基于自動(dòng)綜合規(guī)則庫的城市大比例尺地形圖縮編研究

張勇，陳凱，范云松，張雙雙，王前華

(1.成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610081； 2.四川省城市信息化測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081；3.成都市城市地下空間勘察和數(shù)字化測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081)

1 引 言

當(dāng)前，我國(guó)已全面建成地理空間框架數(shù)據(jù)庫，并為政府部門、企業(yè)和公眾提供便捷高效的網(wǎng)絡(luò)化地理信息服務(wù)。城市級(jí)大比例尺空間數(shù)據(jù)庫和電子地圖、地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫的建設(shè)已經(jīng)完成“原始積累”階段，各類大比例尺地形圖是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)的重要內(nèi)容，其中 1∶2 000地形圖實(shí)體庫是城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)重要組成部分。對(duì)于 1∶2 000比例尺的地形圖生產(chǎn)，可以采用已有的 1∶500比例尺的地形圖，通過制圖綜合獲取，即地圖縮編。在已有 1∶500地形圖的條件下，縮編方式不僅可以提高數(shù)據(jù)的利用率、減少重復(fù)工作、獲得更高的生產(chǎn)效率，而且可以維護(hù)不同比例尺要素表達(dá)的地理精度和一致性，提高現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的價(jià)值。由于大比例尺地形圖中地形、地物要素眾多，而目前 1∶2 000地形圖的生產(chǎn)更新模式主要為人工編輯，工作量巨大。為充分滿足城市的快速發(fā)展、為城市的各項(xiàng)建設(shè)工作和公眾的工作生活提供便利，需要以較高效率完成 1∶2 000地形圖縮編工作。在保證數(shù)據(jù)輸出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地形圖規(guī)范質(zhì)量要求前提下，如何提高生產(chǎn)效率已成為重要難題，因此研究和實(shí)現(xiàn)大比例尺地形圖自動(dòng)縮編具有重大意義。

中小比例尺地圖自動(dòng)縮編已得到了學(xué)者們長(zhǎng)期關(guān)注，并取得豐碩的研究成果，但由于城市級(jí)大比例尺地形圖地物表達(dá)要素形式較多、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，大比例尺地形圖自動(dòng)縮編的研究成果尚未成熟，尤其是能直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐、顯著提高作業(yè)效率的地形圖全要素自動(dòng)縮編方法尚不多見。目前，主流的地形圖縮編的方法分為兩種[1～4]：①基于圖形的人機(jī)交互縮編。該方式通過人工的方式對(duì)要素進(jìn)行取舍、簡(jiǎn)化、合并等處理，然后修改部分線性及符號(hào)，最后進(jìn)行質(zhì)量檢查、成果輸出，如基于CAD軟件開發(fā)的南方CASS可以對(duì)地形圖進(jìn)行基于圖形的人機(jī)交互縮編；②基于數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)縮編。該方法對(duì)于易于規(guī)則化且無須人工干預(yù)的綜合操作，以批量式處理方式完成；對(duì)于難以規(guī)則化且需要人工干預(yù)的綜合操作，以交互式綜合方式完成。

本文立足1∶2 000地形圖更新工作，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)的地形空間數(shù)據(jù)庫和自動(dòng)綜合規(guī)則庫的大比例尺地形圖縮編方法，在分析不同要素在 1∶500地形圖和 1∶2 000地形圖中的表達(dá)形式、表現(xiàn)方式、取舍要求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有可操作性的地形圖縮編綜合規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)了適用于生產(chǎn)實(shí)踐的基于綜合規(guī)則庫的大比例尺地形圖縮編系統(tǒng)——成都市 1∶2 000地形圖自動(dòng)縮編系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)完成了天府新區(qū)成都直管區(qū)范圍內(nèi)共計(jì) 68 km21∶2 000地形圖進(jìn)行了縮編建設(shè)，極大提高了 1∶2 000地形圖縮編的工作效率。

2 自動(dòng)綜合規(guī)則庫構(gòu)建

基于《成都市1∶500DLG建庫規(guī)定》及《成都市 1∶2 000DLG建庫規(guī)定》，建立MDB格式的標(biāo)準(zhǔn)化 1∶500DLG和 1∶2 000DLG地形空間數(shù)據(jù)庫，在地理信息要素分類與編碼、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、屬性等方面達(dá)到統(tǒng)一。結(jié)合地理區(qū)域特點(diǎn)、服務(wù)領(lǐng)域、生產(chǎn)現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等，梳理 1∶500地形圖縮編至 1∶2 000地形圖過程中在地物取舍、地物表達(dá)、圖示、精度等處理要求，總結(jié)一套適用的地形圖綜合規(guī)則。部分要素類綜合規(guī)則及指標(biāo)如表1所示：

部分要素類縮編規(guī)則及指標(biāo) 表1

在綜合規(guī)則的基礎(chǔ)上，對(duì)水系、居民地及工礦設(shè)施、道路、地形地貌、植被等不同要素在 1∶500數(shù)據(jù)庫和 1∶2 000數(shù)據(jù)庫中的不同表現(xiàn)形式進(jìn)行提取，同時(shí)考慮地理區(qū)域環(huán)境的特性，對(duì)同類要素在不同區(qū)域采用不同的綜合規(guī)則，構(gòu)建縮編算法庫，實(shí)現(xiàn)綜合規(guī)則的形式化描述，突破傳統(tǒng)人工知識(shí)經(jīng)驗(yàn)積累，轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的形式化表達(dá)與解譯。縮編算法庫(表2)主要包括曲線光滑、曲線抽稀、曲線彎曲化簡(jiǎn)、斷線合并、接頭咬合、面光滑、面邊界化簡(jiǎn)、面邊界抽稀、提取道路中心線、面要素中軸化、等高線選取、點(diǎn)聚合為面、高程點(diǎn)選取、多邊形聚合、建筑物化簡(jiǎn)、建筑物合并等18類核心算法。

3 成都市 1∶2 000地形圖自動(dòng)縮編系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于ArcGIS平臺(tái)行進(jìn)二次開發(fā)，構(gòu)建了綜合核心算法，實(shí)現(xiàn)了地形圖空間數(shù)據(jù)庫和綜合規(guī)則數(shù)據(jù)庫的管理、地形圖數(shù)據(jù)的自動(dòng)綜合以及數(shù)據(jù)編輯與可視化展示。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)層、綜合算子層和應(yīng)用層三個(gè)部分組成。

(1)數(shù)據(jù)層是建立空間數(shù)據(jù)和綜合規(guī)則庫的基礎(chǔ)管理平臺(tái)，為數(shù)據(jù)維護(hù)、空間索引的建立、地圖要素的分層管理、多功能圖形標(biāo)識(shí)查詢、邏輯條件查詢、地圖目標(biāo)的可視化、要素幾何編輯和屬性編輯提供基礎(chǔ)支撐。

(2)綜合算子層是基于ArcGIS二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，提供點(diǎn)、線、面不同幾何目標(biāo)選取、化簡(jiǎn)、合并、移位的綜合算子算法，建立底圖層、綜合層數(shù)據(jù)混合顯示框架環(huán)境。

(3)應(yīng)用層面向現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)庫制定綜合規(guī)則，組織設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)應(yīng)用界面，為用戶直接提供系統(tǒng)服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)功能

成都市1∶2 000地形圖自動(dòng)縮編系統(tǒng)主要包含工程管理、可視化管理和地圖綜合三大功能。

(1)工程管理

工程管理主要功能包括新建縮編工程、打開縮編工程、保存縮編工程、工程另存為、添加數(shù)據(jù)等功能。工程管理模塊實(shí)現(xiàn)了按縮編工程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，一個(gè)工程由工程數(shù)據(jù)庫(mdb)、地圖文檔(mxd)、工程元文件(gen)構(gòu)成。

(2)可視化管理

可視化管理包括標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)化、底圖開關(guān)、綜合圖開關(guān)、全圖開工、縮放到當(dāng)前圖層范圍等功能。可視化管理主要通過右鍵菜單的方法實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)按 1∶500和 1∶2 000的地形圖的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)化、不同類型圖層顯示、隱藏控制、地圖縮放等可視化操作，系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)可視化管理功能圖

(3)地圖綜合

地圖綜合功能是系統(tǒng)的核心，包括綜合參數(shù)設(shè)置、通用工具、綜合編輯工具三部分。綜合參數(shù)設(shè)置包括點(diǎn)綜合算法、線綜合算法、面綜合算法參數(shù)設(shè)置；通用工具主要實(shí)現(xiàn)常規(guī)地圖操作、屬性查詢、要素選擇、要素編輯等功能；綜合工具主要實(shí)現(xiàn)綜合取舍、要素光滑、要素抽稀、要素化簡(jiǎn)、斷線合并、接頭咬合、提取道路中心線、面要素中軸化、等高線選取、點(diǎn)聚合為面、高程點(diǎn)選取、多邊形聚合、建筑物化簡(jiǎn)、建筑物合并等功能。系統(tǒng)通過設(shè)置不同的綜合規(guī)則參數(shù)(界面如圖3所示)，對(duì)取舍要素和部分縮編要素采用批處理方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)綜合。

圖3 綜合參數(shù)設(shè)施示意圖

4 工程應(yīng)用

基于成都市1∶2 000地形圖自動(dòng)縮編系統(tǒng)，對(duì)天府新區(qū)成都直管區(qū)面積約 68 km2范圍內(nèi)的大比例尺地形圖進(jìn)行縮編，將成都標(biāo)準(zhǔn)的 1∶500地形圖縮編為成都標(biāo)準(zhǔn) 1∶2 000地形圖。縮編要素包括水系及附屬設(shè)施、居民地、工礦建筑物及其他設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施、地貌、植被等。通過縮編軟件，按照縮編流程(如圖4所示)，合理地配置縮編規(guī)則，能實(shí)現(xiàn)大部分要素的自動(dòng)綜合和選取，極大提高了 1∶2 000地形圖的生產(chǎn)效率。

圖4 縮編流程圖

在1∶500地形圖數(shù)據(jù)正確、規(guī)范的前提下，利用規(guī)則庫完成要素取舍、合并和形態(tài)化簡(jiǎn)等綜合操作，并結(jié)合人工干預(yù)生產(chǎn)出的 1∶2 000地形圖成果，經(jīng)過質(zhì)量檢查，數(shù)據(jù)取舍合理，主次分明，表示恰當(dāng)，符號(hào)運(yùn)用正確，地物地貌要素齊全，縮編效果良好(如圖5所示)，符合生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié) 論

基于自動(dòng)綜合規(guī)則庫的大比例尺地形圖縮編方法，構(gòu)建自動(dòng)縮編系統(tǒng)，能有效地提升工程生產(chǎn)中地圖縮編的自動(dòng)化綜合程度，通過自動(dòng)綜合+人機(jī)交互的方式，能快速生產(chǎn)符合 1∶2 000地形圖相關(guān)規(guī)范的成果數(shù)據(jù)，提升 1∶2 000地形圖更新效率，并能保持地理框架空間數(shù)據(jù)庫中不同比例尺數(shù)據(jù)的一致性，滿足當(dāng)前自然資源管理、國(guó)土空間規(guī)劃對(duì)大比例地形圖快速生產(chǎn)與更新的要求。

圖5 縮編效果示意圖