電子地圖自動(dòng)化編制通用框架體系設(shè)計(jì)

翟靜，魏巍，柳亞威

（山東正元航空遙感技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101）

1 引言

隨著地理信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及“兩服務(wù)、兩支撐”理念的提出，各個(gè)系統(tǒng)對電子地圖的需求越來越多，對地圖編制工作的精準(zhǔn)化、專業(yè)化和編制速度提出了更高的要求。地圖早已不再局限于一張表示地理位置的圖紙。在數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)的催化下，地圖承載的信息從傳統(tǒng)測繪擴(kuò)展到實(shí)時(shí)采集，傳播的載體從紙張發(fā)展到交互式智能終端，再結(jié)合不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，為電子地圖的發(fā)展帶來了更多的可能性。

2 地圖自動(dòng)化編制應(yīng)用分析

2.1 地圖自動(dòng)化編制技術(shù)現(xiàn)狀

目前的地圖自動(dòng)編制系統(tǒng)多是基于Coreldraw、AutoCAD等開發(fā)，面向打印、出版的圖形化編制技術(shù)，圖形與屬性關(guān)聯(lián)性較弱，不能滿足地理信息應(yīng)用的需求。另一種是基于ArcGIS、SuperMap等軟件開發(fā)，面向地理信息數(shù)據(jù)的地圖自動(dòng)編制技術(shù)，但限于前期數(shù)據(jù)集成度低、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況，功能限制較多，使用率較低。

2.2 地理信息數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

近年來，地理信息數(shù)據(jù)已完成了從基礎(chǔ)線劃數(shù)據(jù)到框架實(shí)體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[1]，解決了以往制圖工作中由于圖形、屬性集成度低帶來的困難。傾斜攝影、激光掃描和BIM技術(shù)的普及，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維模型的快速采集和構(gòu)建，將地理信息數(shù)據(jù)從二維帶入了真三維時(shí)代，數(shù)據(jù)范圍涵蓋了從城市到結(jié)構(gòu)的多個(gè)尺度。

2.3 地圖自動(dòng)化編制應(yīng)用需求

地理信息數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、快速化更新以及軟硬件技術(shù)的成熟，已為電子地圖的自動(dòng)化編制提供了充分的條件，廣泛的應(yīng)用場景又對其提出了更高的要求，比如，地圖可根據(jù)不斷變化的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)更新；同一數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多維度、多尺度、多風(fēng)格的可視化展示；簡單易交互、易維護(hù)等。

3 通用框架體系設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

3.1.1 系統(tǒng)性

框架體系設(shè)計(jì)應(yīng)從整體出發(fā)，以地圖編制層設(shè)計(jì)為核心，向下包含數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)，向上包含地圖表現(xiàn)及發(fā)布交換設(shè)計(jì)，所有層級應(yīng)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和數(shù)據(jù)安全保障體系下運(yùn)行。

3.1.2 通用性

框架體系設(shè)計(jì)應(yīng)適用于從城市到建筑內(nèi)部的多尺度表達(dá)，適用于從二維到三維的多維度表達(dá)，適用于歷史數(shù)據(jù)的多時(shí)序表達(dá)。作為數(shù)據(jù)表達(dá)的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)應(yīng)基于上下層主流數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)體系，保證數(shù)據(jù)從采集到應(yīng)用的流暢。

3.1.3 易用性

框架體系設(shè)計(jì)應(yīng)滿足自動(dòng)化制圖需求，借鑒人工電子地圖編制經(jīng)驗(yàn)，建立成熟的制圖流程、規(guī)則和樣式庫，使其能夠通過簡單的操作，提取數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)電子地圖的智能化自動(dòng)編制，并采用模塊化組合的方式，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

3.1.4 擴(kuò)展性

框架體系設(shè)計(jì)應(yīng)具備數(shù)據(jù)類型和標(biāo)準(zhǔn)體系的可擴(kuò)展性，不僅要考慮各行業(yè)對電子地圖的需求共性，滿足當(dāng)前使用需求，也要兼顧長遠(yuǎn)規(guī)劃。可采用核心加擴(kuò)展的方式，既能保證核心編制體系的穩(wěn)定通用，又能兼容不同數(shù)據(jù)來源、標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)應(yīng)用的擴(kuò)展需求[2]。

3.2 通用框架體系

電子地圖自動(dòng)化編制通用框架體系，如圖1所示。

圖1 電子地圖自動(dòng)化編制通用框架體系

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入層

地理信息數(shù)據(jù)是一種帶有信息的可視化載體，根據(jù)其攜帶信息的方式可以分為抽象型和具象型兩大種類。抽象型數(shù)據(jù)載體多為簡單矢量形式，信息由人為賦予并以屬性字段方式存儲于內(nèi)部，這類數(shù)據(jù)體量小、可視化方式靈活，便于程序處理。具象型數(shù)據(jù)載體多為柵格、模型、點(diǎn)云等復(fù)雜數(shù)據(jù)形式，信息為自動(dòng)化采集并直接表現(xiàn)在載體表面，這類數(shù)據(jù)體量大、可視化方式較為固定，一般直接作為底圖使用。

對于抽象型地理信息數(shù)據(jù)使用實(shí)體數(shù)據(jù)建庫技術(shù)對其進(jìn)行融合處理，將DLG數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、資源普查數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、地質(zhì)體數(shù)據(jù)等，轉(zhuǎn)換為實(shí)體數(shù)據(jù)庫，以點(diǎn)、線、面、體等簡單幾何形式承載實(shí)體對象的屬性信息。對于具象型地理信息數(shù)據(jù)配置元數(shù)據(jù)，并使用緩存技術(shù)直接加載。

3.2.2 地圖編制層

地圖編制層作為整個(gè)通用框架體系的核心，同時(shí)起到了承上啟下的紐帶作用。地圖編制層主要分為兩大部分：地圖數(shù)據(jù)庫和地圖文檔。地圖數(shù)據(jù)庫通過對抽象型地理信息數(shù)據(jù)屬性的擴(kuò)展，使其具備分級、符號化的必要屬性。地圖文檔則通過對數(shù)據(jù)信息的表達(dá)和組織，為地圖表現(xiàn)層提供了不同類型的可視化模塊。兩者之間采用分離存儲的模式，通過擴(kuò)展字段建立關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)的變化將通過擴(kuò)展字段傳遞給地圖文檔，而地圖文檔的表現(xiàn)形式可以自由設(shè)置且不會(huì)影響到數(shù)據(jù)庫本身，滿足了地圖編制自動(dòng)化、多樣化的需求。

1）地圖數(shù)據(jù)庫。地圖數(shù)據(jù)庫在實(shí)體數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上自動(dòng)添加并計(jì)算擴(kuò)展字段，如顯示層級、顯示符號等。顯示層級根據(jù)實(shí)體數(shù)據(jù)的分類代碼、重要程度、面積、長度等信息自動(dòng)計(jì)算。顯示符號可分為二維符號和三維符號兩個(gè)字段，根據(jù)分類代碼等信息自動(dòng)計(jì)算。

2）地圖文檔。地圖文檔以文檔設(shè)置、坐標(biāo)系統(tǒng)、符號庫、顯示層級組、要素圖層以及底圖場景六大模塊組成核心框架，可基于同一套數(shù)據(jù)庫派生出多種風(fēng)格的地圖文檔。文檔設(shè)置模塊定義了每個(gè)地圖文檔的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫、關(guān)聯(lián)符號庫、范圍、元數(shù)據(jù)、縮略圖、攝像機(jī)角度等地圖整體參數(shù)。坐標(biāo)系統(tǒng)定義了地圖文檔的坐標(biāo)系統(tǒng)。符號庫中包含二維、三維以及多種配色風(fēng)格的符號庫，由文檔設(shè)置指定當(dāng)前地圖所選用的符號庫。顯示層級組規(guī)定了每組數(shù)據(jù)的可見比例尺或可見高度范圍，以及每個(gè)級別中包含的要素圖層及圖層順序等。要素圖層定義了該層所使用的實(shí)體數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的過濾顯示條件以及符號匹配、注記顯示等規(guī)則。底圖及場景定義了所選用的具象型地理信息數(shù)據(jù)及其顯示模式。

3.2.3 地圖表現(xiàn)層

地圖表現(xiàn)層根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，對編制好的地圖文檔進(jìn)行模塊化組合，以承載現(xiàn)實(shí)世界中的更多信息。如在大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中，使用暗色版二維、三維矢量地圖疊加注記圖，襯托實(shí)時(shí)分析的大數(shù)據(jù)可視化效果；在園區(qū)、廠區(qū)、樓宇管理中，使用實(shí)景三維場景和BIM數(shù)據(jù)疊加三維注記圖的方式，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)管信息和工藝流程的精準(zhǔn)化管理等。

3.2.4 交換輸出層

交換數(shù)據(jù)層將組合后的地圖數(shù)據(jù)發(fā)布為服務(wù)或?qū)С鰹槠渌貓D格式。為便于開發(fā)應(yīng)用，發(fā)布時(shí)宜根據(jù)模塊化的地圖文檔分開發(fā)布，所有數(shù)據(jù)都需要生成LOD（多細(xì)節(jié)層次）緩存。

3.2.5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識庫體系

電子地圖自動(dòng)化編制通用框架體系的各個(gè)層級，均應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和制圖知識庫體系下進(jìn)行，保障地圖編制質(zhì)量控制過程的科學(xué)、高效、合理。框架體系應(yīng)集成符合國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展型地圖數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)以及服務(wù)方案等。

3.2.6 數(shù)據(jù)安全保障體系

用于地圖編制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般為保密數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)輸入到交換輸出的過程必須有數(shù)據(jù)安全保障體系的支撐，以保障數(shù)據(jù)的安全和文檔的版權(quán)。需要公開發(fā)布時(shí)，還應(yīng)由專門的部門進(jìn)行保密技術(shù)處理。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）在擴(kuò)展字段階段，最重要的是對顯示層級、顯示符號兩個(gè)字段的自動(dòng)計(jì)算和填寫，尤其是對興趣點(diǎn)的抽稀分層，可以根據(jù)制圖經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)則，通過機(jī)器學(xué)習(xí)[3]的方式，實(shí)現(xiàn)基于興趣點(diǎn)名稱、位置的自動(dòng)化分層、分類功能。

2）在符號化配圖階段，建立符號庫轉(zhuǎn)換機(jī)制和智能化AI配圖，實(shí)現(xiàn)同一地圖文檔不同樣式風(fēng)格的一鍵轉(zhuǎn)換[4]。符號庫中宜選用限制較少的簡單圖形或圖像符號。

3）在緩存發(fā)布階段，采用分布式計(jì)算方法和混合型存儲格式[4]來提高LOD緩存的生產(chǎn)效率和顯示效果[5]。

4 結(jié)語

本文就電子地圖自動(dòng)化編制問題對自動(dòng)化編制的通用框架體系設(shè)計(jì)展開了論述，通過對現(xiàn)狀分析和體系設(shè)計(jì)，制訂了在GIS框架下的通用制圖解決方案：依賴于成熟的數(shù)據(jù)建庫技術(shù)，通過建立數(shù)據(jù)庫與地圖文檔相對獨(dú)立的松耦合模式，能夠滿足同一數(shù)據(jù)的多樣性展示以及數(shù)據(jù)變化在地圖上的自動(dòng)更新，并使地理信息數(shù)據(jù)達(dá)到分析、制圖兩用的目的。目前，該框架體系的思想已在多個(gè)項(xiàng)目的電子地圖編制工作中得到應(yīng)用，能夠滿足使用需求，并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。