戴勁松，楊明

(寧波市測繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

地圖符號是地圖的語言單位，是可視化表達地理信息內(nèi)容的基本工具，它本質(zhì)上是用來表示實地物體與現(xiàn)象的特定圖解記號，由點、線和幾何圖形所組成，具備3個基本要素，即形狀、尺寸和顏色[1]。符號化是地圖繪制時現(xiàn)實地物抽象為符號的過程。符號化后的地物往往帶有部分地物屬性特征(如地物長度、形狀、面積等)，這些特征既方便地圖使用者辨識地物，也會向地圖使用者傳達圖形要素信息。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未得到普及的年代，地圖符號樣式及類型沒有得到較好的統(tǒng)一，各地圖符號代表類型、意義不盡相同，但后續(xù)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及較好地解決了符號統(tǒng)一問題，而目前各平臺程序如何高效并精確描述地圖符號成為新的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外GIS平臺在符號庫中設(shè)計符號的途徑主要可概括為4種[2]：

(1)文本編輯器設(shè)計法。它利用文本描述繪制的符號，其缺點是設(shè)計速度慢，且符號編寫的過程中容易產(chǎn)生語法錯誤，不能實時觀察設(shè)計的符號；

(2)系統(tǒng)提供的二次開發(fā)語言編程。某些地物符號由于地物本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或樣式獨特具備唯一性，不易采用文本編輯，因此需要借助開發(fā)語言完成描述；

(3)系統(tǒng)本身的圖形編輯功能。它將符號當作普通的圖形塊，追加符號碼等描述項后存儲到符號庫，隨后根據(jù)需要或應(yīng)用，繪圖時調(diào)用符號庫中的圖形塊顯示在地圖上；

(4)系統(tǒng)提供的符號設(shè)計功能。使用者可將系統(tǒng)本身提供的基本符號與自定義符號(如點符號)進行某種組合、位移、放縮，隨后得到制圖輸出所需的復(fù)雜符號(如復(fù)雜線型和面狀填充符號)，這也是目前較為流行的符號設(shè)計方式。

除符號設(shè)計方法外，地圖符號的組織格式也具備系列的發(fā)展研究。可根據(jù)地圖符號組織的數(shù)據(jù)格式的不同(即矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù))，將地圖符號分為基于矢量數(shù)據(jù)的符號，基于柵格數(shù)據(jù)的符號和基于兩種混合數(shù)據(jù)的符號[3]。對應(yīng)3種數(shù)據(jù)類型符號，已有許多研究陸續(xù)提出了組織方法，用以提高不同應(yīng)用目的下符號的存儲與可視化效率[4～7]，如：在符號繪制的過程中，借助圖形系統(tǒng)與圖像處理軟件繪制圖形塊[8，9]；新興地理信息表達技術(shù)，如WebGIS技術(shù)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換格式(如JSON)表達并解析符號[10，11]；三維地理信息技術(shù)也發(fā)展出對應(yīng)的符號化方法[12，13]。

眾多類型的符號庫中，矢量符號庫用離散形式的坐標點對表示的點、線、面狀符號的有序集合[14]，庫中符號占用內(nèi)存小、冗余數(shù)據(jù)少、調(diào)用效率高，符合土地調(diào)查工作要求，根據(jù)上述各研究的發(fā)展，將其應(yīng)用于土地調(diào)查是合理且具備潛力的。

常規(guī)建立矢量符號庫的方法有3種，分別是程序塊法、信息塊法與綜合法。程序塊法是通過系統(tǒng)提供的開發(fā)語言直接編寫圖形符號或符號識別語句；信息塊法則將符號和繪圖程序獨立，符號被離散為單純線劃；綜合法即為兩者的結(jié)合，根據(jù)不同的需求，將前兩種方法不同程度上協(xié)調(diào)起來。

本文以不產(chǎn)生冗余符號化數(shù)據(jù)為基本目標，將符號通過程序控制以圖面渲染的方式而非以矢量實體形式展現(xiàn)在圖面上，這樣既能保證數(shù)據(jù)規(guī)范制圖的要求，又避免了因為地物符號化而產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間，提升數(shù)據(jù)檢索效率和圖面瀏覽速度。

在上述研究基礎(chǔ)之上，本研究按照土地調(diào)查數(shù)據(jù)制圖的相關(guān)標準，提取標準中所規(guī)定的符號圖元與參數(shù)，使用矢量圖元的方式制作要素符號，實現(xiàn)土地數(shù)據(jù)要素符號的標準化，形成完整的土地調(diào)查要素符號庫。設(shè)計并研發(fā)通用符號庫訪問接口，為不同的制圖軟件使用符號庫提供途徑，實現(xiàn)符號共享與符號庫的跨平臺應(yīng)用。

2 設(shè)計方案

2.1 基于矢量圖元的符號庫設(shè)計

土地調(diào)查中的各類地物按照類型可分為點狀地物、線狀地物、面狀地物和注記地物等，地物在數(shù)據(jù)庫中表達時，若采取類似面向?qū)ο蠓椒?，在符號層定義矢量圖元并予以表達，便可達到符號冗余小，結(jié)構(gòu)簡潔的目標[15]。據(jù)此，本研究符號化的基本是對圖元的抽象定義，同時定義需滿足圖元的可組織性及對地物符號的全覆蓋性，目標需建立在對實體地物結(jié)構(gòu)，各平臺符號化格式、表達機制，實際表達效果全面了解的基礎(chǔ)上。圖元定義完畢后，各類地物符號便可由地圖符號庫模板實現(xiàn)，模板記錄土地調(diào)查庫中地物實體和地物符號的基本屬性信息，包括地物名稱、地物實體類型(點、線、面、注記)及地物符號語句。符號庫模板完善后，對地物符號的表達會轉(zhuǎn)化為對地物已存儲的符號語句及完成這個語句相關(guān)圖元的表達。

根據(jù)土地調(diào)查要素符號標準，并參考各平臺符號定義格式與表達機制，測試比對實際符號化結(jié)果，歸納地物符號類如下：

(1)點狀地物：如民用機場、高程點等。

(2)簡單線狀地物：包括擬合復(fù)合線(如公路)、不擬合復(fù)合線(如境界線)和兩邊平行的雙線地物(如不依比例的管道運輸用地等)。

(3)兩點定位地物：需要兩個定位點來確定符號形狀及位置的地物。

(4)四點定位地物：需要三個點或四個點來確定形狀的地物。

(5)范圍面地物：除了四點定位面狀地物外的一般面狀地物及其內(nèi)部填充，如各類土地利用面狀圖斑等。

(6)程序控制復(fù)雜地物：需要使用程序控制符號繪制的復(fù)雜地物，前5類地物無法描述的復(fù)雜面狀實體。

(7)文字類地物：有定位點的文字型地物，如圖面文字注記等。

地物符號類總結(jié)了圖面地物表達形式，同類符號具有一定的相似特征，據(jù)此抽象出矢量圖元，從結(jié)構(gòu)上可作為符號構(gòu)成的基本，從效果上可有效精簡符號形式。

本文將各類地物符號作為整體拆分，多次拆分后，各類符號拆分為單點、實線、圓、圓弧、實心三角形、實心圓、實心圓弧、基本文字八類，因此可將此八類看作是組成地物符號的最小模型單位，定義為基本圖元，通過圖元的組合表達各類地物符號。

2.2 模型驅(qū)動的符號庫設(shè)計

確立符號表達機制后，若要將其與空間數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的地類數(shù)據(jù)類別在圖面表達，需在符號庫鏈接時將數(shù)據(jù)庫、比例尺、實體要素、符號這幾者關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)不同比例尺下的數(shù)據(jù)符號化效果[16]。為達到上述效果，符號庫模型在建立時，需將對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、屬性、地物編碼體系等內(nèi)容寫入符號庫配置表中，程序在數(shù)據(jù)庫中可根據(jù)此類模型，關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)與地物符號，達到精確高效的符號化效果。

2.3 通用接口的設(shè)計

目前常用的GIS平臺，如ArcGIS、MapGIS等，調(diào)用符號庫繪制地物符號的規(guī)則不同。土地調(diào)查作業(yè)不局限在單一平臺，因此矢量土地調(diào)查符號庫還應(yīng)實現(xiàn)跨平臺效果。

符號化分發(fā)步驟分為3步，第1步是初始化，即讀取定義符號化的模板(db文件)，解析符號化語句，構(gòu)建符號化指針；第2步是根據(jù)編碼獲取符號化指針；第3步是根據(jù)符號化指針和實體幾何屬性及擴展屬性分發(fā)符號，獲取符號打散結(jié)果，最終利用回調(diào)函數(shù)獲取擴展屬性及符號化效果。其中，第1步只需在符號化開啟時執(zhí)行1次，第2步和第3步在每次進行實體分發(fā)依次進行。依照符號化分發(fā)步驟，設(shè)計并編寫通用符號庫接口。

3 符號庫建立與應(yīng)用

3.1 矢量圖元與符號定義語句

根據(jù)土地調(diào)查要素符號標準，各平臺符號定義格式、表達機制與大量測試比對拆分作業(yè)，本研究將地物符號看作基本矢量圖元組合、嵌套的整體，即地物符號的主實體經(jīng)多次拆分被分解為單點、實線、圓、圓弧、實心三角形、實心圓、實心圓弧、基本文字八大基本圖元[17]。各地物符號由符號庫模板記錄了實體符號間一一對應(yīng)的基本屬性與符號語句，其中，主實體描述存儲于符號表，子實體描述存儲于符號輔助表，子實體與上級實體通過編碼關(guān)聯(lián)。

符號庫模板中，一個符號由一條或多條符號描述語句定義，一條語句是一個字符串，對應(yīng)一種基本矢量圖元。單一符號可以包含多個語句，以圖1所示草地符號為例，符號主體可拆解為三條獨立的矢量線段，對于單條矢量線段，即單個實線圖元，語句通過定義實線起點、終點便定義了符號形狀：

圖1 符號庫模板中的草地符號

如圖1所示草地描述語句，橫線部分語句表述為：

2；0.15；-1.25，0；1.25，0

此語句代表一條線寬為0.15，以中點為原點，坐標從(-1.25，0)的起點至(1.25，0)的終點的線要素。

第二句語句表述為：

2；0.15；-0.5，1.3；-0.5，0

此語句代表一條線寬為0.15，以中點為原點，坐標從(-0.5，1.3)的起點至(-0.5，0)的終點的線要素。

第三句語句表述為：

2；0.15；0.5，1.3；0.5，0

此語句代表一條線寬為0.15，以中點為原點，坐標從(0.5，1.3)的起點至(0.5，0)的終點的線要素。

坐標圖解分析如圖2所示：

圖2 草地符號坐標圖解分析

3.2 符號庫模型的建立

為實現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫-地物-符號三者一一對應(yīng)，形成穩(wěn)定的符號調(diào)用模型和機制，也為了使符號庫能夠適應(yīng)于各種不同的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和編碼體系，本項目將“符號庫模型”的概念引入符號庫建立中，使一個符號庫能夠根據(jù)此類模型自動掛接到符合的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)地物的正確識別和符號化。

成果符號庫中，除定義了各個地物的各個符號之外，還通過配置表格定義了對應(yīng)數(shù)據(jù)庫的圖層、字段信息、地物編碼、顏色體系，建立了地物與符號間的一一對應(yīng)關(guān)系。

圖層信息表：定義了該模板對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫中包含的要素類及其基本屬性。數(shù)據(jù)在進行符號化時通過此表可定位地物所在圖層(表1)。

圖層信息表 表1

字段定義表：定義了數(shù)據(jù)中一些與地物符號識別、地物符號相關(guān)的字段，如地物編碼所在字段、高程信息所在字段、角度信息所在字段等，而數(shù)據(jù)在符號化時，需根據(jù)這些字段進行相應(yīng)地物的符號化(表2)。

字段定義表 表2

地物編碼配置表：定義了地物的代碼、所在圖層、顏色號等信息，此配置表作為最為重要的定義表，將模型中數(shù)據(jù)庫、地物和符號進行了一一對應(yīng)，使數(shù)據(jù)在掛接符號庫時能正確將數(shù)據(jù)與符號對應(yīng)上并正確符號化(表3)。

地物編碼配置表 表3

續(xù)表3

字體定義表：Textstle表定義了字體的樣式，通過這個表可以在符號化是自動根據(jù)定義的字體樣式符號化文字類符號(表4)。

字體定義表 表4

顏色定義表：表定義了符號顯示時的顏色號，可同時定義一種顏色的RGB和CMYK的色值(表5)。

顏色定義表 表5

3.3 跨平臺符號化接口

跨平臺有兩層概念，一是跨軟件層次的平臺，如idata和ArcGIS為兩個平臺，但是它們可以共用一套符號化的定義和接口，使得符號定義一次，在各個軟件平臺通用；二是跨系統(tǒng)平臺，由于符號化使用C++語言編寫，編譯后可以在各大系統(tǒng)使用，如iData(Window平臺)與iDataMoblile(Android平臺)，其他如Linux平臺一樣可以使用。

符號庫定義打散輸出的基礎(chǔ)圖元的接口，如基本的點、線、面、圓、圓弧等，使得各個平臺都能接收打散后的結(jié)果，其中接口都定義為虛函數(shù)，各個不同的軟件平臺需要進行實現(xiàn)，如ArcGIS圖面渲染時可以進行GDI+的繪制，導(dǎo)出DWG分發(fā)時可以生成點、線、面等實體[18，19]。借助于這種接口的設(shè)置，不同平臺不同的用途使用相同的符號化打散技術(shù)可以實現(xiàn)需求功能。

3.4 ArcGIS平臺符號化效果

本文研發(fā)了ArcGIS平臺符號化插件驗證跨平臺符號化實現(xiàn)效果。ArcGIS平臺符號化插件用于在ArcGIS平臺加載、解析符號庫模板：插件通過解析符號描述語句，渲染數(shù)據(jù)庫地物，實現(xiàn)實時符號化。

使用示例數(shù)據(jù)庫，插件加載、解析符號庫效果如圖3所示：

圖3 ArcGIS平臺符號化效果示例

測試結(jié)果顯示，ArcGIS平臺符號化插件測試結(jié)果良好，可做到實時渲染任意加載的mdb數(shù)據(jù)，同時保證了地物符號化準確度與效率。

4 總結(jié)與展望

模型驅(qū)動的符號設(shè)計可以應(yīng)用到國土調(diào)查中，矢量符號在多種GIS平臺與項目應(yīng)用中均能表現(xiàn)出優(yōu)秀的適應(yīng)性，其本身也具備提高數(shù)據(jù)組織與利用效率的特點，在信息化的土地調(diào)查作業(yè)中，矢量符號可顯著提高數(shù)據(jù)表達的準確性、節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間及優(yōu)化數(shù)據(jù)檢索速度。本文致力于集成高效化的矢量符號庫，它不同于傳統(tǒng)的程序塊與信息塊法，而是將所有地物符號抽象為基本矢量圖元或圖元組合，利用骨架線符號化渲染技術(shù)實時生成符號。

本文將矢量符號融入土地調(diào)查工作，既是土地調(diào)查工作對數(shù)據(jù)高效性的要求，也是矢量符號投入多元應(yīng)用的試驗。雖然目前兩者適用性良好，矢量符號可以滿足調(diào)查作業(yè)的需求，但在具體應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)其對復(fù)雜符號的適應(yīng)性仍顯薄弱，這是由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)帶來的適應(yīng)性問題，在未來的研究中，仍有進步的空間?？梢灶A(yù)見的是，隨時代的發(fā)展，土地調(diào)查勢必會產(chǎn)生更多方位更多層次上的要求，符號化技術(shù)在應(yīng)對這些可能出現(xiàn)的要求時也需保持不斷進步，做出新的突破。