基于省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖的關(guān)鍵技術(shù)研究

菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測(cè)繪院,浙江杭州 310012)

基于省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖的關(guān)鍵技術(shù)研究

菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測(cè)繪院,浙江杭州 310012)

基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)快速制圖,是目前地圖學(xué)研究的關(guān)鍵問題之一。首先研究地理信息數(shù)據(jù)與地形圖之間的邏輯關(guān)系,再根據(jù)國(guó)標(biāo)圖式表達(dá)規(guī)范,采用面向制圖和 GIS的省級(jí)基礎(chǔ)地理信息分類編碼體系,開發(fā)了相應(yīng)的符號(hào)庫系統(tǒng),以自動(dòng)或半自動(dòng)化方式實(shí)現(xiàn)了地圖的符號(hào)化,解決了符號(hào)配置過程中要素之間的各種關(guān)系處理、注記的自動(dòng)配置以及自動(dòng)整飾等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫自動(dòng)快速制圖系統(tǒng)。

省級(jí)基礎(chǔ)地理信息;編碼體系;符號(hào)表達(dá);要素關(guān)系

一、前 言

對(duì)于省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪而言,基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)地形圖一樣,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要的作用。目前,國(guó)內(nèi)絕大部分省級(jí)測(cè)繪單位在進(jìn)行省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)(這里主要指 1∶10 000、1∶5 000 DLG)時(shí),采用如下兩類工藝流程：①數(shù)據(jù)采集→地形圖生產(chǎn)→空間數(shù)據(jù)建庫;②數(shù)據(jù)采集后,地形圖生產(chǎn)與空間數(shù)據(jù)建庫同時(shí)進(jìn)行。兩者存在的問題是：前者拉大了建庫的生產(chǎn)周期,降低了庫體空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性,難以滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)基礎(chǔ)地理信息的要求;后者雖然縮短了庫體的生產(chǎn)更新周期,但地形圖編輯與空間數(shù)據(jù)入庫處理存在著重復(fù)工作,且一般由不同單位、人員完成,從而造成浪費(fèi)。如果先進(jìn)行空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)或更新,再通過空間數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)實(shí)現(xiàn)地圖制圖,將是最優(yōu)模式,也最節(jié)省資源,能產(chǎn)生最大效益[1]。本文旨在探討基于省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的快速制圖的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),提高省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪效率,縮短成圖周期,降低制圖成本,為省級(jí)基礎(chǔ)地理信息“圖庫一體化更新”奠定必備基礎(chǔ)。

二、地理信息數(shù)據(jù)與地形圖

國(guó)家基本比例尺地形圖 (即地形圖)屬于地圖范疇,具有地圖的三大基本特性 (即嚴(yán)密的數(shù)據(jù)法則、特定的符號(hào)系統(tǒng)與科學(xué)的地圖概括)和四大基本功能(信息負(fù)載與存儲(chǔ)、傳輸與交流,地圖模擬與模型、認(rèn)知與感受)[2],通常圖面輸出效果是地形圖生產(chǎn)時(shí)考慮的重點(diǎn)之一,主要內(nèi)容有符號(hào)化效果要嚴(yán)格滿足相關(guān)圖式規(guī)范要求、符號(hào)線劃與色彩要符合印刷要求等。因此,地圖是以單個(gè)圖形對(duì)象為單元,每個(gè)圖形對(duì)象可以表示為[3]：

地理圖形對(duì)象 ={地圖符號(hào),圖形對(duì)象之間的壓印優(yōu)先級(jí),出版顏色,坐標(biāo)}

而基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)則是依據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)定,如要素分類代碼、數(shù)據(jù)字典等來描述地理空間對(duì)象,確定地理要素的類別、等級(jí)和特征,主要用要素編碼、屬性描述和幾何特征來表示[4]。因此,地理信息數(shù)據(jù)則是以單個(gè)地理要素對(duì)象為單元,每個(gè)地理要素對(duì)象可表示為[3]：

地理要素對(duì)象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo)}

由于地圖中的簡(jiǎn)單圖形對(duì)象的地圖符號(hào)、顏色可以通過地理要素對(duì)象的要素編碼和屬性與特定的符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng),因此,這部分地理圖形對(duì)象又可表達(dá)為：

簡(jiǎn)單地理圖形對(duì)象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo),符號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系,顏色對(duì)應(yīng)關(guān)系,要素之間的壓印優(yōu)先級(jí)}

而復(fù)雜圖形對(duì)象需要通過特定算法實(shí)現(xiàn),因而可表達(dá)為：

復(fù)雜地理圖形對(duì)象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標(biāo),特定算法,顏色對(duì)應(yīng)關(guān)系,要素之間的壓印優(yōu)先級(jí)}

因而,地圖即可表達(dá)為：

地圖 =簡(jiǎn)單地理圖形對(duì)象 +復(fù)雜地理圖形對(duì)象 +非地理圖形對(duì)象

其中,非地理圖形對(duì)象包括圖廓整飾等。

從上述公式不難看出,雖然地圖與地理信息數(shù)據(jù)之間存在著較大的差異,但兩者在一定程度上可以相互轉(zhuǎn)換,即通過將地理信息數(shù)據(jù)中的分類代碼、屬性與特定的地圖符號(hào)系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,使得地理信息數(shù)據(jù)在一定程度上可以轉(zhuǎn)換成可視化的地圖。由于這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的不完整性,僅通過這種方式得到的地圖往往離地圖出版的要求還有很大的差距。

三、基于省級(jí)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖的關(guān)鍵技術(shù)

1.面向制圖和 GIS的分類編碼體系

基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制圖不僅是制圖問題,還與編碼體系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集規(guī)定等標(biāo)準(zhǔn)緊密相關(guān)。在省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建庫時(shí),需明確建庫的目標(biāo)是建庫與出圖并舉,在數(shù)據(jù)采集時(shí)首先遵循建庫數(shù)據(jù)的要求,同時(shí)兼顧制圖輸出[5]。

我國(guó)發(fā)布的《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[6],采用線分類法將要素類型按從屬關(guān)系依次分為大類、中類、小類、子類四級(jí),分類代碼由 6位數(shù)字碼組成。該分類代碼體系引入了面向?qū)嶓w對(duì)象而非地形圖的對(duì)象概念,確定了地形要素(對(duì)象)的分類標(biāo)準(zhǔn),能較好地反映地形要素的分類特性,但未能較好體現(xiàn)地理實(shí)體對(duì)象在計(jì)算機(jī)中表達(dá)的復(fù)雜性,一定程度上忽略了地圖制圖需求,無法滿足當(dāng)前對(duì)于基礎(chǔ) GIS和制圖的雙重需求。

因此在此國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上,需進(jìn)一步擴(kuò)展基礎(chǔ)地理信息要素分類編碼體系,使其能同時(shí)滿足傳統(tǒng)地圖制圖與面向 GIS的雙重需求。面向制圖與 GIS的基礎(chǔ)地理信息分類編碼以國(guó)標(biāo)地形要素代碼為基礎(chǔ),并在其上擴(kuò)展而來。如浙江省測(cè)繪與地理信息局起草的《浙江省基礎(chǔ)地理信息要素分類與圖形表達(dá)代碼》(已通過審定),代碼由 10位十進(jìn)制數(shù)字碼構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 省基礎(chǔ)地理信息要素圖形表達(dá)代碼結(jié)構(gòu)

其中前 6位為要素類碼,遵循 GB/T 13923—2006規(guī)定的代碼結(jié)構(gòu);第 7位為要素碼,用于區(qū)分具有相同圖形特征碼要素符號(hào)化表達(dá)的制圖樣式;第 8位為幾何特征碼,以數(shù)字描述要素的幾何類型,如 1對(duì)應(yīng)無向點(diǎn)等;第 9、10位為圖形特征碼,描述要素圖形特征,如定位點(diǎn)、配置點(diǎn)、定位線、配置線和注記等。

面向制圖與 GIS的基礎(chǔ)地理信息分類編碼方法有機(jī)地結(jié)合了制圖數(shù)據(jù)與 GIS數(shù)據(jù)的編碼特點(diǎn),能夠兼顧地形圖制圖、GIS應(yīng)用、建庫、數(shù)據(jù)共享等多種需求和應(yīng)用。該編碼方式應(yīng)用于浙江省基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)中,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2.符號(hào)與色彩系統(tǒng)

利用常見的 GIS平臺(tái) (如ArcGIS等)的符號(hào)庫功能,將要素編碼與地圖符號(hào)對(duì)應(yīng),可以滿足地圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的需要,但不能滿足地圖出版的要求[7]。在實(shí)踐中,我們通過研發(fā)獨(dú)立的符號(hào)設(shè)計(jì)系統(tǒng),克服了ArcGIS自帶的符號(hào)庫不能滿足我國(guó)制圖要求的缺點(diǎn),不僅完全符合國(guó)標(biāo)圖式 G B/T 20257.2—2006[8](以下簡(jiǎn)稱“圖式”),還可靈活定制。為了滿足在制圖的全過程而不是某一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)符號(hào)化,并且滿足地圖要素采集、編輯修改能實(shí)時(shí)符號(hào)化的要求,屏幕上定義的符號(hào)大小、形狀、顏色與最終地圖出版時(shí)是一致的,即實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。

一般印刷品采用 CMYK四色印刷,因此用于發(fā)排系統(tǒng)中定義的顏色體系也為 CMYK色彩空間,所有顏色都是由 CMYK色合成。而通常 GIS軟件系統(tǒng)在顯示和定義符號(hào)顏色時(shí)通常使用 RGB色進(jìn)行合成,當(dāng)?shù)貓D轉(zhuǎn)換成發(fā)排格式 (RGB色)后,如果不進(jìn)行人工強(qiáng)制色彩空間轉(zhuǎn)換,而利用發(fā)排的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,則得到的要素顏色不純。因此在符號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)定義使用了顏色與印刷色的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在轉(zhuǎn)換發(fā)排時(shí)進(jìn)行顏色強(qiáng)制替換。

3.數(shù)據(jù)與圖形表達(dá)的關(guān)系處理

這里說到的圖形表達(dá),不僅是簡(jiǎn)單地將要素按給定的符號(hào)進(jìn)行表達(dá),還需具有專門處理地圖中的特殊要素以及基于符號(hào)化的各種要素之間復(fù)雜關(guān)系的功能(如圖層及要素顯示順序設(shè)置、道路網(wǎng)對(duì)水系的壓蓋等)。

(1)基于事件驅(qū)動(dòng)的符號(hào)化處理

2006年版圖式嚴(yán)密、復(fù)雜的制圖要求,簡(jiǎn)單地靠一個(gè)符號(hào)庫,借助點(diǎn)符號(hào)、線型和面填充是難以達(dá)到的?？臻g要素可歸納為規(guī)則要素、半依規(guī)則要素、不規(guī)則要素三類,每類要素有自己的符號(hào)屬性和關(guān)系事件,據(jù)此筆者采用要素符號(hào)化事件處理機(jī)制作為所有空間要素符號(hào)化的支撐體系。規(guī)則要素可根據(jù)預(yù)先設(shè)置配置庫對(duì)應(yīng)關(guān)系直接符號(hào)化(如涼亭等);半依規(guī)則要素可以借助符號(hào)庫,通過輔助參數(shù)、符號(hào)組合等生成符號(hào) (如流向等);不規(guī)則要素則通過對(duì)應(yīng)代碼促發(fā)相應(yīng)繪制程序進(jìn)行符號(hào)化(如依比例尺斜坡等)。

根據(jù)上述分類,研發(fā)了符號(hào)化插件,將要素符號(hào)事件處理機(jī)制預(yù)先制定成規(guī)則。符號(hào)化時(shí),點(diǎn)擊按鈕,組件直接訪問ArcGIS繪圖底層驅(qū)動(dòng)單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的分類編碼動(dòng)態(tài)匹配符號(hào),由于地圖符號(hào)繪制與圖形底層無縫融合,無須在地物中捆綁冗長(zhǎng)的私有畫法,無須符號(hào)輔助線層,從而達(dá)到支持大型空間數(shù)據(jù)庫無損、快速地方符號(hào)化瀏覽、出圖。進(jìn)行符號(hào)匹配后就能完整地表示出符合國(guó)標(biāo)圖式要求的式樣,如電力線、斜坡、陡崖、沙灘等復(fù)雜的要素,從而大大減少了數(shù)據(jù)冗余量,提升了工作效率。

以雙線堤的符號(hào)化為例：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中常存在一邊齒線變長(zhǎng)、一邊齒線等長(zhǎng)的雙線堤,由于數(shù)據(jù)入庫時(shí)沒有將輔助線要素 (齒線)錄入 (如圖 2(a)所示),同時(shí)也未對(duì)上棱線進(jìn)行區(qū)分,因此常用的符號(hào)化方法難以滿足要求。本文通過空間分析,按照堤上棱線與相關(guān)要素 (如水域面)的空間關(guān)系來判斷以線型表達(dá)還是以變長(zhǎng)齒線表達(dá),從而達(dá)到圖式要求的效果(如圖 2(b)所示)。

圖2 特殊雙線堤符號(hào)化比較

(2)要素壓蓋關(guān)系處理

不同要素之間的壓蓋關(guān)系處理一般是通過數(shù)據(jù)層之間的壓蓋關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。在空間數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)按要素大類及其表達(dá)模型分層存儲(chǔ),如居民地類通常分點(diǎn)層、線層、面層、注記層。通常,點(diǎn)(注記)、線、面要素自上而下壓蓋顯示,形成視覺層次。通過總結(jié)制圖專家知識(shí),并結(jié)合數(shù)字制圖的特點(diǎn),制定圖層顯示規(guī)則知識(shí)庫,以控制圖層各要素的空間顯示順序,實(shí)現(xiàn)圖層順序的自動(dòng)調(diào)整。表 1為省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)部分要素層的壓蓋順序。

表 1 浙江省省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)要素層壓蓋順序

(3)路橋色帶處理

根據(jù)圖式要求,省道、國(guó)道、高速、專用道需用不同顏色的色帶表示,且色帶隨著公路寬度改變而改變。另外,橋梁需對(duì)下方的水系、道路進(jìn)行壓蓋。因此通過線型的方式來表達(dá)色帶難以達(dá)到滿意的效果。通過試驗(yàn)探索,采取如下的方式處理：根據(jù)公路、橋梁的結(jié)構(gòu)線的幾何位置以及寬度屬性進(jìn)行緩沖區(qū)分析,搜索到其對(duì)應(yīng)的邊線,以此為基礎(chǔ)自動(dòng)構(gòu)面,根據(jù)圖式要求對(duì)面進(jìn)行顏色填充,并通過自動(dòng)調(diào)整不同色帶面之間以及與邊線之間的壓蓋關(guān)系,從而達(dá)到圖式要求。這種方法完全可以滿足新圖式中公路色帶的要求,同時(shí)人工干預(yù)的工作量也很少。效果如圖 3所示。

圖3 路橋色帶處理

4.注記自動(dòng)配置

注記是地圖內(nèi)容的一個(gè)重要組成部分。通常庫體建設(shè)時(shí),大量與注記的相關(guān)信息不進(jìn)行入庫,僅將注記的文本以屬性值的方式存儲(chǔ)于注記對(duì)象(名稱對(duì)象點(diǎn)、線)中。注記自動(dòng)配置主要包括點(diǎn)狀、線狀和面狀對(duì)象注記的自動(dòng)配置及自動(dòng)壓蓋沖突處理。因此如何恢復(fù)注記的幾何位置、排列方式、樣式成為注記自動(dòng)化的關(guān)鍵所在。其中樣式(例如字體、顏色、大小、字頭朝向等)通常與要素類別有關(guān),這樣可以通過事先設(shè)置注記樣式規(guī)則 (如圖 4所示),由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

因此注記的幾何位置和排列方式成為重中之重。由于不同的要素對(duì)注記位置要求不一樣,本文針對(duì)不同類別的名稱對(duì)象作了相應(yīng)的注記處理方式。線狀對(duì)象(如道路、名稱對(duì)象線等)其注記沿線分布,因此線狀對(duì)象的幾何信息可以作為注記位置的參考;面狀對(duì)象的注記一般通過名稱對(duì)象線的方式實(shí)現(xiàn),因而可歸到線狀要素注記;點(diǎn)狀要素 (如各類名稱對(duì)象點(diǎn))其注記點(diǎn)位置很難對(duì)其注記位置作出參考,因此需通過其他途徑進(jìn)行判斷解決。本文中先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化,然后根據(jù)注記點(diǎn)周圍的灰度信息及位置優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行注記最佳放置位置的查找。點(diǎn)注記使用傳統(tǒng)的 8位置方式,具體方法為：以正右側(cè)作為缺省配置位置,然后將所有注記和同色要素一并進(jìn)行柵格化處理,進(jìn)行柵格檢測(cè),當(dāng)存在重疊時(shí),則移動(dòng)注記位置,直至找到一個(gè)合適的沒有重疊的位置為止。

圖4 注記樣式規(guī)則

5.圖廓整飾

圖廓整飾是制作標(biāo)準(zhǔn)地形圖的一項(xiàng)必不可少的工作。對(duì)于各標(biāo)準(zhǔn)比例尺地圖,各整飾要素的位置可以根據(jù)圖廓點(diǎn)的相對(duì)位置計(jì)算得到。一般省級(jí)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新時(shí),均制作了圖幅級(jí)的元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)中含有豐富的信息,基本可以滿足圖廓整飾所需的大部分內(nèi)容。鄰接圖信息也可以通過計(jì)算鄰接圖的圖號(hào)并從元數(shù)據(jù)庫中搜索得到。圖廓整飾的難點(diǎn)及解決方法如下：

(1)圖廓間自動(dòng)注記

圖廓間注記主要有界端注記、曲線注記、居民地、湖泊、水庫(山塘)等。除居民地外,其他的界端注記內(nèi)容及位置通過內(nèi)圖庫與相應(yīng)要素進(jìn)行空間疊置分析獲取要素屬性得到。

(2)政區(qū)略圖繪制

政區(qū)略圖通過內(nèi)圖廓與境界面層進(jìn)行疊置分析求得,同時(shí)得到相應(yīng)的注釋。并且按照行政區(qū)域面積的大小,對(duì)注釋進(jìn)行自動(dòng)排序。

(3)圖例生成

根據(jù)圖式要求,圖例生成應(yīng)從圖內(nèi)提取相應(yīng)的要素自動(dòng)生成,考慮到圖例采用矢量的模式實(shí)時(shí)繪制,效率極低。對(duì)于一個(gè)省級(jí)區(qū)域來說,可大致進(jìn)行分類,對(duì)每類預(yù)先制作圖例,圖廓整飾時(shí)直接插入即可,這樣可以較快地實(shí)現(xiàn)地圖的圖外整飾。

6.制圖輸出

Adobe可移植文檔格式(PDF)以其符合跨媒體出版要求的特征,能夠保存任何源文檔的所有字體、格式、顏色和圖形,逐漸成為印刷領(lǐng)域的頁面數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[9]。因此,經(jīng)過地圖出版的各種處理后,將結(jié)果轉(zhuǎn)換成和屏幕顯示效果一致的 PDF格式文件,以供打印、印刷或傳閱。

經(jīng)試驗(yàn),利用 GIS自身攜帶的轉(zhuǎn)換功能,輸出效果不理想,如變形、偏離、墨點(diǎn)雜亂、部分字體不支持、輸出不穩(wěn)定、效率低等缺點(diǎn)。通過以下方式輸出可克服上述缺點(diǎn)：利用“打印至文件”的功能,輸出＊.prn文件,再轉(zhuǎn)換為 PDF格式打印輸出。

四、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與總結(jié)

基于ArcGIS平臺(tái),以 VC++6.0為開發(fā)平臺(tái),采用組件技術(shù),將上述功能插件形式加入到ArcGIS Desktop中。圖 5為利用本系統(tǒng)制作的標(biāo)準(zhǔn)地形圖。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)地形圖

經(jīng)過大量試驗(yàn),利用本文提供的方法和軟件,實(shí)現(xiàn)基于 1∶5 000、1∶10 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的地圖自動(dòng)生產(chǎn),只需很少的人工作業(yè)就可以輸出滿足地圖出版需要的地圖成果,極大地縮短成圖周期、降低制圖成本。本文的研究解決了由面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向面向圖形的數(shù)字地圖圖形數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題,為改造省基礎(chǔ)測(cè)繪快速更新生產(chǎn)模式,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息“圖庫一體化更新”奠定了基礎(chǔ)。

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Research on the Key Cartographical Technology Based on Provincial Fundamental Geographic Information Database

J IAN Jianhua,CA I Zhigang

0494-0911(2010)07-0049-04

P208;P283.7

B

2010-05-06

菅建華(1961—),男,浙江杭州人,高級(jí)工程師,主要從事制圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)研究。