兼顧制圖規范和實體規則的海圖質量檢測方法研究

李學芳,靖常峰

(北京建筑大學,北京 100044)

兼顧制圖規范和實體規則的海圖質量檢測方法研究

李學芳?,靖常峰

(北京建筑大學,北京 100044)

針對數字環境下的紙質海圖生產,本文提出一種顧及海圖實體規則和海圖要素制圖規范的海圖要素質量檢測方法,將海圖要素按照其變化速度的特征,分為變化緩慢,變化頻繁但有規律可循或有據可查和變化頻繁且無規律可循幾個類型,同時考慮要素本身規則和要素相互間的關系,探討建立質量檢測規則庫的方法,為在數字環境下出版的紙質海圖的質量檢測和控制進行了有益的探索。

數字海圖;質量檢測;規則庫;制圖規范;實體規則;知識表示

1 引 言

信息技術的快速發展使得紙質海圖出版技術及流程發生了較大改變,基于海圖數據庫的海圖生產方式廣泛應用,海圖出版的質量檢測方法和內容也從本質上發生了變化。

為有效控制海圖質量,很多研究者對出版海圖的質量控制方法進行了深入的研究。孫萬民通過分析新概念下紙質海圖生產的新方法、新手段和新流程,提出海圖出版質量控制的關鍵環節,將控制途徑分為生產流程質量控制,原圖質量控制和圖幅檔案質量控制[1]。這一研究為海圖質量控制定下了大的框架。在此基礎上,李靜分析了各個生產環節質量控制的宏觀方法包括完善數據結構、減少生產流程、審查和校對、加強產品規范建設等[2]。與此同時,其他一些研究主要側重于質量檢測和控制過程中的特定某方面。例如王文山主要從制圖人員成績評價和激勵方面,達到提高海圖質量的目的[3],李漢榮主要從影響海洋測繪成果精度控制方面提高海圖質量[4]等。

然而,在實際生產中,目前主要采用對比法進行檢測,即把數字化后的數據用繪圖機繪出,與原圖疊合,選擇明顯地物點進行測量,以確定誤差[5],計算機程序自動檢測方法使用得不多,存在錯漏較多、重復勞動、效率低下等缺點,亟需一種數字環境下利用檢測程序及適當人工干預的海圖質量檢測控制方法的出現。

2 海圖要素制圖規范分析

數字海圖要素種類繁多,屬性豐富,其對應的現實世界實體變化特征各不相同,要素制圖規范復雜,因此需要對其進行全面透徹的分析,才能制定正確合理檢測方法。

2.1 數字海圖要素及其制圖特征的分析

依據《數字海圖要素代碼》規定,海圖要素主要分為控制點,磁要素,自然地理要素,人工地物,陸地方位物,港口,潮汐和海流,深度,底質,礁石、沉船、障礙物,近海設施,航道,區域界線,助航標志類,廓整飾要素及其他等類別。對《中國海圖圖式》(GB 12319-1998)、《中國航海圖編繪規范》(GB 12320-1998)、《數字海圖數據字典》和《數字海圖生產管理規定》等海圖制圖規范進行研究分析,各類海圖要素制圖變化特征及制圖規范總結如下:

(1)控制點

①作為一種定位基礎,控制點的特點是其固定不變性。

②依制圖規范,在比例尺大于1∶300萬海圖上表示有航行方位意義的山頭和島頂上的控制點和高程點。

③控制點在圖上用圈形符號或獨立地物符號(若控制點是獨立地物)表示。

(2)磁要素

①磁要素中除局部的磁差年變率會發生異常外,地磁場具有長期變化,不易發生改變。磁偏角隨地區的不同而不同,它的變化半周期約為250 a,可見磁要素是與地理位置相關的一種要素。

②磁差在大于1∶200萬比例尺的圖上用方位圈符號加磁北線、磁差和年差值注記的形式表示,在1∶200萬及更小比例尺圖上以等磁差線表示。磁力異常區在各種比例尺海圖上均要表示。一般以局部磁力異常區表示。

(3)自然地理要素

①相對于海圖制圖周期,海岸線的變化是緩慢的,其侵蝕后退、整體后移或堆積速度等都是以a為單位計算的。同時,受限于海岸線測量周期,也不可能十分頻繁地更改海岸線數據。

②與海岸線類似,海灘地貌的變化也是一個漸變、可微的過程。

③河流、湖泊的位置、形狀等均由岸線決定,而河岸線、湖岸線與海岸線具有相似性就決定了河流、湖泊的變化與海岸線類似。

④運河、溝渠不容易發生變化,即使發生了變化,如新建、改變、拆除等,較容易測量。

⑤依海圖圖式,海岸線以藍色線狀符號表示。

⑥依海圖規范,各種比例尺都應詳細準確地表示海岸線,在大于1∶20萬圖上區分實測和草繪岸線。

⑦依照海圖制圖規范,地貌要素主要以等高線,高程點及其他地貌符號如陡石山,沙地符號表示。比例尺大于50萬圖上一般都使用等高線表示地貌,基本等高距依比例尺有相應的規定。

⑧瀑布用有向線表示。

⑨依海圖規范,各種比例尺圖上應表示較大的通海河流以及較大的運河、溝渠、湖泊,寬于0.4 mm的河流繪雙線,有些河流僅在入?？谔幚L出河口。

(4)人工地物

①相對來說,單體建筑由于其特定用途或公眾服務性質,不易變動,對其變化也容易進行測量和搜集信息;建筑群區的變化頻繁且無規律可循。

②總體上,公路、鐵路、飛機場都是不易發生變化的,只有等級較低的小路有可能會消失,等級較高的主干道、高速公路以及鐵路、機場不可能消失,只有可能拓寬或者新建,且對于新建公路、鐵路、飛機場的信息搜集和測量都十分容易。

③依海圖制圖規范,各種比例尺圖上一般只表示沿海距岸150 mm范圍內的居民地。1∶10萬圖上選取鎮級以上居民地、重要的村和有航行方位意義的獨立房屋。居民地依比例表示或者依圈形符號表示及其選取都有依比例尺的相應的規定。

④在各種比例尺圖上均應表示已建成的鐵路和公路。以1∶10萬,1∶20萬和1∶50萬為分界點,在各比例尺區間表示不同重要程度的道路。在比例尺大于1∶20萬的圖上表示海岸附近的飛機場。

(5)陸地方位物

①陸地方位物的變化一般沒有規律可循,尤其像獨立樹叢這類的現實世界實體。

②比例尺大于1∶20萬圖上詳細表示陸地方位物,1∶50萬及更小比例尺圖上一般不表示。1∶20萬～1∶49萬圖上摘要表示沿岸較顯著建筑物。陸地方位物盡量用符號表示,無符號的用圈形符號加類別名稱注記表示,一般是定點符號。

(6)港口

港口大類中的各項,即一般水工建筑,港口設施,管理與服務設施變化有據可查,容易獲得其變化信息。

(7)潮汐和海流

①洋流是永久性或者季節性的海水水平流動,流速和流向都比較穩定;海流是大規模海水沿一定方向的水平流動,變化較為頻繁。

②潮汐和海流在我國海圖上以潮信表,潮流表,潮流圖以及潮流和海流的概略符號表示。

③由要素本身多變的特點決定了潮汐和海流的表示是概略性的。潮信表為航海人員提供潮汐基本情況,可用于概略地推算海區的潮時、潮高,潮流表和潮流圖類似。表示潮流和海流的漲潮流,落潮流,海流,洋流,急流和漩渦等符號的范圍和位置都是大概的。只有列有潮流資料的地點一項是定點型的符號。

④對于潮汐和海流要素,用計算機實現其質量檢測是簡易可行的,只需與驗潮站等相關部門提供的準確資料對比即可。

(8)深度

①掃測區和疏浚區的位置和相關信息較容易從海事部門獲得。深度的變化沒有規律,等深線的位置也是沒有固定坐標概略位置,但深度和水深點的位置有關,可基于此進行海圖質量的檢測。

②在海圖上深度以水深注記,等深線,區域界線(疏浚區界線,掃海區界線等)表示。

(9)底質

①除了一部分要素,如沙紋的不穩定性,大多數底質是穩定、不容易變動的。

②底質在海圖中以底質注記,如“沙”、“泥”、“粘土”、“淤泥”、“石”、“礪”、“珊”、“貝”等,還有概略性的范圍符號表示海草和沙紋的分布范圍。干出灘的表示是較為精確的范圍表示方法。另外,用特定的形容詞性注記(包括英文注記)表示底質更詳細的性質,如“細”表示細沙,“碎”,“軟”等。

(10)礁石、沉船、障礙物

礁石是較穩定的,隨著海底探測的發展可能會發現新的礁石;沉船變化較無規律性,新船的事故或對舊沉船的打撈可能會引起其變化;障礙物中的捕魚設備會隨著季節的變化而變化,海水養殖場、紊流較不易發生改變。

(11)近海設施

①近海設施是較為固定的要素。

②海底電纜區,電力線區,油、氣管道區的表示是將上圖中海底電纜和油、氣管道符號成組表示。

(12)航道

作為一種以中心線定位的實體,即使航道邊界或底質可能發生緩慢的變化,其自身的位置和延伸不易發生變化。

(13)區域界線

很多區域界線是完全固定的,如國界,國際日期變更線,領?；€,專屬經濟區界線,海關界線等。部分區域界線的變更一般可從相關海事管理部門得到相關信息。

(14)助航標之類

所有航標都是統一入庫,統一管理,它就像控制點一樣,具有專門的建庫、管理和維護機制,利用相關部門的航標信息即可進行海圖航標質量檢測。

(15)服務設施

①服務設施的變化一定是可以容易地獲得其信息,進行更新。

②服務設施一般以定點符號加注記表示。(16)圖廓整飾要素

該類要素是完全固定不變、有特定格式的。

2.2 適用于不同要素的質量檢測方法

由上述分析,可對海圖要素進行如下歸類:

(1)變化緩慢的:控制點,磁要素,自然地理要素,底質,礁石,近海設施,航道,區域界線中的國界、領海線基線等,各種助航標志,圖廓整飾要素;

(2)變化較頻繁但有規律可循或有據可查的:人工地物中除居民地的要素,港口,潮汐和海流,深度,障礙物,區域界線中的受限區域等,服務設施;

(3)變化較頻繁又無規律可循的:人工地物中的居民地,陸地方位物,沉船。

不同變化特征的要素,其更新速度、人工編輯頻繁程度不同,進而影響到其容易出現的錯誤類型以及針對錯誤類型而進行的質量檢測。對不容易發生變化、較穩定的要素,檢測主要側重于該要素是否應該表示以及其表示的正確性;對容易發生變化的要素,則還需要更多的檢測它與周圍要素的關系是否正確等等。

3 實體規則

本文所指的實體,是現實世界實際存在的,或是具體存在的(如一個信標)或規定存在(如錨地)物體對應的海圖圖面要素?？陀^世界實體可以劃分為有限的一些類別,如燈標、沉船、建筑群區等?？梢再x給它一系列屬性并為這些屬性賦值來精確地描述。一個特定的客觀世界實體通過描述適當的特征類、屬性和屬性值來編碼。例如,一個紅色側標可以編碼為:物標類:側面浮標;屬性:彩色;屬性值:紅色。規則,則是指一定的典式,法則和規律。

本文所指的實體規則,是指數字海圖所抽象、表達的客觀世界實體所具備的自然規則,即對海圖上表示的、無論是具體存在還是規定存在的海事實體,它們所應具備的一般性規律。舉例來說,橋梁符號只能位于河流上,點狀要素的注記僅應該存在于以點狀要素為圓心的一系列同心圓上。

4 兼顧制圖規范和實體規則質量檢測規則庫的建立

建立質量檢測規則庫,主要是基于制圖規范及實體規則的分析研究基礎上,針對要素的有無、要素自身的表示、要素之間的關系等檢測內容,形成一套海圖質量檢檢測的知識,并將其轉化為計算機的動作,實現數字化檢測代替或輔助作業員檢測。

基于上述研究分析,將質量檢測規則庫進一步細分為信息庫和規則庫。

4.1 信息庫建立

信息庫主要描述各種海圖要素、要素制圖規范、實體規則、檢測結果等對象信息,重點考慮海圖要素圖面表達方面常出現的錯誤。某一特定海圖要素和其實體規則、制圖規范甚至檢測結果之間的對應關系通過外鍵進行關聯。信息庫以表格形式將其存儲在數據庫里,各字段表示該知識的屬性。以等深線信息庫表格設計為例,如表1所示。

4.2 規則庫建立

規則庫則描述如何通過已知的圖上要素推出質量檢測結果。規則庫的設計主要考慮海圖要素屬性、分布、拓撲關系、邏輯一致性等方面的錯誤。例如對于一條河流,信息庫記錄構成河流的國標碼,控制點坐標串以及河流線型和顏色;規則庫則需要建立它與相關其他要素的拓撲和其余各方面關系,如跨過此條河流的某座等級較高的橋梁,它們兩者的中心線就必須重合或平行,若不平行或橋梁完全不在河流上,就可能發生了錯誤。因此,建立規則庫需要增加某些為檢測錯誤必須的條件性字段,首先將這些規則以一定形式存儲/更新/維護,再定義由規則推導質量檢測結論的方法。

表1 信息庫中等深線制圖規范組成信息表各字段設計

規則的描述最終是以規則庫中一條條物理記錄來實現的,一條規則有時需要用多條記錄來描述,規則越復雜,相應的記錄就越多。以等深線質量檢測結論“等深線勾繪錯誤”為例來說明,如表2所示。

表2 推導質量檢測結論“等深線勾繪錯誤”的規則

有3種方法可以推出結論“等深線勾繪錯誤”。

第一種方法 根據《中國航海圖編繪規范》在大于1∶100萬比例尺圖上未表示基本等深線20 m等深線;

第二種方法 等深線本身水深值與等深線兩側buffer覆蓋的水深值相比較,不是處于二者之間;

這種方法是兩個并列規則,即等深線左側buffer覆蓋下的水深值和右側buffer覆蓋下的水深值與等深線本身水深值比較,一側的所有水深值應小于等深線水深值,一側所有水深值應大于等深線水深值,兩個條件中有一個不滿足,就說明等深線勾繪錯誤。

第三種方法 等深線未閉合(等深線首尾坐標的位置不一致)且與相鄰等深線的距離不小于1 mm。這種方法也是兩個并列規則,與第二種方法不同的是,它必須兩個條件都滿足。即等深線首先必須是未閉合的,其次等深線斷開處的點與其相鄰等深線的距離大于1 mm,兩個條件同時成立。

5 結 論

本文分大類深入剖析了數字海圖要素的屬性、圖式、實體規律、變化特征等各個方面,并依要素變化特征將海圖要素分為變化緩慢的、變化頻繁但有規律可循的、變化頻繁且無規律可循的三類,同時考慮海圖要素自身規律和要素相互之間的關系,為利用規則庫檢測不同類別要素的質量打下基礎。同時提出了基于制圖規范和實體規則的質量檢測規則庫的建立方法。

[1] 孫萬民,孫群,肖強.海圖出版質量控制技術途徑分析[J].海洋測繪,2002,22(4).

[2] 李靜,孫萬民.數字海圖生產技術體系與質量控制過程分析[J].海洋測繪,2007,27(1).

[3] 王文山.淺談海圖質量管理的創新[A].中國測繪學會第十五屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集[C].2003.

[4] 李漢榮,甄洪排,于金星.海洋測繪數字海圖成果的質量控制[A].中國測繪學會第十六屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集[C].2004.

[5] GB 12319-1998.中國海圖圖式[S].

[6] GB 12320-1998.中國航海圖編繪規范[S].

[7] 李樹軍.“數字海圖質量檢測與評估系統”設計方法探討[J].海洋測繪,2001(3).

[8] 孫萬民,凌勇,孫群.減少由數據庫生成紙海圖的冗余環節[J].海洋測繪,2001(3).

[9] 孫萬民,孫群,張保明,申家雙等.海圖出版質量檢測系統的設計與實現[J].海洋測繪,2004,24(3).

[10] 劉振全,王文山.地理信息系統數據質量及其控制的初步研究[A].中國測繪學會第十七屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集[C].2005

[11] 孫萬民,元勝建.實現MicroStation環境下的海圖生產數據質量控制[A].中國測繪學會第十六屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集[C].2004.

[12] 李曉明.基于標準庫的數字海圖質量檢測方法研究[D].武漢:武漢大學,2007.

Research on the Methods of Quality Inspection for Published Charts Based on Cartographic Specifications and Entity Rules

Li Xuefang,Jing Changfeng
(Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)

Aiming at the production of paper charts in digital environment,a new quality inspection method based on cartographic specifications and entity rules is put forward in this paper.maritime features are classified into three categories according to their changing features:low changing speed,fast changing speed with regulations,fast changing speed without regulations.At the same time,rules of each feature and its relationships with some other features are analyzed,to discuss how to establish quality inspection rule base,paper chart’s quality inspection and control has carried on the beneficial exploration.

digital nautical charts;quality inspection;rule database;cartographic specification;entity rule;knowledge representation

2014—03—12

李學芳(1982—),女,碩士研究生,主要從事多源空間數據整理、質量檢查研究。

“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAJ14B03);北京市自然科學基金資助項目(8122017)。