基于制图综合的电子地图多尺度显示方法研究

吴芳华，吉国杰

1.西安测绘研究所，陕西 西安，710054;

2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054

1 引 言

地理信息的多尺度表达是当今GIS研究领域的一大热点。随着电子地图使用越来越广泛，用户对电子地图显示的要求越来越高。电子地图多尺度显示，在不同比例尺地图数据的支持下，针对同一地理区域，动态地调整电子地图的载负量，实现同一比例尺或不同比例尺之间连续、协调地切换;比例尺越小，显示内容越概略，比例尺越大，显示内容越详细，其核心技术是地图自动综合技术。大多数学者从地图数据综合的角度来构建电子地图多尺度显示模型[1-7]。目前，对电子地图制图综合技术的研究侧重于自动综合算法，着重从诸如多尺度数据库建库方法、自动综合方法、多尺度数据模型等方面进行研究，并取得了丰富的成果。

制图综合是地图学与GIS领域的一个重大难题，有学者甚至认为是：“NP-完全”问题。国内外大量学者及机构对其开展了长期深入的研究，并在电子地图显示中用其来提高数字地图的表达效果，虽有不少理论研究成果，但实用化成果偏少[2-3]。电子地图多尺度表达仍存在如下问题：电子地图制图综合技术方法研究难度大、电子地图单尺度显示随意性大、综合数据处理与符号表达相分离以及多尺度显示效果欠佳等。针对这些问题，本文分析了面向制图生产和面向显示的电子地图制图综合的差异，以电子地图多尺度显示及其与制图综合算子的结合为重点开展研究，基于符号化特征对线、面符号进行分解，将线状符号分解为单线、双线和线图元，将面状符号分解为轮廓线和填充等类型，确定了不同类型对应的综合操作，提出了基于符号特征的不同要素的制图综合策略。

2 电子地图多尺度显示的特征

在电子地图显示研究中，可以将尺度简单地理解为分辨率或者比例尺。尺度是空间数据的重要特征，是指数据表达空间范围的相对大小和时间的相对长短。不同尺度所表达的信息密度有很大的差异，一般地尺度增大时所表达的信息密度减少，尺度减小时所表达的信息密度增大，但并不是简单的比例变化。由一级尺度向另一级尺度的上推或下推，数据结构和数据模型的选取直接影响到显示的质量和详细程度。根据不同层次和不同领域的用户对电子地图的要求和使用的不同，电子地图在不同尺度条件下展现如下特征：1)同一地物在不同尺度条件下可以表现为不同的几何外形，这是因为尺度不同，对地物的抽象和化简的程度也不相同;2)同一属性的地物在不同的尺度条件下出现聚类、合并或者消失现象;3)同一地物在不同尺度的表达中会表现出不同的属性;4)同一地物在不同尺度的显示中有时符号不同。

为了进行电子地图多尺度显示研究，首先需要确定矢量地图数据的数据源，从矢量地图数据特点出发，概括出多级尺度条件下矢量地图数据表达可能呈现出来的特征，主要是把握空间数据的几何特征、属性特征和尺度变化特征。对空间数据进行多尺度表达的最重要方法是进行地图自动综合。电子地图制图综合技术的研究能够提高电子地图的显示效率，提升电子地图的显示效果，保证电子地图在多尺度显示时始终清晰易读、层次分明、内容适宜，电子地图制图综合技术的研究有助于电子地图在空间认知中辅助人们从粗到细的信息导航。人们对空间现象的认知表现为从总体到局部，从概略到细微，从重要到次要的层次顺序。电子地图制图综合技术的研究可以支持同一区域多分辨率下空间信息内容的表达，从而可以展示从大范围主体信息内容到局部区域细微信息内容的动态表达，引导用户对该区域的认识，辅助用户截取其感兴趣的局部区域，并沿着该路径深入到细节内容，较好地满足思维连续性的要求。

电子地图的多尺度显示方法，是为了解决整个显示尺度上建立的有关各级比例尺数字地图中各类要素的显示比例尺范围、符号化方法、综合操作方法等一系列设计决策。多尺度显示应以实用化为准则，以电子地图的实时显示为首要要求。通过分析电子地图显示过程，抽象出能够概括电子地图多尺度表达所需的各种显示和综合操作算子，以多尺度数字地图的设计实践为基础，建立电子地图的多尺度显示模型，并以定量化方法探讨尺度与地图显示间的关系。

3 基于电子地图显示的制图综合基本特点研究

由于计算机在模拟人脑思维方面的限制，使得制图综合这一具有高度科学性、技术性、经验性和艺术性的地图学核心理论很难依赖计算机来实现完全的自动化[2]。地图制图综合历来就是地图学中最富挑战性和创造性的研究领域之一，多少年来，人们一直期盼地图制图综合能够智能化。经过长期地图生产与科研实践总结、积累、沉淀而形成的地图制图综合理论和方法，为电子地图多尺度表达研究提供了基础。但电子地图显示的自动综合研究在操作主体、对象、要求、方式及结果等方面与地图自动化生产的地图综合有着不同的特点。其主要特点表现为如下几个方面：1)制图综合中比例尺是变化的而不是固定的，需要研究多尺度表达问题;2)制图综合方法中选取方法最重要，对综合的效果影响最大，其次是化简，因此，研究的重点在于选取与化简;3)制图综合的精度要求比面向地图生产的综合要低，因此，系统研制时不需太强调制图综合处理的精确;4)对制图综合的速度要求较高，因此，制图综合算子的选取功能及响应速度是优先需要考量的因素。

电子地图制图综合的研究对象主要是点、线、面符号及注记，分析符号表达的特点，分别制定了对上述四类符号的制图综合策略。表1总结了面向地图制图生产和电子地图显示的制图综合方法差异。在电子地图多尺度显示时，基于符号特征的制图综合策略是将符号拆分，对需要综合的符号组合图元进行操作。例如，将线状符号分为单线、双线、线图元;将面状符号分为轮廓线和填充图案等分别进行综合，以选取为主，适当做些化简、概括、位移操作。

表1 面向地图制图生产和电子地图显示的制图综合操作

4 电子地图多尺度显示模型

文献[5]和文献[7]从关键比例尺、载负量计算方面入手，探讨了建立基础电子地图多尺度显示模型的基本方法;文献[6]从地图设计的角度来研究电子地图的多尺度表达，提出了多尺度地图设计模型;文献[7]将显示比例尺和地图比例尺的比值作为LOD算子，提出了基于LOD的多尺度显示模型。通过分析电子地图显示过程，抽象出能够概括电子地图多尺度表达所需的各种显示和综合操作算子，以多尺度数字地图的设计实践为基础，建立电子地图的多尺度显示模型，并以定量化方法探讨尺度与地图显示间的关系，尽可能提高电子地图的表达效果。本文以系列比例尺地形图数据为主要数据源，通过对符号表达特点的分析，分别构建针对点、线、面符号的多尺度显示模型。从处理思路上，其与传统地图设计原则相一致，差别在于此处不仅要处理单一尺度上地图显示的合理性，更重要的是将尺度作为地图显示设计的一个因素加以考虑，使最终的模型具有尺度上的连贯性。

在电子地图的多尺度模型中，首先要确定多尺度显示算子，它是建立多尺度模型的基础，也是与用户进行设计交流的词汇，因此，算子的确定必须抽象、概括，能够反映多尺度表达的全过程。从电子地图显示的角度看，需要解决两方面问题：显示内容的确定和符号化方案的确定。据此可以将多尺度算子归纳为综合算子和符号化算子两大类，见表2和表3。

表2 综合算子及其简写形式

表3 符号算子及其简写形式

还需要描述以下内容：在每一显示尺度上使用的数据源(通常对应于某一比例尺地图的内容)、每个数据源的显示尺度范围、每个数据源在显示尺度范围内所需要的制图综合算子以及符号化算子。据此，建立了多数据源情况下的电子地图多尺度显示模型及单一数据源情况下电子地图多尺度显示模型，如图1、2所示。

图1 多数据源情况下电子地图多尺度显示模型

图2 单一数据源情况下电子地图多尺度显示模型(以1：5 万为例)

电子地图多尺度显示模型中，上方黑色数据及对应线划代表电子地图的显示尺度轴，下方数据及线划代表数据尺度轴，左侧为符号类型说明区，这三者构成了模型图的坐标系统。中间区域为模型图主体，不同色相代表不同要素类别的设计决策，白色表示不做任何操作就可以达到较好的显示效果。主区下方的灰色区域表示相应数据源比例尺的显示区间。矩形条中的标注代表在该尺度上执行的多尺度显示算子。该模型充分考虑了不同尺度下地图要素的符号化特征，将综合算子和符号算子与显示尺度相关联，改变了以往以经验值为主的、数据处理与符号表达相分离的电子地图多尺度显示方法，较好达到了显示效率与效果的平衡，能基本满足电子地图多尺度显示的科学性、清晰性和美观性的要求。

5 电子地图显示的制图综合策略

通过电子地图显示基本规律研究和电子地图制图综合特点分析，制定电子地图显示的制图综合研究策略。电子地图制图综合的研究对象主要是点、线、面符号及注记，分析符号表达的特点，分别制定了对上述四类要素的制图综合策略。在电子地图多尺度显示时，基于符号特征的制图综合策略是将符号拆分，对需要综合的符号组合图元进行操作。

常规的制图综合方法是先进行选取，然后化简再做目标概括，在要素符号化后图形有冲突时，还需进行移位处理。在电子地图多尺度显示时，基于符号特征的制图综合策略可进一步分为线状符号的单线、双线、面状符号轮廓线、填充图案的制图综合操作。主要包括以下四个方面：1)对于像单线河、等高线等单线划要素，不用进行制图综合操作，直接符号化;2)对于公路、高速路等平行线表达的符号，在坐标点密集的情况下，符号化效果不好，仅采用自动化简算法后再进行符号化显示;3)对于境界、铁路等复杂线状符号，在尺度缩小时，须酌情考虑要素化简和概括，当要素长度小于单个符号尺寸时既要进行要素化简也需要要素概括;4)面状符号由两部分组成，对轮廓线可采用线状要素的综合方法，对填充图案需分普染、基于图元和基于图案三种情况，普染不需进行制图综合操作直接符号化，基于图元和基于图案的面状符号在尺度缩小时须酌情考虑要素化简与概括。

根据各要素的符号表达特点，基于符号表达的制图综合策略见表4。其中‘√’表示要做，‘×’表示不做，‘△’表示视情况而定。这样在保持显示效果的同时，制图综合效率能大大提高。

表4 基于符号特征的制图综合策略

针对多尺度电子地图显示特点，研究实用的电子地图多尺度显示时自动制图综合的模型、算法、策略，达到显示效率与效果的最佳平衡，既体现电子地图的美感又考虑电子地图快速显示的表达效果。

6 面向电子地图显示的自动制图综合

在电子地图显示制图综合策略研究的基础上，构建矢量地图数据生命期模型，研究可实施的自动制图综合处理技术，增加中间尺度控制信息，支撑连续比例尺数据的输出及应用，主要以放大、缩小操作的形式实现地理空间数据的“智能变焦”。面向地图多尺度显示的综合设计按地理要素对操作对象划分层次，开发层管理器，并提供面向层操作的算子功能，包括针对特定的目标对象几何特征、拓扑特征、语义特征探索的目标选取、化简、移位、合并、删除、光滑、夸大、典型化等各种算子。划分操作层的依据有：1)地图的要素分类;2)几何特征(点、线、面、复合目标等);3)空间相关性等。

面向综合的地图要素层具有如下特征：操作的有序性、结构的单一性、层次的可叠置性等。解决不同层要素间的空间冲突问题要考虑综合层的优先级，保持优先级高的地物固定，而删除、裁剪、移位优先级低的地物。结构单一性是由综合算子运算要求决定的，大部分算法要求数据对象具有单一的结构，如道路构建的图结构、面状湖泊水库构建的多边形群结构、所有的高程点形成的点群结构及建筑物群产生的面群结构等。按单要素综合后，还需将这些综合层叠加在一起，调整其间的空间关系，解决冲突矛盾。表5归纳了不同地理要素的主要尺度变换操作。

表5 按照地理要素类划分的综合操作

6.1 单一要素类综合实施基本流程

单一要素类综合实施基本流程如图3所示。

图3 制图综合流程

6.2 制图综合实现方法

制图综合实现方法依据对实时性的要求可划分为两大类：离线式和在线式。离线式主要用于关键尺度数据的预先生成，通常采用常规制图综合方法，特点是速度慢，但可以用来生成多级离散比例尺版本数据。在线式实时生成主要用于地图缩放过程中地理信息的实时可视化表达，常采用要素分级选取模型、LOD变换、Morphing变换等方法[8-10]，特点是处理速度快，往往对应地理目标在其全部尺度范围中的非连续突变点。制图综合方法如图4所示。

图4 制图综合方法

针对系列比例尺之间的综合处理，面向的对象主要是电子地图的主体要素类，如水系、居民地、道路、地貌、植被、注记等，主要综合步骤包括数据预处理及结构化组织，综合条件参量表达及计算，综合操作决策及实施，综合结果整理及输出，综合处理流程归纳等几个方面，从而实现电子地图的自动制图综合。

6.3 电子地图多尺度显示系统的建立

围绕基于电子地图显示的制图综合策略、电子地图载负量的计算及多尺度显示模型的建立、基础地理要素显示重要性分级、自动制图综合算法等技术与方法，研制了基于制图综合技术的电子地图多尺度显示系统，验证了关键技术的有效性，实现了电子地图多尺度快速可视化功能。多尺度显示流程如图5所示。

7 结束语

一直以来，“地图综合”被认为是一个国际性难题，尽管目前在理论、技术上取得了不少成果，但距全智能化还相距甚远[3]。电子地图的多尺度显示与地图综合密切相关，多尺度表达向传统的地图综合技术提出了更高的需求挑战。以往制图综合和多尺度表达研究的方法是将数据综合与图形综合分开研究，本文将制图综合数据处理与地图要素符号表达相结合，建立电子地图多尺度表达模型，并将数据、算子和可视化相结合的综合链技术应用于电子地图制图综合中，简化了综合算法，便于计算机实现，所构建的电子地图多尺度显示系统能根据所需比例尺自动形成地物数量适宜、要素表达合理的电子地图，提升了电子地图多尺度显示的效率与效果。

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