結合知識和模型的專題圖一體化編制方法

梁 磊,周 啟,任東宇

(國家測繪地理信息局第三地理信息制圖院,四川 成都 610100)

測繪地理信息的社會化應用是當前測繪地理信息行業的工作重點，專題圖作為反映一個地區自然或社會經濟、人文要素的地圖[1]，是測繪地理信息社會化應用的重要組成部分。傳統專題地圖編制主要存在以下問題:①地圖編制要求作業人員具備扎實的專業知識，根據不同用途對地圖進行符號設計、色彩設計、整飾設計、版式設計等相關地圖設計；②編制地圖需要收集大量不同的空間數據與專題統計數據，同時需要進行大量數據處理工作；③專題地圖產品階段采用出版軟件完成地圖編輯與處理，出版軟件不具有地理信息坐標基礎，導致地理信息空間數據與地圖表達割裂，造成后期數據維護更新困難[2]。

目前國內外專題地圖編制相關技術研究較多，如注記自動配置技術[3-5]、基于特定模版的專題地圖快速制作技術[6]、專題地圖統計圖表自動化設計[7]、地圖要素自動選取[8]等，但這些技術研究相對零散，只涉及地圖生產的某一環節，地圖編制過程中的大量工作需要人工完成。為此，本文通過對專題統計數據與地理因子的自動匹配技術、地圖設計專家知識模型庫構建技術與專題統計圖表一體化設計技術等關鍵技術開展研究，形成一套完備的專題地圖一體化編制技術體系，并研發專題地圖一體化編制軟件，為相關專題圖件產品的生產編制提供技術支撐，提升專題制圖的效率，降低生產成本，提升地理信息保障服務能力和水平。

1 知識規則庫

知識庫屬于知識工程的范疇，表現為可以存儲于計算機中的結構化、組織化的互相聯系的知識集群，本文將地圖設計流程結構化與模型化，用信息化的語言描述地圖設計和制作的各個過程，并構建地圖編制流程專家知識庫，實現地圖編制過程的向導化與智能化[9]。本文構建的地圖專家知識庫內容包括制圖數據庫、符號色彩庫、整飾知識庫、注記知識庫和地圖模板庫5部分。

1.1 制圖數據庫

地圖制圖綜合是地圖編制過程中的重要環節，自動綜合技術仍是世界難題，基于大比例尺制圖數據直接生成各個尺度的地理底圖數據工作量大，難以實現[10]。

本文通過構建多尺度的制圖數據庫，一方面解決了傳統地理空間數據管理分散的問題，方便制圖數據快速獲取及管理；另一方面通過建立面向居民地、水系、路網、地形地貌等主要制圖要素自動選取模型與表達規則體系，以數據預處理的方式形成批量式的制圖數據多尺度制圖數據，解決了地理底圖制圖綜合的問題，如圖1所示。

圖1 多尺度數據庫構建

多尺度制圖數據庫建庫包括1∶5萬、1∶10萬、1∶25萬、1∶50萬、1∶100萬等基礎比例尺，而專題制圖往往需要結合制圖區域范圍、特點及生產需求選擇制圖數據比例尺，如1∶2.5萬、1∶10萬等[11]。本文構建制圖比例尺知識庫即出圖比例尺范圍與制圖基本比例尺的對照關系(見表1)，結合專題圖出圖比例尺，動態地從多尺度數據庫中快速地獲取底圖數據。

1.2 符號色彩知識庫

地圖符號是地圖的語言，是表達空間數據的基本手段，是可視化表達地理信息內容的基礎工具[12]，本文通過總結制圖經驗和人的視覺感受，構建了一套符號色彩知識庫。地圖底圖符號根據不同比例尺的圖式規范要求，分別對水系、交通、居民地、境界要素進行符號樣式設計。采用冷色、暖色、常規3種色系對地理要素進行符號色彩設計，如圖2所示。

表1 制圖比例尺知識庫

圖2 符號色彩設計

專題符號色彩包括為底圖做質地渲染的分級色彩和為專題圖表譜色的單級色彩。單級色彩用于專題統計圖中區別不同類別的專題要素。

分級色彩規則設計了不同分級數量的分級方案，用于表達數據不同的分布特征，根據制圖經驗，分級色系主要包括黃色色系、藍色色系、綠色色系、紫色色系、青色色系5大色系，分級顏色規則數據庫存儲色系的分級色系的起始顏色CMYK值和分級類別。

1.3 地圖整飾知識庫

地圖整飾知識庫在專題地圖輸出階段根據制圖經驗對專題圖指北針、圖例、比例尺、地圖花邊等整飾要素進行總結歸納，將整飾要素以制圖表達的方式制作并存儲于點要素類中，即整飾要素在空間數據庫中以點要素存在，在地圖上以相應的圖形符號表現地圖花邊等要素，見表2。

表2 地圖整飾知識庫(部分)

1.4 注記知識庫

地圖的注記作為地圖語言之一，是影響地圖可讀性、增進地圖使用價值的一個重要因素，注記生成的自動化程度及注記質量直接影響地圖編制效率和地圖產品質量。地圖注記配置過程是一種智能行為,在遵守制圖規范的基礎上,根據要標注的地物要素的實體特征和重要性級等確定地圖注記的樣式與布局[5]。根據不同的地理要素類注記生成的樣式和布局(如注記大小、顏色、字體、位置等信息)，構建注記配置知識庫，并以規則化的語言存儲到知識庫，見表3。

表3 注記規則知識庫(部分)

同時注記生成過程中，需要考慮不同要素的重要程度，動態調整注記壓蓋的優先順序，因此需要將不同要素的重要程序信息存儲形成注記避讓規則庫，見表4。

1.5 地圖模板

地圖制圖模板預先設計是加快專題底圖制圖過程的有效手段。結合專題制圖可視化表達特點，設計相關的圖件符號庫；針對不同類型的專題圖內容組織形式，包括數據圖層、表達比例尺、圖層組織順序、圖面整飾等，構建相應的地圖制圖模板，形成專題制圖模板庫[13]。實際應用中，依據制圖的區域、比例尺、可視化風格等特點，直接匹配調用相應的地圖模板，即可快速完成圖件數據導入的準備工作。本文根據不同尺度度、不同風格分別制定了相應的模板。

表4 注記避讓規則知識庫(部分)

2 基于知識規則庫的制圖模型

2.1 地理底圖制圖模型

地理數據主要存儲幾何定位與屬性信息，不涉及可視化時的符號信息。常規的地圖制圖軟件建立在地理信息分類的基礎上，采用分類信息將地理數據與表達符號關聯，在制圖綜合過程中，當位置沖突需要移動要素時，只能改變原有要素的幾何位置，導致制圖信息與地理信息不完整，無法實現高質量的符號可視化表達[2]。本文基于制圖表達技術構建了圖庫一體化的制圖數據模型，即在不改變地理數據信息的原則下，將符號圖形信息捆綁形成面向制圖表達的數據結構與模型，實現數據的快速成圖與高質量表達。制圖表達方式的制圖模型是在制圖數據上建立規則字段，用于存儲制圖表達規則，利用GIS的覆蓋功能實現地圖制圖的完整性和自由性。對于位置沖突，將制圖表達轉換為自由式表達，實現對單個要素的覆蓋，而不改變要素的地理幾何信息，從而實現基于單個要素地理要素的制圖表達，可形式化描述為

RGISCR=DB[GIS]+DB[sysmolizeInfo]+DB[Rule]

式中，RGISCR表示制圖表達；DB[GIS]表示地理空間數據庫；DB[sysmolizeInfo]表示地圖符號；DB[Rule]表示地圖表達規則。

在此基礎上，以一個地理數據庫和一個符號系統為輸入，通過自動符號化、沖突探測、地圖綜合等操作實現地理要素與符號表達間的關聯和綁定(如圖3所示)，根據地圖制圖規則、數據更新要求，設計數據分層編碼、屬性表結構、元數據、制圖表達等相關標準，構建制圖數據一體化存儲管理模型。

圖3 制圖要素一體化表達模型

2.2 專題圖表制圖模型

傳統的專題圖表采用出版軟件制作，出版軟件不具有地理信息坐標基礎，導致地理信息空間數據與地圖表達割裂，破壞了地理信息數據完整性。地理信息數據在地圖制圖過程中發揮的作用日漸明顯，地圖與地理信息系統合二為一已經成為當前的發展趨勢和技術主流，本文通過基于制圖表達的圖庫一體化的制圖數據模型[14]動態地將專題圖表的符號信息捆綁形成面向制圖表達的數據結構與模型存儲于點要素類中，實現專題數據的快速成圖與高質量表達。為了在一個點要素類中表現不同的專題圖表(如餅圖、條形圖、柱狀圖、統計表格等)，本文采用自由式表達方式，實現對點要素的制圖信息覆蓋，而不改變要素的地理幾何信息，從而實現基于要素類表現不同專題要素信息。專題圖制作原理如下：

(1) 讀取經過標準化處理后專題信息，在專題圖表要素類中創建點要素，存儲專題圖表的地理位置，并將專題圖表的大小、顏色、比例等信息以字符串方式存儲在點要素的屬性字段中。

(2) 對點要素創建制圖表達點符號圖層，根據專題圖表符號樣式信息繪制組成的圖元(線圖元、面圖元、文字圖元)。

(3) 將點要素制圖規則類設置為自由式制圖表達的規則。

3 專題圖編制流程分析

制圖數據庫是在地理數據庫的基礎上用于專題制圖的地圖數據庫，即在地理信息數據的基礎上增加不同專題制圖符號信息，同時引入制圖綜合選取規則、符號圖形沖突處理模型形成多尺度表達模型[15]，并結合多種圖件類型提供多套符號及制圖模板體系。制圖數據庫的生成是實現專題圖件快速制作的關鍵步驟，基于制圖數據庫可制作不同類型的圖件[16]，專題圖編制流程如圖4所示。首先根據專題圖出圖范圍、比例尺等，從制圖數據庫中獲取數據，然后依據制圖模板進行符號設計、圖面編輯、圖廓整飾設計、板式設計，專題圖設計等，完成后檢查人員進行地圖沖突檢查，圖面有問題的需人工交互修改至沒有錯誤，最后完成專題地圖編制。

圖4 專題圖編輯流程

4 試驗與討論

為檢驗本文方法的有效性，以ArcGIS 10.1為GIS平臺，采用VS2010+.NET開發專題圖編制系統，進行試驗樣圖編制。圖5為利用專題圖知識庫和制圖模型方法在系統中制作的四川省產業規模專題圖，底圖地理數據的編輯和專題統計圖表制作均在軟件平臺中完成，其中專題統計圖表存儲于地理信息數據的點圖層中，采用自由式制圖表達展示專題圖表符號，并且系統可對圖表進行編輯，從而保證空間數據與地圖表達完整性，滿足了專題地圖制圖規范要求。

5 結 語

傳統的專題圖編制，地理底圖處理階段在GIS軟件完成地圖編輯，專題地圖產品階段采用出版軟件完成地圖編輯與處理，但是出版軟件不具有地理信息坐標基礎，導致地理信息空間數據與地圖表達割裂，破壞了空間數據與專題圖表數據的完整性。本文通過研究地圖編制流程，將地圖設計流程結構化與模型化，用信息化的語言描述地圖設計和制作的各個過程，并構建地圖編制流程專家知識庫、制圖知識庫和制圖模型，實現了專題圖表符號制作和地理信息底圖數據處理的平臺統一。本文方法能夠有效保證輸出的專題地圖在滿足傳統地圖編輯審美要求的同時又保證地理信息數據的完整性，減少繁瑣的人工編輯，提高制圖效率，是未來地圖制圖工作的一個重要發展方向。

圖5 四川省產業規模專題圖