新型基礎(chǔ)測繪自動制圖軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

魏國忠

(1.山東省國土測繪院，濟南 250102；2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116)

0 引言

測繪制圖產(chǎn)品是一種對基礎(chǔ)地理信息最具認知功效的表達載體，在應(yīng)用中具有不可替代的作用。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫是各類地理信息平臺建設(shè)和信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，也是基礎(chǔ)地理空間框架的重要組成部分。為了減少地形圖制圖中的重復(fù)工作，有效保證數(shù)據(jù)的一致性，多個省份對制圖與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)一體化技術(shù)進行了探索與實踐，在進行數(shù)據(jù)建庫生產(chǎn)時兼顧地圖制圖[1-3]。但是由于技術(shù)上的限制，傳統(tǒng)的圖庫一體化數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系還處于初級階段，一般通過改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模型，將制圖信息作為建庫數(shù)據(jù)的一部分存儲在數(shù)據(jù)庫中。采用人工交互編輯的方式，進行地形要素的符號化和地圖整飾工作。這種生產(chǎn)模式存在以下弊端：一是數(shù)據(jù)復(fù)雜度高，地理實體的拆分不再完全基于空間查詢和分析的需要，而是要綜合考慮制圖符號顯示和壓蓋的需求，數(shù)據(jù)的制圖信息和地理實體信息混合在一起，增加了數(shù)據(jù)冗余，不利于數(shù)據(jù)的管理、查詢和分析；二是數(shù)據(jù)更新效率低，采用人機交互進行編輯，自動化程度低，大量空間數(shù)據(jù)信息需要重復(fù)采集，增加了工作量，生產(chǎn)效率低，更新速度無法滿足現(xiàn)勢性要求[4-6]。

為了滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對測繪成果現(xiàn)勢性的需要，提升數(shù)據(jù)更新效率、簡化生產(chǎn)模式，山東省省級基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)更新引入了按要素更新、網(wǎng)格化更新和融合更新等新型模式，在提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新效率的同時，也對后續(xù)快速制圖提出了更高要求。針對此難題，本文對一體化制圖相關(guān)技術(shù)進行研究，并基于此研發(fā)自動化制圖軟件。

1 自動化制圖關(guān)鍵技術(shù)

1.1 一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型

一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型是實現(xiàn)自動化制圖的基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和制圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，使數(shù)據(jù)能夠保持一致性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理[7]。該模型的關(guān)鍵在于制圖數(shù)據(jù)是根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動擴展生成，在二者聯(lián)動的前提下即保持了相互的獨立性，避免基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接用于制圖造成的數(shù)據(jù)邏輯混亂，又可以在同一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同制圖規(guī)則，支持定制化、多樣化的制圖產(chǎn)品輸出。對于后續(xù)的數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與制圖數(shù)據(jù)的聯(lián)動同步更新，在更新的同時仍保持2種數(shù)據(jù)的一致性和各自的獨立性[7-8]。一體化制圖數(shù)據(jù)庫建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與制圖模板、符號庫、字體庫之間的聯(lián)系，使數(shù)據(jù)能夠依靠制圖模板規(guī)則在軟件中實現(xiàn)符號化顯示、瀏覽、控制和輸出。

基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模型擴展生成一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型，如圖1所示，從3個層次對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行了擴展。一是圖層結(jié)構(gòu)擴展，在基礎(chǔ)庫的數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，建立擴展數(shù)據(jù)層，用于存儲制圖處理所產(chǎn)生的制圖輔助信息，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與制圖輔助數(shù)據(jù)的分離管理。二是要素幾何擴展，在生成初步制圖數(shù)據(jù)時，依據(jù)要素數(shù)據(jù)的幾何，復(fù)制生成擴展幾何，進行幾何關(guān)聯(lián)，制圖處理僅對擴展幾何對象進行處理，保持原要素幾何不變，通過擴展幾何實現(xiàn)制圖符號效果。三是要素屬性擴展，添加制圖表達規(guī)則屬性項，分配制圖表達規(guī)則編碼，關(guān)聯(lián)制圖模板中的各項制圖表達規(guī)則，控制要素的符號效果和顯示順序，實現(xiàn)規(guī)則化制圖；添加地圖標注屬性項，關(guān)聯(lián)模板字體庫，控制要素注記內(nèi)容與樣式；添加顯示控制屬性項，控制要素顯示狀態(tài)；添加屬性參數(shù)屬性項，輔助制圖表達規(guī)則實現(xiàn)更精細的制圖效果。

圖1 一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型

1.2 制圖要素符號壓蓋關(guān)系處理

基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)是根據(jù)地理實體的空間位置抽象成點、線、面采集的，各要素基于嚴格的拓撲規(guī)則組織在一起[9-10]。要素符號化后，要素顯示形態(tài)打破了嚴格的數(shù)據(jù)組織關(guān)系，相互之間產(chǎn)生復(fù)雜的要素符號壓蓋關(guān)系問題，大幅降低了地圖的可讀性和美觀性。針對該問題，本文研發(fā)的自動制圖軟件提供了3種處理方法。

1)基于符號級別的要素壓蓋處理。線、面的同層同類型要素符號化后，需要表達出連通、融合、分離等空間相關(guān)關(guān)系，即控制同類要素符號化的邊界是否顯示[11]。通過將一類要素的邊界與實體分層符號化，并對分層的符號設(shè)置級別，統(tǒng)一控制同一符號層的顯示順序，可以充分表達出同類符號間復(fù)雜的空間關(guān)系。圖2為道路要素在不使用符號級別配置與使用符號級別配置的對比情況。使用符號級別配置后，圖2(b)圖道路要素可清晰表達出道路的平交與立交關(guān)系。

圖2 道路壓蓋處理效果對比

2)基于空間關(guān)系的要素壓蓋處理。對于具有公共邊界或空間位置相鄰的異類要素，在符號化后，邊界符號或者要素整體會發(fā)生互相壓蓋的情況時，可利用要素之間的空間關(guān)系進行處理。利用空間關(guān)系提取要素符號沖突部分，將高級別要素按符號保留，對沖突區(qū)域內(nèi)的低級別要素符號采用隱藏、位移等方式消除與高級別要素符號的沖突。圖3為等高線陡坎沖突處理和過密消隱處理的效果。處理后，陡坎和過密位置的等高線進行了刪除處理。

3)基于要素權(quán)重的注記壓蓋處理。注記應(yīng)當放置在清晰合理的位置，通過標注引擎避免自身相互壓蓋的同時，也需要考慮避免壓蓋重要的要素符號[12-13]。采用要素權(quán)重避免注記與要素壓蓋，在要素數(shù)據(jù)符號化完成的基礎(chǔ)上，將要素符號按重要性設(shè)置權(quán)重，按照符號所占區(qū)域生成圖斑，在全圖范圍內(nèi)生成無縫的圖斑參考面，然后對注記基點位置進行調(diào)整，避免壓蓋要素符號[14-15]。圖4為無縫圖斑參考面生成效果。

圖3 等高線壓蓋處理效果對比

圖4 無縫圖斑參考面生成效果

2 自動制圖軟件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

目前，制圖軟件大多將制圖功能作為子模塊與數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件相結(jié)合[13]。該模式主要采用人工交互的方式，將制圖信息加工存儲到數(shù)據(jù)庫中，再通過制圖模塊符號化處理輸出地圖產(chǎn)品，這種作業(yè)模式人工干預(yù)較多。為提高制圖效率，將制圖模塊從數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中剝離出來，通過對地理對象空間數(shù)據(jù)的分析，建立從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫到制圖數(shù)據(jù)庫的全自動綜合處理流程，同時對2個相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。通過對制圖過程進行專業(yè)定制，生產(chǎn)出符合各類需求的制圖產(chǎn)品。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與制圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫完全依據(jù)地理數(shù)據(jù)自身的空間查詢和分析的需要進行組織，不再保留制圖信息。在制圖時，直接依照地理要素的空間特性和分布關(guān)系自動生成制圖數(shù)據(jù)，包括空間對象的點、線、面、位置、屬性和拓撲等特性，確立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型到制圖數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與制圖數(shù)據(jù)庫一體化管理。通過建立一致性規(guī)則，確立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與制圖數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的完整性，不產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，保持庫與庫相對獨立，在修改制圖數(shù)據(jù)時不影響基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)制圖過程可定制化。通過對制圖范圍、符號庫、字體庫和標準制圖模板等制圖過程的專業(yè)定制，可自動生產(chǎn)滿足不同需求的專題地圖，同時可根據(jù)制圖規(guī)則對地形要素數(shù)據(jù)進行合理取舍，保持適宜的地圖載負量。

2.2 自動化制圖流程設(shè)計

制圖輸出基于制圖數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，自動制圖軟件設(shè)計了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、制圖處理、符號表達等步驟到制圖數(shù)據(jù)庫的全自動處理流程，最終完成制圖產(chǎn)品輸出，如圖5所示。

圖5 自動化制圖流程

1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型的設(shè)計，建立轉(zhuǎn)換規(guī)則，然后依據(jù)規(guī)則，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的要素數(shù)據(jù)無損添加到制圖數(shù)據(jù)庫中，匹配制圖表達規(guī)則、標注模式、圖層順序等制圖信息，形成制圖數(shù)據(jù)。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，讀取元數(shù)據(jù)，生成圖廓信息，進一步完成對制圖數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裁切，規(guī)則檢查等工作，確保轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準確性與可靠性。

2)制圖處理。制圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，初步形成的制圖數(shù)據(jù)缺少制圖信息，需要通過數(shù)據(jù)處理得到制圖信息，依據(jù)地理要素的點、線、面幾何信息提取制圖符號的位置、形狀信息，依據(jù)地理要素的屬性信息提取生成標注信息，并且依據(jù)要素的拓撲關(guān)系進行符號壓蓋處理，最終形成制圖信息[12-14]。制圖數(shù)據(jù)處理的實質(zhì)是依據(jù)要素數(shù)據(jù)的特征與相互分布關(guān)系，將原先人工交互編輯生產(chǎn)制圖輔助信息的步驟自動化完成。

3)符號表達。將制圖數(shù)據(jù)與制圖模板關(guān)聯(lián)，通過制圖模板建立制圖數(shù)據(jù)庫與符號庫、字體庫、制圖表達規(guī)則等聯(lián)系，依照模板中圖層與符號等級的配置，按順序疊加符號化顯示數(shù)據(jù)，并基于注記避讓規(guī)則，將標注轉(zhuǎn)換成靜態(tài)注記，最終形成可瀏覽查詢的可視化符號數(shù)據(jù)。

4)制圖輸出。軟件可輸出常用JPG、PDF等格式地圖，同時支持CAD數(shù)據(jù)格式輸出，在軟件符號庫的基礎(chǔ)上，通過自動生成塊文件和線型文件，實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)的符號化配置。

3 自動制圖軟件功能設(shè)計

自動制圖軟件功能包含數(shù)據(jù)管理、制圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、制圖數(shù)據(jù)處理、制圖輸出和數(shù)據(jù)模型管理等模塊。數(shù)據(jù)管理模塊提供數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、屬性查詢、制圖效果對比等功能；制圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包含數(shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換質(zhì)量檢查等模塊；制圖處理模塊包括處理項目管理、數(shù)據(jù)制圖處理模塊，其中數(shù)據(jù)制圖處理可采用單機模式或分布式處理模式，在處理大批量數(shù)據(jù)時，采用分布式處理模式提高處理效率；制圖輸出模塊可輸出JPG、PDF等常用地圖格式，也能按照碎化模式和線型模式2種方案輸出CAD格式地圖數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)模型管理模塊主要負責管理轉(zhuǎn)換規(guī)則對照表、制圖數(shù)據(jù)庫、制圖模板、符號庫管理等功能。圖6為自動制圖軟件主界面。

自動制圖軟件能夠在無人工干預(yù)的情況下實現(xiàn)自動化制圖，處理一幅標準分幅的1∶1萬地形圖僅需3～5 min，制圖效果能夠保證完整性、準確性、美觀性的要求。軟件使基礎(chǔ)地理信息庫的生產(chǎn)單元更加靈活、方便?？梢曰诘缆?、河流等線狀地物劃分作業(yè)單元，基于塊狀作業(yè)單元進行數(shù)據(jù)入庫、實體化處理，而不必再受到標準分幅圖限制，減少數(shù)據(jù)接邊工作量，大幅提高生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，分幅和出圖的工作完全通過軟件自動化解決。

圖6 自動制圖軟件主界面

4 結(jié)束語

本文針對基礎(chǔ)測繪成果數(shù)據(jù)的快速制圖問題，設(shè)計了一體化制圖數(shù)據(jù)庫模型，并對制圖要素壓蓋關(guān)系處理和自動化制圖流程進行詳細研究，研發(fā)了自動化制圖軟件。該軟件已用于山東省“十三五”省級新型基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)制圖成果生產(chǎn)中，取得了良好的效果，為山東省新型基礎(chǔ)測繪整體方案的順利實施奠定了基礎(chǔ)。新型基礎(chǔ)測繪自動制圖技術(shù)的研發(fā)，可以節(jié)省大量的人力、物力，有效縮短基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)成果生產(chǎn)周期，保障數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。