多尺度城市地形图数据建库研究

张保钢,杨伯钢

(北京市测绘设计研究院,北京 100038)

多尺度城市地形图数据建库研究

张保钢,杨伯钢

(北京市测绘设计研究院,北京 100038)

分析多尺度城市地形图的特点,对城市地形图要素进行分类,并将城市地形图要素制图综合归纳为 3类映射共 19种变化。提出多尺度城市地形图建库、联动更新和可视化的思路。最后通过相邻尺度城市地形图数据的“基态”、“增量”组织方法,实现了多尺度城市地形图数据的组织。简述多尺度城市地形图的联动更新及可视化方法。

多尺度;城市地形图;建库;制图综合;映射;数据组织

改革开放 30多年来,我国广大城市地区发生了很大变化。随着国家加快城镇化建设政策的实行,今后若干年我国广大城市地区仍将高速发展。与此相适应,城市地形图的更新速度也在加快,如北京市 1∶500、1∶2 000、1∶10 000地形图的更新周期已由 2、3、4、8年提升为 0.5、1、1、4年。上海市也实现了类似的提升。天津市更是走在了前头,实现了地形图的实时更新。由于财力和地形图的用途不同,同一区域的地形图存在多个尺度,如城市地形图系列就有 1∶500、1∶2 000、1∶5 000和 1∶10 000多个尺度。它们量测了同一个客观世界,只是量测的尺度不同。本文试图建立同一地区多尺度的城市地形图数据库,尽可能地节约数据采集、加工、存储成本,保持各尺度地形图数据的一致性,实现相邻尺度的城市地形图数据联动更新和可视化。

一、多尺度城市地形图的特点

多尺度城市地形图具有以下特点:

1)空间范围相同或具有包含关系。对指定城市而言,各尺度地形图覆盖相同的城市空间范围,或较小比例尺地形图覆盖范围包括较大比例尺地形图覆盖范围。一般说来,较大比例尺地形图覆盖的城市范围较小,如城市的中心区或规划市区,较小比例尺地形图覆盖的城市范围较大,如城市的规划市区或全市域等。

2)更新周期与比例尺成反向关系。各城市地形图的更新周期随其经济发展情况等因素不尽相同。对指定城市而言,一般比例尺越大,覆盖范围越小,更新周期越短;相反比例尺越小,覆盖范围越大,更新周期越长。

3)地形图要素分类逐步趋于统一。在《基础地理信息要素分类与代码》(GB/T 13923—2006)[1]发布以前,各尺度地形图要素的分类不统一,如1∶2 000～1∶500比例尺地形图是一个分类代码, 1∶10 000～1∶5 000比例尺又是一个分类代码,国土基础信息数据还有另外一个分类代码,由此造成各尺度地形图的要素分类与可视化表达不统一,难以实现各尺度地形图的统一建库、更新及可视化表达。《基础地理信息要素分类与代码》(GB/T 13923—2006)统一了不同尺度地形图的分类代码,一些地方标准如北京市的各尺度地形图分类编码尚存在不同情况,但总的趋势是分类代码统一。

4)表示内容有详略之分,表示方法成系列。不论城市地形图位于何处、什么尺度,其内容均包括定位基础、水系、居民地,以及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质八大要素。表示内容的详略程度有所不同,比例尺越大,表示内容越详细;比例尺越小,表示内容越概略。地形图的表示方法均采用地图符号和注记。相邻尺度的地形图之间如 1∶2 000～1∶500采用同一种图式,1∶10 000～1∶5 000采用同一种图式。这两种相邻尺度区间图式的各对应符号间有对应关系,一些符号基本相同或可进行转换。

二、城市地形图上地理实体的分类及其在不同尺度地形图上的映射关系

根据地理实体的几何特征,城市地形图要素可分为点、线、面状地理实体,地图注记以及制图辅助线几种。其中线状地理实体可以划分为:由于实体间空间关系冲突移位的线如跳绘的境界线,依比例尺表示宽度的线状地理实体和其他地理实体。根据文献[2-3],设较大比例尺到相邻较小比例尺地理实体的映射为 f:E→E′,其中 E={e},E′={e′}。对于 f根据自变元与映像的关系分为:

1)1-1映射:e’=f1(e)。当 f1(e)=NULL(空映像)时,表示 e在新尺度下综合中被删除;当f1(NULL)≠NULL时,表示在新尺度下增加了新的地理实体;当 f1(e)≠NULL时,映像 e′保持目标的独立性与完整性,经过简化后,e与 e′存在几何特征或属性特征的差别。对地形图来说仅存在几何特征的差别。1-1映射的结果伴随着不同尺度地形图上的如下变化:①点、线、面状地理实体没有发生变化;②新增了点、线、面状地理实体;③点状地理实体被移位;④依比例尺表示宽度的线状地理实体映射为不依比例尺表示宽度的线状地理实体;⑤对不依比例尺表示宽度的线状地理实体的形状进行了化简;⑥对线状地理实体进行了移位;⑦面状地理实体映射为点;⑧面状地理实体映射为线;⑨对面状地理实体的形状进行了化简;⑩制图辅助线被删除;○11新增地图注记;○12地图注记被移位;○13点、线、面状地理实体或地图注记被删除。

2)n-1映射:e′=f2(e1,e1,…,en)。表现为多目标的聚合,根据聚合的层次关系,又可分为 IS-A层次关系目标的聚合(同质聚合)和 PART-OF层次关系目标的聚合(异质聚合),在常规综合算子中一般将前者称为融合 (amalgamation),后者称为聚合(aggregation)。地形图综合仅存在同质聚合或融合。n-1映射的结果伴随着不同尺度地形图上的如下变化:①多个线状地物合并为一个线状地物并化简;②多个线状地物合并为一个线状地物并化简移位;③多个面状地物合并为一个面状地物并化简。

3)n-m映射:(e′1,e′2,…,e′m)=f3(e1,e1,…,en)表现为群结构、网络机构多目标的综合映射,如群点的重采样、街道网化简、河系树化简、岛屿群的化简等。参与映射的 n个实体具有空间相关性或语义相关性,组成较高层次的符合目标,从另一个角度可以视为复合目标的 1-1映射,但此时的目标与前面讨论的目标不在同一水平,将其定义为 1-1映射更合适。N-m映射的结果伴随着不同尺度地形图上的如下变化:①多个群分布的点状地理实体变换为群分布的点状地理实体,如测量控制点、高程点;②多个群分布的线状地理实体变换为群分布的线状地理实体,如街道网化简、河系树化简;③多个群分布的面状地理实体变换为群分布的面状地理实体,如街区的分割合并、湖泊群的分割合并等。

三、相邻尺度城市地形图数据的建库、更新、可视化思路

为满足不同空间分辨率范围层次用户的需要,测绘工作者测绘了不同尺度的地形图,由此分别建立了不同尺度的地形图数据库,并分别进行更新和可视化。对于不同尺度的城市地形图,分别进行建库、更新和可视化表达是最简便的方法。但与之相伴的是同一地理实体的多重采集、重复存储和多重表达问题,导致大量的人力物力耗费。如果只建立一个较大比例尺地形图数据库,能自动综合生成各级尺度地形图数据库,实现各尺度地形图的联动更新,并自动生成不同尺度的地形图信息自然是最理想的了。但由于地物变化的自动发现与获取问题、自动制图综合问题、大尺度比小比例尺地形图成图范围小问题等未能很好解决,实现多尺度地形图数据库自动的一体化建库、更新及可视化还不现实。介于二者之间,本文提出一种相邻尺度城市地形图数据建库、联动更新、可视化的方法。其基本思想是:①建立较大比例尺地形图数据库,以及与之相邻较小尺度地形图增量数据库,实现相邻尺度城市地形图数据建库;②建立同一地理实体在相邻尺度地形图上不同表示方法的对应关系,实现通过更新较大比例尺地形图联动更新相应区域的较小比例尺地形图;③建立同一地理实体在不同尺度地形图上的可视化图形对照表,实现多尺度地形图数据的可视化。

四、多尺度城市地形图数据的组织方法

文献[4]提出了多尺度空间数据库数据量压缩的技术策略:①只存储变化的数据部分,取代完整的数据存储;②识别关键变化部分,过滤无关紧要的细小变化;③通过几何图形渐变函数导出新尺度下的数据表达。参照时空数据库的基态增量存储模型,在进行多尺度地形图数据建库时考虑建设一个基态库、一个增量库和一个不同尺度地形图数据库映射表。通过基态库、增量库和相邻不同尺度地形图数据库映射表及相关制图综合程序生成目标库。基态库是原始的较大比例尺地形图数据库,目标库是与基态库相邻尺度较小比例尺地形图数据库,增量库是目标库与基态库不同地理实体或同一地理实体不同表达方式的数据集。不同尺度地形图数据库映射表反映了各地理实体在不同尺度地形图上的映射关系。

基态库的结构及数据组织方式同单尺度版本地形图数据库,增量库是映射后表现形式发生变化的地理实体数据集结果。相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表的结构形式见表 1。

表 1 相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表

表 1中初始关键字或映射后的关键字定义为“尺度编号 +层名 +顺序号”,尺度编号是比例尺信息,如 1代表 1∶500,2代表 1∶1 000,3代表 1∶2 000,等等,层名是地理实体所属数据层名,一般由语义名加几何特征名构成,如“RiverPy”代表河流面层,顺序号是地理实体在图层中的顺序编号,是一系列自然数。映射类型是本文第三部分所列 19种类型中的一种。综合方式有两种:考虑到目前制图综合技术现状,19种类型中第④、⑤、⑦、⑧、⑨类型采用计算机程序自动制图综合完成,其他类型的制图综合通过人机交互制图综合完成,结果存在增量库中。对于第④、⑤、⑦、⑧、⑨种类型的制图综合,分别编制线、面状地理实体中心线提取程序,线状地理实体化简(或数据压缩)程序,面状地理实体质心提取程序,面状地理实体的形状化简 (或数据压缩)程序,可对相应类型的基态数据进行制图综合处理,生成相邻较小尺度城市地形图相应几何特征类型数据。程序生成的这类目标地形图增量数据也写入上文的增量库中。目标库中的全部地理实体应为:删除基态库中相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表中“映射后关键字”字段内容为空的地理实体,增加基态库中的全部地理实体。

当建库地形图系列尺度不止两个相邻尺度时,可将生成的较小比例尺地形图数据库目标库作为新基态库,再组织新基态库与新目标库间的新增量库和新的相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表,按上述方法生成新的目标库。再有更新的目标库时以此类推。此方法的缺点是各尺度之间必须是相邻的,即使不需要实用相邻尺度数据也要用相邻尺度数据导出,其优点是如此组织数据可大大降低数据量[4],非常适合于国家或地方基础测绘和基础地理信息管理部门使用。

五、多尺度城市地形图数据的联动更新与可视化

当基态库中某个地理实体发生变化时,可通过相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表或该地理实体的空间范围找到增量库中对应目标(若增量库找不到相应目标,说明增量库无须更新),对其进行手动或自动化编辑,保持与基态库数据一致性。若在基态库中增加了新的地理实体时,根据制图综合理论,确定相邻较小比例尺地形图数据库中是否增加该地理实体数据,若需增加,则在增量库中按上文的 19种变化对应增加相应地理实体,并在相邻不同尺度地形图数据库地理实体映射表中记录该地理实体的映射结果。由此实现了相邻尺度城市地形图数据的联动更新。

多尺度城市地形图数据的可视化与单尺度城市地形图数据的可视化方法相同,只是首先要生成多尺度城市地形图数据 (这里是骨架数据),建立相应尺度的符号库(如果相邻尺度地形图使用相同图式,仅需建立一个符号库,若使用不同的图式,则需建立两个符号库),调用相应可视化程序,实现多尺度城市地形图数据的可视化。对于地形图各地理实体间空间关系冲突的处理问题,限于篇幅,本文不再赘述。

六、结束语

本文首先分析了多尺度城市地形图的特点:空间范围相同或具有包含关系,更新周期与比例尺成反向关系,地形图要素分类逐步趋于统一,表示内容有详略之分,表示方法成系列。根据地理实体的几何特征,对城市地形图要素进行了分类,并将城市地形图要素制图综合归纳为 3类映射共 19种变化。提出了多尺度城市地形图建库、联动更新和可视化的思路:①建立较大比例尺地形图数据库,以及与之相邻的较小尺度地形图增量数据库,实现相邻尺度城市地形图数据建库;②建立同一地理实体在相邻尺度地形图上不同表示方法的对应关系,实现通过更新较大比例尺地形图联动更新相应区域较小比例尺地形图;③建立同一地理实体在不同尺度地形图上可视化图形对照表,实现多尺度地形图数据的可视化。最后通过相邻尺度城市地形图数据的“基态”、“增量”组织方法,实现了多尺度城市地形图数据的组织。简述了多尺度城市地形图的联动更新及可视化方法,可供多尺度地形图数据建库及更新参考使用,为相邻尺度的地形图综合提供了数据准备和综合方法。

[1] 国家测绘局.GB/T 13923—2006基础地理信息要素分类与代码[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2] 艾廷华.基于空间映射观念的地图综合概念模式[J].测绘学报,2003,32(1):87-92.

[3] 王艳慧,李小娟,刘晓萌.路网要素多尺度表达目标的层次关系分析[J].中国图象图形学报,2007,12(8): 1451-1456.

[4] 艾廷华,成建国.对空间数据多尺度表达有关问题的思考[J].武汉大学学报:信息科学版,2005,30(5): 377-382.

[5] 章莉萍,郭庆胜,孙艳.相邻比例尺地形图之间居民地要素匹配方法研究[J].武汉大学学报:信息科学版, 2008,33(6):604-607.

[6] 毋河海.地图信息自动综合基本问题研究[J].武汉测绘科技大学学报,2000,25(5):377-386.

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Study of Construction of Urban M ulti-scale TopographicMap Database

ZHANGBaogang,YANGBogang

0494-0911(2010)09-0012-03

P208

B

2010-04-19

地理空间信息工程国家测绘局重点实验室开放基金资助项目(200908)

张保钢(1965—),男,河北冀州人,教授级高级工程师,主要从事地理信息系统方面的研究与开发工作。