面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖研究

王 蕾，李永樹

(西南交通大學 地理信息工程中心， 四川 成都 610031)

面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖研究

王 蕾，李永樹

(西南交通大學 地理信息工程中心， 四川 成都 610031)

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求提供個性化的網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖服務(wù)。文中運用Web Servers和專家知識庫耦合技術(shù)研究面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖原理和方法，該方法將不同用戶的網(wǎng)絡(luò)地圖需求視為對地理空間信息一系列的啟發(fā)式再識別過程，提取出相應(yīng)的需求參數(shù)建立用戶興趣模型，并運用相關(guān)算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加載以及對地理實體的符號化表示。實踐表明，該系統(tǒng)實例可以改善互聯(lián)網(wǎng)上面向用戶需求的個性化網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖服務(wù)。

個性化；啟發(fā)式；面向需求；自動制圖

互聯(lián)網(wǎng)是快速獲取和傳播地理空間信息的媒介，它為世界各地成億的用戶提供大量的、可用的網(wǎng)絡(luò)制圖服務(wù)，例如Google Earth、YahooMaps、MapQuest等軟件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供的全球定位、搜索等制圖服務(wù)。然而，與傳統(tǒng)電子地圖專業(yè)化服務(wù)不同，互聯(lián)網(wǎng)用戶要求提供的是個性化網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)。所謂網(wǎng)絡(luò)地圖的個性化，就是要求網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的提供者盡可能地根據(jù)用戶的需求、偏好及其文化背景[1]，提取出用戶需求模型來進行空間數(shù)據(jù)處理及可視化。

國際上對網(wǎng)絡(luò)地圖制圖的研究可追溯到上世紀九十年代互聯(lián)網(wǎng)興起之初[1-5]，這些研究工作致力于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制圖的靈活化、自動化和模塊化。但總體而言，當前提供網(wǎng)絡(luò)地圖的最常用方法還是從特定服務(wù)器上檢索預(yù)處理數(shù)據(jù)，這些預(yù)處理數(shù)據(jù)均按特定比例尺和用途制作，往往不能滿足用戶的個性化需求。本文針對上述問題的存在，采用web服務(wù)與專家知識庫相耦合的模式來研究面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖的原理和方法，用以改善網(wǎng)絡(luò)地圖的個性化服務(wù)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)用戶從地圖的使用者到地圖創(chuàng)造者的轉(zhuǎn)變。

1 面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)地圖的個性化需求

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶對網(wǎng)絡(luò)地圖的需求千差萬別，不同領(lǐng)域、不同部門采用不同的空間數(shù)據(jù)格式、不同的數(shù)據(jù)建模方法，對地理空間的認知以及地理數(shù)據(jù)的組織有很大的差異[6]。

例如，對同樣的土地資源而言，國土資源部門需要詳細了解其行政區(qū)劃、土地類型、植被分布、地形、礦產(chǎn)資源等信息；而房地產(chǎn)開發(fā)商則更多關(guān)注商服繁華程度、交通條件、基本設(shè)施等與城市開發(fā)密切相關(guān)的信息；社會民眾則注意土地價格、土地等級、道路通達度等與生活相關(guān)的信息。

各種類型用戶對地理信息的需求有著很大差異，這導(dǎo)致對地理信息的表達從空間數(shù)據(jù)到屬性數(shù)據(jù)都有很大的不同。這種由于地理認知不同而造成的需求多樣性問題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)地圖的設(shè)計和應(yīng)用面臨兩大挑戰(zhàn)：

1)要滿足各類用戶千差萬別的需求，要求需求模型更加個性化；

2)為適應(yīng)不同行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)要求，高質(zhì)量的按需自動制圖要求更加專業(yè)化的知識；即個性化用圖和專業(yè)化制圖之間的矛盾。

為解決該矛盾，本文提出建立一個面向多用戶的需求模型，結(jié)合web服務(wù)技術(shù)與專家知識庫技術(shù)，將個性化網(wǎng)絡(luò)地圖的制圖過程視為用戶對所需地理信息的一個再認識過程，運用啟發(fā)式的方案提取用戶需要的地理空間信息和屬性信息，最大可能改善自動制圖服務(wù)的個性化，并且在該過程中不斷反饋充實知識庫，使得自動制圖服務(wù)越來越能自適應(yīng)各類用戶的需要。

1.2 啟發(fā)式地理信息獲取

自動制圖是一個主動的過程[7]，在這個過程中，用戶可以根據(jù)其喜好按照一定的標準應(yīng)用啟發(fā)式方案來生成自己所需要的地圖，啟發(fā)式的方案總結(jié)起來特點有：啟發(fā)式方案盡可能保留重要物體的重要特征；使得處理一個目標對象的過程縮短;可以縮短地圖加載時間，加快地圖生成。

啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖的工作原理是：對自動制圖領(lǐng)域有透徹了解和豐富知識的專家們，將他們的知識以某種方式輸入計算機，這稱作知識獲取[8]。獲取的知識被轉(zhuǎn)換成一系列的規(guī)則，存儲在專家知識庫中，用這些規(guī)則去識別或描述元數(shù)據(jù)庫中的實體。同時，用戶對元數(shù)據(jù)庫進行訪問，達到咨詢和調(diào)用的目的。期間，提取出來的用戶需求會被錄入元數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)化，將結(jié)果與專家知識庫中的知識相比對，如果發(fā)現(xiàn)有悖于知識的數(shù)據(jù)，便進行下一步的啟發(fā)式需求模型再提取，直到形成與知識庫中相一致的需求模型。完成之后，根據(jù)該需求模型進行自動制圖，并將制圖結(jié)果返回給用戶。與此同時，該需求模型又將形成新的知識，經(jīng)過一系列的規(guī)則轉(zhuǎn)化之后添加到專家知識庫中。這樣，用戶需求和專家知識庫之間便形成了一個相互促進、相互集成的環(huán)境，不斷地為各類用戶提供理想的制圖方案(見圖1)。

圖1 啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖原理

1.3 網(wǎng)絡(luò)地圖啟發(fā)式制圖過程

在確定用戶需求之后，建立需求模型的關(guān)鍵就在于確定與用戶需求相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)能夠使得用戶需求從自然語言轉(zhuǎn)換為制圖語言[9]。這是為用戶提供所需地圖的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下面向需求的啟發(fā)式自動制圖，本文向用戶提供了提取需求參數(shù)的平臺，并且設(shè)計了自動制圖的預(yù)處理過程(見圖2)。該過程中生成的需求模型連接著用戶需求和元數(shù)據(jù)庫、專家知識庫中的數(shù)據(jù)資源，使得自然語言轉(zhuǎn)化為制圖語言更加容易，并且能夠更加準確和清晰地獲取到相應(yīng)用戶的需求，實現(xiàn)改善自動制圖的個性化服務(wù)目標。

圖2 自動制圖預(yù)處理過程

本文在需求參數(shù)平臺的設(shè)計上主要考慮到2方面：①必要的個性化人機交互界面，使得非專業(yè)用戶更容易理解自動制圖；②生成的需求模型要能夠精確地反應(yīng)用戶對地理空間的認知，或是啟發(fā)后的再認知。

自動制圖預(yù)處理過程的步驟是：建立需求模型、加載數(shù)據(jù)、應(yīng)用符號化、計算目標比例尺。其中，運用啟發(fā)式的方案提取用戶參數(shù)是建立需求模型的基礎(chǔ)，同時參與需求模型建立的還有地圖參數(shù)、專家知識庫和元數(shù)據(jù)庫。完成上述4個步驟之后，系統(tǒng)會自動生成用戶所需地圖，并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶并顯示在客戶端顯示器上。

2 系統(tǒng)實例及應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)地圖啟發(fā)式方案設(shè)計

需求模型的建立是對地理現(xiàn)象的認知，也是對地理現(xiàn)象啟發(fā)式的再識別過程[10]。筆者在參加某省土地估價師協(xié)會網(wǎng)站的建設(shè)項目中，在基準地價模塊開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)國土資源部門、土地估價師協(xié)會內(nèi)部、房地產(chǎn)商、普通民眾對網(wǎng)絡(luò)基準地圖的地理信息需求大不一樣，即個性化用圖和專業(yè)化制圖之間的矛盾。因此，在本文研究的系統(tǒng)實例中，引用面向需求的啟發(fā)式方案，提取個性化的需求模型，盡可能滿足各類用戶對地理信息的需求。網(wǎng)絡(luò)地圖的啟發(fā)步驟設(shè)計如下：

步驟一：基本概念識別。

需求首先是概念的集合。基本概念的再認識是建立需求模型的基礎(chǔ)，這包括某一類用戶需求的基本概念識別和對同義詞的辨析。正如1.1中所述，對于同樣的土地資源來說，國土資源部門、房地產(chǎn)商和社會民眾之間的需求就大有不同。要準確地辨識這些需求，首先需要準確地識別基本概念和同義詞。相應(yīng)的，元數(shù)據(jù)庫中需要存儲的數(shù)據(jù)種類也很多，不同用戶的數(shù)據(jù)需求差異也較大。表1、表2中分別列出了在需求建模時，這3類用戶可能要用到的部分空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

表1 空間數(shù)據(jù)差異

表2 屬性數(shù)據(jù)差異

基本概念的識別在于完整性、準確性，并且要確保元數(shù)據(jù)庫及專家知識庫中含有相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的基本術(shù)語。

步驟二：關(guān)系識別。

提取需求模型是為了給自動制圖提供數(shù)據(jù)，在該過程中涉及到需求之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，而這些關(guān)系是需求模型所需信息的重要組成部分，即識別這些關(guān)系是啟發(fā)式再認識過程中不可或缺的步驟。

1)基本需求之間的關(guān)系。在同一類用戶的需求中，需要考慮組分關(guān)系：行政區(qū)劃與土地類型的關(guān)系、行政區(qū)劃與礦產(chǎn)資源的關(guān)系、土地類型與礦產(chǎn)資源的關(guān)系；在不同類型用戶下，需要考慮土地類型、土地價格、土地等級等土地屬性之間的關(guān)系。另外，還需要考慮基本術(shù)語之間的關(guān)系，同義詞之間的關(guān)系。

2)各類需求及其屬性之間主體與子體的關(guān)系、不同主體之間子體的關(guān)系。如表1中，國土資源部門與區(qū)域邊線、商業(yè)/工業(yè)用地等之間的主體與子體之間的關(guān)系。如表2中，商業(yè)/工業(yè)用地與土地/房屋/宗地價格等子體之間的關(guān)系。

3)新的知識和專家知識庫中知識的拓撲關(guān)系，專家知識庫中知識之間的拓撲關(guān)系。其中，當新的知識加入到專家知識庫中時，不能改變原有知識之間的拓撲關(guān)系[11]。

步驟三：約束條件再識別。

主要約束條件有：用戶約束(需求、偏好、語義、對空間的推理認知)，技術(shù)約束(數(shù)據(jù)傳輸速率、可視化媒介的特性)，空間數(shù)據(jù)約束(數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)可用性、數(shù)據(jù)檢索)，空間處理約束(空間自動制圖、對象易讀性、對象疊加)[12]。

步驟四：符號化。

建立某一類用戶所需的需求模型的最終目的是生成用戶所需地圖，而將用戶感興趣的目標物體符號化則是自動制圖可視化的最終表達。如表1、表2中，按國家《地理信息圖示表達》、《公共地理信息通用地圖符號》等國家標準規(guī)范，將社會民眾需求的空間數(shù)據(jù)(路線長度、住宅邊線、公交站點/道路定位)和屬性數(shù)據(jù)(土地/房屋/宗地價、土地級別、公交站點)進行符號化。經(jīng)符號化后的地物及其屬性，才能為用戶所識別。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用實例

如前例所述，用戶對同樣土地資源的特定需求——覆蓋面積、土地級別、土地價格等都反映了元數(shù)據(jù)庫和專家知識庫中對知識的需求， 用戶需求的特征和用戶的偏好、文化背景等共同決定了地圖配置類型。針對政府部門、企業(yè)單位、一般公眾等不同類型的用戶，以同樣土地資源的土地價格需求為例，本文研究并設(shè)計了基于B/S的啟發(fā)式按需自動制圖系統(tǒng)實例，現(xiàn)將成果展現(xiàn)如圖3、圖4所示。其中，圖3為個性化的人機交互界面，通過該平臺，可以提取出面向用戶需求的參數(shù)，用于下一步的需求建模工作；圖4為基于web服務(wù)的客戶端應(yīng)用程序自動制圖成果，圖4(a)展現(xiàn)了政府部門對基準地價需求的最終制圖成果，圖4(b)展現(xiàn)了一般公眾對基準地價需求的最終制圖成果。

圖3 用戶需求參數(shù)提取界面

(a)客戶端(公眾)自動制圖成果

(b)客戶端(政府部門)自動制圖成果

3 結(jié) 論

本文研究了面向需求的啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)地圖自動制圖問題。實踐表明：通過該系統(tǒng)實例提取的用戶興趣模型，可以輸入用戶個性化需求參數(shù)，并運用啟發(fā)式方案對所需的地理信息進行識別與再識別，以此來獲取所需網(wǎng)絡(luò)地圖。該方案為解決專業(yè)化制圖與個性化用圖之間的矛盾探索了一條有效的途徑。

[1]Theodor Foerstera, Jantien Stotera, Peter van Oosterom. On-demand base maps on the web generalized according to user profiles[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2012:99-121.

[2]Oosterom，P. van，The GAP-tree，an approach to “On-the-Fly” Map Generalization of an Area Partitioning. Den Haag: TNO Physics and Electronics Laboratory，1993. (http://www.gdmc.nl/ oosterom/gap.ps).

[3]Spain Bernier，E.，and Y. Be’dard. 2007. “A Data Warehouse Strategy for On-Demand Multi-scale Mapping.” In Generalization of Geographic Information: Cartographic Modeling and Application，ed[C]. W. Mackaness，A. Ruas，and L.T. Sarjakoski. Kidlington，UK: Elsevier. 177-98.

[4]王卓苧，武芳，王輝連，等．網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地圖自動綜合框架模型研究[J]．測繪科學，2006,31(5):45-47．

[5]艾廷華．網(wǎng)絡(luò)地圖漸進式傳輸中的粒度控制與順序控制[J]．中國圖像圖形學報,2009(6):999-1006．

[6]楊駿,李永樹,蔡國林.面向本體的啟發(fā)式空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計研究[J].計算機應(yīng)用研究,2007(5):24-26.

[7]沈捷.移動環(huán)境地圖自動綜合系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].地球信息科學學報,2011(5):623-628.

[8]曹文君,么寶剛,何永保.面向?qū)ο笾R庫及其在綜合地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].復(fù)旦學報:自然科學版,1992,6(2):184-192.

[9]劉娜.GSI環(huán)境下城市居民地制圖綜合研究[D].成都:西南交通大學,2006.

[10]黃文敏.基于ComGIS的城市土地定級估價信息系統(tǒng)的研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[11]楊必勝,李必軍.空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)漸進傳輸?shù)母拍睢㈥P(guān)鍵技術(shù)與研究進展[J]．中國圖像圖形學報,2009(6):1018-1023．

[12]王卓苧.基于Web服務(wù)的按需網(wǎng)絡(luò)綜合的研究[D].鄭州:信息工程大學,2006.

[責任編輯：張德福]

Researchofwebmapinautomaticmappingofheuristicsbasedondemand-oriented

WANG lei, LI Yong-shu

(GIS Engineering Center,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Due to the development of Internet, it requires personalized services of web map in automatic mapping. The principle and method of web map in automatic mapping of heuristics are presented based on demand-oriented by using the coupling technology of Web Servers and expert knowledge base, which method regards the requirement of web map of different users as a series of heuristic re-recognition process of geospatial information, by extracting some relative requirement parameters to build the model for users and applying relative algorithms to achieving data loading and symbol representation of geographic entity. The practice shows that this system can improve personalization of web map in automatic mapping for the requirement of Internet users.

personalization; heuristics; demand-oriented; automatic mapping

2012-06-07

高等學校博士學科點專項科研基金資助課題(20100184110019)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(SWJTU09ZT01)；中國博士后科學基金面上項目(2011M501412)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費科技創(chuàng)新項目(A0920502051208-16)；2010年度四川大學博士后專項基金特別資助項目

王 蕾(1988-)，女，碩士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2013)04-0031-04