基礎地理信息數據快速出圖技術的研究與應用
——以“內蒙古快速出圖系統”為例

趙計環，薛志忠，張貴俊，張智清

(內蒙古自治區地圖院，內蒙古 呼和浩特 010051)

基礎地理信息數據快速出圖技術的研究與應用
——以“內蒙古快速出圖系統”為例

趙計環，薛志忠，張貴俊，張智清

(內蒙古自治區地圖院，內蒙古 呼和浩特 010051)

常規地圖生產過程中，制圖綜合自動化程度低是長期困擾地圖工作者的難題，內蒙古地圖院快速出圖系統采用數符分離模型，基于自動綜合技術和專家知識模版，依托WJ-Ⅲ地圖工作站建立了數據綜合與制圖應用技術體系，實現了數據從大比例尺到小比例尺的自動縮編，滿足數據日常更新，支持快速出圖，可向社會提供應急保障服務。

數符分離模型；數據綜合；自動化成圖

一、引 言

地圖作為人類對地理空間認知活動的一個產物，承載著地球表面豐富的地理信息要素，使用范圍越來越廣，服務對象日趨呈現多極化趨勢。近年來，經濟社會的快速發展及城鄉一體化建設對地圖的成圖周期提出了更高的要求，既要快速、準確，又要現勢性強。但在實際工作中，由于常規的地圖出版制作周期長、效率低，地圖縮編綜合耗時間、費體力，是一項非常繁瑣的“細活”，少則十天半月，多則達數月之久，很多工作因等待成圖而耽擱，不能很好地滿足當前用戶的用圖和政府部門的宏觀決策、規劃設計及應急保障的需求。

隨著計算機技術的飛速發展，各種地理信息數據與地圖制圖軟件的應用，地圖的生產方式實現了由傳統的手工制圖向數字化生產模式的轉化。制圖進入數字化時代以后，整個生產的工藝流程發生了根本性轉變，由先出圖后建庫模式轉變為先建庫后出圖。但從大比例尺到小比例尺的縮編自動化程度不高，都是計算機輔助人機交互操作實現，在數據的聯動更新上也受到制約。因此，自動化、智能化快速出圖技術的研究應用是當前的重要課題。

本文以“內蒙古快速出圖系統”為例，探討在已有地理信息數據庫的基礎上實現地圖數據從大比例尺到小比例尺的自動縮編，實現對全區、各盟市、旗縣及部分城區的快速成圖與輸出，為自治區各級政府、社會提供及時、高質量的地圖服務和測繪應急保障服務。

二、現有的數據結構與生產模式

截至目前，內蒙古地圖院經過多年的事業發展，積累了大量地圖數據，既有不同比例尺的單幅地圖數據，也有較為完善的全區1∶5萬、1∶25萬和1∶100萬基礎地形數據庫，從2007年起啟動了“內蒙古自治區地圖出版基礎地理信息數據管理系統”項目，運用山海易繪軟件，人工編輯了全區1∶25萬、1∶160萬、1∶350萬3種比例尺的大版和局部區域的1∶5萬制圖數據庫。但這些數據的坐標系、投影、格式和規格不盡相同，在資料的使用和更新上無法滿足現實需求，如在編制盟市單張圖時，技術人員利用1∶25萬制圖數據庫數據作為基礎資料，為達到整飾美觀效果，使用CorelDRAW軟件，對新增變化的要素只能在1∶25萬制圖數據庫上進行修改，不能對其他尺度的制圖數據庫進行聯動縮編修改，受到現有軟件CorelDRAW、山海易繪和Arc/Info的局限，地形數據庫和制圖數據庫也不能同時進行聯動更新，逐步造成制圖數據庫與地形數據庫數據不匹配。因此，在數據的日常維護更新上需投入大量的人力、物力和較長的時間甚至重復勞動，非常有必要建立完善統一的數據庫，實現地圖數據的實時更新，保證數據庫內容的現勢性。

三、快速出圖系統的技術特點

通過分析和研究現有數據結構和生產模式及生產過程中存在的問題，內蒙古地圖院提出了“快速出圖系統”項目建設，目的是滿足日常數據更新，實現數據從1∶1萬到1∶5萬、1∶25萬、1∶100萬、1∶400萬的逐級聯動更新，以支持各級制圖數據庫更新并實現多種比例尺數據自動化高效成圖，支持打印以及網絡化等多樣輸出。

實現數據的聯動更新和快速成圖，主要解決數據從大比例尺到小比例尺的自動縮編，它也是快速成圖的數據源，因此快速出圖系統解決的核心問題就是數據的自動綜合和自動化成圖。基于內蒙古地圖院的技術現狀，與中國測繪科學研究院合作借助基礎地理信息數據庫快速出圖技術，解決以下幾個關鍵技術點來實現。

1.數符可分可合模型

計算機輔助下的地圖表達就是在地圖符號庫的支持下，將符號表示數據與地圖編輯數據融為一體，其中符號表示數據用于確定表示地理要素的地圖符號，包括地理要素標識符、符號庫標識符與地圖符號標識符3個基本成分，可由GIS關聯表描述或圖示表達的表達規則生成，CorelDRAW就是這種方式。而GIS側重于空間分析，以地理數據為中心，CAD側重于制圖，以圖形為中心。用這些軟件實現計算機制圖縮編時，都是把數據綜合(模型綜合)和圖形綜合一起考慮，兼顧的因素太多，計算機代替人腦對地圖的編繪比較復雜化，且自動化程度不高。

地理數據與符號均是對地理對象的描述，其中數據側重于記錄地理對象的信息，而符號側重于對地理對象信息的可視化表達。地理數據與符號是兩個不同的概念，它們之間既相互區別又相互聯系，地理數據負責描述并記錄地理要素客觀的地理信息包括幾何、拓撲及屬性數據，而符號負責描述并記錄地理要素的表達樣式信息，兩者之間通過ID或名稱等字段進行關聯，這樣就實現了符號與地理數據的分離。

快速出圖系統把數據綜合(模型綜合)和圖形綜合分開考慮，建立數符分離模型，將地圖自動綜合分為模型綜合和圖形綜合兩大類。模型綜合又叫數據庫綜合、地理信息提取、概念綜合。在模型層次進行綜合有利于GIS中的數據訪問。模型綜合和圖形綜合的區別是：模型綜合操作數據庫，且不依賴圖形表示。另外，圖形綜合是依賴于比例尺的，而模型綜合則不依賴于比例尺。同時，模型綜合由分析查詢驅動，而圖形綜合主要由信息需要驅動。但是，二者并不是獨立的，模型綜合是圖形綜合的先導。

符數分離模型實現了地圖符號獨立于制圖平臺，符號數據既可以與地理數據整合在一起生成可以出圖的地圖數據，又可以隨時把符號數據和地理空間數據分開。

2.數據綜合

任何一種比例尺地圖都有其容量限制，不可能將地面上客觀存在的物體全部都表示出來，只能根據地圖的用途、比例尺和制圖區域的特點，以概括、抽象的形式反映研究對象的主要特征，這個過程叫地圖綜合。它是通過概括和取舍的方法實現的，概括是對制圖對象的形狀、數量和質量特征的化簡，去掉輪廓的碎部代之以總的形狀特征，縮減分類分級的數量，減少制圖物體間的差別。取舍就是從大量的制圖物體當中選取較大的、較重要的物體表示在地圖上，地圖綜合是一個人類發揮創造性才能的過程。

信息化時代的地圖縮編需要將人類智慧全面轉化為計算機的智能，讓計算機模擬人腦完成地圖綜合，地圖綜合過程實際是一個目標約束下的優化問題，也就是尋求最優解，采用基本綜合算法滿足若干制圖約束條件下的優化過程。地圖綜合對象可以分為兩類，一類是自然地物，一類是人工地物，要素劃分為點、線、面3類，針對不同的類型采用不同的算法。快速出圖系統應用構建自動綜合知識引擎及層次索引，自動制圖綜合在全要素、全過程、可控制等方面的關鍵技術，并依據內蒙古快速出圖系統的特點完善了點群、道路網和居民地等選取的算法，完善了主體要素與附屬要素之間的綜合方法，確定了各要素綜合的區域性技術指標，建立了18個逐級、跨尺度綜合知識庫，建立了5種典型尺度的制圖知識庫，實現了WJ-Ⅲ地圖工作站與內蒙古地圖院多尺度數據庫的對接，建成了基礎地理信息應用技術體系實現數據綜合。

3.自動化成圖

目前傳統的地圖制圖方式對單一的功能都已經實現自動化處理，但對于整個配圖流程來說，自動化程度相對不高，如手動選擇分層字段來對圖層進行分層，手動調整圖層間的順序，手動修改圖層的名稱，逐層創建注記層和配置創建后的注記信息，逐層符號化和修改符號化后的結果，以及逐層的設置可見比例尺等。對于多圖幅和多圖層數據來說，流程煩瑣，工作量大，是一個非常耗時耗力的過程。針對這些在地圖配圖過程中如細分層、注記、符號化、地圖整飾和圖例等存有大量的重復性工作，快速出圖系統基于制圖專家知識模板技術，將地圖符號分解為數據分層、壓蓋處理、符號表達、注記配置、制圖分層和屏幕表達6個主要環節，并建立各環節具有訓練和學習能力的開放式專家知識模板，構成制圖知識庫，建立了自動制圖的六階業務模型，讓計算機程序代替制圖人員完成，實現地圖的自動化成圖。

四、快速出圖系統的應用體系

1.WJ-Ⅲ地圖工作站

快速出圖系統依托WJ-Ⅲ地圖工作站建立了數據綜合與制圖應用技術體系，主要由基礎軟件、符號編輯器、顏色校正軟件、專業地圖渲染引擎和圖形處理卡5部分構成，具有地圖制圖、GIS處理分析和制圖綜合功能。其中地圖制圖具有數據導入、制圖分層、符號制作、自動制圖、地圖顯示、地圖編輯、地圖輸出等功能，支持地圖切片一體化管理，無縫支持大文件、MySQL、Oracle、Beyond、本地瓦片等一體化輸出；制圖綜合提供點群、線群、面群、單線、單面等地理要素的綜合，提供可變的綜合參數，支持模板化定制自動綜合，適應逐級縮編以及跨尺度縮編。

2.生產流程

快速出圖系統的生產主要流程為：數據整理→模版制作→自動成圖→地圖整飾。

數據整理包括數據的日常維護更新，以及數據庫內容的屬性字段、圖層代碼、分類代碼及拓撲關系等信息的一致性、完整性的整理，日常維護更新就是將新增變化的內容在基礎數據庫上進行修改，確保資料的現勢性，也是快速出圖的數據基礎。

模板制作是依據成圖要求制作模版，該模板為一鍵成圖模板，包括分層模板、改名模板、綜合模板和配圖模板。其中綜合模板、配圖模板是實現自動綜合和快速出圖的關鍵模板，綜合模板是依據比例尺設置地理各要素的綜合參數，包括居民地模板、道路模板、水系模板、等高線模板、境界模板等，可以逐級或跨級設置，實現逐級或跨尺度比例尺的綜合。配圖模板是依據成圖的比例尺設置地理各要素的配圖符號，包括符號模板和注記模板。

自動成圖主要是進行數據的綜合，就是將原始的點、線、面進行綜合取舍以滿足最終出圖比例尺需求。對于點的綜合，可以根據出圖比例尺需求利用軟件里的點綜合工具，按照原始數據的百分比進行取舍以滿足出圖點分布密度需求，該工具可以根據點分布密度的不同在不同的區域設置不同的取舍比例。線綜合取舍包括線的綜合和線的化簡兩部分，線綜合是對線的分布密度按照線的等級進行取舍。在地圖制圖中所涉及的線主要是等高線、不同等級的道路及水系線，對于等高線的綜合是以等高距為依據，通過刪去中間部分等高距以實現等高線的綜合；對于道路的綜合需要考慮不同等級道路的最終構網，通常不對省道及以上的道路進行取舍，只對縣道及以下的道路根據比例尺不同進行取舍，取舍依據為在整個道路構網的位置、道路的等級及道路的長度；水系的綜合取舍是對水系密集區按照出圖比例尺需求對低等級及短的河流進行綜合。線化簡是在大比例尺轉換為小比例尺時將線的節點抽稀并對一些不具有特征意義的拐點化簡。

地圖整飾用戶根據自己成圖比例尺制作適當大小、粗細的點狀和線狀符號，標繪相應的顏色，并將這些符號及顏色集中在一起形成符號化模板，利用WJ-Ⅲ系統的一鍵符號化實現地圖的及時符號化，注記配置系統通過自動注記功能將屬性表中需要的屬性自動展現在地圖表面，系統還可以自動生成整飾外框及與地圖內容相符的圖例，最后將地圖直接輸出、打印，即可達成地圖的縮編和快速出圖。

五、地圖編繪自動化試生產

在研發階段，基于快速出圖系統進行了由基礎地理信息庫數據提取的呼倫貝爾市 1∶5萬到1∶25萬，呼和浩特市1∶5萬到1∶25萬、1∶5萬到1∶60萬，以及自治區1∶25萬到1∶160萬、1∶25萬到1∶350萬等系列尺度的地圖編繪自動化試生產，并將試生產結果與原有人工編繪的同比例尺制圖數據庫數據進行了比較，得出如下結論：

1)在作業模式上，該系統在制圖綜合和地圖符號化方面以計算機為主、人工手段為輔，實現了地圖綜合的高度自動化，傳統體系以人工為主、計算機輔助。

2)在生產效率上，該系統的自動化程度較高，達98%以上，通遼市1∶25萬數據縮編至1∶160萬，不到30 s，呼和浩特市1∶5萬數據縮編至1∶25萬，不到20 s，而傳統體系生產至少半個月。

3)在多尺度的一致性上，該系統的多尺度比例尺地圖縮編源于一套基礎數據，內容高度一致，而傳統體系不一致。

4)在數據準確率上，該系統對高等級要素選取與概括標準一致，準確率達98%，其他要素90%以上，但對于具有紀念意義的特征點要素和一些小于指標的具有特殊意義的如河流等線狀地物要素需要人機交互選取，傳統體系人為判斷，標準不一。

5)在適應范圍上，該系統的數據由1∶1萬到1∶400萬可以進行逐級及跨尺度編繪，實現任意范圍、任意尺度的快速成圖，傳統體系數據由1∶1萬到1∶400萬必須逐級編繪。

6)在數據的維護更新上，該系統只需維護更新基礎數據庫，不同尺度的數據庫聯動更新比較容易實現，傳統體系需要分別維護更新不同尺度的數據庫，耗時費力，造成重復勞動。

7)在應急保障上，該系統在生成制圖數據的同時可以生成圖例、圖外整飾、圖名等，實現地圖提供從“按天計時間”轉變為“按小時計時間”。

六、結束語

內蒙古快速出圖系統目前還在試運行，某些功能有待進一步的改進完善，但通過該系統的建設，依托WJ-Ⅲ地圖工作站，構建了數據綜合與制圖技術體系，達到了工程化實用程度，能夠滿足自治區內各種業務和應急反應，向用戶快速、高效提供地圖。該系統的集成度高、創新性強，基于綜合知識和制圖知識引擎的處理過程自動化程度達98%，結果準確可靠，達到國際領先水平。

項目的成功實踐，為構建“一套數據＋自動綜合與成圖系統”的基礎地理信息化管理與服務技術體系開創了先例，為提升地圖編繪生產力水平提供了科學手段。

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10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0413

2014-05-23

趙計環(1964—)，女，內蒙古呼和浩特人，高級工程師，主要從事地理信息系統、地圖制圖方面的工作。