结合知识和模型的专题图一体化编制方法

梁 磊,周 启,任东宇

(国家测绘地理信息局第三地理信息制图院,四川 成都 610100)

测绘地理信息的社会化应用是当前测绘地理信息行业的工作重点，专题图作为反映一个地区自然或社会经济、人文要素的地图[1]，是测绘地理信息社会化应用的重要组成部分。传统专题地图编制主要存在以下问题:①地图编制要求作业人员具备扎实的专业知识，根据不同用途对地图进行符号设计、色彩设计、整饰设计、版式设计等相关地图设计；②编制地图需要收集大量不同的空间数据与专题统计数据，同时需要进行大量数据处理工作；③专题地图产品阶段采用出版软件完成地图编辑与处理，出版软件不具有地理信息坐标基础，导致地理信息空间数据与地图表达割裂，造成后期数据维护更新困难[2]。

目前国内外专题地图编制相关技术研究较多，如注记自动配置技术[3-5]、基于特定模版的专题地图快速制作技术[6]、专题地图统计图表自动化设计[7]、地图要素自动选取[8]等，但这些技术研究相对零散，只涉及地图生产的某一环节，地图编制过程中的大量工作需要人工完成。为此，本文通过对专题统计数据与地理因子的自动匹配技术、地图设计专家知识模型库构建技术与专题统计图表一体化设计技术等关键技术开展研究，形成一套完备的专题地图一体化编制技术体系，并研发专题地图一体化编制软件，为相关专题图件产品的生产编制提供技术支撑，提升专题制图的效率，降低生产成本，提升地理信息保障服务能力和水平。

1 知识规则库

知识库属于知识工程的范畴，表现为可以存储于计算机中的结构化、组织化的互相联系的知识集群，本文将地图设计流程结构化与模型化，用信息化的语言描述地图设计和制作的各个过程，并构建地图编制流程专家知识库，实现地图编制过程的向导化与智能化[9]。本文构建的地图专家知识库内容包括制图数据库、符号色彩库、整饰知识库、注记知识库和地图模板库5部分。

1.1 制图数据库

地图制图综合是地图编制过程中的重要环节，自动综合技术仍是世界难题，基于大比例尺制图数据直接生成各个尺度的地理底图数据工作量大，难以实现[10]。

本文通过构建多尺度的制图数据库，一方面解决了传统地理空间数据管理分散的问题，方便制图数据快速获取及管理；另一方面通过建立面向居民地、水系、路网、地形地貌等主要制图要素自动选取模型与表达规则体系，以数据预处理的方式形成批量式的制图数据多尺度制图数据，解决了地理底图制图综合的问题，如图1所示。

图1 多尺度数据库构建

多尺度制图数据库建库包括1∶5万、1∶10万、1∶25万、1∶50万、1∶100万等基础比例尺，而专题制图往往需要结合制图区域范围、特点及生产需求选择制图数据比例尺，如1∶2.5万、1∶10万等[11]。本文构建制图比例尺知识库即出图比例尺范围与制图基本比例尺的对照关系(见表1)，结合专题图出图比例尺，动态地从多尺度数据库中快速地获取底图数据。

1.2 符号色彩知识库

地图符号是地图的语言，是表达空间数据的基本手段，是可视化表达地理信息内容的基础工具[12]，本文通过总结制图经验和人的视觉感受，构建了一套符号色彩知识库。地图底图符号根据不同比例尺的图式规范要求，分别对水系、交通、居民地、境界要素进行符号样式设计。采用冷色、暖色、常规3种色系对地理要素进行符号色彩设计，如图2所示。

表1 制图比例尺知识库

图2 符号色彩设计

专题符号色彩包括为底图做质地渲染的分级色彩和为专题图表谱色的单级色彩。单级色彩用于专题统计图中区别不同类别的专题要素。

分级色彩规则设计了不同分级数量的分级方案，用于表达数据不同的分布特征，根据制图经验，分级色系主要包括黄色色系、蓝色色系、绿色色系、紫色色系、青色色系5大色系，分级颜色规则数据库存储色系的分级色系的起始颜色CMYK值和分级类别。

1.3 地图整饰知识库

地图整饰知识库在专题地图输出阶段根据制图经验对专题图指北针、图例、比例尺、地图花边等整饰要素进行总结归纳，将整饰要素以制图表达的方式制作并存储于点要素类中，即整饰要素在空间数据库中以点要素存在，在地图上以相应的图形符号表现地图花边等要素，见表2。

表2 地图整饰知识库(部分)

1.4 注记知识库

地图的注记作为地图语言之一，是影响地图可读性、增进地图使用价值的一个重要因素，注记生成的自动化程度及注记质量直接影响地图编制效率和地图产品质量。地图注记配置过程是一种智能行为,在遵守制图规范的基础上,根据要标注的地物要素的实体特征和重要性级等确定地图注记的样式与布局[5]。根据不同的地理要素类注记生成的样式和布局(如注记大小、颜色、字体、位置等信息)，构建注记配置知识库，并以规则化的语言存储到知识库，见表3。

表3 注记规则知识库(部分)

同时注记生成过程中，需要考虑不同要素的重要程度，动态调整注记压盖的优先顺序，因此需要将不同要素的重要程序信息存储形成注记避让规则库，见表4。

1.5 地图模板

地图制图模板预先设计是加快专题底图制图过程的有效手段。结合专题制图可视化表达特点，设计相关的图件符号库；针对不同类型的专题图内容组织形式，包括数据图层、表达比例尺、图层组织顺序、图面整饰等，构建相应的地图制图模板，形成专题制图模板库[13]。实际应用中，依据制图的区域、比例尺、可视化风格等特点，直接匹配调用相应的地图模板，即可快速完成图件数据导入的准备工作。本文根据不同尺度度、不同风格分别制定了相应的模板。

表4 注记避让规则知识库(部分)

2 基于知识规则库的制图模型

2.1 地理底图制图模型

地理数据主要存储几何定位与属性信息，不涉及可视化时的符号信息。常规的地图制图软件建立在地理信息分类的基础上，采用分类信息将地理数据与表达符号关联，在制图综合过程中，当位置冲突需要移动要素时，只能改变原有要素的几何位置，导致制图信息与地理信息不完整，无法实现高质量的符号可视化表达[2]。本文基于制图表达技术构建了图库一体化的制图数据模型，即在不改变地理数据信息的原则下，将符号图形信息捆绑形成面向制图表达的数据结构与模型，实现数据的快速成图与高质量表达。制图表达方式的制图模型是在制图数据上建立规则字段，用于存储制图表达规则，利用GIS的覆盖功能实现地图制图的完整性和自由性。对于位置冲突，将制图表达转换为自由式表达，实现对单个要素的覆盖，而不改变要素的地理几何信息，从而实现基于单个要素地理要素的制图表达，可形式化描述为

RGISCR=DB[GIS]+DB[sysmolizeInfo]+DB[Rule]

式中，RGISCR表示制图表达；DB[GIS]表示地理空间数据库；DB[sysmolizeInfo]表示地图符号；DB[Rule]表示地图表达规则。

在此基础上，以一个地理数据库和一个符号系统为输入，通过自动符号化、冲突探测、地图综合等操作实现地理要素与符号表达间的关联和绑定(如图3所示)，根据地图制图规则、数据更新要求，设计数据分层编码、属性表结构、元数据、制图表达等相关标准，构建制图数据一体化存储管理模型。

图3 制图要素一体化表达模型

2.2 专题图表制图模型

传统的专题图表采用出版软件制作，出版软件不具有地理信息坐标基础，导致地理信息空间数据与地图表达割裂，破坏了地理信息数据完整性。地理信息数据在地图制图过程中发挥的作用日渐明显，地图与地理信息系统合二为一已经成为当前的发展趋势和技术主流，本文通过基于制图表达的图库一体化的制图数据模型[14]动态地将专题图表的符号信息捆绑形成面向制图表达的数据结构与模型存储于点要素类中，实现专题数据的快速成图与高质量表达。为了在一个点要素类中表现不同的专题图表(如饼图、条形图、柱状图、统计表格等)，本文采用自由式表达方式，实现对点要素的制图信息覆盖，而不改变要素的地理几何信息，从而实现基于要素类表现不同专题要素信息。专题图制作原理如下：

(1) 读取经过标准化处理后专题信息，在专题图表要素类中创建点要素，存储专题图表的地理位置，并将专题图表的大小、颜色、比例等信息以字符串方式存储在点要素的属性字段中。

(2) 对点要素创建制图表达点符号图层，根据专题图表符号样式信息绘制组成的图元(线图元、面图元、文字图元)。

(3) 将点要素制图规则类设置为自由式制图表达的规则。

3 专题图编制流程分析

制图数据库是在地理数据库的基础上用于专题制图的地图数据库，即在地理信息数据的基础上增加不同专题制图符号信息，同时引入制图综合选取规则、符号图形冲突处理模型形成多尺度表达模型[15]，并结合多种图件类型提供多套符号及制图模板体系。制图数据库的生成是实现专题图件快速制作的关键步骤，基于制图数据库可制作不同类型的图件[16]，专题图编制流程如图4所示。首先根据专题图出图范围、比例尺等，从制图数据库中获取数据，然后依据制图模板进行符号设计、图面编辑、图廓整饰设计、板式设计，专题图设计等，完成后检查人员进行地图冲突检查，图面有问题的需人工交互修改至没有错误，最后完成专题地图编制。

图4 专题图编辑流程

4 试验与讨论

为检验本文方法的有效性，以ArcGIS 10.1为GIS平台，采用VS2010+.NET开发专题图编制系统，进行试验样图编制。图5为利用专题图知识库和制图模型方法在系统中制作的四川省产业规模专题图，底图地理数据的编辑和专题统计图表制作均在软件平台中完成，其中专题统计图表存储于地理信息数据的点图层中，采用自由式制图表达展示专题图表符号，并且系统可对图表进行编辑，从而保证空间数据与地图表达完整性，满足了专题地图制图规范要求。

5 结 语

传统的专题图编制，地理底图处理阶段在GIS软件完成地图编辑，专题地图产品阶段采用出版软件完成地图编辑与处理，但是出版软件不具有地理信息坐标基础，导致地理信息空间数据与地图表达割裂，破坏了空间数据与专题图表数据的完整性。本文通过研究地图编制流程，将地图设计流程结构化与模型化，用信息化的语言描述地图设计和制作的各个过程，并构建地图编制流程专家知识库、制图知识库和制图模型，实现了专题图表符号制作和地理信息底图数据处理的平台统一。本文方法能够有效保证输出的专题地图在满足传统地图编辑审美要求的同时又保证地理信息数据的完整性，减少繁琐的人工编辑，提高制图效率，是未来地图制图工作的一个重要发展方向。

图5 四川省产业规模专题图