專題地圖圖面要素自動配置方法的研究

魏 嘉，郭慶勝，魏智威，柳其志，劉 洋

(武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

專題地圖圖面要素自動配置方法的研究

魏 嘉，郭慶勝，魏智威，柳其志，劉 洋

(武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

實現(xiàn)地圖圖面要素配置的自動化是地圖制圖自動化中的一個重要部分，能夠幫助制圖人員提高制圖效率。文中在分析國內(nèi)外有關研究成果的基礎上，利用地圖圖面配置規(guī)律和視覺平衡理論，提出一種自動搜尋地圖圖面要素合適位置的方法。該方法從專題地圖生產(chǎn)的實際需要出發(fā)，考慮了紙張大小和地圖比例尺等因素，用矩形框表示圖面要素的大小和位置，簡化設計過程。最后，在CorelDRAW環(huán)境下，利用VBA技術實現(xiàn)文中所提出的方法。該軟件提供了多種地圖圖面要素配置模板供地圖設計人員選擇，能進行地圖圖面要素位置的自動沖突探測，可以為地圖設計人員提供一個標準化地圖圖面配置模板。

圖面配置；自動化；視覺平衡；沖突探測

隨著計算機技術、對地觀測技術、地理信息系統(tǒng)技術等的快速發(fā)展，地理信息服務已經(jīng)快速融入人們的生活。地圖作為地理信息服務產(chǎn)品的主要形式之一[1]，人們對其的種類和數(shù)量的需求越來越高。因此，地圖設計是一個非常重要的任務，特別是專題地圖的設計。地圖圖面要素的自動配置就是提高專題地圖設計效率的一個關鍵。地圖圖面要素配置，就是要充分利用地圖幅面，針對圖名、圖廓、圖例、附圖、附表、比例尺及各種說明的位置、范圍大小及其形式的設計；對于具有主區(qū)的地圖，它還包括主區(qū)范圍在圖面上擺放位置的問題[2-4]，是地圖制圖中的一個重要部分，也是地圖輸出過程中的關鍵環(huán)節(jié)，因此實現(xiàn)地圖圖面要素配置自動化對制圖自動化具有促進作用。

自動化制圖研究在國外始于20世紀50年代初，到70年代進展顯著。許多學者在地圖圖面要素配置自動化方面做了大量的研究工作，例如：地圖圖幅自動整飾[5-11]；強調(diào)主圖與插圖、圖名、圖例、比例尺等要素的組合關系應給人以平衡的視覺感受，并把視覺平衡計算引入地圖圖面設計評價中[12-17]；專題地圖設計模式研究[18]。另外，視覺平衡的理論研究和在其他領域的類似應用也可借鑒[19-21]。但是，地圖圖面要素配置過程中的構圖平衡定量分析研究比較少，同時，好的地圖圖面配置還需要考慮紙張尺寸以及主圖比例尺等問題。常見的地理信息系統(tǒng)制圖平臺有國外的ArcGIS和國內(nèi)的MapGIS，但是在地圖圖面要素配置方面，這些軟件需要大量的人工手動交互操作，自動化程度低。CorelDRAW軟件是現(xiàn)在業(yè)內(nèi)普遍接受和使用的地圖制圖和出版軟件，但其是一款平面設計軟件，并非一款地理信息系統(tǒng)軟件，自身設計的功能并不能完全滿足地圖制圖的需求，在地圖圖面配置方面存在很多不足，并不能為用戶提供自動實現(xiàn)地圖圖面要素配置的功能。針對專題地圖生產(chǎn)的需要，本文在CorelDRAW環(huán)境下，利用VBA技術實現(xiàn)了地圖圖面要素配置的自動化，基本思想為：將地圖圖面要素配置問題與紙張大小和地圖比例尺關聯(lián)起來，在對地圖主圖進行合適的縮放并移位至內(nèi)圖廓中心后，用矩形框表示圖名、圖例、比例尺等圖面要素的位置和大小，將矩形框放置在地圖圖面不同的位置，按照地圖圖面要素配置的規(guī)則和知識，對地圖設計人員選定的地圖模板中的地圖圖面要素的合適位置進行自動搜尋，并用視覺平衡評價模型使得圖面要素配置盡量達到視覺平衡，以提高地圖設計人員的工作效率，節(jié)省制圖時間。

1 地圖圖面要素配置的規(guī)則

地圖圖面配置需要分析圖面要素，本文重點考慮的圖面要素主要包括主圖、圖名、圖例、比例尺和附圖。地圖圖面要素配置時，要注意這些圖面要素的位置和大小問題，同時還應保證它們的配置符合視覺平衡要求。

本文在配置地圖圖面要素時，用矩形框表示各圖面要素的范圍，矩形框的位置和大小可以根據(jù)制定的規(guī)則確定，規(guī)則如表1所示。表1中，H和W分別表示圖幅的高度和寬度；h和w分別表示單個圖面要素矩形框的高度和寬度；r和l分別表示圖例符號的行數(shù)和列數(shù)。

表1 地圖圖面要素配置規(guī)則[2-4]

由表1中的規(guī)則計算出的圖面要素矩形框的大小只是一個推薦值，后期用戶在對圖名、圖例等圖面要素進行詳細設計時，應使圖面要素均勻填充在每個矩形框中，添加的過程中可以根據(jù)需要將矩形框稍微放大或縮小，但更改后的矩形框不能與原矩形框的尺寸相差太多。

所謂“視覺平衡”就是指按一定原則擺布各圖形要素的位置，使之看起來勻稱合理。在圖面配置時，應利用圖名、圖例、附圖、插圖，以及多幅地圖的位置、尺寸、結構和色彩來達到整幅地圖視覺上的平衡。

實現(xiàn)平衡有兩個影響因素：視覺重力和視覺方向。地圖上的圖形，由于所處的位置及圖形本身的大小、顏色、結構及其背景的影響，給人輕重不同的感覺，這就稱為視覺重力。感覺實驗證明，同一個圖表，位于視覺中心上方比位于視覺中心下方重一些，位于視覺中心左側比位于視覺中心右側重一些，距離視覺中心越遠，顯得越重。另外，大圖形比小圖形顯得重；顏色對視覺沖擊越強顯得越重；復雜緊湊的圖形比簡單松散的圖形重；背景孤立的圖形比混雜的圖形重。讀者閱讀地圖的習慣是有方向性的，通常其視線從左上方進入，掃視全圖后從右下方退出。這個進入點和退出點都是視覺上的重點。因此往往把圖名置于地圖的左上方，把圖例置于右下方[4]。

2 地圖圖面要素自動配置的方法

傳統(tǒng)的地圖圖面要素配置需要地圖設計人員根據(jù)自己的地圖設計知識和經(jīng)驗對圖名、圖例、比例尺和附圖等要素的位置進行選擇和調(diào)整，當設計人員沒有足夠的地圖設計經(jīng)驗時，就要花費大量的時間來形成一個規(guī)范、美觀的地圖圖面要素配置方案。

在地圖圖面要素配置的過程中，需要考慮紙張大小和地圖比例尺因素，這里用矩形框代表了圖名、圖例、比例尺等地圖圖面要素的大小和位置，然后，結合地圖圖面要素配置的規(guī)則，計算出不同地圖圖面要素的尺寸大小、位置，并使地圖圖面協(xié)調(diào)。

還是那句話：該說的話要說，該做的事要做。把媒體和球迷當成自家人，坦誠地把真實情況告訴他們，爭取他們的理解和支持?，F(xiàn)在做有點晚，好在還來得及！

另外，可以通過建立視覺平衡評價模型來評價生成的版式是否達到了視覺平衡效果，并且通過對矩形框的大小和位置進行微調(diào)使圖面盡量達到視覺平衡。

地圖圖面要素與地圖主圖之間的沖突需要進行探測，若地圖圖面要素與地圖主圖交叉，則自動搜尋合適位置，進而為用戶提供更為規(guī)范、美觀的地圖圖面要素配置模板。

下面重點討論3個技術問題：①通過建立視覺平衡評價模型來實現(xiàn)地圖圖面要素配置過程中構圖平衡的定量分析；②將地圖圖面要素配置與紙張大小、比例尺因素關聯(lián)起來并實現(xiàn)地圖主圖的移位；③地圖圖面要素的自動沖突探測及合適位置的自動搜尋。

2.1 視覺平衡

長期以來，地圖設計人員基本依靠自己的地圖設計知識和經(jīng)驗來評估地圖圖面的視覺平衡，不同的地圖設計人員得到的結論也不統(tǒng)一，沒有一個能夠評估地圖圖面是否達到視覺平衡的依據(jù)，基于此，本文將地圖圖面要素配置中的視覺平衡的定性評估轉(zhuǎn)化為定量評估的問題。由于整個地圖圖面的中心位置是一個特殊的區(qū)域，可以吸引更多讀者的注意力，所以在圖面中心區(qū)域的要素通常更為重要且更具吸引力，根據(jù)這個原理，設計者通常通過將要素位置移向界面中心和增加要素視覺重量來強調(diào)該要素，所以在要素視覺重量與離心距之間存在一個潛在的互補效應。根據(jù)這個效應，可以使用一個由力學平衡發(fā)展而來的視覺平衡模型來評價地圖圖面要素布局是否達到了視覺平衡，即用視力矩作為度量來計算圖面中心線兩邊的平衡程度。其中，視力矩為各個要素的視覺重量和離心距之間的乘積。離心距為各個矩形框視覺中心到圖面視覺中心的距離[19]。因圖形區(qū)域的視覺中心是一個位于其幾何中心略微上方的點，對于分布均勻的圖元來講，幾何中心和視覺中心近似重合，因此本文中將圖面的幾何中心視為視覺中心。另外，心理學研究表明：人的視線在一個既定的平面內(nèi)注意力的分布不均衡，注意力最大的是上部、左部和中上，視覺注意力在平面中的分布如圖1所示[20]。

圖1 視覺注意力在平面中的分布

本文采用文獻[19]中的視覺平衡評價模型，該文獻將要素的視覺重量定義為要素的面積，而馬俊等學者將要素的視覺重量定義為要素面積與要素視覺密度的乘積，考慮了要素的顏色、形狀和位置對要素視覺重量的影響[17]，因此本文對文獻[19]中的模型進行了改進，由于本文用沒有顏色和圖案填充的矩形框代表各個圖面要素，所以要素的視覺重量只考慮矩形框的大小和位置對其的影響，所以將每個要素的視覺重量定義為它的面積大小與其所在圖面的位置所占視覺注意力百分比的乘積。將地圖圖面按其水平中心線和豎直中心線分別分為上、下部分和左、右部分。

視覺平衡評價模型為

其中，gi=si*pi；

式中：u為視覺平衡的程度；L,R,T,B分別表示地圖圖面豎直中心線的左、右部分和水平中心線的上、下部分；Vj表示位置j所有要素的視力矩之和；nj表示位置j的圖面要素；g表示圖面要素的視覺重量；d表示圖面要素的離心距；s表示圖面要素矩形框的面積；p表示圖面要素所在圖面位置視覺注意力的百分比。

視覺平衡達到的條件是圖面中心線的上、下部分和左、右部分的要素視力矩相互抵消，即u=0，但實際過程中達到絕對的視覺平衡是幾乎不可能實現(xiàn)的，所以當u的值越小時，其在視覺上越平衡。本文在圖面配置過程中，盡可能將u的值最小化，以使圖面盡量達到視覺平衡的效果。

2.2 主圖移位

好的地圖圖面要素配置需要綜合考慮紙張尺寸、主圖大小與內(nèi)容、地圖比例尺及地圖圖面要素等。本文在研究地圖圖面要素配置的基礎上，將它與紙張尺寸和地圖比例尺關聯(lián)起來，在地圖圖面要素配置之前為地圖設計人員提供多種紙張尺寸，在紙張上自動生成最大制圖范圍并且可以自行設定內(nèi)圖廓的范圍。在地圖比例尺方面，設計了為地圖設計人員自動計算該紙張大小下主圖能夠縮放的最大比例尺的功能，使地圖設計人員在不確定主圖縮放后比例尺的情況下能夠參考最大比例尺進行合適比例尺的選取，最終將縮放后的主圖移至內(nèi)圖廓的中心位置。主圖縮放移位的流程如圖2所示。

圖2 主圖縮放移位流程

2.3 圖面要素沖突探測

當?shù)貓D設計人員在提供的地圖配置模板庫中選擇了一種模板時，就會在地圖圖面上生成相應的版式，但是同一圖面配置對于不同的主圖來說可能存在地圖圖面要素與主圖發(fā)生沖突的現(xiàn)象，本文為了使圖面要素矩形框不與主圖發(fā)生交叉現(xiàn)象，對這些圖面要素矩形框進行了沖突探測，判斷其與主圖是否交叉，若交叉，則通過縮小要素矩形框的尺寸并將其向遠離主圖的方向移動一定的距離的方式為它們進行合適位置的自動搜尋，在縮小圖面要素矩形框尺寸的過程中設置了每個圖面要素矩形框尺寸的最小閾值，當矩形框的尺寸小于該閾值時，說明圖面配置規(guī)則已被破壞，此時提示用戶該模板不適用于該主圖，建議選擇另一種模板，并對新的模板重復以上沖突探測及要素合適位置搜尋的過程。這里以圖例為例，圖3說明圖例的合適位置自動搜尋的流程。

圖3 圖例合適位置自動搜尋流程

3 實驗驗證與分析

本文在CorelDRAW軟件環(huán)境中，利用其自帶的VBA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)地圖圖面要素配置的自動化。

實驗軟件的主界面設計如圖4所示。

實驗中為地圖設計人員提供了多種紙張尺寸：大全開(889 mm×1 194 mm)，全開(787 mm×1 092 mm)，小全開(720 mm×1 020 mm)以及大全開和全開分別對應的對開、四開、八開、十六開和三十二開。最大制圖范圍設置為：紙張上部預留15 mm，左右和下部各預留5 mm。通過地圖設計人員輸入內(nèi)圖廓范圍、主圖現(xiàn)比例尺、縮放后比例尺并選定主圖所在的圖層，可以將主圖進行縮放移位。以安徽省政區(qū)圖為例將其主圖進行縮放移位，實驗效果如圖5所示。

圖5(a)為主圖縮放移位前，其紙張尺寸為：841 mm×1 189 mm，主圖比例尺為1∶80萬；圖5(b)為主圖縮放移位后，紙張尺寸為小全開：720 mm×1 020 mm，主圖比例尺設置為1∶70萬(自動計算出的主圖最大比例尺為1∶66.3萬)，其最外層矩形框表示紙張大小，中間的矩形框為自動生成的最大制圖范圍，最內(nèi)層的矩形框為用戶自定義范圍的內(nèi)圖廓(內(nèi)圖廓上部與紙張上部間距30 mm，左、右、下部分別與紙張左、右、下部間距10 mm)。

地圖模板設計界面如圖6所示。通過結合地圖圖面要素配置規(guī)則設計了多種地圖要素配置模板，將這些模板存放在模板庫中，地圖設計人員可根據(jù)需要選擇要添加的版面要素，如需添加附圖時可以選擇附圖個數(shù)。此時，程序推薦對應的地圖圖面要素配置模板供用戶選擇。

圖4 主界面

圖5 主圖縮放移位前后效果圖

在生成版式前，用戶需輸入圖名字數(shù)、圖例符號總數(shù)及列數(shù)、比例尺的高度和寬度，如有附圖則需輸入每個附圖的高度和寬度，然后選擇一個地圖圖面要素配置模板，并將其應用在一個主圖上，程序可以根據(jù)制定的規(guī)則自動計算各要素矩形框的大小，并在圖面相應位置生成對應的矩形框，然后對圖面要素進行沖突探測，將與主圖發(fā)生重疊的要素矩形框縮小一定的尺寸并移動小段距離，直至其與主圖不發(fā)生沖突，當要素矩形框的尺寸縮小至小于設定閾值時，提示用戶更換一種模板，效果如圖7所示。

圖6 地圖模板設計界面

圖7(a)為最終要素不與主圖發(fā)生沖突的合適模板，根據(jù)本文使用的視覺平衡評價模型，該模板水平中心線上下部分的u=0.088，豎直中心線左、右部分的u=0.084，視覺平衡效果較好。在另一主圖上使用該模板時，由于圖名縮小至長、寬值小于設定的閾值，沒有遵守圖面配置規(guī)則，故不適用于該主圖，提醒用戶可以選擇其他的模板，如圖7(b)所示。

圖7 模板生成效果圖

4 結束語

本文從地圖主圖的縮放移位，到地圖圖面要素配置模板的設計以及圖面要素合適位置的自動搜尋都進行了詳細研究，實現(xiàn)了地圖圖面要素配置的自動化。在地圖圖面要素配置模板設計的過程中，考慮了地圖圖面配置的基本規(guī)則，實現(xiàn)視覺平衡從定性分析到定量評價的轉(zhuǎn)變，不僅使得地圖圖面要素的配置更加專業(yè)、美觀，同時也提高了制圖效率，節(jié)約制圖時間，對地圖制圖有一定的促進作用。

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[責任編輯：張德福]

On the method of automatic thematic map layout

WEI Jia, GUO Qingsheng, WEI Zhiwei, LIU Qizhi, LIU Yang

(School of Resource and Environment Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Realizing automatic map layout is important to the automation of cartographic mapping, which can help cartographers improve their mapping efficiency. Based on the analysis of both domestic and foreign relevant research results, this paper puts forward a method of searching appropriate location for map elements automatically using the rules of map layout and visual balance. This method, based on the actual needs of thematic map production, considers the paper size and the map scale, and simplifies the design process by using rectangles to represent map elements. Finally, the method proposed in this paper by using VBA technology is realized in the CorelDRAW environment. This software provides a variety of map layout templates for map designers to choose and to detect the conflicts between map elements, which provides a standardized map layout template.

map layout; automation; visual balance; conflict detection

著錄：魏嘉，郭慶勝，魏智威，等.專題地圖圖面要素自動配置方法的研究[J].測繪工程，2017，26(10)：12-17.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.10.003

2016-09-09

國家自然科學基金資助項目(41471384)； 安徽省國土資源科技項目(2015-k-17)

魏 嘉(1992-)，女，碩士研究生.

P208

A

1006-7949(2017)10-0012-06