城市電子地圖多尺度自動縮編方法

尹向軍，王芙蓉，印 潔，諸敏秋，王樹魁

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

隨著智慧城市、地理信息公共服務及地理國情數據等政務信息逐步公開，作為各類政務信息發布基礎的城市電子地圖在多尺度展現時，只能通過關閉、選取要素來實現，這種未進行制圖綜合的做法導致要素在逐級放大過程中，會出現跳躍性丟失和細節破碎的現象，既不符合地圖表達要求也難以滿足用戶視覺體驗。本文提出了一源數據多尺度自動縮編的技術方法，構建了最優化的“統一源頭、一致派生、無級表達”技術體系，實現了城市電子地圖聯動更新和多尺度展現，節省了大量人力和物力，為最大限度地發揮測繪地理信息集成與服務能力提供保障。

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受制于數據源的分級測繪，不同級別地圖展示采用不同比例尺數據源,由于這些數據源在現勢性和產品質量規格上的不一致,無法實現多級電子地圖聯動更新和地圖漸近表達。在城市級電子地圖建設過程中，雖然掌握了豐富的大比例尺基礎地理信息數據，但要實現地圖多級表達，傳統做法只能通過關閉圖層，這種未做地圖縮編的做法通常會導致要素在逐級放大過程中，出現跳躍性丟失或細節破碎的現象，無法形成科學的地圖表達。相對于傳統人工縮編，自動縮編通過最優化的“統一源頭、一致派生、無級表達”技術體系，是目前解決多尺度數據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動更新和多尺度發布的需求，梳理縮編知識形式化表達規則，以及多級數據在數據模型、要素語義與地圖表達等方面的關聯、制約與轉換關系，提出雙模型解譯方法，通過數據結構化記錄要素主體與領域的相互評價關系，構建面向城市電子地圖自動縮編的技術體系，并實現基于一源尺度到多尺度電子地圖數據自動縮編，有效保證多尺度地圖的聯動更新和漸近式表達。

1 總體設計思路

國內外在自動綜合技術方面的發展遵循了一個由簡單到復雜、由局部到整體、由數字化到智能化的客觀發展過程。在傳統地圖制圖時代，實現了制圖綜合從主觀過程到客觀過程制圖方法的轉變；在數字化地圖制圖時代，實現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了許多現代應用數學方法，成效顯著；在信息化地圖制圖時代，主要是在原有模型、算法和知識基礎上開展協同式自動制圖綜合研究[1]。

本文針對電子地圖逐級表達要求,設計了一套電子地圖的自動縮編技術流程，如圖1所示,通過將制圖專家的知識和經驗進行知識形式化處理，形成相應的知識算子，再根據相關標準規范及實際數據的情況，對數據要素級、層級關系進行決策推理，形成智能化的知識庫，再經過反復學習訓練，直至實現數據自動綜合。

圖1 總計設計思路

2 自動縮編關鍵技術

2.1 縮編知識形式化表達

縮編技術指標梳理需要在現有標準規范基礎上，結合數據實際情況及自動綜合技術能力，突破傳統人工知識經驗積累，轉向計算機可執行的形式化表達與解譯，解譯需要分析幾何、拓撲、上下文、屬性等各種關系，而形式化表達是將實施綜合的條件與執行綜合的行為連接起來，回答“何時”“何處”對“何物”執行“何操作”的問題，最終通過對接軟件執行。

以居民地縮編指標為例,居民地綜合總原則是要正確表示居民地的位置、輪廓圖形、基本結構、通行情況，居民地的行政意義、名稱和人口數，要正確反映居民地的類型、分布特點及與其他要素的關系。居民地的選取要保證詳細性和清晰性的統一，能反映不同地區居民地密度對比，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)居民地縮編指標制定為例，見表1。

表1 居民地綜合指標

2.2 雙模型

現有地圖自動化程度普遍不理想，究其本質原因，是將數據綜合和圖形綜合一并考慮，縮編過程中需要統籌考慮的因素太多，無形中加大了地圖編繪的復雜性。本文提出了雙模型的解決方法，如圖2所示，雙模型是指將數據模型和制圖模型分離并存，實現了地圖符號獨立于制圖平臺，作為地圖符號的圖形數據既可以與地理數據整合在一起生成地圖表達數據，又可以隨時把符號數據和地理數據分開，便于各種綜合算法先關注數據本身的空間特征與空間關系，再進行多約束一體化融合。雙模型內置實體全局關系、結構化關系及鄰近度關系，通過語義與空間特征參數支撐數據連續、多尺度處理與表達。

圖2 雙模型的分離與并存

2.3 數據結構化

數據結構化是對數據進行全局性評價，即查明并建立數據之間的分布規律與結構關系，如圖3所示。對不同類型的地理數據采用不同的結構化方法和結構化表示手段，同時也要顧及區域特征的不同處理方法。本文從特征優化的角度，提出數據區分主體、附屬及影響范圍，采用結構化補償方式，實現從鄰域上分析各個物體相對重要性的手段，從而使得在全局結構中處于同一級別的各個物體獲得一個新的補充性的評價依據。

圖3 數據結構化示意圖

2.4 縮編流程統一

自動縮編流程以實際多類型數據使用需求為導向、知識規則為基底，提出滿足原始數據—標準規范化—實體關系識別—多約束融合，實現智能綜合。其中的實體關系識別要考慮實體的修復與關系識別，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。本文對現有綜合算子進行細顆粒度區分與分類，細分出97大類，1086亞類的算子，通過科學梳理及有機組合，確保綜合知識的有效表達。

以多邊形化簡算法為例(見表2),當比例尺發生變化時，優化增加了“是否移除化簡后小于閾值的環”“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 mm

3 縮編平臺設計

3.1 平臺架構

平臺總體架構以WJ-III軟件為依托， 自下而上包括4個層次，基礎設施層是平臺穩定高效運行的支撐與保障。數據層進行數據的獲取、轉換、存儲等操作。平臺層是核心內容，從圖4可以看出，核心基礎算法可分為原子級、數據級、地圖級，為對外表現的模塊集成提供了多種顆粒度的算法封裝，這樣三者結合，就實現了從數據獲取、處理、管理、分析和表達的GIS功能全覆蓋。應用層是基于平臺層提供的功能模塊的基礎上，完成各類數據的自動縮編。

3.2 功能模塊

基于數據導入、處理、顯示、符號化、出圖等流程化處理，實現數據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系協調。其中，知識庫涵蓋綜合算子的選取、軟件的過程控制模塊、決定算法的執行和參量的控制，其元素包括但不限于數據處理對象的要素類別、屬性標識、幾何算法、控制指標、指標的適用上限和適用下限。符號庫區分為點、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 數據縮編建設

基于無級縮編平臺對南京市電子地圖進行了自動縮編建設，數據范圍覆蓋全市域，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，包括前期準備、數據綜合、后期調試3個階段。

4.1 分析準備

縮編處理前需全面了解當前任務數據相關標準規范、有關資料，以及現階段比較成熟的技術、方法等，充分核查源數據的質量，檢查數據的完整性、一致性等，對數據進行分析，包括對坐標系統、數據格式、空間數據組織、屬性結構等的分析，并整合出縮編所需數據。

4.2 數據預處理

對一些不符合綜合要求的數據進行人機交互編輯，對有規律可循的數據利用南京市測繪地理信息無級縮編平臺進行數據編輯；對沒有規律的數據進行人工編輯，使其在自動綜合處理前保持數據規范性。繼而再對處理好的數據進行要素歸屬劃分，做好自動綜合前的數據預處理工作。

4.3 制圖綜合

針對不同類型參照已有成熟的相關標準規范，制定其綜合原則。根據要素的權重，調整其綜合順序，使綜合更具邏輯性，同時梳理同層要素間或層級要素間的關系，使其符合數據實際需求，合情合理地表達數據之間的聯系，并將其中的聯系制定成相應綜合指標。最后將指標形成知識庫，使用平臺進行訓練，綜合成相應尺度數據。綜合時，要保證數據詳細性和清晰性的統一，能反映不同地區要素密度的對比，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律。

4.4 質量控制

數據質量控制是數據綜合工作的關鍵，采用總體概查結合軟件詳查方式，各個級別的數據進行質量檢查，檢查數據成果的數據集(層)定義規范、屬性項定義符合性，格式、數據、命名等規范性，拓撲一致性等。

4.5 縮編成果

基于自動縮編建設的南京11種尺度的電子地圖成果已廣泛在天地圖、警務GIS、智慧城管等多個平臺中應用，尤其在小比例尺級別下，地圖的漸近表達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

圖5 功能模塊

圖6 數據自動縮編流程

5 結 語

本文結合城市電子地圖建設面臨的實際問題，以南京為例, 實現了電子地圖基于一源數據多種尺度的自動縮編，通過對原數據處理和算法的提升，自動化水平達到80%以上。該技術顯著提升了城市電子地圖多尺度數據的一致性派生與全方位服務能力，領導了城市范圍電子地圖數據無級生產的根本性變革，對推動信息化測繪體系的構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研究。E-mail:9337981@qq.com