兼顾制图规范和实体规则的海图质量检测方法研究

李学芳,靖常峰

(北京建筑大学,北京 100044)

兼顾制图规范和实体规则的海图质量检测方法研究

李学芳∗,靖常峰

(北京建筑大学,北京 100044)

针对数字环境下的纸质海图生产,本文提出一种顾及海图实体规则和海图要素制图规范的海图要素质量检测方法,将海图要素按照其变化速度的特征,分为变化缓慢,变化频繁但有规律可循或有据可查和变化频繁且无规律可循几个类型,同时考虑要素本身规则和要素相互间的关系,探讨建立质量检测规则库的方法,为在数字环境下出版的纸质海图的质量检测和控制进行了有益的探索。

数字海图;质量检测;规则库;制图规范;实体规则;知识表示

1 引 言

信息技术的快速发展使得纸质海图出版技术及流程发生了较大改变,基于海图数据库的海图生产方式广泛应用,海图出版的质量检测方法和内容也从本质上发生了变化。

为有效控制海图质量,很多研究者对出版海图的质量控制方法进行了深入的研究。孙万民通过分析新概念下纸质海图生产的新方法、新手段和新流程,提出海图出版质量控制的关键环节,将控制途径分为生产流程质量控制,原图质量控制和图幅档案质量控制[1]。这一研究为海图质量控制定下了大的框架。在此基础上,李静分析了各个生产环节质量控制的宏观方法包括完善数据结构、减少生产流程、审查和校对、加强产品规范建设等[2]。与此同时,其他一些研究主要侧重于质量检测和控制过程中的特定某方面。例如王文山主要从制图人员成绩评价和激励方面,达到提高海图质量的目的[3],李汉荣主要从影响海洋测绘成果精度控制方面提高海图质量[4]等。

然而,在实际生产中,目前主要采用对比法进行检测,即把数字化后的数据用绘图机绘出,与原图叠合,选择明显地物点进行测量,以确定误差[5],计算机程序自动检测方法使用得不多,存在错漏较多、重复劳动、效率低下等缺点,亟需一种数字环境下利用检测程序及适当人工干预的海图质量检测控制方法的出现。

2 海图要素制图规范分析

数字海图要素种类繁多,属性丰富,其对应的现实世界实体变化特征各不相同,要素制图规范复杂,因此需要对其进行全面透彻的分析,才能制定正确合理检测方法。

2.1 数字海图要素及其制图特征的分析

依据《数字海图要素代码》规定,海图要素主要分为控制点,磁要素,自然地理要素,人工地物,陆地方位物,港口,潮汐和海流,深度,底质,礁石、沉船、障碍物,近海设施,航道,区域界线,助航标志类,廓整饰要素及其他等类别。对《中国海图图式》(GB 12319-1998)、《中国航海图编绘规范》(GB 12320-1998)、《数字海图数据字典》和《数字海图生产管理规定》等海图制图规范进行研究分析,各类海图要素制图变化特征及制图规范总结如下:

(1)控制点

①作为一种定位基础,控制点的特点是其固定不变性。

②依制图规范,在比例尺大于1∶300万海图上表示有航行方位意义的山头和岛顶上的控制点和高程点。

③控制点在图上用圈形符号或独立地物符号(若控制点是独立地物)表示。

(2)磁要素

①磁要素中除局部的磁差年变率会发生异常外,地磁场具有长期变化,不易发生改变。磁偏角随地区的不同而不同,它的变化半周期约为250 a,可见磁要素是与地理位置相关的一种要素。

②磁差在大于1∶200万比例尺的图上用方位圈符号加磁北线、磁差和年差值注记的形式表示,在1∶200万及更小比例尺图上以等磁差线表示。磁力异常区在各种比例尺海图上均要表示。一般以局部磁力异常区表示。

(3)自然地理要素

①相对于海图制图周期,海岸线的变化是缓慢的,其侵蚀后退、整体后移或堆积速度等都是以a为单位计算的。同时,受限于海岸线测量周期,也不可能十分频繁地更改海岸线数据。

②与海岸线类似,海滩地貌的变化也是一个渐变、可微的过程。

③河流、湖泊的位置、形状等均由岸线决定,而河岸线、湖岸线与海岸线具有相似性就决定了河流、湖泊的变化与海岸线类似。

④运河、沟渠不容易发生变化,即使发生了变化,如新建、改变、拆除等,较容易测量。

⑤依海图图式,海岸线以蓝色线状符号表示。

⑥依海图规范,各种比例尺都应详细准确地表示海岸线,在大于1∶20万图上区分实测和草绘岸线。

⑦依照海图制图规范,地貌要素主要以等高线,高程点及其他地貌符号如陡石山,沙地符号表示。比例尺大于50万图上一般都使用等高线表示地貌,基本等高距依比例尺有相应的规定。

⑧瀑布用有向线表示。

⑨依海图规范,各种比例尺图上应表示较大的通海河流以及较大的运河、沟渠、湖泊,宽于0.4 mm的河流绘双线,有些河流仅在入海口处绘出河口。

(4)人工地物

①相对来说,单体建筑由于其特定用途或公众服务性质,不易变动,对其变化也容易进行测量和搜集信息;建筑群区的变化频繁且无规律可循。

②总体上,公路、铁路、飞机场都是不易发生变化的,只有等级较低的小路有可能会消失,等级较高的主干道、高速公路以及铁路、机场不可能消失,只有可能拓宽或者新建,且对于新建公路、铁路、飞机场的信息搜集和测量都十分容易。

③依海图制图规范,各种比例尺图上一般只表示沿海距岸150 mm范围内的居民地。1∶10万图上选取镇级以上居民地、重要的村和有航行方位意义的独立房屋。居民地依比例表示或者依圈形符号表示及其选取都有依比例尺的相应的规定。

④在各种比例尺图上均应表示已建成的铁路和公路。以1∶10万,1∶20万和1∶50万为分界点,在各比例尺区间表示不同重要程度的道路。在比例尺大于1∶20万的图上表示海岸附近的飞机场。

(5)陆地方位物

①陆地方位物的变化一般没有规律可循,尤其像独立树丛这类的现实世界实体。

②比例尺大于1∶20万图上详细表示陆地方位物,1∶50万及更小比例尺图上一般不表示。1∶20万～1∶49万图上摘要表示沿岸较显著建筑物。陆地方位物尽量用符号表示,无符号的用圈形符号加类别名称注记表示,一般是定点符号。

(6)港口

港口大类中的各项,即一般水工建筑,港口设施,管理与服务设施变化有据可查,容易获得其变化信息。

(7)潮汐和海流

①洋流是永久性或者季节性的海水水平流动,流速和流向都比较稳定;海流是大规模海水沿一定方向的水平流动,变化较为频繁。

②潮汐和海流在我国海图上以潮信表,潮流表,潮流图以及潮流和海流的概略符号表示。

③由要素本身多变的特点决定了潮汐和海流的表示是概略性的。潮信表为航海人员提供潮汐基本情况,可用于概略地推算海区的潮时、潮高,潮流表和潮流图类似。表示潮流和海流的涨潮流,落潮流,海流,洋流,急流和漩涡等符号的范围和位置都是大概的。只有列有潮流资料的地点一项是定点型的符号。

④对于潮汐和海流要素,用计算机实现其质量检测是简易可行的,只需与验潮站等相关部门提供的准确资料对比即可。

(8)深度

①扫测区和疏浚区的位置和相关信息较容易从海事部门获得。深度的变化没有规律,等深线的位置也是没有固定坐标概略位置,但深度和水深点的位置有关,可基于此进行海图质量的检测。

②在海图上深度以水深注记,等深线,区域界线(疏浚区界线,扫海区界线等)表示。

(9)底质

①除了一部分要素,如沙纹的不稳定性,大多数底质是稳定、不容易变动的。

②底质在海图中以底质注记,如“沙”、“泥”、“粘土”、“淤泥”、“石”、“砺”、“珊”、“贝”等,还有概略性的范围符号表示海草和沙纹的分布范围。干出滩的表示是较为精确的范围表示方法。另外,用特定的形容词性注记(包括英文注记)表示底质更详细的性质,如“细”表示细沙,“碎”,“软”等。

(10)礁石、沉船、障碍物

礁石是较稳定的,随着海底探测的发展可能会发现新的礁石;沉船变化较无规律性,新船的事故或对旧沉船的打捞可能会引起其变化;障碍物中的捕鱼设备会随着季节的变化而变化,海水养殖场、紊流较不易发生改变。

(11)近海设施

①近海设施是较为固定的要素。

②海底电缆区,电力线区,油、气管道区的表示是将上图中海底电缆和油、气管道符号成组表示。

(12)航道

作为一种以中心线定位的实体,即使航道边界或底质可能发生缓慢的变化,其自身的位置和延伸不易发生变化。

(13)区域界线

很多区域界线是完全固定的,如国界,国际日期变更线,领海基线,专属经济区界线,海关界线等。部分区域界线的变更一般可从相关海事管理部门得到相关信息。

(14)助航标之类

所有航标都是统一入库,统一管理,它就像控制点一样,具有专门的建库、管理和维护机制,利用相关部门的航标信息即可进行海图航标质量检测。

(15)服务设施

①服务设施的变化一定是可以容易地获得其信息,进行更新。

②服务设施一般以定点符号加注记表示。(16)图廓整饰要素

该类要素是完全固定不变、有特定格式的。

2.2 适用于不同要素的质量检测方法

由上述分析,可对海图要素进行如下归类:

(1)变化缓慢的:控制点,磁要素,自然地理要素,底质,礁石,近海设施,航道,区域界线中的国界、领海线基线等,各种助航标志,图廓整饰要素;

(2)变化较频繁但有规律可循或有据可查的:人工地物中除居民地的要素,港口,潮汐和海流,深度,障碍物,区域界线中的受限区域等,服务设施;

(3)变化较频繁又无规律可循的:人工地物中的居民地,陆地方位物,沉船。

不同变化特征的要素,其更新速度、人工编辑频繁程度不同,进而影响到其容易出现的错误类型以及针对错误类型而进行的质量检测。对不容易发生变化、较稳定的要素,检测主要侧重于该要素是否应该表示以及其表示的正确性;对容易发生变化的要素,则还需要更多的检测它与周围要素的关系是否正确等等。

3 实体规则

本文所指的实体,是现实世界实际存在的,或是具体存在的(如一个信标)或规定存在(如锚地)物体对应的海图图面要素。客观世界实体可以划分为有限的一些类别,如灯标、沉船、建筑群区等。可以赋给它一系列属性并为这些属性赋值来精确地描述。一个特定的客观世界实体通过描述适当的特征类、属性和属性值来编码。例如,一个红色侧标可以编码为:物标类:侧面浮标;属性:彩色;属性值:红色。规则,则是指一定的典式,法则和规律。

本文所指的实体规则,是指数字海图所抽象、表达的客观世界实体所具备的自然规则,即对海图上表示的、无论是具体存在还是规定存在的海事实体,它们所应具备的一般性规律。举例来说,桥梁符号只能位于河流上,点状要素的注记仅应该存在于以点状要素为圆心的一系列同心圆上。

4 兼顾制图规范和实体规则质量检测规则库的建立

建立质量检测规则库,主要是基于制图规范及实体规则的分析研究基础上,针对要素的有无、要素自身的表示、要素之间的关系等检测内容,形成一套海图质量检检测的知识,并将其转化为计算机的动作,实现数字化检测代替或辅助作业员检测。

基于上述研究分析,将质量检测规则库进一步细分为信息库和规则库。

4.1 信息库建立

信息库主要描述各种海图要素、要素制图规范、实体规则、检测结果等对象信息,重点考虑海图要素图面表达方面常出现的错误。某一特定海图要素和其实体规则、制图规范甚至检测结果之间的对应关系通过外键进行关联。信息库以表格形式将其存储在数据库里,各字段表示该知识的属性。以等深线信息库表格设计为例,如表1所示。

4.2 规则库建立

规则库则描述如何通过已知的图上要素推出质量检测结果。规则库的设计主要考虑海图要素属性、分布、拓扑关系、逻辑一致性等方面的错误。例如对于一条河流,信息库记录构成河流的国标码,控制点坐标串以及河流线型和颜色;规则库则需要建立它与相关其他要素的拓扑和其余各方面关系,如跨过此条河流的某座等级较高的桥梁,它们两者的中心线就必须重合或平行,若不平行或桥梁完全不在河流上,就可能发生了错误。因此,建立规则库需要增加某些为检测错误必须的条件性字段,首先将这些规则以一定形式存储/更新/维护,再定义由规则推导质量检测结论的方法。

表1 信息库中等深线制图规范组成信息表各字段设计

规则的描述最终是以规则库中一条条物理记录来实现的,一条规则有时需要用多条记录来描述,规则越复杂,相应的记录就越多。以等深线质量检测结论“等深线勾绘错误”为例来说明,如表2所示。

表2 推导质量检测结论“等深线勾绘错误”的规则

有3种方法可以推出结论“等深线勾绘错误”。

第一种方法 根据《中国航海图编绘规范》在大于1∶100万比例尺图上未表示基本等深线20 m等深线;

第二种方法 等深线本身水深值与等深线两侧buffer覆盖的水深值相比较,不是处于二者之间;

这种方法是两个并列规则,即等深线左侧buffer覆盖下的水深值和右侧buffer覆盖下的水深值与等深线本身水深值比较,一侧的所有水深值应小于等深线水深值,一侧所有水深值应大于等深线水深值,两个条件中有一个不满足,就说明等深线勾绘错误。

第三种方法 等深线未闭合(等深线首尾坐标的位置不一致)且与相邻等深线的距离不小于1 mm。这种方法也是两个并列规则,与第二种方法不同的是,它必须两个条件都满足。即等深线首先必须是未闭合的,其次等深线断开处的点与其相邻等深线的距离大于1 mm,两个条件同时成立。

5 结 论

本文分大类深入剖析了数字海图要素的属性、图式、实体规律、变化特征等各个方面,并依要素变化特征将海图要素分为变化缓慢的、变化频繁但有规律可循的、变化频繁且无规律可循的三类,同时考虑海图要素自身规律和要素相互之间的关系,为利用规则库检测不同类别要素的质量打下基础。同时提出了基于制图规范和实体规则的质量检测规则库的建立方法。

[1] 孙万民,孙群,肖强.海图出版质量控制技术途径分析[J].海洋测绘,2002,22(4).

[2] 李静,孙万民.数字海图生产技术体系与质量控制过程分析[J].海洋测绘,2007,27(1).

[3] 王文山.浅谈海图质量管理的创新[A].中国测绘学会第十五届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C].2003.

[4] 李汉荣,甄洪排,于金星.海洋测绘数字海图成果的质量控制[A].中国测绘学会第十六届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C].2004.

[5] GB 12319-1998.中国海图图式[S].

[6] GB 12320-1998.中国航海图编绘规范[S].

[7] 李树军.“数字海图质量检测与评估系统”设计方法探讨[J].海洋测绘,2001(3).

[8] 孙万民,凌勇,孙群.减少由数据库生成纸海图的冗余环节[J].海洋测绘,2001(3).

[9] 孙万民,孙群,张保明,申家双等.海图出版质量检测系统的设计与实现[J].海洋测绘,2004,24(3).

[10] 刘振全,王文山.地理信息系统数据质量及其控制的初步研究[A].中国测绘学会第十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C].2005

[11] 孙万民,元胜建.实现MicroStation环境下的海图生产数据质量控制[A].中国测绘学会第十六届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C].2004.

[12] 李晓明.基于标准库的数字海图质量检测方法研究[D].武汉:武汉大学,2007.

Research on the Methods of Quality Inspection for Published Charts Based on Cartographic Specifications and Entity Rules

Li Xuefang,Jing Changfeng
(Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)

Aiming at the production of paper charts in digital environment,a new quality inspection method based on cartographic specifications and entity rules is put forward in this paper.maritime features are classified into three categories according to their changing features:low changing speed,fast changing speed with regulations,fast changing speed without regulations.At the same time,rules of each feature and its relationships with some other features are analyzed,to discuss how to establish quality inspection rule base,paper chart’s quality inspection and control has carried on the beneficial exploration.

digital nautical charts;quality inspection;rule database;cartographic specification;entity rule;knowledge representation

2014—03—12

李学芳(1982—),女,硕士研究生,主要从事多源空间数据整理、质量检查研究。

“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ14B03);北京市自然科学基金资助项目(8122017)。