尹向軍，王芙蓉，印 潔，諸敏秋，王樹魁

(1. 南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029； 2. 中國測繪科學(xué)研究院,北京100830)

城市電子地圖多尺度自動縮編方法

尹向軍1，王芙蓉1，印 潔2，諸敏秋1，王樹魁1

(1. 南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029； 2. 中國測繪科學(xué)研究院,北京100830)

隨著智慧城市、地理信息公共服務(wù)及地理國情數(shù)據(jù)等政務(wù)信息逐步公開，作為各類政務(wù)信息發(fā)布基礎(chǔ)的城市電子地圖在多尺度展現(xiàn)時，只能通過關(guān)閉、選取要素來實現(xiàn)，這種未進(jìn)行制圖綜合的做法導(dǎo)致要素在逐級放大過程中，會出現(xiàn)跳躍性丟失和細(xì)節(jié)破碎的現(xiàn)象，既不符合地圖表達(dá)要求也難以滿足用戶視覺體驗。本文提出了一源數(shù)據(jù)多尺度自動縮編的技術(shù)方法，構(gòu)建了最優(yōu)化的“統(tǒng)一源頭、一致派生、無級表達(dá)”技術(shù)體系，實現(xiàn)了城市電子地圖聯(lián)動更新和多尺度展現(xiàn)，節(jié)省了大量人力和物力，為最大限度地發(fā)揮測繪地理信息集成與服務(wù)能力提供保障。

城市電子地圖；多尺度；自動縮編

長期以來，電子地圖多尺度表達(dá)受制于數(shù)據(jù)源的分級測繪，不同級別地圖展示采用不同比例尺數(shù)據(jù)源,由于這些數(shù)據(jù)源在現(xiàn)勢性和產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格上的不一致,無法實現(xiàn)多級電子地圖聯(lián)動更新和地圖漸近表達(dá)。在城市級電子地圖建設(shè)過程中，雖然掌握了豐富的大比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，但要實現(xiàn)地圖多級表達(dá)，傳統(tǒng)做法只能通過關(guān)閉圖層，這種未做地圖縮編的做法通常會導(dǎo)致要素在逐級放大過程中，出現(xiàn)跳躍性丟失或細(xì)節(jié)破碎的現(xiàn)象，無法形成科學(xué)的地圖表達(dá)。相對于傳統(tǒng)人工縮編，自動縮編通過最優(yōu)化的“統(tǒng)一源頭、一致派生、無級表達(dá)”技術(shù)體系，是目前解決多尺度數(shù)據(jù)快速獲取的一種最有效方式。

本文利用面向城市級電子地圖聯(lián)動更新和多尺度發(fā)布的需求，梳理縮編知識形式化表達(dá)規(guī)則，以及多級數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)模型、要素語義與地圖表達(dá)等方面的關(guān)聯(lián)、制約與轉(zhuǎn)換關(guān)系，提出雙模型解譯方法，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化記錄要素主體與領(lǐng)域的相互評價關(guān)系，構(gòu)建面向城市電子地圖自動縮編的技術(shù)體系，并實現(xiàn)基于一源尺度到多尺度電子地圖數(shù)據(jù)自動縮編，有效保證多尺度地圖的聯(lián)動更新和漸近式表達(dá)。

1 總體設(shè)計思路

國內(nèi)外在自動綜合技術(shù)方面的發(fā)展遵循了一個由簡單到復(fù)雜、由局部到整體、由數(shù)字化到智能化的客觀發(fā)展過程。在傳統(tǒng)地圖制圖時代，實現(xiàn)了制圖綜合從主觀過程到客觀過程制圖方法的轉(zhuǎn)變；在數(shù)字化地圖制圖時代，實現(xiàn)了由定性描述到定量描述的提升，并在模型、算法的研究方面引進(jìn)了許多現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，成效顯著；在信息化地圖制圖時代，主要是在原有模型、算法和知識基礎(chǔ)上開展協(xié)同式自動制圖綜合研究[1]。

本文針對電子地圖逐級表達(dá)要求,設(shè)計了一套電子地圖的自動縮編技術(shù)流程，如圖1所示,通過將制圖專家的知識和經(jīng)驗進(jìn)行知識形式化處理，形成相應(yīng)的知識算子，再根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及實際數(shù)據(jù)的情況，對數(shù)據(jù)要素級、層級關(guān)系進(jìn)行決策推理，形成智能化的知識庫，再經(jīng)過反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，直至實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動綜合。

圖1 總計設(shè)計思路

2 自動縮編關(guān)鍵技術(shù)

2.1 縮編知識形式化表達(dá)

縮編技術(shù)指標(biāo)梳理需要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)實際情況及自動綜合技術(shù)能力，突破傳統(tǒng)人工知識經(jīng)驗積累，轉(zhuǎn)向計算機(jī)可執(zhí)行的形式化表達(dá)與解譯，解譯需要分析幾何、拓?fù)洹⑸舷挛?、屬性等各種關(guān)系，而形式化表達(dá)是將實施綜合的條件與執(zhí)行綜合的行為連接起來，回答“何時”“何處”對“何物”執(zhí)行“何操作”的問題，最終通過對接軟件執(zhí)行。

以居民地縮編指標(biāo)為例,居民地綜合總原則是要正確表示居民地的位置、輪廓圖形、基本結(jié)構(gòu)、通行情況，居民地的行政意義、名稱和人口數(shù)，要正確反映居民地的類型、分布特點及與其他要素的關(guān)系。居民地的選取要保證詳細(xì)性和清晰性的統(tǒng)一，能反映不同地區(qū)居民地密度對比，反映圖上居民地密度差別隨著地圖比例尺的縮小而縮小的變化規(guī)律，并且保持輪廓的基本特征不變。本文以南京市電子地圖15級(比例尺1∶18 055)居民地縮編指標(biāo)制定為例，見表1。

表1 居民地綜合指標(biāo)

2.2 雙模型

現(xiàn)有地圖自動化程度普遍不理想，究其本質(zhì)原因，是將數(shù)據(jù)綜合和圖形綜合一并考慮，縮編過程中需要統(tǒng)籌考慮的因素太多，無形中加大了地圖編繪的復(fù)雜性。本文提出了雙模型的解決方法，如圖2所示，雙模型是指將數(shù)據(jù)模型和制圖模型分離并存，實現(xiàn)了地圖符號獨立于制圖平臺，作為地圖符號的圖形數(shù)據(jù)既可以與地理數(shù)據(jù)整合在一起生成地圖表達(dá)數(shù)據(jù)，又可以隨時把符號數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)分開，便于各種綜合算法先關(guān)注數(shù)據(jù)本身的空間特征與空間關(guān)系，再進(jìn)行多約束一體化融合。雙模型內(nèi)置實體全局關(guān)系、結(jié)構(gòu)化關(guān)系及鄰近度關(guān)系，通過語義與空間特征參數(shù)支撐數(shù)據(jù)連續(xù)、多尺度處理與表達(dá)。

圖2 雙模型的分離與并存

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是對數(shù)據(jù)進(jìn)行全局性評價，即查明并建立數(shù)據(jù)之間的分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。對不同類型的地理數(shù)據(jù)采用不同的結(jié)構(gòu)化方法和結(jié)構(gòu)化表示手段，同時也要顧及區(qū)域特征的不同處理方法。本文從特征優(yōu)化的角度，提出數(shù)據(jù)區(qū)分主體、附屬及影響范圍，采用結(jié)構(gòu)化補(bǔ)償方式，實現(xiàn)從鄰域上分析各個物體相對重要性的手段，從而使得在全局結(jié)構(gòu)中處于同一級別的各個物體獲得一個新的補(bǔ)充性的評價依據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化示意圖

2.4 縮編流程統(tǒng)一

自動縮編流程以實際多類型數(shù)據(jù)使用需求為導(dǎo)向、知識規(guī)則為基底，提出滿足原始數(shù)據(jù)—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化—實體關(guān)系識別—多約束融合，實現(xiàn)智能綜合。其中的實體關(guān)系識別要考慮實體的修復(fù)與關(guān)系識別，多約束融合時既有要素級之間的約束，也要顧及層級之間的約束。本文對現(xiàn)有綜合算子進(jìn)行細(xì)顆粒度區(qū)分與分類，細(xì)分出97大類，1086亞類的算子，通過科學(xué)梳理及有機(jī)組合，確保綜合知識的有效表達(dá)。

以多邊形化簡算法為例(見表2),當(dāng)比例尺發(fā)生變化時，優(yōu)化增加了“是否移除化簡后小于閾值的環(huán)”“是否移除化簡后小于閾值的短線段” 等多邊形化簡算法限制性條件，在不影響原有要素特征的情況下，移除化簡后小于閾值的環(huán)或短線段，使多邊形既保持原有特征又更加簡潔。

表2 多邊形化簡參數(shù) mm

3 縮編平臺設(shè)計

3.1 平臺架構(gòu)

平臺總體架構(gòu)以WJ-III軟件為依托， 自下而上包括4個層次，基礎(chǔ)設(shè)施層是平臺穩(wěn)定高效運(yùn)行的支撐與保障。數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、轉(zhuǎn)換、存儲等操作。平臺層是核心內(nèi)容，從圖4可以看出，核心基礎(chǔ)算法可分為原子級、數(shù)據(jù)級、地圖級，為對外表現(xiàn)的模塊集成提供了多種顆粒度的算法封裝，這樣三者結(jié)合，就實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)獲取、處理、管理、分析和表達(dá)的GIS功能全覆蓋。應(yīng)用層是基于平臺層提供的功能模塊的基礎(chǔ)上，完成各類數(shù)據(jù)的自動縮編。

3.2 功能模塊

基于數(shù)據(jù)導(dǎo)入、處理、顯示、符號化、出圖等流程化處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動綜合及可視化處理，平臺提供工程、瀏覽、查詢、編輯、綜合、制圖、設(shè)置、管理等11大類模塊，如圖5所示，具備電子地圖綜合與成圖知識庫和符號庫，重點實現(xiàn)點、線、面等人工與自然地物自動綜合的全要素覆蓋，同時自動處理要素之間的空間關(guān)系協(xié)調(diào)。其中，知識庫涵蓋綜合算子的選取、軟件的過程控制模塊、決定算法的執(zhí)行和參量的控制，其元素包括但不限于數(shù)據(jù)處理對象的要素類別、屬性標(biāo)識、幾何算法、控制指標(biāo)、指標(biāo)的適用上限和適用下限。符號庫區(qū)分為點、線、面3類，可按比例尺及地圖類型組織管理，可以按需定制。

4 數(shù)據(jù)縮編建設(shè)

基于無級縮編平臺對南京市電子地圖進(jìn)行了自動縮編建設(shè)，數(shù)據(jù)范圍覆蓋全市域，包括境界、水系、居民地、交通、植被等6大類、68小類，其自動縮編流程如圖6所示，包括前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)綜合、后期調(diào)試3個階段。

4.1 分析準(zhǔn)備

縮編處理前需全面了解當(dāng)前任務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、有關(guān)資料，以及現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù)、方法等，充分核查源數(shù)據(jù)的質(zhì)量，檢查數(shù)據(jù)的完整性、一致性等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括對坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、空間數(shù)據(jù)組織、屬性結(jié)構(gòu)等的分析，并整合出縮編所需數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對一些不符合綜合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互編輯，對有規(guī)律可循的數(shù)據(jù)利用南京市測繪地理信息無級縮編平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯；對沒有規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工編輯，使其在自動綜合處理前保持?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范性。繼而再對處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行要素歸屬劃分，做好自動綜合前的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

4.3 制圖綜合

針對不同類型參照已有成熟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制定其綜合原則。根據(jù)要素的權(quán)重，調(diào)整其綜合順序，使綜合更具邏輯性，同時梳理同層要素間或?qū)蛹壱亻g的關(guān)系，使其符合數(shù)據(jù)實際需求，合情合理地表達(dá)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并將其中的聯(lián)系制定成相應(yīng)綜合指標(biāo)。最后將指標(biāo)形成知識庫，使用平臺進(jìn)行訓(xùn)練，綜合成相應(yīng)尺度數(shù)據(jù)。綜合時，要保證數(shù)據(jù)詳細(xì)性和清晰性的統(tǒng)一，能反映不同地區(qū)要素密度的對比，更要反映圖上要素密度差別隨著地圖比例尺的縮小而縮小的變化規(guī)律。

4.4 質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是數(shù)據(jù)綜合工作的關(guān)鍵，采用總體概查結(jié)合軟件詳查方式，各個級別的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查數(shù)據(jù)成果的數(shù)據(jù)集(層)定義規(guī)范、屬性項定義符合性，格式、數(shù)據(jù)、命名等規(guī)范性，拓?fù)湟恢滦缘取?/p>

4.5 縮編成果

基于自動縮編建設(shè)的南京11種尺度的電子地圖成果已廣泛在天地圖、警務(wù)GIS、智慧城管等多個平臺中應(yīng)用，尤其在小比例尺級別下，地圖的漸近表達(dá)和要素合理性取得了顯著的提升，以14級(1∶36 112)縮編前后效果比對為例,如圖7所示。

圖4 平臺架構(gòu)

圖5 功能模塊

圖6 數(shù)據(jù)自動縮編流程

5 結(jié) 語

本文結(jié)合城市電子地圖建設(shè)面臨的實際問題，以南京為例, 實現(xiàn)了電子地圖基于一源數(shù)據(jù)多種尺度的自動縮編，通過對原數(shù)據(jù)處理和算法的提升，自動化水平達(dá)到80%以上。該技術(shù)顯著提升了城市電子地圖多尺度數(shù)據(jù)的一致性派生與全方位服務(wù)能力，領(lǐng)導(dǎo)了城市范圍電子地圖數(shù)據(jù)無級生產(chǎn)的根本性變革，對推動信息化測繪體系的構(gòu)建具有重要推動作用。

圖7 自動縮編效果比對

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AStudyontheAutomaticGeneralizationofUrbanMulti-scaleElectronicMap

YIN Xiangjun1，WANG Furong1，YIN Jie2,ZHU Minqiu1，WANG Shukui1

(1. Nanjing Urban Planning & Research Center， Nanjing 210029,China; 2. Chinese Academy of Surving & Mapping， Beijing 100830,China)

With the openness of the government information, such as smart city, geo-information common services, and geographical conditions data, the city electronic map, which is considered to be the basis of all kinds of government affairs, can only be illustrated by shutting down and selecting elements in multi-scale display. This leads to the jumping loss and detail fragmentation phenomenon for the elements in the scaleless display. Therefore,it cannot meet the requirements of cartographic representation and satisfy the user’s visual experience. This paper presents an automatic generalization method,which constructed a technology system featured unified source, consistent derivation， scaleless representations. This system realizes the linkage renewal and multi-scale display of urban multi-scale electronic map. To some extent,it will play an important role in maximizing the geographical information integration and service capabilities of surveying and mapping.

urban electronic map; multi-scale; automatic generalization

尹向軍，王芙蓉，印潔,等.城市電子地圖多尺度自動縮編方法[J].測繪通報，2017(11)：80-85.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0353.

P283

A

0494-0911(2017)11-0080-06

2017-06-15;

2017-09-01

國家自然科學(xué)基金(41371374)

尹向軍(1979—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電子地圖建設(shè)研究。E-mail:9337981@qq.com