梁 磊,周 啟,任東宇

(國家測繪地理信息局第三地理信息制圖院,四川 成都 610100)

測繪地理信息的社會(huì)化應(yīng)用是當(dāng)前測繪地理信息行業(yè)的工作重點(diǎn)，專題圖作為反映一個(gè)地區(qū)自然或社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文要素的地圖[1]，是測繪地理信息社會(huì)化應(yīng)用的重要組成部分。傳統(tǒng)專題地圖編制主要存在以下問題:①地圖編制要求作業(yè)人員具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，根據(jù)不同用途對地圖進(jìn)行符號設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、整飾設(shè)計(jì)、版式設(shè)計(jì)等相關(guān)地圖設(shè)計(jì)；②編制地圖需要收集大量不同的空間數(shù)據(jù)與專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理工作；③專題地圖產(chǎn)品階段采用出版軟件完成地圖編輯與處理，出版軟件不具有地理信息坐標(biāo)基礎(chǔ)，導(dǎo)致地理信息空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)割裂，造成后期數(shù)據(jù)維護(hù)更新困難[2]。

目前國內(nèi)外專題地圖編制相關(guān)技術(shù)研究較多，如注記自動(dòng)配置技術(shù)[3-5]、基于特定模版的專題地圖快速制作技術(shù)[6]、專題地圖統(tǒng)計(jì)圖表自動(dòng)化設(shè)計(jì)[7]、地圖要素自動(dòng)選取[8]等，但這些技術(shù)研究相對零散，只涉及地圖生產(chǎn)的某一環(huán)節(jié)，地圖編制過程中的大量工作需要人工完成。為此，本文通過對專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與地理因子的自動(dòng)匹配技術(shù)、地圖設(shè)計(jì)專家知識(shí)模型庫構(gòu)建技術(shù)與專題統(tǒng)計(jì)圖表一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，形成一套完備的專題地圖一體化編制技術(shù)體系，并研發(fā)專題地圖一體化編制軟件，為相關(guān)專題圖件產(chǎn)品的生產(chǎn)編制提供技術(shù)支撐，提升專題制圖的效率，降低生產(chǎn)成本，提升地理信息保障服務(wù)能力和水平。

1 知識(shí)規(guī)則庫

知識(shí)庫屬于知識(shí)工程的范疇，表現(xiàn)為可以存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)化、組織化的互相聯(lián)系的知識(shí)集群，本文將地圖設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)化與模型化，用信息化的語言描述地圖設(shè)計(jì)和制作的各個(gè)過程，并構(gòu)建地圖編制流程專家知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)地圖編制過程的向?qū)Щc智能化[9]。本文構(gòu)建的地圖專家知識(shí)庫內(nèi)容包括制圖數(shù)據(jù)庫、符號色彩庫、整飾知識(shí)庫、注記知識(shí)庫和地圖模板庫5部分。

1.1 制圖數(shù)據(jù)庫

地圖制圖綜合是地圖編制過程中的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)綜合技術(shù)仍是世界難題，基于大比例尺制圖數(shù)據(jù)直接生成各個(gè)尺度的地理底圖數(shù)據(jù)工作量大，難以實(shí)現(xiàn)[10]。

本文通過構(gòu)建多尺度的制圖數(shù)據(jù)庫，一方面解決了傳統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)管理分散的問題，方便制圖數(shù)據(jù)快速獲取及管理；另一方面通過建立面向居民地、水系、路網(wǎng)、地形地貌等主要制圖要素自動(dòng)選取模型與表達(dá)規(guī)則體系，以數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式形成批量式的制圖數(shù)據(jù)多尺度制圖數(shù)據(jù)，解決了地理底圖制圖綜合的問題，如圖1所示。

圖1 多尺度數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

多尺度制圖數(shù)據(jù)庫建庫包括1∶5萬、1∶10萬、1∶25萬、1∶50萬、1∶100萬等基礎(chǔ)比例尺，而專題制圖往往需要結(jié)合制圖區(qū)域范圍、特點(diǎn)及生產(chǎn)需求選擇制圖數(shù)據(jù)比例尺，如1∶2.5萬、1∶10萬等[11]。本文構(gòu)建制圖比例尺知識(shí)庫即出圖比例尺范圍與制圖基本比例尺的對照關(guān)系(見表1)，結(jié)合專題圖出圖比例尺，動(dòng)態(tài)地從多尺度數(shù)據(jù)庫中快速地獲取底圖數(shù)據(jù)。

1.2 符號色彩知識(shí)庫

地圖符號是地圖的語言，是表達(dá)空間數(shù)據(jù)的基本手段，是可視化表達(dá)地理信息內(nèi)容的基礎(chǔ)工具[12]，本文通過總結(jié)制圖經(jīng)驗(yàn)和人的視覺感受，構(gòu)建了一套符號色彩知識(shí)庫。地圖底圖符號根據(jù)不同比例尺的圖式規(guī)范要求，分別對水系、交通、居民地、境界要素進(jìn)行符號樣式設(shè)計(jì)。采用冷色、暖色、常規(guī)3種色系對地理要素進(jìn)行符號色彩設(shè)計(jì)，如圖2所示。

表1 制圖比例尺知識(shí)庫

圖2 符號色彩設(shè)計(jì)

專題符號色彩包括為底圖做質(zhì)地渲染的分級色彩和為專題圖表譜色的單級色彩。單級色彩用于專題統(tǒng)計(jì)圖中區(qū)別不同類別的專題要素。

分級色彩規(guī)則設(shè)計(jì)了不同分級數(shù)量的分級方案，用于表達(dá)數(shù)據(jù)不同的分布特征，根據(jù)制圖經(jīng)驗(yàn)，分級色系主要包括黃色色系、藍(lán)色色系、綠色色系、紫色色系、青色色系5大色系，分級顏色規(guī)則數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)色系的分級色系的起始顏色CMYK值和分級類別。

1.3 地圖整飾知識(shí)庫

地圖整飾知識(shí)庫在專題地圖輸出階段根據(jù)制圖經(jīng)驗(yàn)對專題圖指北針、圖例、比例尺、地圖花邊等整飾要素進(jìn)行總結(jié)歸納，將整飾要素以制圖表達(dá)的方式制作并存儲(chǔ)于點(diǎn)要素類中，即整飾要素在空間數(shù)據(jù)庫中以點(diǎn)要素存在，在地圖上以相應(yīng)的圖形符號表現(xiàn)地圖花邊等要素，見表2。

表2 地圖整飾知識(shí)庫(部分)

1.4 注記知識(shí)庫

地圖的注記作為地圖語言之一，是影響地圖可讀性、增進(jìn)地圖使用價(jià)值的一個(gè)重要因素，注記生成的自動(dòng)化程度及注記質(zhì)量直接影響地圖編制效率和地圖產(chǎn)品質(zhì)量。地圖注記配置過程是一種智能行為,在遵守制圖規(guī)范的基礎(chǔ)上,根據(jù)要標(biāo)注的地物要素的實(shí)體特征和重要性級等確定地圖注記的樣式與布局[5]。根據(jù)不同的地理要素類注記生成的樣式和布局(如注記大小、顏色、字體、位置等信息)，構(gòu)建注記配置知識(shí)庫，并以規(guī)則化的語言存儲(chǔ)到知識(shí)庫，見表3。

表3 注記規(guī)則知識(shí)庫(部分)

同時(shí)注記生成過程中，需要考慮不同要素的重要程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整注記壓蓋的優(yōu)先順序，因此需要將不同要素的重要程序信息存儲(chǔ)形成注記避讓規(guī)則庫，見表4。

1.5 地圖模板

地圖制圖模板預(yù)先設(shè)計(jì)是加快專題底圖制圖過程的有效手段。結(jié)合專題制圖可視化表達(dá)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相關(guān)的圖件符號庫；針對不同類型的專題圖內(nèi)容組織形式，包括數(shù)據(jù)圖層、表達(dá)比例尺、圖層組織順序、圖面整飾等，構(gòu)建相應(yīng)的地圖制圖模板，形成專題制圖模板庫[13]。實(shí)際應(yīng)用中，依據(jù)制圖的區(qū)域、比例尺、可視化風(fēng)格等特點(diǎn)，直接匹配調(diào)用相應(yīng)的地圖模板，即可快速完成圖件數(shù)據(jù)導(dǎo)入的準(zhǔn)備工作。本文根據(jù)不同尺度度、不同風(fēng)格分別制定了相應(yīng)的模板。

表4 注記避讓規(guī)則知識(shí)庫(部分)

2 基于知識(shí)規(guī)則庫的制圖模型

2.1 地理底圖制圖模型

地理數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)幾何定位與屬性信息，不涉及可視化時(shí)的符號信息。常規(guī)的地圖制圖軟件建立在地理信息分類的基礎(chǔ)上，采用分類信息將地理數(shù)據(jù)與表達(dá)符號關(guān)聯(lián)，在制圖綜合過程中，當(dāng)位置沖突需要移動(dòng)要素時(shí)，只能改變原有要素的幾何位置，導(dǎo)致制圖信息與地理信息不完整，無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的符號可視化表達(dá)[2]。本文基于制圖表達(dá)技術(shù)構(gòu)建了圖庫一體化的制圖數(shù)據(jù)模型，即在不改變地理數(shù)據(jù)信息的原則下，將符號圖形信息捆綁形成面向制圖表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速成圖與高質(zhì)量表達(dá)。制圖表達(dá)方式的制圖模型是在制圖數(shù)據(jù)上建立規(guī)則字段，用于存儲(chǔ)制圖表達(dá)規(guī)則，利用GIS的覆蓋功能實(shí)現(xiàn)地圖制圖的完整性和自由性。對于位置沖突，將制圖表達(dá)轉(zhuǎn)換為自由式表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)要素的覆蓋，而不改變要素的地理幾何信息，從而實(shí)現(xiàn)基于單個(gè)要素地理要素的制圖表達(dá)，可形式化描述為

RGISCR=DB[GIS]+DB[sysmolizeInfo]+DB[Rule]

式中，RGISCR表示制圖表達(dá)；DB[GIS]表示地理空間數(shù)據(jù)庫；DB[sysmolizeInfo]表示地圖符號；DB[Rule]表示地圖表達(dá)規(guī)則。

在此基礎(chǔ)上，以一個(gè)地理數(shù)據(jù)庫和一個(gè)符號系統(tǒng)為輸入，通過自動(dòng)符號化、沖突探測、地圖綜合等操作實(shí)現(xiàn)地理要素與符號表達(dá)間的關(guān)聯(lián)和綁定(如圖3所示)，根據(jù)地圖制圖規(guī)則、數(shù)據(jù)更新要求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分層編碼、屬性表結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)、制圖表達(dá)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建制圖數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)管理模型。

圖3 制圖要素一體化表達(dá)模型

2.2 專題圖表制圖模型

傳統(tǒng)的專題圖表采用出版軟件制作，出版軟件不具有地理信息坐標(biāo)基礎(chǔ)，導(dǎo)致地理信息空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)割裂，破壞了地理信息數(shù)據(jù)完整性。地理信息數(shù)據(jù)在地圖制圖過程中發(fā)揮的作用日漸明顯，地圖與地理信息系統(tǒng)合二為一已經(jīng)成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢和技術(shù)主流，本文通過基于制圖表達(dá)的圖庫一體化的制圖數(shù)據(jù)模型[14]動(dòng)態(tài)地將專題圖表的符號信息捆綁形成面向制圖表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模型存儲(chǔ)于點(diǎn)要素類中，實(shí)現(xiàn)專題數(shù)據(jù)的快速成圖與高質(zhì)量表達(dá)。為了在一個(gè)點(diǎn)要素類中表現(xiàn)不同的專題圖表(如餅圖、條形圖、柱狀圖、統(tǒng)計(jì)表格等)，本文采用自由式表達(dá)方式，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)要素的制圖信息覆蓋，而不改變要素的地理幾何信息，從而實(shí)現(xiàn)基于要素類表現(xiàn)不同專題要素信息。專題圖制作原理如下：

(1) 讀取經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后專題信息，在專題圖表要素類中創(chuàng)建點(diǎn)要素，存儲(chǔ)專題圖表的地理位置，并將專題圖表的大小、顏色、比例等信息以字符串方式存儲(chǔ)在點(diǎn)要素的屬性字段中。

(2) 對點(diǎn)要素創(chuàng)建制圖表達(dá)點(diǎn)符號圖層，根據(jù)專題圖表符號樣式信息繪制組成的圖元(線圖元、面圖元、文字圖元)。

(3) 將點(diǎn)要素制圖規(guī)則類設(shè)置為自由式制圖表達(dá)的規(guī)則。

3 專題圖編制流程分析

制圖數(shù)據(jù)庫是在地理數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上用于專題制圖的地圖數(shù)據(jù)庫，即在地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加不同專題制圖符號信息，同時(shí)引入制圖綜合選取規(guī)則、符號圖形沖突處理模型形成多尺度表達(dá)模型[15]，并結(jié)合多種圖件類型提供多套符號及制圖模板體系。制圖數(shù)據(jù)庫的生成是實(shí)現(xiàn)專題圖件快速制作的關(guān)鍵步驟，基于制圖數(shù)據(jù)庫可制作不同類型的圖件[16]，專題圖編制流程如圖4所示。首先根據(jù)專題圖出圖范圍、比例尺等，從制圖數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，然后依據(jù)制圖模板進(jìn)行符號設(shè)計(jì)、圖面編輯、圖廓整飾設(shè)計(jì)、板式設(shè)計(jì)，專題圖設(shè)計(jì)等，完成后檢查人員進(jìn)行地圖沖突檢查，圖面有問題的需人工交互修改至沒有錯(cuò)誤，最后完成專題地圖編制。

圖4 專題圖編輯流程

4 試驗(yàn)與討論

為檢驗(yàn)本文方法的有效性，以ArcGIS 10.1為GIS平臺(tái)，采用VS2010+.NET開發(fā)專題圖編制系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)樣圖編制。圖5為利用專題圖知識(shí)庫和制圖模型方法在系統(tǒng)中制作的四川省產(chǎn)業(yè)規(guī)模專題圖，底圖地理數(shù)據(jù)的編輯和專題統(tǒng)計(jì)圖表制作均在軟件平臺(tái)中完成，其中專題統(tǒng)計(jì)圖表存儲(chǔ)于地理信息數(shù)據(jù)的點(diǎn)圖層中，采用自由式制圖表達(dá)展示專題圖表符號，并且系統(tǒng)可對圖表進(jìn)行編輯，從而保證空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)完整性，滿足了專題地圖制圖規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的專題圖編制，地理底圖處理階段在GIS軟件完成地圖編輯，專題地圖產(chǎn)品階段采用出版軟件完成地圖編輯與處理，但是出版軟件不具有地理信息坐標(biāo)基礎(chǔ)，導(dǎo)致地理信息空間數(shù)據(jù)與地圖表達(dá)割裂，破壞了空間數(shù)據(jù)與專題圖表數(shù)據(jù)的完整性。本文通過研究地圖編制流程，將地圖設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)化與模型化，用信息化的語言描述地圖設(shè)計(jì)和制作的各個(gè)過程，并構(gòu)建地圖編制流程專家知識(shí)庫、制圖知識(shí)庫和制圖模型，實(shí)現(xiàn)了專題圖表符號制作和地理信息底圖數(shù)據(jù)處理的平臺(tái)統(tǒng)一。本文方法能夠有效保證輸出的專題地圖在滿足傳統(tǒng)地圖編輯審美要求的同時(shí)又保證地理信息數(shù)據(jù)的完整性，減少繁瑣的人工編輯，提高制圖效率，是未來地圖制圖工作的一個(gè)重要發(fā)展方向。

圖5 四川省產(chǎn)業(yè)規(guī)模專題圖