Map Symbols Design[C]∥Proceedings of the 21st International Conference on Geoinformatics. Kaifeng, China: IEEE, 2013.

[15] 田江鵬, 賈奮勵(lì), 夏青. 依托語(yǔ)言學(xué)方法論的三維符號(hào)設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(1): 131-137.

TIAN Jiangpeng, JIA Fenli, XIA Qing. Research on 3D Symbol Design Based on Linguistic Methodology[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 42(1): 131-137.

[16] HEAD C G. The Map as Natural Language: A Paradigm for Understanding[M]∥BOARD C. New Insights in Cartographic Communication, Cartographica Monograph 31. Toronto:Press of Toronto University, 1984: 1-36.

[17] 馮志偉. 自然語(yǔ)言處理的形式模型[M]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2010. FENG Zhiwei. Formal Models of Natural Language Processing[M]. Hefei: Press of University of Science and Technology of China, 2010.

[18] ANDREWS J H. Map and Language/A Metaphor Extended[J]. Cartographica, 1990, 27(1): 1-19.

[19] MARK D M, COMAS D, EGENHOFER M J, et al. Evaluating and Refining Computational Models of Spatial Relations through Cross-linguistic Human-subjects Testing[M]∥FRANK A U, KUHN W. Spatial Information Theory a Theoretical Basis for GIS. International Conference COSIT’95, Semmering, Austria: Lecture Notes in Computer Science. Berlin: Springer-Verlag, 1995, 988: 553-568.

[20] 杜清運(yùn), 任福. 空間信息的自然語(yǔ)言表達(dá)模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2014, 39(6): 682-688. DOI: 10.13203/j.whugis20140118.

DU Qingyun, REN Fu. Representation Model of Spatial Information in Natural Language[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(6): 682-688. DOI: 10.13203/j.whugis20140118.

[21] 劉瑜, 龔詠喜, 張晶, 等. 地理空間中的空間關(guān)系表達(dá)和推理[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2007, 23(5): 1-7. LIU Yu, GONG Yongxi, ZHANG Jing, et al. Representation and Reasoning of Spatial Relations in Geographical Space[J]. Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(5): 1-7.

[22] EGENHOFER M J. Spatial SQL: A Query and Presentation Language[J]. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 1994, 6(1): 86-95.

[23] LEVINE J R, MASON T, BROWN D. Lex & Yacc[M]. Sebastopol, California: O’Reilly & Associates, Inc, 1992.

[24] 馮志偉. 語(yǔ)言與數(shù)學(xué)[M]. 北京: 世界圖書(shū)出版公司, 2011.

FENG Zhiwei. Language and Mathimatics[M]. Beijing: World Book Publishing House, 2011.

(責(zé)任編輯：宋啟凡)

The Syntax Model of Mobile Maps Generation

TIAN Jiangpeng,YOU Xiong,JIA Fenli,XIA Qing

Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

Using the method of formal language (FL), the syntax model of mobile map generation is studied. The syntax model is located in the level of logical calculus of map generation based on the analysis of its process. Combined the hierarchical and recursive characteristics of map representation, the simplest form of syntax structure is abstracted as carto-lexicons and syntax-rules. The classification system of carto-lexicons is established as well as the model of the spatial relation predicate system, and the map operation rules and rules of different levels of syntactic units are discussed. The compilation process and key techniques of the syntax model are discussed, and the feasibility of the model is verified through mobile maps generation experiment. The essence of the model is a kind of formal language grammar, which uses finite rules and lexicons to generate maps automatically, as well as a kind of high-level cartography interface of human-computer interactive.

mobile maps; dynamic cartography; syntax model; context free grammar; formal language

The National High Technology Research and Development Program of China (No.2013AA12A202);The National Natural Science Foundation of China (Nos.41271393;41371382;41671407)

TIAN Jiangpeng(1987—), male, lecturer, majors in cartography and geographic information

JIA Fenli

田江鵬，游雄，賈奮勵(lì)，等.移動(dòng)地圖制圖的句法模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(11)：1352-1360.

10.11947/j.AGCS.2016.20150544.

TIAN Jiangpeng,YOU Xiong,JIA Fenli,et al.The Syntax Model of Mobile Maps Generation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(11):1352-1360. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150544.

P208

A

1001-1595(2016)11-1352-09

國(guó)家863計(jì)劃(2013AA12A202)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41271393；41371382；41671407)

2015-10-27

修回日期： 2016-09-06

田江鵬(1987—)，男，講師，研究方向?yàn)榈貓D制圖學(xué)與地理信息工程。

engineering．

E-mail： tjpeng2011@163.com

賈奮勵(lì)

E-mail： imjerry76@foxmail.com