一种地图跨媒介出版数据模型

汶建龙，杨春成，符浩军，岳志兰

1.西安测绘总站，陕西 西安710054；2.西安测绘研究所，陕西 西安710054

1 引 言

随着新媒介的出现，为了提高空间信息传播的效率，进一步拓展空间信息服务的空间，目前基于同一空间数据在不同传播媒介上出版的方式已非常普遍。但由于不同地图出版在设计、制作流程以及软硬件环境等方面存在的差异，导致同一空间数据跨不同媒介出版的地图视觉表达效果很难统一［1］。例如，1∶10 000的纸质地形图与利用同一空间数据制作的电子地图［2］以及网络地图［3］就很难实现视觉表达效果的完全统一。为了解决该问题，节约地图跨媒介出版的成本，增加媒介之间资源和能力的交流与互动，实现媒介资源的最大化利用和配置，从而更全面、更快捷、更有效地发挥地图产品的空间信息服务功能，这里提出地图跨媒介出版的概念。

地图跨媒介出版是指用于出版的地图数据无须再作进一步处理，便可输出到不同媒介上，满足用户的不同需求。当然，地图跨媒介出版不仅仅要针对平面媒介、磁光媒介和网络媒介上的地图视觉表达效果统一问题，还应考虑到在上述每一种类型媒介下，输出到不同条件媒介上的地图视觉表达效果统一问题。例如，类似CAD模式下的磁光媒介地图与GIS应用环境下的磁光媒介地图间的视觉表达效果统一问题等。这就要求构建的地图跨媒介出版数据模型不仅仅能满足跨媒介出版时地图显示内容的共享，还要解决制图信息、地理空间信息以及印刷出版信息间的融合问题。

2 现有的地图数据模型分析

目前，国内外能够见到的地图数据概括起来主要有4种类型：①通用图形类软件的数据［4－6］，如EPS、PDF等，这类数据主要是一些通用的图形或图像格式，不具备地图矢量数据（空间数据）的要求，也没有存储地理属性的结构；②基础制图类软件的数据［7］，如MapGIS数据等，这类数据虽然内容更专业，精度更可靠，但同样也只是图形数据，不能直接充当空间数据来使用；③数字地图生产与管理软件的数据［8－10］，如 ArcGIS数据等，这类数据属典型的地理空间数据，其很少顾及地图印刷出版的特殊要求；④一体化数字制图系统的数据，如1∶25万协同图数字制图系统的数据［11－12］，此类数据不仅可用于纸质地图的生产，还可用于地理信息的建库。但这类数据还没有完全在模型上解决地理信息及其可视化的矛盾。真正用于纸质地图出版的数据和用于建库的数据并非同一组数据，而是在一体化生产流程中两个不同阶段所得到的数据［11］。

可以看出，上述每一种数据都只是侧重于制图信息、地理空间信息以及印刷出版信息中的某些方面，没有哪种类型数据可同时包含上述3个方面的信息。目前所有地图数据概括起来主要包含两种数据模型：一是面向制图的地图数据模型，该模型更突出地图要素的符号化表达，且表达效果要求必须遵循测绘领域的制图规范和图式。因此，为了尽可能从图面效果上反映更多的空间信息，就必然会出现割裂要素对象几何与属性信息的完整性等不足。二是面向GIS分析的地图数据模型，该模型更强调要素对象的完整性，从而为海量空间信息的检索与分析等应用创造条件。然而，在地理实体可视化的过程中，为了保证地理实体的完整性，这又很难满足制图规范和图式的要求。因此，构建一个既能面向平面媒介出版印刷地图又能面向磁光媒介和网络媒介出版GIS地图的地图数据模型就显得非常必要。

3 基于PDF规范的地图跨媒介出版数据模型设计

考虑到PDF文档完全独立于最初创建该页面的原始应用程序和计算机平台，而且正确生成的PDF文档能包含在屏幕上显示以及在打印机、照排机或直接制版机上输出所需的全部数据信息［13］，因此，为了达到地图跨媒介出版的需求，这里提出了基于PDF规范的地图跨媒介出版数据模型（CMPGeoPDF数据模型）。但PDF文档最初是由打印语言PostScript发展而来，更侧重于描述打印及显示效果，而非侧重于对文档数据的保存、访问与编辑功能。因此普通PDF文档中的字符、图形、图片等内容对象的存储往往是孤立的、分散的，甚至是不按逻辑顺序存储的。这便使得普通PDF文档很难具备良好的交互性。而基于PDF规范的地图跨媒介出版数据模型则是要使文档中的各个内容对象（包括字符、图形、图片等）“活”起来，既能孤立存储又能与其他内容对象发生关联，达到既能分散存储又能集成管理的目的，这样才能够面向电子或网络媒介出版时实现要素分层显示、属性查询和量算等GIS功能。因此，基于PDF规范高效地实现制图信息、地理空间信息以及印刷出版信息的融合就成为CMPGeoPDF数据模型设计的关键。

3.1 要素对象编码设计

为了方便对要素对象的管理，这里为CMPGeoPDF地图中的每一个地理目标都设计一个编码，且这个编码是唯一的。编码结构采用“要素主码＋要素副码＋要素几何类型标识＋同一类型下要素排列序号”的形式来确定。其中要素主码和要素副码均严格按照相关标准来确定。要素类型主要包括点、线、面和注记4类。同一类型下要素排列序号是指根据主码＋副码＋要素几何类型标识的分类形式对一类要素在全图范围内进行统计后，某一个要素目标在该统计结果中所处的位置。如图1所示，“14030720001”是某条省道要素目标编码，其中“140”为主码表示交通，“307”为副码表示省道，“2”为要素类型表示线状要素，“0001”为序号表示在省道要素线状目标集合中的位置是1。

图1 CMPGeoPDF要素对象编码结构图Fig.1 Chart of code structure for feature object in CMPGeoPDF map

3.2 要素对象结构设计

CMPGeoPDF数据模型中的要素对象由几何定位信息模块、属性信息模块、符号化表达信息模块和辅助制图信息模块来构成。符号化表达信息模块和辅助制图信息模块共同承担着反映制图表达效果的作用。属性信息模块和几何定位信息模块则是对地理空间数据的反映。

结合 PDF相关规范［14－18］，假设存在一个要素对象，其编码为i，如果以i作为标识内容对象的类型，则可以唯一定义一个标识内容对象，要素对象的几何定位信息即可通过标识内容对象中所描述的图形化内容来确定，如图2所示，即为类型是“16020120184”的标识内容对象结构情况，其结构内部定义了编码为“16020120184”的要素对象的几何定位信息；如果以i作为逻辑结构对象的类型，则可以唯一定义一个逻辑结构对象，要素对象所包含属性信息即可通过逻辑结构元素对象中的用户属性对象来确定，如图3所示，即为类型是“14030720018”的结构元素对象结构情况，其结构内部定义了编码为“14030720018”的要素对象的属性信息；如果以i作为可选内容对象的类型，则可以唯一定义一个可选内容对象，要素对象的制图表达信息即可通过可选内容对象中描述的图形化内容来确定，如图4所示，即为类型是“14030720018”的可选内容对象结构情况，其结构内部定义了编码为“14030720018”的要素对象的制图表达信息。上述的制图表达信息之所以强调还包含几何定位信息，主要是考虑到某些要素符号化后，其部分图形化内容本身就可以反映要素的几何定位信息，如等高线要素等。因此，为了节省存储空间，标识内容对象中反映几何定位信息的描述内容完全可以用这部分描述内容来取代，此时几何定位信息在构成地理空间信息的同时也充当着制图表达信息的部分角色。如图5所示，这样所建立的要素对象就可以将原本孤立、分散的制图描述内容和地理空间描述内容有机结合起来。

图2 标识内容对象结构情况Fig.2 Structure of mark content object

图3 结构元素对象结构情况Fig.3 Structure of structure element object

图4 可选内容对象结构情况Fig.4 Structure of optional content object

图5 要素对象描述结构Fig.5 Descriptive structure of feature object

3.3 要素分层结构设计

CMPGeoPDF数据模型既然是用于实现地图跨媒介出版，那么地图内容就应该具备类似GIS或电子地图一样的分类分级条件［19］。GIS数据一般都会有3个水平上的层次结构：要素层、目标层和几何细节层。要素是具有相同语义特征的目标集。目标是具有独立地理意义的表达实体，是组成要素层的基本单位。几何细节是几何表达上划分的结构体，是构成目标层的基本单位［20］。

为了使CMPGeoPDF数据具备类似GIS数据分层管理的功能，这里提出了要素分层对象的概念。要素分层对象就是以要素对象为单位进行分层管理的对象。在CMPGeoPDF数据中，要素分层对象的描述需要以要素对象编码为基础，采用主码层、副码层以及要素对象层3级嵌套分层管理结构来实现，如图6所示。主码层、副码层以及要素对象层的描述则需要利用可选内容对象（OC）来实现。可选内容对象的逻辑结构可用f（x，y）来表示，其中参数x表示可选内容对象定义的类型，参数y表示可选内容对象定义的页面描述内容。这样，要素分层对象的逻辑表达结构则可用式（1）来表示

式中，i为要素对象编码；Fi表示基于要素对象编码i的要素分层对象；g（i）表示基于要素对象编码i获取主码；h（i）表示基于要素对象编码i获取副码；Mi表示基于要素对象编码i的图形化描述。要素分层对象设计打破了印前数据（如EPS、PDF）过去一直不能以要素对象为单位管理的历史。

图6 要素分层对象结构Fig.6 Structure of feature layered object

另外，依照PDF规范，基于同一类型的可选内容对象，即便它们各自定义的页面描述内容不同，在PDF文档内容流中也可以重复多次使用，且中间不论是否存在间隔，则它们发挥的作用完全等价于利用一个同类型的可选内容对象，将它们各自定义的页面描述内容放到一起定义的效果。如，假设S＝｛f（a，y1），f（a，y2），…｝表示类型为a的多个可选内容对象构成的集合，则上述各个可选内容对象定义的页面描述内容分别为y1、y2、…，将这些页面描述内容合并后形成的新页面描述内容定义为Y，即Y＝y1＋y2＋…，此时如果以a作为类型，以Y作为页面描述内容，则可定义一个新可选内容对象S′＝f（a，Y），则有S＝S′。本研究所设计的要素分层对象（基于3个独立的可选内容对象嵌套构成的复合可选内容对象）同样也具备这方面特性。这样就为类似GIS数据几何细节层的描述创造了条件。也就是说，原本针对一个要素对象的整个图形化描述内容就可以根据分色版类型将其划分为多个子模块，然后分别进行描述。这样就进一步解决了分色版输出与以要素对象为单位管理不能共存的矛盾。例如，假如存在一个面向要素对象编码为i的要素分层对象Fi，其逻辑结构如式（1）所示，如果不考虑要素之间的压盖关系因素，则在页面内容流中基于一个要素分层对象Fi就可以实现对该要素对象的完整图形化描述。但事实上，为了达到最佳的图面效果，地图要素之间的压盖关系处理往往是一项不可回避的重要的处理内容，这就要求制图人员必需根据分色版情况将Mi所包含的描述内容按照分色版输出顺序进行重新组织。以棕、绿、蓝、黑4色分版地形图为例，此时Mi可根据棕、绿、蓝、黑4色分版分解为4个图形化描述模块，即面向棕色分版的Mi，1、面向绿色分版的Mi，2、面向 蓝 色 分 版 的Mi，3和 面 向 黑 色 分 版 的Mi，4，这样，基于Mi，1、Mi，2、Mi，3和Mi，4就会分别得到面向各个分版的要素分层对象Fi，1＝f（g（i），f（h（i），f（i，Mi，1）））、Fi，2＝f（g（i），f（h（i），f（i，Mi，2）））、Fi，3＝f（g（i），f（h（i），f（i，Mi，3）））、Fi，4＝f（g（i），f（h（i），f（i，Mi，4））），4个要素分层对象在整个页面内容流中的分布情况如图7所示。

4 地图跨媒介出版试验

本研究以1∶10 000地形图数据为例，分别面向平面、磁光（磁盘、磁带及光盘等）和网络3类媒介出版开展了相关试验。

图7 面向不同分色版的要素分层对象在整个页面内容流中的分布情况Fig.7 Distributions of feature layered objects for different monochromatic editions in complete page content stream

4.1 面向平面媒介出版

面向平面媒介出版的典型应用主要集中在传统印刷出版和硬拷贝打样两个方面。虽然它们二者的传播媒介都以纸质为主，但是由于它们各自成图的过程和原理存在很大差异，因此，基于同一空间数据能否保证二者图面效果的统一是决定研究成果成败的关键。

（1）传统压印模式的印刷出版试验。我国的地形图印刷出版多采用专色并配合叠印效果来实现。这样主要是因为地形图要素往往是由线划符号精细复杂的图形组成，且要素间层位套合关系严格。如果采用C、M、Y、K比较常见的4色分版进行印刷，则很容易造成一些由多个分版合成的精确线划符号出现发虚的状况。这样势必会给地形图使用带来很大影响。因此，在我国地形图生产中，能否实现专色印刷则是衡量地形图印刷质量的重要因素。为此，为了达到地图跨媒介出版的目的，CMPGeoPDF文档在设计和生成过程中就已经考虑到这方面因素的影响。如图8所示，即为根据棕、绿、蓝、黑4种专色设计的CMPGeoPDF文档，经分色打样，得到的各分色版情况。通过观察可以发现，各分版内容就是由CMPGeoPDF文档中对应颜色的图形内容构成。因此，这就表明CMPGeoPDF文档确实已经具备了基于棕、绿、蓝、黑4种专色印刷的条件。

这样就可以直接将CMPGeoPDF文档作为印前数据用于发排、出胶片、制版，或直接用于制版，最后再利用这4块版上机印刷即可。目前，这部分研究成果已在部分地形图生产任务中得到有效验证。

图8 CMPGeoPDF文档各分色版情况Fig.8 Different monochromatic editions of a CMPGeoPDF

（2）硬拷贝打样试验。CMPGeoPDF地图数据作为印前数据，本身就能直接用于硬拷贝打样。由于PDF文档的设备无关特性，打样效果基本上与印刷出版效果差别不大。普通地图完全可实现硬拷贝打样与印刷出版效果的统一。但由于目前的硬拷贝打样大都采用喷墨技术，其所用的颜料墨水、承载体及其呈色方式与传统打样或印刷使用的油墨、纸张及其呈色方式不相同，这就会造成硬拷贝打样与印刷出版效果之间多少存在一些差异。面对地形图等一些高端地图产品，基于CMPGeoPDF地图数据，只需利用色彩空间变换、线划宽度仿真变换等一些处理手段对CMPGeoPDF地图数据进行简单处理，就可以完全解决硬拷贝打样与印刷出版效果统一的问题。

4.2 面向磁光媒介出版

面向磁光媒介出版是指在磁光媒介下运用可视化软件基于屏幕对地图数据的显示输出。这里以磁光媒介下面向本地的Adobe Acrobat浏览软件应用为例作介绍。

目前，普通的PDF浏览器，如Adobe Acrobat软件、Foxit Reader和 PDF－XChange Viewer等，都能满足CMPGeoPDF文档的正常浏览，包括图面放大、缩小、漫游等。不过，如果要实现分层、属性查询、量算等GIS功能，就必须基于某一PDF浏览器设计开发相关的辅助工具。考虑到Adobe Acrobat软件是目前最流行（市场占有率最高）、运行最稳定的PDF浏览软件，因此，本研究选择Adobe Acrobat软件作为使用CMPGeoP－DF文档的首选工具。有关功能插件也是基于Adobe Acrobat软件开发的。

（1）分层显示。PDF规范中定义的可选内容对象可以很方便地对其结构内部包含的绘图内容作出显示或隐藏的控制。基于可选内容对象的这一特点，通过设计地图要素对象编码和要素对象分层结构，就可以实现对地图要素按主类（如GIS系统中的交通类等）、次类（如GIS系统中交通类下的国道类等）和要素目标（如GIS系统中交通类下国道次类中某一条具体的国道目标）3级分层控制的功能。如图9（a）所示，即为根据相关要素分类标准对地形图按要素类别分层显示（管理）的案例。

（2）属性查询。PDF规范中定义的标识内容对象可以对其结构内部包含的绘图内容定义包含属性信息的对象。基于标识内容对象的这一特点，通过地图要素对象编码、要素对象结构和要素对象分层结构等内容的综合设计，就可以实现对地图要素目标属性数据的存储和管理。如图9（b）所示，即为利用对象数据查询工具查询某一湖泊要素目标属性信息的案例。

（3）量算功能。根据地图数据的数学基础，通过开发相应的插件，利用鼠标交互操作，可在图上实现距离、周长、面积、经纬度等普通量算功能。如图9（c）所示，即为经纬度量算的案例，图9（d）所示，即为面积和周长量算的案例。

图9 面向磁光媒介出版案例Fig.9 Examples of magneto－optical media publishing

4.3 面向互联网络媒介出版

为了更有效地验证CMPGeoPDF文档面向互联网络媒介出版的应用，本研究结合了当前比较流行的云存储环境。以微软公共云环境Skydrive为例，具体的验证流程为：首先需要在Skydrive台上注册一个账户，然后借助Skydrive的数据上传操作，将制作的CMPGeoPDF文档上传到Skydrive某一个云端进行云存储，这样就可以基于任何一个可以联接互联网的终端设备（如台式计算机、移动计算机、Ipad、智能手机等），在任何时间、任何地点，通过带有PDF阅读插件的网络浏览器对上传的CMPGeoPDF文档进行可视化浏览。如图10所示，即为面向互联网络媒介出版的具体案例。

图10 面向互联网络媒介出版案例Fig.10 Example of internet media publishing

从以上试验结果来看，基于同一CMPGeoPDF数据不仅能够满足面向多种传播媒介的出版应用，而且还实现了地图视觉表达效果的完全统一。

5 结 论

本研究之所以提出CMPGeoPDF数据模型，就是希望能够创建一组地图数据，中间不需要再作任何处理工作即可实现面向多种传播媒介（纸质、电子、网络）出版的目的，且满足在不同媒介条件下呈现出来的地图视觉表达效果统一的要求。从试验结果来看，CMPGeoPDF数据切实起到了地图跨媒介出版的目的。同时，该模型又不同于普通PDF地图数据模型，其数据在面向电子或网络媒介出版时，不仅能满足静态浏览，而且还具备分层显示、属性查询以及量算等GIS功能。

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