新型基礎測繪自動制圖軟件的設計與實現

魏國忠

(1.山東省國土測繪院，濟南 250102；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

0 引言

測繪制圖產品是一種對基礎地理信息最具認知功效的表達載體，在應用中具有不可替代的作用。基礎地理信息數據庫是各類地理信息平臺建設和信息化建設的基礎，也是基礎地理空間框架的重要組成部分。為了減少地形圖制圖中的重復工作，有效保證數據的一致性，多個省份對制圖與基礎數據庫數據一體化技術進行了探索與實踐，在進行數據建庫生產時兼顧地圖制圖[1-3]。但是由于技術上的限制，傳統的圖庫一體化數據生產體系還處于初級階段，一般通過改造基礎數據庫模型，將制圖信息作為建庫數據的一部分存儲在數據庫中。采用人工交互編輯的方式，進行地形要素的符號化和地圖整飾工作。這種生產模式存在以下弊端：一是數據復雜度高，地理實體的拆分不再完全基于空間查詢和分析的需要，而是要綜合考慮制圖符號顯示和壓蓋的需求，數據的制圖信息和地理實體信息混合在一起，增加了數據冗余，不利于數據的管理、查詢和分析；二是數據更新效率低，采用人機交互進行編輯，自動化程度低，大量空間數據信息需要重復采集，增加了工作量，生產效率低，更新速度無法滿足現勢性要求[4-6]。

為了滿足經濟社會發展對測繪成果現勢性的需要，提升數據更新效率、簡化生產模式，山東省省級基礎測繪數據更新引入了按要素更新、網格化更新和融合更新等新型模式，在提升基礎數據更新效率的同時，也對后續快速制圖提出了更高要求。針對此難題，本文對一體化制圖相關技術進行研究，并基于此研發自動化制圖軟件。

1 自動化制圖關鍵技術

1.1 一體化制圖數據庫模型

一體化制圖數據庫模型是實現自動化制圖的基礎，將基礎數據和制圖數據統一存儲，使數據能夠保持一致性，實現數據的統一管理[7]。該模型的關鍵在于制圖數據是根據基礎數據自動擴展生成，在二者聯動的前提下即保持了相互的獨立性，避免基礎數據直接用于制圖造成的數據邏輯混亂，又可以在同一套基礎數據的基礎上，根據不同制圖規則，支持定制化、多樣化的制圖產品輸出。對于后續的數據更新，實現基礎數據與制圖數據的聯動同步更新，在更新的同時仍保持2種數據的一致性和各自的獨立性[7-8]。一體化制圖數據庫建立了基礎數據與制圖模板、符號庫、字體庫之間的聯系，使數據能夠依靠制圖模板規則在軟件中實現符號化顯示、瀏覽、控制和輸出。

基于基礎數據庫模型擴展生成一體化制圖數據庫模型，如圖1所示，從3個層次對基礎數據庫進行了擴展。一是圖層結構擴展，在基礎庫的數據層結構基礎上，建立擴展數據層，用于存儲制圖處理所產生的制圖輔助信息，實現基礎數據與制圖輔助數據的分離管理。二是要素幾何擴展，在生成初步制圖數據時，依據要素數據的幾何，復制生成擴展幾何，進行幾何關聯，制圖處理僅對擴展幾何對象進行處理，保持原要素幾何不變，通過擴展幾何實現制圖符號效果。三是要素屬性擴展，添加制圖表達規則屬性項，分配制圖表達規則編碼，關聯制圖模板中的各項制圖表達規則，控制要素的符號效果和顯示順序，實現規則化制圖；添加地圖標注屬性項，關聯模板字體庫，控制要素注記內容與樣式；添加顯示控制屬性項，控制要素顯示狀態；添加屬性參數屬性項，輔助制圖表達規則實現更精細的制圖效果。

圖1 一體化制圖數據庫模型

1.2 制圖要素符號壓蓋關系處理

基礎地形圖數據是根據地理實體的空間位置抽象成點、線、面采集的，各要素基于嚴格的拓撲規則組織在一起[9-10]。要素符號化后，要素顯示形態打破了嚴格的數據組織關系，相互之間產生復雜的要素符號壓蓋關系問題，大幅降低了地圖的可讀性和美觀性。針對該問題，本文研發的自動制圖軟件提供了3種處理方法。

1)基于符號級別的要素壓蓋處理。線、面的同層同類型要素符號化后，需要表達出連通、融合、分離等空間相關關系，即控制同類要素符號化的邊界是否顯示[11]。通過將一類要素的邊界與實體分層符號化，并對分層的符號設置級別，統一控制同一符號層的顯示順序，可以充分表達出同類符號間復雜的空間關系。圖2為道路要素在不使用符號級別配置與使用符號級別配置的對比情況。使用符號級別配置后，圖2(b)圖道路要素可清晰表達出道路的平交與立交關系。

圖2 道路壓蓋處理效果對比

2)基于空間關系的要素壓蓋處理。對于具有公共邊界或空間位置相鄰的異類要素，在符號化后，邊界符號或者要素整體會發生互相壓蓋的情況時，可利用要素之間的空間關系進行處理。利用空間關系提取要素符號沖突部分，將高級別要素按符號保留，對沖突區域內的低級別要素符號采用隱藏、位移等方式消除與高級別要素符號的沖突。圖3為等高線陡坎沖突處理和過密消隱處理的效果。處理后，陡坎和過密位置的等高線進行了刪除處理。

3)基于要素權重的注記壓蓋處理。注記應當放置在清晰合理的位置，通過標注引擎避免自身相互壓蓋的同時，也需要考慮避免壓蓋重要的要素符號[12-13]。采用要素權重避免注記與要素壓蓋，在要素數據符號化完成的基礎上，將要素符號按重要性設置權重，按照符號所占區域生成圖斑，在全圖范圍內生成無縫的圖斑參考面，然后對注記基點位置進行調整，避免壓蓋要素符號[14-15]。圖4為無縫圖斑參考面生成效果。

圖3 等高線壓蓋處理效果對比

圖4 無縫圖斑參考面生成效果

2 自動制圖軟件設計

2.1 總體設計

目前，制圖軟件大多將制圖功能作為子模塊與數據生產軟件相結合[13]。該模式主要采用人工交互的方式，將制圖信息加工存儲到數據庫中，再通過制圖模塊符號化處理輸出地圖產品，這種作業模式人工干預較多。為提高制圖效率，將制圖模塊從數據生產環節中剝離出來，通過對地理對象空間數據的分析，建立從基礎數據庫到制圖數據庫的全自動綜合處理流程，同時對2個相關聯的數據庫進行統一管理。通過對制圖過程進行專業定制，生產出符合各類需求的制圖產品。

1)基礎數據與制圖數據的轉換關系?；A數據庫完全依據地理數據自身的空間查詢和分析的需要進行組織，不再保留制圖信息。在制圖時，直接依照地理要素的空間特性和分布關系自動生成制圖數據，包括空間對象的點、線、面、位置、屬性和拓撲等特性，確立基礎數據模型到制圖數據模型的轉換關系。

2)基礎數據庫與制圖數據庫一體化管理。通過建立一致性規則，確立基礎數據庫與制圖數據庫的關聯關系，保證基礎數據庫的完整性，不產生數據冗余，保持庫與庫相對獨立，在修改制圖數據時不影響基礎數據。

3)制圖過程可定制化。通過對制圖范圍、符號庫、字體庫和標準制圖模板等制圖過程的專業定制，可自動生產滿足不同需求的專題地圖，同時可根據制圖規則對地形要素數據進行合理取舍，保持適宜的地圖載負量。

2.2 自動化制圖流程設計

制圖輸出基于制圖數據庫實現，自動制圖軟件設計了基礎數據庫經過數據轉換、制圖處理、符號表達等步驟到制圖數據庫的全自動處理流程，最終完成制圖產品輸出，如圖5所示。

圖5 自動化制圖流程

1)數據轉換。根據一體化制圖數據庫模型的設計，建立轉換規則，然后依據規則，將基礎數據庫中的要素數據無損添加到制圖數據庫中，匹配制圖表達規則、標注模式、圖層順序等制圖信息，形成制圖數據。在基礎數據轉換中，讀取元數據，生成圖廓信息，進一步完成對制圖數據的投影轉換、數據裁切，規則檢查等工作，確保轉換數據的準確性與可靠性。

2)制圖處理。制圖數據轉換完成后，初步形成的制圖數據缺少制圖信息，需要通過數據處理得到制圖信息，依據地理要素的點、線、面幾何信息提取制圖符號的位置、形狀信息，依據地理要素的屬性信息提取生成標注信息，并且依據要素的拓撲關系進行符號壓蓋處理，最終形成制圖信息[12-14]。制圖數據處理的實質是依據要素數據的特征與相互分布關系，將原先人工交互編輯生產制圖輔助信息的步驟自動化完成。

3)符號表達。將制圖數據與制圖模板關聯，通過制圖模板建立制圖數據庫與符號庫、字體庫、制圖表達規則等聯系，依照模板中圖層與符號等級的配置，按順序疊加符號化顯示數據，并基于注記避讓規則，將標注轉換成靜態注記，最終形成可瀏覽查詢的可視化符號數據。

4)制圖輸出。軟件可輸出常用JPG、PDF等格式地圖，同時支持CAD數據格式輸出，在軟件符號庫的基礎上，通過自動生成塊文件和線型文件，實現CAD數據的符號化配置。

3 自動制圖軟件功能設計

自動制圖軟件功能包含數據管理、制圖數據轉換、制圖數據處理、制圖輸出和數據模型管理等模塊。數據管理模塊提供數據加載、數據瀏覽、屬性查詢、制圖效果對比等功能；制圖數據轉換包含數據裁切、數據模型轉換、轉換質量檢查等模塊；制圖處理模塊包括處理項目管理、數據制圖處理模塊，其中數據制圖處理可采用單機模式或分布式處理模式，在處理大批量數據時，采用分布式處理模式提高處理效率；制圖輸出模塊可輸出JPG、PDF等常用地圖格式，也能按照碎化模式和線型模式2種方案輸出CAD格式地圖數據；數據模型管理模塊主要負責管理轉換規則對照表、制圖數據庫、制圖模板、符號庫管理等功能。圖6為自動制圖軟件主界面。

自動制圖軟件能夠在無人工干預的情況下實現自動化制圖，處理一幅標準分幅的1∶1萬地形圖僅需3～5 min，制圖效果能夠保證完整性、準確性、美觀性的要求。軟件使基礎地理信息庫的生產單元更加靈活、方便。可以基于道路、河流等線狀地物劃分作業單元，基于塊狀作業單元進行數據入庫、實體化處理，而不必再受到標準分幅圖限制，減少數據接邊工作量，大幅提高生產效率和數據質量，分幅和出圖的工作完全通過軟件自動化解決。

圖6 自動制圖軟件主界面

4 結束語

本文針對基礎測繪成果數據的快速制圖問題，設計了一體化制圖數據庫模型，并對制圖要素壓蓋關系處理和自動化制圖流程進行詳細研究，研發了自動化制圖軟件。該軟件已用于山東省“十三五”省級新型基礎測繪數據制圖成果生產中，取得了良好的效果，為山東省新型基礎測繪整體方案的順利實施奠定了基礎。新型基礎測繪自動制圖技術的研發，可以節省大量的人力、物力，有效縮短基礎測繪數據成果生產周期，保障數據的現勢性。