基于省級基礎地理信息數據庫制圖的關鍵技術研究

菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012)

基于省級基礎地理信息數據庫制圖的關鍵技術研究

菅建華,蔡志剛

(浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012)

基于基礎地理信息數據庫的自動快速制圖,是目前地圖學研究的關鍵問題之一。首先研究地理信息數據與地形圖之間的邏輯關系,再根據國標圖式表達規范,采用面向制圖和 GIS的省級基礎地理信息分類編碼體系,開發了相應的符號庫系統,以自動或半自動化方式實現了地圖的符號化,解決了符號配置過程中要素之間的各種關系處理、注記的自動配置以及自動整飾等關鍵技術,實現了基于省級基礎地理信息數據庫自動快速制圖系統。

省級基礎地理信息;編碼體系;符號表達;要素關系

一、前 言

對于省級基礎測繪而言,基礎地理信息數據庫與標準地形圖一樣,在國民經濟建設中起著重要的作用。目前,國內絕大部分省級測繪單位在進行省級基礎測繪生產(這里主要指 1∶10 000、1∶5 000 DLG)時,采用如下兩類工藝流程：①數據采集→地形圖生產→空間數據建庫;②數據采集后,地形圖生產與空間數據建庫同時進行。兩者存在的問題是：前者拉大了建庫的生產周期,降低了庫體空間數據的現勢性,難以滿足日益增長的對基礎地理信息的要求;后者雖然縮短了庫體的生產更新周期,但地形圖編輯與空間數據入庫處理存在著重復工作,且一般由不同單位、人員完成,從而造成浪費。如果先進行空間數據生產或更新,再通過空間數據的地圖表達實現地圖制圖,將是最優模式,也最節省資源,能產生最大效益[1]。本文旨在探討基于省級基礎地理信息數據庫的快速制圖的相關關鍵技術,提高省級基礎測繪效率,縮短成圖周期,降低制圖成本,為省級基礎地理信息“圖庫一體化更新”奠定必備基礎。

二、地理信息數據與地形圖

國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 (即嚴密的數據法則、特定的符號系統與科學的地圖概括)和四大基本功能(信息負載與存儲、傳輸與交流,地圖模擬與模型、認知與感受)[2],通常圖面輸出效果是地形圖生產時考慮的重點之一,主要內容有符號化效果要嚴格滿足相關圖式規范要求、符號線劃與色彩要符合印刷要求等。因此,地圖是以單個圖形對象為單元,每個圖形對象可以表示為[3]：

地理圖形對象 ={地圖符號,圖形對象之間的壓印優先級,出版顏色,坐標}

而基礎地理信息數據則是依據相應數據規定,如要素分類代碼、數據字典等來描述地理空間對象,確定地理要素的類別、等級和特征,主要用要素編碼、屬性描述和幾何特征來表示[4]。因此,地理信息數據則是以單個地理要素對象為單元,每個地理要素對象可表示為[3]：

地理要素對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標}

由于地圖中的簡單圖形對象的地圖符號、顏色可以通過地理要素對象的要素編碼和屬性與特定的符號系統進行對應,因此,這部分地理圖形對象又可表達為：

簡單地理圖形對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標,符號對應關系,顏色對應關系,要素之間的壓印優先級}

而復雜圖形對象需要通過特定算法實現,因而可表達為：

復雜地理圖形對象 ={要素類,要素編碼,屬性,坐標,特定算法,顏色對應關系,要素之間的壓印優先級}

因而,地圖即可表達為：

地圖 =簡單地理圖形對象 +復雜地理圖形對象 +非地理圖形對象

其中,非地理圖形對象包括圖廓整飾等。

從上述公式不難看出,雖然地圖與地理信息數據之間存在著較大的差異,但兩者在一定程度上可以相互轉換,即通過將地理信息數據中的分類代碼、屬性與特定的地圖符號系統建立對應關系,使得地理信息數據在一定程度上可以轉換成可視化的地圖。由于這種對應關系的不完整性,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、基于省級地理信息數據庫制圖的關鍵技術

1.面向制圖和 GIS的分類編碼體系

基于基礎地理信息數據庫制圖不僅是制圖問題,還與編碼體系、數據結構以及數據采集規定等標準緊密相關。在省級基礎地理信息數據建庫時,需明確建庫的目標是建庫與出圖并舉,在數據采集時首先遵循建庫數據的要求,同時兼顧制圖輸出[5]。

我國發布的《基礎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系依次分為大類、中類、小類、子類四級,分類代碼由 6位數字碼組成。該分類代碼體系引入了面向實體對象而非地形圖的對象概念,確定了地形要素(對象)的分類標準,能較好地反映地形要素的分類特性,但未能較好體現地理實體對象在計算機中表達的復雜性,一定程度上忽略了地圖制圖需求,無法滿足當前對于基礎 GIS和制圖的雙重需求。

因此在此國標的基礎上,需進一步擴展基礎地理信息要素分類編碼體系,使其能同時滿足傳統地圖制圖與面向 GIS的雙重需求。面向制圖與 GIS的基礎地理信息分類編碼以國標地形要素代碼為基礎,并在其上擴展而來。如浙江省測繪與地理信息局起草的《浙江省基礎地理信息要素分類與圖形表達代碼》(已通過審定),代碼由 10位十進制數字碼構成,其結構如圖 1所示。

圖 1 省基礎地理信息要素圖形表達代碼結構

其中前 6位為要素類碼,遵循 GB/T 13923—2006規定的代碼結構;第 7位為要素碼,用于區分具有相同圖形特征碼要素符號化表達的制圖樣式;第 8位為幾何特征碼,以數字描述要素的幾何類型,如 1對應無向點等;第 9、10位為圖形特征碼,描述要素圖形特征,如定位點、配置點、定位線、配置線和注記等。

面向制圖與 GIS的基礎地理信息分類編碼方法有機地結合了制圖數據與 GIS數據的編碼特點,能夠兼顧地形圖制圖、GIS應用、建庫、數據共享等多種需求和應用。該編碼方式應用于浙江省基礎地理信息系統建設中,達到了預期目標。

2.符號與色彩系統

利用常見的 GIS平臺 (如ArcGIS等)的符號庫功能,將要素編碼與地圖符號對應,可以滿足地圖實時動態顯示的需要,但不能滿足地圖出版的要求[7]。在實踐中,我們通過研發獨立的符號設計系統,克服了ArcGIS自帶的符號庫不能滿足我國制圖要求的缺點,不僅完全符合國標圖式 G B/T 20257.2—2006[8](以下簡稱“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節實現符號化,并且滿足地圖要素采集、編輯修改能實時符號化的要求,屏幕上定義的符號大小、形狀、顏色與最終地圖出版時是一致的,即實現“所見即所得”。

一般印刷品采用 CMYK四色印刷,因此用于發排系統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軟件系統在顯示和定義符號顏色時通常使用 RGB色進行合成,當地圖轉換成發排格式 (RGB色)后,如果不進行人工強制色彩空間轉換,而利用發排的自動轉換,則得到的要素顏色不純。因此在符號設計時定義使用了顏色與印刷色的對應關系,在轉換發排時進行顏色強制替換。

3.數據與圖形表達的關系處理

這里說到的圖形表達,不僅是簡單地將要素按給定的符號進行表達,還需具有專門處理地圖中的特殊要素以及基于符號化的各種要素之間復雜關系的功能(如圖層及要素顯示順序設置、道路網對水系的壓蓋等)。

(1)基于事件驅動的符號化處理

2006年版圖式嚴密、復雜的制圖要求,簡單地靠一個符號庫,借助點符號、線型和面填充是難以達到的?？臻g要素可歸納為規則要素、半依規則要素、不規則要素三類,每類要素有自己的符號屬性和關系事件,據此筆者采用要素符號化事件處理機制作為所有空間要素符號化的支撐體系。規則要素可根據預先設置配置庫對應關系直接符號化(如涼亭等);半依規則要素可以借助符號庫,通過輔助參數、符號組合等生成符號 (如流向等);不規則要素則通過對應代碼促發相應繪制程序進行符號化(如依比例尺斜坡等)。

根據上述分類,研發了符號化插件,將要素符號事件處理機制預先制定成規則。符號化時,點擊按鈕,組件直接訪問ArcGIS繪圖底層驅動單元,實現數據層的分類編碼動態匹配符號,由于地圖符號繪制與圖形底層無縫融合,無須在地物中捆綁冗長的私有畫法,無須符號輔助線層,從而達到支持大型空間數據庫無損、快速地方符號化瀏覽、出圖。進行符號匹配后就能完整地表示出符合國標圖式要求的式樣,如電力線、斜坡、陡崖、沙灘等復雜的要素,從而大大減少了數據冗余量,提升了工作效率。

以雙線堤的符號化為例：基礎地理信息數據中常存在一邊齒線變長、一邊齒線等長的雙線堤,由于數據入庫時沒有將輔助線要素 (齒線)錄入 (如圖 2(a)所示),同時也未對上棱線進行區分,因此常用的符號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要素 (如水域面)的空間關系來判斷以線型表達還是以變長齒線表達,從而達到圖式要求的效果(如圖 2(b)所示)。

圖2 特殊雙線堤符號化比較

(2)要素壓蓋關系處理

不同要素之間的壓蓋關系處理一般是通過數據層之間的壓蓋關系實現的。在空間數據庫中,數據按要素大類及其表達模型分層存儲,如居民地類通常分點層、線層、面層、注記層。通常,點(注記)、線、面要素自上而下壓蓋顯示,形成視覺層次。通過總結制圖專家知識,并結合數字制圖的特點,制定圖層顯示規則知識庫,以控制圖層各要素的空間顯示順序,實現圖層順序的自動調整。表 1為省級基礎地理信息數據部分要素層的壓蓋順序。

表 1 浙江省省級基礎地理信息數據要素層壓蓋順序

(3)路橋色帶處理

根據圖式要求,省道、國道、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,橋梁需對下方的水系、道路進行壓蓋。因此通過線型的方式來表達色帶難以達到滿意的效果。通過試驗探索,采取如下的方式處理：根據公路、橋梁的結構線的幾何位置以及寬度屬性進行緩沖區分析,搜索到其對應的邊線,以此為基礎自動構面,根據圖式要求對面進行顏色填充,并通過自動調整不同色帶面之間以及與邊線之間的壓蓋關系,從而達到圖式要求。這種方法完全可以滿足新圖式中公路色帶的要求,同時人工干預的工作量也很少。效果如圖 3所示。

圖3 路橋色帶處理

4.注記自動配置

注記是地圖內容的一個重要組成部分。通常庫體建設時,大量與注記的相關信息不進行入庫,僅將注記的文本以屬性值的方式存儲于注記對象(名稱對象點、線)中。注記自動配置主要包括點狀、線狀和面狀對象注記的自動配置及自動壓蓋沖突處理。因此如何恢復注記的幾何位置、排列方式、樣式成為注記自動化的關鍵所在。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,這樣可以通過事先設置注記樣式規則 (如圖 4所示),由程序自動實現。

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

圖4 注記樣式規則

5.圖廓整飾

圖廓整飾是制作標準地形圖的一項必不可少的工作。對于各標準比例尺地圖,各整飾要素的位置可以根據圖廓點的相對位置計算得到。一般省級基礎地理數據生產、更新時,均制作了圖幅級的元數據。元數據中含有豐富的信息,基本可以滿足圖廓整飾所需的大部分內容。鄰接圖信息也可以通過計算鄰接圖的圖號并從元數據庫中搜索得到。圖廓整飾的難點及解決方法如下：

(1)圖廓間自動注記

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,其他的界端注記內容及位置通過內圖庫與相應要素進行空間疊置分析獲取要素屬性得到。

(2)政區略圖繪制

政區略圖通過內圖廓與境界面層進行疊置分析求得,同時得到相應的注釋。并且按照行政區域面積的大小,對注釋進行自動排序。

(3)圖例生成

根據圖式要求,圖例生成應從圖內提取相應的要素自動生成,考慮到圖例采用矢量的模式實時繪制,效率極低。對于一個省級區域來說,可大致進行分類,對每類預先制作圖例,圖廓整飾時直接插入即可,這樣可以較快地實現地圖的圖外整飾。

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,逐漸成為印刷領域的頁面數據交換標準[9]。因此,經過地圖出版的各種處理后,將結果轉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。

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

四、系統的實現與總結

基于ArcGIS平臺,以 VC++6.0為開發平臺,采用組件技術,將上述功能插件形式加入到ArcGIS Desktop中。圖 5為利用本系統制作的標準地形圖。

圖5 標準地形圖

經過大量試驗,利用本文提供的方法和軟件,實現基于 1∶5 000、1∶10 000基礎地理信息數據庫的地圖自動生產,只需很少的人工作業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對象的基礎地理信息數據庫數據轉向面向圖形的數字地圖圖形數據生產過程中的關鍵技術問題,為改造省基礎測繪快速更新生產模式,實現基礎地理信息“圖庫一體化更新”奠定了基礎。

[1] 劉海硯.地圖制圖與空間數據生產一體化理論和技術的研究[D].鄭州：信息工程大學,2002.

[2] 袁勘省.現代地圖學教程 [M].北京：科學出版社,2007.

[3] 劉海硯,孫群,肖強,等.紙質地圖與地理信息一體化生產技術研究[J].測繪科學技術學報,2007,24(4)：239-243.

[4] 國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 20258.2—2006基礎地理信息要素數據字典[S].北京：中國標準出版社,2006.

[5] 國家測繪局.1∶10 000基礎地理信息數據生產與建庫總體技術綱要[R].北京：國家測繪局,2006.

[6] 國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 13923—2006基礎地理信息要素分類與代碼[S].北京：中國標準出版社,2006.

[7] TSURU KOSUKE,GOTO NAOKI.Practical Experience of Automatic Generalization for Geo-spatial Information [C]∥ICC’2001.Beijing：Sinomaps Press,2001.

[8] 國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 20257.2—2006國家基本比例尺地圖圖式[S].北京：中國標準出版社,2006.

[9] 林其水.PDF格式的特點 [J].今日印刷,2003(5)：21-25.

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,高級工程師,主要從事制圖學與地理信息系統研究。