基础地理信息数据快速出图技术的研究与应用——以“内蒙古快速出图系统”为例

赵计环，薛志忠，张贵俊，张智清

(内蒙古自治区地图院，内蒙古 呼和浩特 010051)

基础地理信息数据快速出图技术的研究与应用
——以“内蒙古快速出图系统”为例

赵计环，薛志忠，张贵俊，张智清

(内蒙古自治区地图院，内蒙古 呼和浩特 010051)

常规地图生产过程中，制图综合自动化程度低是长期困扰地图工作者的难题，内蒙古地图院快速出图系统采用数符分离模型，基于自动综合技术和专家知识模版，依托WJ-Ⅲ地图工作站建立了数据综合与制图应用技术体系，实现了数据从大比例尺到小比例尺的自动缩编，满足数据日常更新，支持快速出图，可向社会提供应急保障服务。

数符分离模型；数据综合；自动化成图

一、引 言

地图作为人类对地理空间认知活动的一个产物，承载着地球表面丰富的地理信息要素，使用范围越来越广，服务对象日趋呈现多极化趋势。近年来，经济社会的快速发展及城乡一体化建设对地图的成图周期提出了更高的要求，既要快速、准确，又要现势性强。但在实际工作中，由于常规的地图出版制作周期长、效率低，地图缩编综合耗时间、费体力，是一项非常繁琐的“细活”，少则十天半月，多则达数月之久，很多工作因等待成图而耽搁，不能很好地满足当前用户的用图和政府部门的宏观决策、规划设计及应急保障的需求。

随着计算机技术的飞速发展，各种地理信息数据与地图制图软件的应用，地图的生产方式实现了由传统的手工制图向数字化生产模式的转化。制图进入数字化时代以后，整个生产的工艺流程发生了根本性转变，由先出图后建库模式转变为先建库后出图。但从大比例尺到小比例尺的缩编自动化程度不高，都是计算机辅助人机交互操作实现，在数据的联动更新上也受到制约。因此，自动化、智能化快速出图技术的研究应用是当前的重要课题。

本文以“内蒙古快速出图系统”为例，探讨在已有地理信息数据库的基础上实现地图数据从大比例尺到小比例尺的自动缩编，实现对全区、各盟市、旗县及部分城区的快速成图与输出，为自治区各级政府、社会提供及时、高质量的地图服务和测绘应急保障服务。

二、现有的数据结构与生产模式

截至目前，内蒙古地图院经过多年的事业发展，积累了大量地图数据，既有不同比例尺的单幅地图数据，也有较为完善的全区1∶5万、1∶25万和1∶100万基础地形数据库，从2007年起启动了“内蒙古自治区地图出版基础地理信息数据管理系统”项目，运用山海易绘软件，人工编辑了全区1∶25万、1∶160万、1∶350万3种比例尺的大版和局部区域的1∶5万制图数据库。但这些数据的坐标系、投影、格式和规格不尽相同，在资料的使用和更新上无法满足现实需求，如在编制盟市单张图时，技术人员利用1∶25万制图数据库数据作为基础资料，为达到整饰美观效果，使用CorelDRAW软件，对新增变化的要素只能在1∶25万制图数据库上进行修改，不能对其他尺度的制图数据库进行联动缩编修改，受到现有软件CorelDRAW、山海易绘和Arc/Info的局限，地形数据库和制图数据库也不能同时进行联动更新，逐步造成制图数据库与地形数据库数据不匹配。因此，在数据的日常维护更新上需投入大量的人力、物力和较长的时间甚至重复劳动，非常有必要建立完善统一的数据库，实现地图数据的实时更新，保证数据库内容的现势性。

三、快速出图系统的技术特点

通过分析和研究现有数据结构和生产模式及生产过程中存在的问题，内蒙古地图院提出了“快速出图系统”项目建设，目的是满足日常数据更新，实现数据从1∶1万到1∶5万、1∶25万、1∶100万、1∶400万的逐级联动更新，以支持各级制图数据库更新并实现多种比例尺数据自动化高效成图，支持打印以及网络化等多样输出。

实现数据的联动更新和快速成图，主要解决数据从大比例尺到小比例尺的自动缩编，它也是快速成图的数据源，因此快速出图系统解决的核心问题就是数据的自动综合和自动化成图。基于内蒙古地图院的技术现状，与中国测绘科学研究院合作借助基础地理信息数据库快速出图技术，解决以下几个关键技术点来实现。

1.数符可分可合模型

计算机辅助下的地图表达就是在地图符号库的支持下，将符号表示数据与地图编辑数据融为一体，其中符号表示数据用于确定表示地理要素的地图符号，包括地理要素标识符、符号库标识符与地图符号标识符3个基本成分，可由GIS关联表描述或图示表达的表达规则生成，CorelDRAW就是这种方式。而GIS侧重于空间分析，以地理数据为中心，CAD侧重于制图，以图形为中心。用这些软件实现计算机制图缩编时，都是把数据综合(模型综合)和图形综合一起考虑，兼顾的因素太多，计算机代替人脑对地图的编绘比较复杂化，且自动化程度不高。

地理数据与符号均是对地理对象的描述，其中数据侧重于记录地理对象的信息，而符号侧重于对地理对象信息的可视化表达。地理数据与符号是两个不同的概念，它们之间既相互区别又相互联系，地理数据负责描述并记录地理要素客观的地理信息包括几何、拓扑及属性数据，而符号负责描述并记录地理要素的表达样式信息，两者之间通过ID或名称等字段进行关联，这样就实现了符号与地理数据的分离。

快速出图系统把数据综合(模型综合)和图形综合分开考虑，建立数符分离模型，将地图自动综合分为模型综合和图形综合两大类。模型综合又叫数据库综合、地理信息提取、概念综合。在模型层次进行综合有利于GIS中的数据访问。模型综合和图形综合的区别是：模型综合操作数据库，且不依赖图形表示。另外，图形综合是依赖于比例尺的，而模型综合则不依赖于比例尺。同时，模型综合由分析查询驱动，而图形综合主要由信息需要驱动。但是，二者并不是独立的，模型综合是图形综合的先导。

符数分离模型实现了地图符号独立于制图平台，符号数据既可以与地理数据整合在一起生成可以出图的地图数据，又可以随时把符号数据和地理空间数据分开。

2.数据综合

任何一种比例尺地图都有其容量限制，不可能将地面上客观存在的物体全部都表示出来，只能根据地图的用途、比例尺和制图区域的特点，以概括、抽象的形式反映研究对象的主要特征，这个过程叫地图综合。它是通过概括和取舍的方法实现的，概括是对制图对象的形状、数量和质量特征的化简，去掉轮廓的碎部代之以总的形状特征，缩减分类分级的数量，减少制图物体间的差别。取舍就是从大量的制图物体当中选取较大的、较重要的物体表示在地图上，地图综合是一个人类发挥创造性才能的过程。

信息化时代的地图缩编需要将人类智慧全面转化为计算机的智能，让计算机模拟人脑完成地图综合，地图综合过程实际是一个目标约束下的优化问题，也就是寻求最优解，采用基本综合算法满足若干制图约束条件下的优化过程。地图综合对象可以分为两类，一类是自然地物，一类是人工地物，要素划分为点、线、面3类，针对不同的类型采用不同的算法。快速出图系统应用构建自动综合知识引擎及层次索引，自动制图综合在全要素、全过程、可控制等方面的关键技术，并依据内蒙古快速出图系统的特点完善了点群、道路网和居民地等选取的算法，完善了主体要素与附属要素之间的综合方法，确定了各要素综合的区域性技术指标，建立了18个逐级、跨尺度综合知识库，建立了5种典型尺度的制图知识库，实现了WJ-Ⅲ地图工作站与内蒙古地图院多尺度数据库的对接，建成了基础地理信息应用技术体系实现数据综合。

3.自动化成图

目前传统的地图制图方式对单一的功能都已经实现自动化处理，但对于整个配图流程来说，自动化程度相对不高，如手动选择分层字段来对图层进行分层，手动调整图层间的顺序，手动修改图层的名称，逐层创建注记层和配置创建后的注记信息，逐层符号化和修改符号化后的结果，以及逐层的设置可见比例尺等。对于多图幅和多图层数据来说，流程烦琐，工作量大，是一个非常耗时耗力的过程。针对这些在地图配图过程中如细分层、注记、符号化、地图整饰和图例等存有大量的重复性工作，快速出图系统基于制图专家知识模板技术，将地图符号分解为数据分层、压盖处理、符号表达、注记配置、制图分层和屏幕表达6个主要环节，并建立各环节具有训练和学习能力的开放式专家知识模板，构成制图知识库，建立了自动制图的六阶业务模型，让计算机程序代替制图人员完成，实现地图的自动化成图。

四、快速出图系统的应用体系

1.WJ-Ⅲ地图工作站

快速出图系统依托WJ-Ⅲ地图工作站建立了数据综合与制图应用技术体系，主要由基础软件、符号编辑器、颜色校正软件、专业地图渲染引擎和图形处理卡5部分构成，具有地图制图、GIS处理分析和制图综合功能。其中地图制图具有数据导入、制图分层、符号制作、自动制图、地图显示、地图编辑、地图输出等功能，支持地图切片一体化管理，无缝支持大文件、MySQL、Oracle、Beyond、本地瓦片等一体化输出；制图综合提供点群、线群、面群、单线、单面等地理要素的综合，提供可变的综合参数，支持模板化定制自动综合，适应逐级缩编以及跨尺度缩编。

2.生产流程

快速出图系统的生产主要流程为：数据整理→模版制作→自动成图→地图整饰。

数据整理包括数据的日常维护更新，以及数据库内容的属性字段、图层代码、分类代码及拓扑关系等信息的一致性、完整性的整理，日常维护更新就是将新增变化的内容在基础数据库上进行修改，确保资料的现势性，也是快速出图的数据基础。

模板制作是依据成图要求制作模版，该模板为一键成图模板，包括分层模板、改名模板、综合模板和配图模板。其中综合模板、配图模板是实现自动综合和快速出图的关键模板，综合模板是依据比例尺设置地理各要素的综合参数，包括居民地模板、道路模板、水系模板、等高线模板、境界模板等，可以逐级或跨级设置，实现逐级或跨尺度比例尺的综合。配图模板是依据成图的比例尺设置地理各要素的配图符号，包括符号模板和注记模板。

自动成图主要是进行数据的综合，就是将原始的点、线、面进行综合取舍以满足最终出图比例尺需求。对于点的综合，可以根据出图比例尺需求利用软件里的点综合工具，按照原始数据的百分比进行取舍以满足出图点分布密度需求，该工具可以根据点分布密度的不同在不同的区域设置不同的取舍比例。线综合取舍包括线的综合和线的化简两部分，线综合是对线的分布密度按照线的等级进行取舍。在地图制图中所涉及的线主要是等高线、不同等级的道路及水系线，对于等高线的综合是以等高距为依据，通过删去中间部分等高距以实现等高线的综合；对于道路的综合需要考虑不同等级道路的最终构网，通常不对省道及以上的道路进行取舍，只对县道及以下的道路根据比例尺不同进行取舍，取舍依据为在整个道路构网的位置、道路的等级及道路的长度；水系的综合取舍是对水系密集区按照出图比例尺需求对低等级及短的河流进行综合。线化简是在大比例尺转换为小比例尺时将线的节点抽稀并对一些不具有特征意义的拐点化简。

地图整饰用户根据自己成图比例尺制作适当大小、粗细的点状和线状符号，标绘相应的颜色，并将这些符号及颜色集中在一起形成符号化模板，利用WJ-Ⅲ系统的一键符号化实现地图的及时符号化，注记配置系统通过自动注记功能将属性表中需要的属性自动展现在地图表面，系统还可以自动生成整饰外框及与地图内容相符的图例，最后将地图直接输出、打印，即可达成地图的缩编和快速出图。

五、地图编绘自动化试生产

在研发阶段，基于快速出图系统进行了由基础地理信息库数据提取的呼伦贝尔市 1∶5万到1∶25万，呼和浩特市1∶5万到1∶25万、1∶5万到1∶60万，以及自治区1∶25万到1∶160万、1∶25万到1∶350万等系列尺度的地图编绘自动化试生产，并将试生产结果与原有人工编绘的同比例尺制图数据库数据进行了比较，得出如下结论：

1)在作业模式上，该系统在制图综合和地图符号化方面以计算机为主、人工手段为辅，实现了地图综合的高度自动化，传统体系以人工为主、计算机辅助。

2)在生产效率上，该系统的自动化程度较高，达98%以上，通辽市1∶25万数据缩编至1∶160万，不到30 s，呼和浩特市1∶5万数据缩编至1∶25万，不到20 s，而传统体系生产至少半个月。

3)在多尺度的一致性上，该系统的多尺度比例尺地图缩编源于一套基础数据，内容高度一致，而传统体系不一致。

4)在数据准确率上，该系统对高等级要素选取与概括标准一致，准确率达98%，其他要素90%以上，但对于具有纪念意义的特征点要素和一些小于指标的具有特殊意义的如河流等线状地物要素需要人机交互选取，传统体系人为判断，标准不一。

5)在适应范围上，该系统的数据由1∶1万到1∶400万可以进行逐级及跨尺度编绘，实现任意范围、任意尺度的快速成图，传统体系数据由1∶1万到1∶400万必须逐级编绘。

6)在数据的维护更新上，该系统只需维护更新基础数据库，不同尺度的数据库联动更新比较容易实现，传统体系需要分别维护更新不同尺度的数据库，耗时费力，造成重复劳动。

7)在应急保障上，该系统在生成制图数据的同时可以生成图例、图外整饰、图名等，实现地图提供从“按天计时间”转变为“按小时计时间”。

六、结束语

内蒙古快速出图系统目前还在试运行，某些功能有待进一步的改进完善，但通过该系统的建设，依托WJ-Ⅲ地图工作站，构建了数据综合与制图技术体系，达到了工程化实用程度，能够满足自治区内各种业务和应急反应，向用户快速、高效提供地图。该系统的集成度高、创新性强，基于综合知识和制图知识引擎的处理过程自动化程度达98%，结果准确可靠，达到国际领先水平。

项目的成功实践，为构建“一套数据＋自动综合与成图系统”的基础地理信息化管理与服务技术体系开创了先例，为提升地图编绘生产力水平提供了科学手段。

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2014-05-23

赵计环(1964—)，女，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，主要从事地理信息系统、地图制图方面的工作。