基于地圖制圖腳本的交互式圖例動(dòng)態(tài)生成方法

蔡苑彬，劉 露，陳 犖，熊 偉，陳宏盛

（1.國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 信息工程系， 湖南 長(zhǎng)沙410073）

基于地圖制圖腳本的交互式圖例動(dòng)態(tài)生成方法

蔡苑彬1，劉 露1，陳 犖1，熊 偉1，陳宏盛1

（1.國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 信息工程系， 湖南 長(zhǎng)沙410073）

現(xiàn)有圖例生成方法依靠人工編輯生成靜態(tài)圖例，無(wú)法根據(jù)地圖視口內(nèi)容的變化而動(dòng)態(tài)改變，給圖層豐富、樣式復(fù)雜的地圖交互帶來(lái)了不便。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種基于地圖制圖腳本的交互式動(dòng)態(tài)圖例生成方法，通過(guò)解析腳本，篩選內(nèi)容、生成圖例等步驟，根據(jù)地圖視口內(nèi)容自動(dòng)生成圖例。

腳本制圖；圖例；自動(dòng)圖例；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)GIS

互聯(lián)網(wǎng)GIS中圖層信息量不斷增加，內(nèi)容動(dòng)態(tài)性不斷增強(qiáng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)地圖而言，如何動(dòng)態(tài)生成互聯(lián)網(wǎng)地圖的圖例成為一個(gè)重要問(wèn)題。

OpenStreetMap開(kāi)放了全球的街道數(shù)據(jù)，降低了大眾制圖的門檻；MapBox采用腳本化的地圖制圖模式，探索出網(wǎng)頁(yè)制圖的最佳方式。隨之，腳本化地圖制圖模式在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代逐漸興起，成為互聯(lián)網(wǎng)GIS富有前景的技術(shù)之一。但是，目前主要的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)GIS中，已有的圖例存在動(dòng)態(tài)性不足的問(wèn)題。ArcGIS Online的圖例是靜態(tài)的，它無(wú)法根據(jù)地圖視口內(nèi)容的變化而變化；MapBox的圖例依賴人工編輯代碼，無(wú)法自動(dòng)生成；OpenStreetMap制作的圖例具有很好的動(dòng)態(tài)特性，但是沒(méi)有提供生成圖例的接口。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于地圖制圖腳本的交互式動(dòng)態(tài)圖例生成方法，并通過(guò)在某交互式Web地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例來(lái)驗(yàn)證方法的可行性。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 電子地圖中的圖例生成方法

在傳統(tǒng)的GIS軟件中（如ArcGIS），系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互后，可以自動(dòng)生成地圖圖例。但是，生成的圖例更多是為傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖服務(wù)的，無(wú)法根據(jù)地圖視口不斷變化而動(dòng)態(tài)地改變自身內(nèi)容。

OpenStreetMap為它的標(biāo)準(zhǔn)地圖數(shù)據(jù)制作了動(dòng)態(tài)圖例——隨著地圖視口尺度的縮放，圖例內(nèi)容會(huì)相應(yīng)地改變。但它并沒(méi)有提供圖例生成的接口，用戶無(wú)法為自己的地圖生成圖例。

總之，傳統(tǒng)的圖例生成方法不能同時(shí)解決兩種情況下的問(wèn)題：①地圖內(nèi)容不斷變化的情況，即地圖中的圖層有可能動(dòng)態(tài)增刪，圖例也應(yīng)該產(chǎn)生相應(yīng)變化；②地圖視口不斷變化，圖例應(yīng)該根據(jù)視口中的地圖內(nèi)容動(dòng)態(tài)變化。

1.2 腳本化制圖

腳本化制圖是指采用腳本描述語(yǔ)言來(lái)定義地圖中各要素的制圖樣式，并通過(guò)腳本解釋引擎軟件將腳本描述轉(zhuǎn)化為實(shí)際的制圖命令。Open Geospatial Consortium（OGC）在2000年制定了Web Map Service（WMS）標(biāo)準(zhǔn)[1,2]，其中Styled Layer Descriptor（SLD）制定了描述地圖樣式的標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，地圖被定義為由樣式化圖層按照一定的次序疊加形成的對(duì)象。一個(gè)樣式化的圖層則是由一個(gè)圖層以及描述該圖層繪制樣式的信息組成。按照這種定義，一個(gè)地圖可以表示為 ：其中，Layer為一個(gè)圖層；Style為圖層的樣式。

Mapnik（開(kāi)源的地圖繪制引擎）的作者M(jìn)ichal Migurski，受SLD思想的啟發(fā)，提出將地圖的繪制信息表述為（Layer，Style)元組的集合，并用XML編碼表示。地圖繪制引擎通過(guò)讀取xml文件進(jìn)行地圖繪制。但用xml文件描述地圖樣式仍然過(guò)于復(fù)雜，不利于用戶編寫。最后，Michal Migurski借鑒CSS的語(yǔ)法，編制了制圖腳本語(yǔ)言CartoCSS，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了地圖樣式的描述。

隨著腳本制圖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了若干基于腳本制圖的系統(tǒng)，如采用Geo-graphic Style Sheets腳本的Cartagem[3]和使用MapCSS腳本的OpenStreetMap。

2 地圖制圖腳本語(yǔ)法建模

地圖制圖腳本有2種基本組成要素——選擇器和聲明語(yǔ)句。其中，選擇器定義地圖制圖操作的主體對(duì)象，例如地圖、圖層、帶過(guò)濾條件的對(duì)象集等；聲明語(yǔ)句定義該主體對(duì)象的具體制圖樣式。語(yǔ)法結(jié)構(gòu)可以用下面的代碼描述。

Selector {

Declaration;

Selector {

Declaration;

}

}

其中，Selector為選擇器，Declaration為聲明語(yǔ)句。

以CartoCSS制圖腳本為例，以下是一個(gè)將“highway”線圖層中class為1的線對(duì)象繪制為紅色的腳本示例。其中，選擇器有兩個(gè)：一為highway圖層，用#highway表示，二為屬性class為1的線對(duì)象，用[class=1]表示；聲明語(yǔ)句為“l(fā)ine-color=#ff0000”，表示顏色為紅色的線樣式。

# highway {

[ class=1] {

line-color = #ff0000;

}

}

通過(guò)總結(jié)分析，制圖腳本的語(yǔ)法特征可以用下面的式子來(lái)建模：

其中，Style表示一個(gè)繪制樣式——描述對(duì)象的某種繪制屬性。StyleSet（樣式集）定義為一個(gè)選擇器及其內(nèi)部所有聲明語(yǔ)句組成的集合。聲明語(yǔ)句可以是一個(gè)樣式，也可以是一個(gè)樣式集。

3 圖例生成方法

方法的總體思路是為每個(gè)地圖符號(hào)生成一個(gè)圖例單元，再將所有的圖例單元組成最后的圖例。圖例單元是一個(gè)地圖符號(hào)的注解，它由一個(gè)地圖符號(hào)以及描述該符號(hào)的文字組成。具體由下面四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

3.1 腳本的解析

從腳本的第一個(gè)樣式集開(kāi)始，把它的選擇器及其內(nèi)部的非樣式集的聲明語(yǔ)句歸到一起，形成元組：

它代表一個(gè)制圖對(duì)象以及制圖對(duì)象的制圖樣式。它在語(yǔ)義上表示一個(gè)地圖符號(hào)，包含了生成一個(gè)圖例單元所需的信息。因此，解析腳本的目的就是從腳本中提取所有這樣的元組。

對(duì)于樣式集里面的選擇器，它表示的制圖對(duì)象是其所有父選擇器與自身的交集，因此為：

其中n為父選擇器個(gè)數(shù)。用式（4）替代式（3）中的Selector，可以得到：

顯然，式（3）是n=1時(shí)式（4）的一種特殊情況，可以一并表示為式（4）。為了方便表達(dá)，我們把式（4）定義的元組稱為 “基本樣式集”。

3.2 圖例單元的篩選

經(jīng)過(guò)§3．1得到的基本樣式集包含了整幅地圖的圖例單元。但是，從交互友好性的角度出發(fā)，最好只顯示與當(dāng)前地圖內(nèi)容相匹配的圖例單元。為此，需要將不屬于當(dāng)前地圖視口的圖例單元篩選掉。文章提出以下3種圖例單元的篩選方法。

1）利用地圖視口的縮放尺度篩選。在基本樣式集中，選擇器可以是帶有尺度篩選條件的制圖對(duì)象，其尺度篩選條件表示為[min,max]。min為圖例單元生效的最小尺度；max為最大尺度，滿足0≤min＜max＜∞。如果當(dāng)前尺度cur滿足（max-cur）*（min-cur）＜0，則保留。

2）利用地圖視口范圍篩選。為了減少計(jì)算復(fù)雜度，這里以圖層為單元進(jìn)行篩選。如果一個(gè)圖層與當(dāng)前地圖視口沒(méi)有交集，則隸屬于該圖層的圖例單元都不予保留，否則全部保留。

3）利用樣式類型篩選。遍歷基本樣式集中的樣式，如果其中包含有非空間數(shù)據(jù)的樣式（沒(méi)有圖例單元與之對(duì)應(yīng)），就篩選掉該基本樣式集，否則保留。

3.3 圖例單元的生成

圖例單元由一個(gè)地圖符號(hào)以及描述該符號(hào)的文字組成。因此，它可以表示為下面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct legendItem {

img symbol;

string note;

int type;

}

其中symbol是符號(hào)的圖像；note是說(shuō)明符號(hào)含義的文字；type表示圖例單元的類型，0表示圖例單元的符號(hào)是圖層的默認(rèn)符號(hào)，1表示其他情況。type字段用于排版，它可以根據(jù)排版需求設(shè)定更多的類型。

這一步要為§3．2篩選出來(lái)的基本樣式集生成圖例單元結(jié)構(gòu)（legendItem），也即生成地圖符號(hào)（symbol）、符號(hào)注解（note）和類型（type）3個(gè)字段。

矢量數(shù)據(jù)有點(diǎn)線面3種類型，分別需要“點(diǎn)、線、面”3個(gè)模板來(lái)繪制其符號(hào)；柵格數(shù)據(jù)的圖例只包含色彩信息，可以用面模板繪制。因此，繪制地圖符號(hào)，需要點(diǎn)線面三個(gè)模板（其中點(diǎn)模板為只包含一個(gè)點(diǎn)的矢量數(shù)據(jù)）。

生成地圖符號(hào)圖像的過(guò)程為：從基本樣式的選擇器中獲取它所在的圖層。然后根據(jù)圖層的數(shù)據(jù)類型，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模板以及樣式交給制圖引擎，由制圖引擎繪制符號(hào)圖像。過(guò)程如圖1所示。

圖 1 符號(hào)圖像生成流程圖

生成符號(hào)注解和類型的過(guò)程為：遍歷基本樣式集的所有選擇器。如果其中包含帶屬性過(guò)濾條件的對(duì)象，說(shuō)明圖例單元描述的是圖層中符合某種屬性特征的空間對(duì)象，其符號(hào)注解表示為所有屬性過(guò)濾條件的交，類型標(biāo)記為1；否則，說(shuō)明圖例單元描述的是圖層的默認(rèn)符號(hào)，其符號(hào)注解用圖層名表示，類型標(biāo)記為0。

3.4 圖例的html表達(dá)

這一步先生成每個(gè)圖例單元的html，再將它們合并到一個(gè)html中，形成最終成果。

1）生成圖例單元的html。根據(jù)圖例的設(shè)計(jì)方案編寫圖例單元的html模板，用特殊的符號(hào)標(biāo)定symbol和note的位置。再用圖例單元中對(duì)應(yīng)的字段替代標(biāo)定的符號(hào)，生成圖例單元的html。舉例如下：

template[0] =”＜div> ＜img src= ((symbol))> ((note))＜/div>”

template[1]=”  ＜div> ＜img src= ((symbol))> ((note))＜/div>”

如果圖例單元的class為i，選擇template[i]作為模板。先將圖例單元的symbol圖像轉(zhuǎn)為base64字符串，并取代模板中的“((symbol))”；再用圖例單元的note字符串替換模板中的“((note))”。

2）合并圖例單元html。利用類似的方法，先設(shè)計(jì)圖例的html模板，然后將圖例單元的html添加到標(biāo)記的位置，生成最終的html。

4 方法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

本文方法是根據(jù)高性能地理計(jì)算平臺(tái)HiGIS[4]的需求提出來(lái)的。HiGIS提供了腳本地圖制圖的環(huán)境，用戶通過(guò)編寫CartoCSS腳本來(lái)設(shè)定地圖樣式。實(shí)驗(yàn)程序以后臺(tái)服務(wù)的形式集成到HiGIS中，并向前端提供http接口。對(duì)于一幅制作好的地圖，實(shí)驗(yàn)程序可以根據(jù)前端發(fā)送的地圖視口范圍和縮放尺度等信息生成地圖圖例，并返回給前端繪制。下面通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明方法的可行性。

圖2的兩幅圖是在HiIGIS平臺(tái)上利用OSM數(shù)據(jù)制作的中國(guó)街道地圖的截圖。兩幅圖分別對(duì)應(yīng)于Tile Web Service （TMS）劃分的第11、12層。從圖a到圖b，地圖進(jìn)行了放大操作。二級(jí)公路由原來(lái)的黃色變成了灰色，更低級(jí)的道路被繪制出來(lái)。同時(shí)，左側(cè)的圖例也發(fā)生相應(yīng)變化，說(shuō)明本方法能夠根據(jù)地圖視口的縮放尺度來(lái)篩選圖例內(nèi)容。

圖2 不同尺度下的圖例

圖3的兩幅圖同為中國(guó)街道地圖第14層的截圖。從圖a到圖b,地圖進(jìn)行了平移操作。在圖a中，地圖視口內(nèi)沒(méi)有土地利用圖層的內(nèi)容，所以圖例中也沒(méi)有該圖層的內(nèi)容。在圖b中，地圖視口內(nèi)出現(xiàn)了土地利用圖層的內(nèi)容，所以圖例中也包含了該圖層符號(hào)的注解（紅色虛框標(biāo)出）。這說(shuō)明本方法可以根據(jù)地圖視口的范圍來(lái)篩選圖例內(nèi)容。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文方法既可以在瀏覽地圖時(shí)實(shí)時(shí)生成圖例，也可以在制圖中自動(dòng)快速生成圖例。由于方法具有快速和自動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，可以用于應(yīng)急成圖[5]和自動(dòng)成圖[6]中的圖例生成。

本文方法并沒(méi)有將圖例的友好交互潛能挖掘完全，比如地圖數(shù)據(jù)與圖例符號(hào)之間的聯(lián)動(dòng)，通過(guò)圖例改變地圖樣式，隨鼠標(biāo)事件改變圖例狀態(tài)等。這些交互特性在傳統(tǒng)的GIS軟件中較容易實(shí)現(xiàn)，但是在基于腳本制圖的技術(shù)背景下，實(shí)現(xiàn)這些友好交互特性頗具挑戰(zhàn)性，值得進(jìn)一步探討。

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圖3 不同視口范圍下的圖例

P208

B

1672-4623（2014）05-0154-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.057

蔡苑彬，碩士,研究方向?yàn)榈貓D制圖學(xué)。

2014-03-14。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA120305，2011AA120306）。