一種數(shù)字地圖新產(chǎn)品——PDF地圖

周校東，楊春成，孟妮娜

(1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054；

3. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

A New Digital Map Product——PDF Map

ZHOU Xiaodong，YANG Chuncheng，MENG Nina

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一種數(shù)字地圖新產(chǎn)品——PDF地圖

周校東1,2，楊春成1,2，孟妮娜3

(1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054；

3. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

A New Digital Map Product——PDF Map

ZHOU Xiaodong，YANG Chuncheng，MENG Nina

摘要：針對目前數(shù)字地圖產(chǎn)品的使用現(xiàn)狀和需求,提出了PDF地圖產(chǎn)品。首先給出了PDF地圖的定義與特征，其次詳細描述了PDF地圖的數(shù)據(jù)模型及生成方法，最后總結(jié)了PDF地圖的兩種基本應(yīng)用模式，并驗證了其可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：PDF；PDF地圖；數(shù)字地圖；地圖產(chǎn)品

地圖從其誕生并發(fā)展至今，已成為人們認(rèn)識、理解、利用地理環(huán)境不可缺少的重要工具，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟、社會、文化、軍事等各行業(yè)。在信息時代，隨著模擬地圖向數(shù)字地圖的轉(zhuǎn)變，各種以數(shù)字地圖為基礎(chǔ)的專用地圖產(chǎn)品及能提供各類地圖服務(wù)的信息系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，如多媒體電子地圖(集)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)等。其使用的方便性極大地擴展了地圖的應(yīng)用面，產(chǎn)生了大信息量的用戶，如數(shù)字地球、智慧城市，更使原本以專業(yè)人員為目標(biāo)的“地圖”用戶向大眾用戶轉(zhuǎn)變[1-2]。然而，當(dāng)前電子地圖的制作與應(yīng)用都需要專門的電子地圖著作軟件，地圖服務(wù)都與相應(yīng)的地理信息系統(tǒng)密不可分，使得非常有價值的地理空間信息被封閉在復(fù)雜的應(yīng)用軟件中，只有部分專業(yè)人員知道如何使用[3-5]。通常，非專業(yè)用戶也非常需要共享地理空間信息。更重要的是這些系統(tǒng)中的地圖均采用圖示表達的方式，這種可視化方式以地理信息為基礎(chǔ)，通過符號映射機制能夠快速獲得符號化地圖，并且保持與符號化之前地理信息的對應(yīng)關(guān)系，但是圖示表達不能得到符合出版效果的標(biāo)準(zhǔn)地圖[6-7]。目前的出版地圖通常是在專業(yè)的地圖制圖軟件中編輯完成，這就是地圖與地理信息一體化的問題，關(guān)于這一問題目前科學(xué)界和行業(yè)內(nèi)沒有較好的解決方法。然而地理信息系統(tǒng)用戶對于標(biāo)準(zhǔn)地圖的需求日益增加，人們希望在閱讀時面對精美的地圖，而不是看著影響人們認(rèn)知和決策的粗糙地圖。因此，用戶需要一種地圖產(chǎn)品能既包含地理信息數(shù)據(jù)，又包含相對應(yīng)的地圖符號數(shù)據(jù)，兼顧計算機的處理需要和人的閱讀感受。

PDF(portable document format)是Adobe公司開發(fā)設(shè)計的一種文檔記錄格式。PDF文檔包含在屏幕上顯示和在打印機、照排機或直接制版機上輸出所需的全部數(shù)據(jù)信息，完全獨立于創(chuàng)建它的原始應(yīng)用程序和計算機平臺，已成為電子文檔傳輸和數(shù)字化信息傳播的理想文檔格式。2004年美國雷頓圖形(Layton Graphics)公司提出用PDF文檔存儲地圖與地理信息的GeoPDF，隨后成立了一個名為TerraGo技術(shù)公司(TerraGo Technologies)的子公司。GeoPDF是TerraGo技術(shù)公司的注冊商標(biāo)，基于已有的PDF標(biāo)準(zhǔn)，擴充了許多功能，并為應(yīng)用終端提供免費的使用工具，正快速地成為地圖分發(fā)的首選格式，已受到全球范圍內(nèi)政府機構(gòu)和企業(yè)公司的信任[8]。

筆者所在研究團隊是國內(nèi)最早開始研究以PDF文檔存儲地圖和地理信息的單位，已有部分相關(guān)研究成果[9-10]。在對PDF地圖不斷深入的研究中，給出了PDF地圖的定義，提煉出了其特征，尤其對PDF地圖的數(shù)據(jù)模型及應(yīng)用模式進行了有意義的探索。

一、PDF地圖定義與特征

PDF地圖是一種新型地圖產(chǎn)品，既包含地理信息，又包含符號圖形，基于PDF 1.7規(guī)范，遵循ISO 32000-1格式標(biāo)準(zhǔn)[13]，具備地理坐標(biāo)查詢、地理要素分層瀏覽、地理目標(biāo)屬性查詢、方向計算、長度及面積量算、信息標(biāo)注等功能。PDF地圖能使使用者利用PDF閱讀工具(如Adobe Acrobat、Adobe Reader、Foxit Reader等)閱讀分層的、具有地理空間參考的地圖和影像產(chǎn)品。

PDF地圖產(chǎn)品特點歸納起來，有以下4點：

1) 產(chǎn)品獨立性：產(chǎn)品是PDF格式的獨立文件，無須關(guān)聯(lián)額外文件，可脫離GIS軟件或其他復(fù)雜的可視化系統(tǒng)來展示產(chǎn)品，只需任意PDF閱讀器即可瀏覽。

2) 數(shù)據(jù)完整性：產(chǎn)品在地理目標(biāo)符號圖形數(shù)據(jù)(包括圖像、文本等)中嵌入空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，無須關(guān)聯(lián)地圖符號庫，三者是一體化的完整數(shù)據(jù)。

3) 跨平臺與跨終端應(yīng)用：產(chǎn)品基于PDF格式，與傳統(tǒng)格式的電子地圖比較，不僅與系統(tǒng)平臺無關(guān)，而且數(shù)據(jù)量小，可在便攜終端上使用。

4) 行業(yè)適用性：產(chǎn)品直接面向應(yīng)用，不需要GIS相關(guān)專業(yè)知識和復(fù)雜的系統(tǒng)培訓(xùn)，非專業(yè)用戶也可快速使用、分享地圖成果。

二、PDF地圖數(shù)據(jù)模型

PDF地圖存儲和管理的對象是數(shù)字地圖，包括地理要素的幾何信息、屬性信息和符號圖形信息3個方面。針對數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的特點，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)與PDF技術(shù)相結(jié)合的方法，構(gòu)造一個以地理實體為單元的PDF地圖存儲與管理的結(jié)構(gòu)，從而具備使用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shù)字地圖存儲到PDF格式文件中的能力。

1. PDF地圖文檔結(jié)構(gòu)

PDF地圖遵循PDF格式標(biāo)準(zhǔn)，與普通的PDF文檔一樣由文件頭、文件體、交叉參考表和文件尾4個部分組成，如圖1所示。

圖1　PDF地圖文檔組成

文件頭指明了該文件所遵循的PDF規(guī)范的版本號，出現(xiàn)在PDF文檔的第一行。PDF地圖版本號通常為1.6，文件頭對應(yīng)為“%PDF-1.6”，如果需要支持三維地圖需定為1.7。

文件體由一系列的PDF間接對象組成，各對象分層組合構(gòu)成PDF地圖文檔結(jié)構(gòu)，是PDF地圖文檔的主要部分。

交叉參考表是為了能對間接對象進行隨機訪問而設(shè)立的一個間接對象的地址索引表，以xref關(guān)鍵字開始。

文件尾是使得應(yīng)用程序在讀PDF地圖文檔時能快速找到交叉參考表并發(fā)現(xiàn)特定對象，以trailer關(guān)鍵字開始。

PDF地圖文檔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種樹形結(jié)構(gòu)，以目錄對象(Catalog)為根節(jié)點。目錄對象節(jié)點主要包含3個子節(jié)點，即頁面簇(Pages)、要素屬性樹(StructTreeRoot)和圖層樹(OCProperties)，如圖2所示。

圖2　PDF地圖文檔結(jié)構(gòu)

頁面簇含有一個頁面(Page)對象節(jié)點。頁面是PDF地圖最重要的組成，主要包含內(nèi)容流(Contents)和空間參考(LGIDict)兩個對象節(jié)點。內(nèi)容流用于存儲PDF地圖圖形信息，包含一系列將圖形元素繪制到頁面上的指令。空間參考用于實現(xiàn)PDF地圖頁面坐標(biāo)同地理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，包括地圖投影(Projection)和變換矩陣(CTM)。地圖投影實現(xiàn)地理坐標(biāo)與投影坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，主要存儲投影類型、投影參數(shù)、橢球參數(shù)等信息。變換矩陣實現(xiàn)投影坐標(biāo)同PDF地圖頁面坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。

2. PDF地圖要素組織

PDF地圖通常按圖幅形式存儲，每個PDF文件含有一個頁面，存儲一幅數(shù)字地圖。PDF地圖要素組織參照數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，采用按地理要素分層組織。地理要素包括自然地理要素和社會地理要素，是具有相同語義特征的地理實體的集合。地理實體是PDF地圖的主要內(nèi)容，由幾何定位信息、目標(biāo)屬性信息和符號圖形信息共同構(gòu)成。其中，幾何定位信息和目標(biāo)屬性信息是DLG數(shù)據(jù)，即地理信息庫數(shù)據(jù)，是PDF地圖要素查詢信息的重要組成部分；符號圖形信息是要素的地圖表達數(shù)據(jù)，即制圖的結(jié)果數(shù)據(jù)，由基本圖元組成，不依賴特定技術(shù)和符號庫，符號圖形信息共同構(gòu)成PDF地圖的地圖表達效果。

PDF地圖包含若干個地理要素層，通常劃分為地貌、水系、植被、土壤等自然地理要素層和居民地、道路、工農(nóng)業(yè)文化設(shè)施、行政區(qū)劃等社會經(jīng)濟要素層。每個要素均包含若干個地理實體，通常分為點狀實體、線狀實體、面狀實體和體狀實體。地理實體包含幾何定位信息、目標(biāo)屬性信息和符號圖形信息。

圖3　PDF地圖要素組織

3. PDF地圖轉(zhuǎn)換輸出

PDF地圖轉(zhuǎn)換輸出包括空間參考系建立、圖層信息配置和地理實體信息輸出3部分。

空間參考系建立形成了一個地圖圖框，主要包括變換矩陣和地圖投影參數(shù)設(shè)置。PDF標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個設(shè)備無關(guān)坐標(biāo)系，也叫用戶空間，它使對象在頁面上的關(guān)系保持不變，從而在任何輸出設(shè)備上都具有統(tǒng)一效果。PDF用戶空間采用平面直角坐標(biāo)系，通過變換矩陣，實現(xiàn)PDF用戶空間與地圖平面直角坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換。變換矩陣采用3×3矩陣，需要記錄6個參數(shù)[abcdef]，變換表達為

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)即可實現(xiàn)PDF頁面坐標(biāo)與地理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。

圖層信息配置首先需要根據(jù)地圖要素分層信息，設(shè)置圖層資源OCProperties屬性值，包括圖層定義(包括名稱、屬性字段)、圖層順序、顯示開關(guān)等信息。由于PDF規(guī)范并不支持GB2312編碼，當(dāng)圖層名稱等信息是中文字符時，需要轉(zhuǎn)換為Unicode編碼。

地理實體信息中符號圖形信息輸出到PDF頁面中的內(nèi)容流，通常由一系列圖形繪制指令組成，圖形繪制指令用于向PDF頁面上繪制圖形信息，其先后順序決定了繪制的先后順序，同一位置上，后繪制的圖形將壓蓋先繪制的圖形。另外，為了達到最佳的地圖圖面效果，地圖制圖過程中要素之間的壓蓋關(guān)系處理是一項不可或缺的重要的處理環(huán)節(jié)。地理實體符號化后，需要解決符號的壓蓋問題。這里，提出了以單元符號為最小單位，實體符號通常包含多個單元符號，設(shè)置單元符號優(yōu)先級為0～255之間。地理實體信息中屬性信息輸出到要素屬性樹中，通過關(guān)鍵字“K”枚舉出所有葉子節(jié)點(StructElem)對象。葉子節(jié)點對象可用來存儲一組自定義屬性數(shù)據(jù)(UserProperties)對象，通過關(guān)鍵字“K”枚舉出其關(guān)聯(lián)的標(biāo)記圖形內(nèi)容唯一識別號(MCID)。

三、PDF地圖應(yīng)用

PDF地圖應(yīng)用可以采用兩種模式：一是利用PDF閱讀器打開PDF地圖數(shù)據(jù)文件，并使用PDF地圖功能；二是利用常用GIS軟件打開PDF地圖數(shù)據(jù)文件，除使用PDF地圖功能外，還可進一步將PDF地圖與GIS功能相結(jié)合。第一種模式比較適合非專業(yè)用戶，簡單、易操控；第二種模式適合GIS專業(yè)用戶，具有擴展性，圖面美觀兼具空間分析功能。

常用的PDF閱讀器主要有Adobe Arcobat、Adobe Reader、Foxit Reader等，用戶安裝官方軟件后，就可實現(xiàn)對PDF地圖的閱讀瀏覽、圖層控制和地理目標(biāo)抓取等功能。如果想使用PDF地圖其他功能，如空間位置信息、地理量算、屬性查詢和一些簡單的GIS空間分析功能，需要安裝與閱讀器對應(yīng)的PDF地圖應(yīng)用插件(Plug-ins)。利用Adobe Acrobat提供的插件二次開發(fā)功能，開發(fā)地圖查詢、地圖量算等功能插件，實現(xiàn)PDF地圖瀏覽、查詢和量算等功能，PDF地圖在閱讀器中的應(yīng)用如圖4所示。

常用GIS軟件需要具有二次開發(fā)功能，調(diào)用PDF地圖功能開發(fā)包，開發(fā)出支持PDF地圖顯示、查詢等功能的組件，從而實現(xiàn)GIS軟件的功能擴展，既可瀏覽PDF地圖，又可使用GIS空間分析功能。通常情況下，在GIS軟件中，PDF地圖可作為一個獨立圖層使用， 為GIS空間分析提供具有地圖表達效果的底圖，以輔助機器分析計算與人的視覺認(rèn)知兩者的統(tǒng)一和交互。

四、結(jié)束語

PDF地圖既具備紙質(zhì)地圖的視覺表達效果，又具有矢量地圖的部分功能，可進行地圖分層顯示、目標(biāo)屬性查詢、空間坐標(biāo)查詢和空間量算等操作。由于采用PDF格式存儲地理信息數(shù)據(jù)，產(chǎn)品使用終端不需要依賴專用和昂貴的付費GIS軟件，降低了對用戶的使用條件要求， 為測繪專業(yè)部門和非測繪專

業(yè)用戶之間架起了橋梁，極大拉近了地圖生產(chǎn)者和使用者的距離，滿足了人們對地理信息的使用要求。PDF地圖作為一種新的地圖產(chǎn)品，必將打破GIS專業(yè)應(yīng)用的界限，對非GIS專業(yè)人員使用地理信息、提高應(yīng)急測繪保障能力具有重要意義。

圖4　PDF地圖應(yīng)用

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引文格式： 周校東，楊春成，孟妮娜. 一種數(shù)字地圖新產(chǎn)品——PDF地圖[J].測繪通報，2016(1)：108-110.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0027.

作者簡介：周校東(1977—)，男，博士生，助理研究員，研究方向為空間數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘。E-mail: zhouxdm@163.com

基金項目：地理信息工程國家重點實驗室開放基金(SKLGIE2013-M-4-3)

收稿日期：2014-12-27

中圖分類號：P28

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0108-03