本體驅動下的地圖符號共享方法研究

周海霞，霍 亮,2,3，朱 杰，胡 嘯，樊龍飛

(1. 北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616； 2. 現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 102616; 3. 北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 102616；4. 國家基礎地理信息中心，北京 100830)

地圖符號是一種空間信息表達的重要形式和手段，地圖符號共享是地理信息共享的重要組成部分。各GIS軟件地圖符號的符號格式、繪制策略和軟件接口等各不相同[1]，導致ArcGIS、SuperMap等GIS軟件地圖符號難以實現跨平臺操作。過去對地圖符號共享主要集中在符號視覺變量、符號構造描述模型等方面，體現的是地圖符號圖形方面的共享，而忽略了地圖符號語義信息的共享[2-3]。

目前，已有學者研究了數據格式轉換、符號格式轉換、TrueType字體和符號對應表等符號共享技術[4-6]。然而，這些共享技術都存在著一定的局限性，只是從單個角度解決了某個方面的共享問題，難以實現網絡環境下地圖符號的集成和互操作。

針對上述問題，本文進行本體驅動下地圖符號共享方法的研究，建立基于SOA的地圖符號共享框架結構，為地圖符號實現網絡化的集成、共享提供新的技術途徑。本文引入本體和網絡服務[7-8]，引入本體的意義在于構造符號本體，解決“同源異構”符號語義信息不一致問題，引入Web服務技術構建符號共享框架，實現符號跨平臺的互操作。將本體和網絡服務結合起來得到網絡地圖服務，可實現語義層面下的地圖符號數據獲取與表達，使地圖符號的互操作更加統一和便捷，實現網絡環境下跨平臺、跨系統的地圖符號共享。

1 現有地圖符號模型比較分析

地圖符號模型的設計和研發是GIS中空間信息表達的基礎[9]，不同GIS公司針對不同的目的和結構開發了不同的地圖符號格式(如ArcGIS、AutoCAD、SuperMap、CorelDraw中的專有地圖符號格式)。此外，在網絡映射領域可以應用可伸縮矢量圖形(SVG)和SLD/SE來構建地圖符號。除這些格式外，TrueType字體是用于組織點符號的常用方式，并且廣泛用于商業和開源地圖/GIS工具(如ArcGIS和MapServer)。地圖符號的構建遵循Bertin提出的視覺變量理論。但是，這些格式具有自己的專有概念設計，用數據模型和數據結構來描述視覺變量，見表1。

表1 地圖符號格式示例

目前主流的GIS軟件平臺都使用內置的地圖符號系統來對圖層要素進行符號化，導致各GIS軟件符號系統相對獨立和封閉；TrueType字體僅支持點符號的設計，其只能存儲地圖符號的語法信息，對符號語義信息的描述并不支持，不利于用戶對符號的解譯；SLD/SE規范支持的圖元較少，難以定義復雜的地圖符號；由于復雜模型模塊化和層次結構較差，SVG在描述其模型時，不利于模型語義表達、檢索和程序的可讀性，并且SVG符號難以集成到現有的GIS軟件平臺中。

2 本體驅動下的地圖符號模型研究

2.1 地圖符號概念本體模型

本文將本體概念引用到地圖符號[10]，為地圖符號共享、語義互操作等提供新方向。通過本體構建地圖符號概念模型，以概念層面統一地圖符號，包含地圖符號的組合規則、屬性、類型及語義等，實現地圖符號的統一描述表達。用戶通過該描述可以清楚地了解符號的各種語義信息，同時還包括地圖符號的數據結構組織及其繪制策略。符號本體就是一種以解決地圖符號共享為目的的概念本體[11]，主要表達的是符號實體語義概念和符號本身屬性規則。符號本體的描述利用OWL(Web ontology language)語言[12]。OWL語言繼承XML的語言格式，具有多種本體表示語言的開放性和交互性，通過類和屬性的形式描述地圖符號，能夠清晰明確地表達符號的語義及其相互關系。地圖符號涵蓋4大要素：〈Point SymbolDB〉、〈LineSymbolDB〉、〈AreaSymbolDB〉、〈Rule〉，圖1對其類、屬性及它們的關系進行了結構化表達。

本文對地圖符號進行分析抽象，進而建立符號本體模型[13]，實質是用形式化的語言描述其概念定義、屬性結構、關聯關系的過程。通過對地圖圖形分解，地圖符號由點、線和面符號組成，基本幾何圖元構成地圖符號的基本幾何圖形單位。建立完整的、語義一致的地圖符號數據模型，保證對地圖符號理解的一致性，是建立通用地圖符號庫的核心。為了保障地圖符號庫的一致性和地圖符號庫的共享性，本文設計了包含符號語義信息、符號圖形特征和符號規則關系的符號本體模型，SO=〈SE,ST,SP,SRU,SRL〉，如圖2所示，主要包括符號要素模型、符號類型模型、符號圖元模型，符號規則模型和符號關系模型。基于符號本體描述，在語義層次上實現關于信息的共享和互操作。

2.2 符號本體幾何圖元數據模型

地圖符號數據模型本質上可以看作是一系列幾何圖元按照一定規則的配置和組合，幾何圖元數據模型包含地圖符號的圖形信息和語義信息，使得符號更易于識別和解譯，增強了地圖符號的互操作性。經過分析ArcGIS、SuperMap等成熟GIS平臺的內置地圖符號模型及基本圖元構成規律，本文設計地圖符號的基本幾何圖元數據模型，將幾何圖元分為折線類、圓弧類、曲線類及文本。

本文以點符號為例，地圖符號的組成采用文獻[14]提出的符號構成規則，由以下兩個部分組成

〈地圖符號〉=〈符號表達規則〉〈幾何圖元〉

符號表達規則主要提供了符號的基本信息、符號的約束信息和表達規則的符號繪制模型的描述信息。圖元作為構成符號的基本單位，符號的組成主要體現在“圖元→符號”的構造環節中。以“窯洞”符號為例，可以將其分解為如圖3所示的分解結構，圖元“線段”和圖元“圓弧”按照獨立構造規則組合為“窯洞”組合結構。圖4所示為“窯洞”符號的編輯器。

2.3 通用地圖符號庫模型設計

地圖符號庫的設計是以地圖符號學的理論和方法為指導，豐富地表達地圖符號的語法結構和語義特征。它的主要功能是建立、存儲和輸出各種地圖符號信息。圖元的組成規則作為地圖符號庫系統實現符號自動化配置的關鍵，應該對圖元幾何參數和配置參數進行詳細描述，因此，本文建立了通用地圖符號表達模型，如圖5所示。

符號層、圖元層及圖形層組成該符號庫模型。符號層由點、線、面符號組成，其描述地圖符號的構成及其約束條件；圖元層描述構成地圖符號的圖元、繪制參數及其定位參數；圖形層是對幾何參數、配置參數的設計，幾何參數用于描述圖元的幾何形狀，配置參數用于描述圖元與地圖符號之間的空間關系。

3 地圖符號共享機制建立

3.1 基于Web服務共享框架

地圖符號共享框架構建了一個獨立于GIS軟件的通用地圖符號系統，使地圖符號真正實現一庫多用。基于Web Service的地圖符號共享模式結合了當今時代的網絡化趨勢，實現了網絡環境下跨平臺、跨系統的地圖符號共享。本共享服務提供了通用地圖符號庫與其他平臺地圖符號庫的交互與共享機制,對通用地圖符號庫的共享范圍進行了擴展。基于此，本文設計了如圖6所示的地圖符號共享框架結構，主要由符號提供者、符號請求者及符號注冊中心3部分組成。符號提供者為其他服務和用戶提供并開發了通用地圖符號庫。它以標準的Web服務接口提供了符號的注冊、檢索等服務。它的服務對象為符號(Symbol)、符號類(Symbol Class)和符號庫(SymbolDB)。其中，每個地圖符號可以描述為一個XML節點，符號類和符號庫則描述為一個XML節點樹。符號使用者是符號的需求用戶，它利用SOAP消息向符號提供者發送請求以獲得服務。它從符號注冊中心進行符號的查詢和發現，并且根據查詢結果與符號提供者進行符號的綁定調用。符號注冊中心是將符號提供者與符號使用者綁定在一起。它以面向共享的通用地圖符號為信息中介，制訂了符號的注冊和檢索等服務機制，支持提供者與使用者之間的互操作。

3.2 符號共享試驗

基于前面對地圖符號模型的設計及地圖符號共享框架的建立，本文開發了基于Web Services的地圖符號分布式共享框架系統。基于Visual Studio 2010環境，完成原型系統的開發。通過SOAP、WSDL等技術，實現符號訪問和操作接口的平臺、語言無關性，建立地圖符號共享門戶網站。通過該門戶網站實現對服務器端符號中心與客戶端信息交流平臺，允許用戶選擇某個具體符號記錄進行符號信息的瀏覽及下載。圖7為符號的下載中心頁面，它的共享理念主要為符號檢索與調用。

符號的調用即給異構的GIS應用系統提供Web服務訪問接口。將地圖符號嵌入到該GIS應用系統中，通過二次開發，實現地圖符號及符號化的跨平臺繪制。如圖8所示，調用門戶網站的地圖符號接口，利用Esri ArcGIS Engine為客戶端，擴展ISymbol接口，訪問符號概念本體模型結構的地圖符號，以實現ArcGIS Engine平臺上跨平臺的地圖符號化繪制。

4 結 語

現有地理信息系統間符號受到當前地圖符號模型與現有異構地圖符號資源不兼容性的阻礙，符號跨平臺共享困難，并且符號共享時語義特征會有所丟失。針對這一問題，本文將本體概念引用到地圖符號，為地圖符號共享、語義互操作提供新方向，設計了本體驅動下地圖符號數據模型，保留了地圖符號的語義信息。利用圖元法對地圖符號數據模型進行組織，設計了通用地圖符號庫模型，并利用Web Services技術跨語言、跨網絡協議、跨操作系統的優勢，設計出一種地圖符號分布式共享框架，建立了地

圖符號共享門戶網站，使多源異構的地圖符號實現網絡環境下靈活開放的集成和互操作，且有效保留了地圖符號的語義信息。