公益性地圖自適應快速制作技術

朱秀麗，劉萬增，吳晨琛，趙婷婷

(國家基礎地理信息中心，北京 100830)

地圖是反映自然和社會現(xiàn)象的形象、符號模型，是空間信息的載體[1]，是人們認識周圍世界空間分布格局的重要手段。隨著技術的發(fā)展，公益性地圖廣泛應用于政府重大決策、重大活動策劃及政府部門日常工作中，從國家經濟社會發(fā)展戰(zhàn)略的部署到各行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的制定，從國家重大活動的策劃、安保等到政府日常事務處理、社會治理等，都對具有空間定位及展示時空布局特性的地圖等存在迫切需求，并且需求的頻率和質量也越來越高。

根據2014年以來全國5000多幅公益性地圖服務統(tǒng)計，公益性地圖的尺寸通常是長邊為1 m以內的尺寸，這種地圖尺寸便于桌面用圖和外出攜帶用圖，也有利于繪圖儀小型化的安裝配置。本文考慮長邊不超1 m的制圖需求，根據制圖范圍和圖幅尺寸，基于自適應原理確定其他制圖因子和規(guī)則，驅動地圖制圖算法，實現(xiàn)自適應快速制圖[2-3]。

1 公益性地圖制作流程

公益性地圖制作流程分為事件發(fā)生(事件預計發(fā)生)觸發(fā)制圖需求、實時快速制圖、后期檢查處理3個階段。如圖1所示。

(1) 實時制圖，是根據事件驅動自適應快速制圖。由事件需求確定制圖范圍位置和地圖種類，并完成制圖和圖飾生成、地圖輸出。

(2) 前期準備。圖1是為滿足快速制圖在日常工作中作好的儲備，包括收集資料、需求分析、開展設計，以及制圖數據整合建庫或維護、制圖規(guī)則庫構建和維護、符號制作和補充、自適應制圖系統(tǒng)研制及升級維護等。

制圖數據整合或維護主要是整合區(qū)域范圍內多尺度的地形矢量數據、數字高程模型數據、正射影像數據及關注的專題數據等，包括進行數據規(guī)范、坐標投影轉換、數據提取合并更新等工作，建立制圖地理信息數據庫[4-5]，為公益性地圖制作提供數據基礎。

符號制作通過收集需求和圖式符號標準，制作常用的地圖表達符號和樣式。

制圖模版定制就是利用模板技術思想將制圖專家的地圖設計知識和實踐經驗模板化、可視化，對于實現(xiàn)地圖設計知識和實踐經驗的傳輸與共享，提高地圖制圖的效率制圖具有重要意義[6]。模版定制將各種制圖數據、制圖符號及制圖規(guī)則集成到制圖模板中，形成模板庫，便于系統(tǒng)調用和選擇。常用的包括1∶100萬、1∶25萬、1∶5萬、1∶1萬等多種比例尺的地形標準圖、行政區(qū)劃圖、暈渲圖、影像圖、專題圖等制圖模板。

自適應制圖系統(tǒng)研制是將數據、符號、規(guī)則、算法集成研發(fā)并實現(xiàn)相應的設計功能，以實現(xiàn)自適應快速制圖目的。

(3) 后期檢查編輯，是確保地圖質量的重要步驟，檢查處理后輸出打印。

2 自適應制圖原理

公益性地圖自適應制圖原理實際是由需求確定制圖位置和范圍、地圖種類、地圖版面等，從而進一步確定比例尺和地圖投影，再驅動所需數據、制圖規(guī)則，然后通過相應的算法實現(xiàn)快速自適應制圖，達到輸出不同地圖類型，服務用戶需求。其原理如圖2所示。

公益性地圖需求通常有領導出訪、戰(zhàn)略規(guī)劃、突發(fā)事件應急、日常辦公等。出訪需求的地圖包括各級行政區(qū)劃圖、交通圖；戰(zhàn)略規(guī)劃用圖是需要在地理底圖的基礎上突出規(guī)劃專題。應急需要突發(fā)事件所在的行政區(qū)劃圖、地勢圖、影像圖及應急專題圖，辦公用圖需要公開地圖或掛圖。不同的需求決定了制圖位置和范圍、地圖類型和圖幅尺寸，進一步確定地圖版面(橫版或豎版)，然后計算比例尺，由比例尺驅動的投影選擇、制圖數據選取、要素類型與制圖符號映射關系、地圖注記擺放和標注、要素間沖突處理和協(xié)調、地圖整飾[7-8]等規(guī)則的自動映射。

3 自適應制圖算法

3.1 圖幅尺寸約束的地圖版面自適應計算

由制圖需求確定制圖位置、范圍和圖幅尺寸，進一步確定地圖版面為橫版或豎版，然后根據制圖規(guī)則、圖名字數自動計算圖名字體大小，根據圖名字體大小確定圖廓外比例尺、制圖單位等其他圖外注記字體大小，綜合圖廓尺寸、圖例尺寸等計算地圖留白，最后計算出實際制圖區(qū)域面積，根據面積計算地圖比例尺，將地圖比例尺取整后，重新調整地圖留白。

圖幅尺寸約束的地圖版面自適應計算的原理，實現(xiàn)過程中主要采用兩種策略，一種是版面大小預先定好，另一種是版面大小限定一個區(qū)域。兩種方式具體如下：

(1) 地圖版面大小已確定，當地圖版面大小確定了(如A1版面)，依據所選的制圖范圍，計算地圖留白后，可以確定公益性地圖比例尺，以適應相應版面。

(2) 地圖版面限定在一定區(qū)間，當地圖版面大小未確定，但有寬度限制時(如61～107 cm)，依據制圖范圍，選擇61～107 cm層面之間的版面進行調整。

3.2 比例尺驅動的地圖投影自動選擇

地圖投影研究地球曲面(或其他球體曲面)表示到平面的各種數學法則[9]，是確定地圖精度和變形情況的主要規(guī)則。制作地圖過程中選擇地圖投影是一個重要問題，一般需要考慮地圖用途、比例尺和使用方法，地圖內容，制圖區(qū)域大小，制圖區(qū)域形狀和位置等方面[10]。綜合考慮這些因素，根據我國地圖常用的投影，為滿足公益性地圖制作投影選擇要求，設計了高斯-克呂格投影[9]和Lambert正軸等角割圓錐投影[6]兩種投影。在此基礎上，根據地圖版面自適應計算出的比例尺參數，按照下列條件進行自適應選擇：

(1) 大于等于比例尺1∶50萬選用投影高斯-克呂格投影，若小于等于1∶2.5萬，選用6°帶投影，大于1∶2.5萬選用3°帶投影，且通常選取制圖區(qū)域的中間經度作為中央經線值。

(2) 小于1∶50萬的比例尺選用Lambert正軸等角割圓錐投影，并根據制圖區(qū)域范圍確定雙標準緯線和中央經線。中央經線由制圖區(qū)域的中間經度確定，雙標準緯線按照下式確定

式中，φ1為第一標準緯線，其值由制圖區(qū)域范圍最南邊的緯度加上30′算出；φ2為第二標準緯線，其值由制圖區(qū)域范圍最北邊的緯度減去30′算出。

選好投影后，采用動態(tài)投影技術將數據投影到地圖上，從而確定地圖的投影。

3.3 比例尺驅動的制圖數據的自動選取

地圖版面自適應計算出的比例尺，可以作為選取制圖數據庫中基本比例尺制圖數據的主要依據。最理想的狀態(tài)是地圖版面自適應計算出的比例尺有對應的基本制圖數據，實際情況是公益性制圖比例尺是無限的集合，而制圖數據庫中基本比例尺制圖數據是有限的集合，比如有基本比例尺制圖數據1∶1萬、1∶5萬、1∶25萬、1∶100萬。建立無限集合與有限集合的關系必須建立相應的映射規(guī)則，通常是根據有限集合值域來劃分無限集合的分段，即考慮已有基本比例尺制圖數據的實際情況，設定制圖比例尺和基本比例尺數據源的選取規(guī)則。在制圖數據庫中基本比例尺制圖數據的最大和最小比例尺之間的公益性地圖比例尺與基本比例尺數據源的比例尺不能相差太大，可以設定為不超過基本比例尺數據源比例尺的1/3～3倍之間，或為數據源比例尺的1/2～2倍之間，如設置制圖的比例尺為1∶35萬～1∶10萬之間，則選擇使用1∶25萬基礎地理信息制圖數據源。基本比例尺制圖數據的最大和最小比例尺之外的制圖比例尺選擇窄。如果基本比例尺制圖數據的最小比例尺是1∶100萬，那么地圖版面自適應計算出的比例尺小于1∶100萬選擇1∶100萬的基本比例尺制圖數據是最合適的。同理，對于大于基本比例尺制圖數據中最大比例尺的制圖比例尺適合選最大比例尺的數據源。

3.4 數據驅動規(guī)則約束的快速制圖

制圖需求也確定了所要用到的數據，如領導出訪用到的縣級行政區(qū)劃圖，需要鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)劃數據及道路交通等數據。制圖需求驅動數據選擇，數據進一步驅動規(guī)則約束快速制圖。

數據驅動制圖的本質和核心是通過數據本身的特點和信息來制圖，圍繞數據以規(guī)則的方式制圖。通過給數據以規(guī)則，驅動制圖引擎得到自動化制圖效果，通過屬性信息，相關要素類能自動匹配符號信息。

國家基本比例尺地形圖數據(基礎地理信息數據)抽象為點、線、面矢量空間數據結構，以基礎地理信息數據分類與編碼標準分層為依據，將空間地理實體數據的位置、屬性和拓撲關系信息直觀表達出來。雖然國家基本比例尺地形圖數據未直接關注制圖表達，但實際上隱含相應的制圖規(guī)則和符號表達，可以通過基礎地理信息數據分類與編碼標準[11]以及國家基本比例尺圖式符號標準[12]建立數據與制圖規(guī)則和符號表達之間對應關系。并通過要素符號化、名稱屬性標注注記配置、圖層排序等實現(xiàn)完成。同理對于公益性制圖中的專題數據[13]也可通過給予數據制圖規(guī)則，驅動制圖引擎得到自動化制圖效果。

要素的符號化是通過給要素配置標準符號和效果，根據制圖配置規(guī)則來符號化要素的過程。名稱屬性標注注記配置，是實現(xiàn)地圖較好的文字渲染和具有打印質量的文字布局方式。

制圖需求約束了制圖范圍和地圖種類，也確定了所要用到的數據，再通過數據驅動的規(guī)則約束實現(xiàn)快速制圖，軟件實現(xiàn)中，對于不變化的規(guī)則，可以通過構建模板庫實現(xiàn)，而對于實時變化的、有約束條件的規(guī)則實現(xiàn)，可以嵌入系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)，比如縣級行政區(qū)劃的四色填充和行政區(qū)劃的色帶，需要根據條件實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)和性能測試

本文在上述關鍵技術研究的基礎上，開發(fā)完成公益性快速制圖系統(tǒng)，系統(tǒng)包括檢索定位功能、地圖和數據瀏覽，快速制圖，以及地圖檢查編輯、地圖打印輸出等功能，如圖3所示。利用這些功能，將以往制作一幅公益性地圖制圖時間從4～5 h甚至1 d提高到10 min內。本文利用一臺式機測試了不同地區(qū)三幅地圖制作時間，臺式機的各項指標為：DELL precision，雙核，內存為8 GB，64位操作系統(tǒng)，試驗見表1，結果表明地圖制作時間都能在10 min以內完成。地圖制作時間與制圖區(qū)域面積大小呈增函數關系，也與制圖尺寸以及輸出分辨率呈增函數關系。

表1 試驗性能測試

5 結 語

本文對公益性制圖流程關鍵環(huán)節(jié)的圖幅尺寸約束的地圖版面自適應、投影和比例尺自適應確定、數據驅動規(guī)則約束的快速制圖關鍵技術進行了研究，并開發(fā)了公益性快速制圖系統(tǒng)，解決了80%以上的制圖人工操作，使其能高效優(yōu)質地應用于測繪公益性地圖制作領域，為政府輔助決策提供重要支撐。今后還需在協(xié)同精細化制圖技術方面加強研究，進一步解決精細化制圖最后20%效率低下的問題。