活动断层自动化制图关键技术研究

甘德强 张学刚 杜克平* 于贵华

1)北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875

2)中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029

活动断层自动化制图关键技术研究

甘德强1)张学刚1)杜克平1)*于贵华2)

1)北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875

2)中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029

地图制图的自动化可以大大提高制图的效率和规范性。如何实现高质量的自动化制图成为地理信息科学重要的研究内容之一。文中探讨了自动化制图的流程;结合城市活动断层探测项目的实际情况，提出了增加自动匹配检查、拓扑检查两项辅助技术，用以保障制图质量;最后，设计系统实现了活动断层制图的自动化。系统所采用的技术和方法，对于其他如气候、地理、资源以及土地利用等领域的自动化制图有着重要的参考价值。

活动断层 自动化制图 自动匹配检查 拓扑检查

0 引言

“十五”期间建立的国家活动断层数据库，系统收集了全国20个城市地球化学、地球物理、地质以及地震等方面的海量数据。如何利用这些数据进行专题图的制作，为政府和有关部门进行城市发展规划、土地利用、重大工程选址和城市防震减灾提供科学依据成为一个值得研究的课题。而传统的地图制图有许多弱点，例如:生产难度大、成本高、周期长、制印技术复杂、专业性强;手工劳动占比例较大;地图产品种类单一，更新困难，不能反映空间地理事物的动态变化，信息难以共享等(陆国玲等，2008)。因此，自动化地图制图应运而生，它很好地解决了海量数据的专题地图批量出图问题，有着非常广阔的应用前景。

目前，国内外已有不少针对自动化制图的研究。如Xie等(2006)利用GIS和一系列的Perl scripts以及C++程序实现了下一代气象雷达数据的自动处理和快速显示。Gustavsson等(2008)将不同类型的地貌数据录入数据库，然后基于数据库进行地貌制图。辽宁省基础地理信息中心从成果库中提取数据，经过预处理、裁剪和投影变换等一系列的操作，最后加入制图元数据，通过形成制图产品库进行制图(肖文芳，2009)。李东平等(2006)在探索基于GIS的地震专题制图自动化中，开发建立了基于TrueType技术的地震专题符号库，提出了地震制图自动化中线性和面型的解决方法，利用2次开发弥补了MapInfo软件在标注功能上的不足，基本满足了地震专题制图的要求。

前述的研究大都针对制图过程本身的问题，很少涉及属性和空间数据检查。这样就很难保证制图数据的准确性，可能导致自动化制图的质量下降。本文探索把地物的空间和属性数据的自动匹配检查以及空间数据的拓扑检查两项技术应用到自动化制图中，以达到质量控制的目的。

1 自动化制图的流程及关键技术

1.1 自动化制图流程

自动化地图制图是利用计算机和图形输入、输出等设备，运用数字制图的原理和方法，从事地图的设计、编绘和印前制版等工作，实现地图设计与生产的自动化。目前，一般的自动化制图流程大致是:首先分别构建地理信息数据库和符号库，然后采用制图系统把两个库关联起来生成原始的地图，最后对原始地图做图幅整饰生成电子或纸质地图。

根据城市活动断层项目的实际情况，对一般的自动化制图流程进行了改进。在构建地理信息数据库时，对原始数据库和制图数据库进行自动匹配检查，保证空间和属性数据的完整性。对构建完成的地理信息数据库进行拓扑检查，保证空间信息的准确性。形成了一套新的自动化制图流程，如图1所示。

图1 改进后的自动化制图流程Fig.1 Improved flow of automatic cartography.

1.2 自动匹配检查技术

按照城市活动断层项目的要求，需要对野外采集到的数据分别建库，保留所有原始数据。这些存有原始数据的库(可能是Geodatabase也可能是Shapefile)被称作“原始数据库”或“专题数据库”。在各个城市进行成果整理出图时，会从各个原始数据库中抽取需要的数据构建一个新的数据库用于制图。理论上，制图数据库中的数据是原始数据库的一个子集，应该完整地保留原始数据信息。但在实际工作中，制图数据库经常会出现空间数据缺失或属性数据不匹配的情况。出现这种情况主要有以下两方面的原因:

(1)数据格式的不同。由于在前期进行的城市活动断层项目并没有统一的数据格式，有的采用ArcGIS格式，有的采用MapInfo格式。这就导致在抽取数据构建制图库时部分数据需要手工录入，难免出现错录或者遗漏。

(2)库结构的变化。在构建原始数据库时，有的城市没有按照标准的库结构进行。在后期进行成果整理构建制图库时，就会出现某些数据无法录入的状况。

自动匹配检查技术就是要对原始数据库和制图数据库进行匹配，然后检查出制图数据库与原始数据库不一致的记录。方便技术人员进行修改，从而构建出一个数据完整的地理信息数据库，供自动化制图使用。

自动匹配检查技术的大致流程(图2)是:

(1)通过空间数据的几何字段进行匹配，找出制图数据库与原始数据库中几何信息相同的记录;

(2)对这些相同的记录做属性检查，看是否一致。如果有任何的不一致(包括空间信息的缺失，不匹配或者属性数据不相同)，则记录下该条记录供技术人员修改。如果全部一致，则允许该条记录进入地理信息数据库。

其中，自动匹配按几何字段类型的不同分为3种情况:

(1)点状数据匹配。通过点的坐标找出几何信息相同的记录;

(2)线状数据匹配。首先检查制图数据库是否有线的长度相同的记录，如果有长度相同的记录，则通过线的起点和终点坐标找出几何信息相同的记录。如果没有长度相同的记录，则直接通过线的长度找出几何信息相同的记录;

(3)面状数据匹配。首先找出面的质心，再通过质心的坐标找出几何信息相同的记录。

图2 自动匹配检查技术路线Fig.2 Technical route of automatch check.

1.3 拓扑检查技术

由于有些原始数据是通过扫描纸质地图后进行数字化得到的(杨绪连等，2009)，因此不能保证技术人员在数字化过程中不出现拓扑错误。而拓扑关系是数据质量控制的重要环节，它直接影响到基于该数据的应用、分析、决策的正确性和可靠性，影响到系统的成败(左志进等，2008)。因此，在数据进入地理信息数据库后，还要检查其空间数据的拓扑关系。

图3 主要拓扑规则示例Fig.3 Samples of primary topology rules.

1.3.1 拓扑规则

根据活动断层探测项目数据的特点，对数据库构建了若干条拓扑规则(图3)，保证空间数据能够正确地反映真实地物的空间关系。主要包括以下几条:

(1)esriTRTLineCoveredByLineClass(与它层线要素重叠)规定某图层的线要素必须与另一图层的线要素重叠。例如，活动断层数据库中CO2AbnSegment必须重叠在CO2SvyLine图层上。

(2)esriTRTPointCoveredByLine(点被线覆盖)规定某图层的点要素必须在另一图层的线要素上。例如，活动断层数据库中DrillHole必须在SvyLine图层上。

(3)esriTRTAreaNoOverlap(面不相交)规定图层内部的面与面之间不能存在重叠相交关系。例如，活动断层数据库中Rock图层中的各个面状要素不能相互重叠。

1.3.2 拓扑检查过程

拓扑检查就是按照既定的拓扑规则对空间数据进行检查，并对检查出来的结果进行修改。拓扑检查的过程包括如下步聚:

(1)根据活动断层探测项目的数据特点，制定拓扑规则，并构建拓扑检查模板数据库存储的拓扑规则。

(2)通过模板数据库将拓扑规则导入地理信息数据库，对各个要素集进行检查，最后记录下所有的检查结果。记录的检查结果按类型的不同，分别存储在3个文件中。第1个是Excel格式文件，记录了出错的拓扑规则以及出错要素的OID。第2个是日志文本文件，记录了检查过程中出现的异常。第3个是.lyr格式的脏数据(即有拓扑错误的数据)文件，记录了出现拓扑错误的区域。

(3)技术人员根据拓扑检查结果，利用ArcMap对拓扑错误进行修改。

(4)修改过程中可能会产生新的拓扑错误，因此要重复步骤(1)、(2)、(3)，直至没有任何拓扑错误。

2 自动化制图系统的实现

自动化制图系统是采用ArcEngine组件和C#语言进行开发的。该系统包括自动匹配检查、拓扑检查、图层连接与符号化、整饰出图4的各部分。其中，自动匹配检查和拓扑检查两个功能的原理和流程在前面已经讨论过了。下面将对另外2个部分的功能做简单介绍。

图4 系统运行界面Fig.4 System operation interface.

图层连接与符号化是自动化制图中形成地图文档的关键步骤。该功能首先从预存的MXD模板文档读出待显示的图层，然后对图层和地理信息数据库的要素类做连接，最后根据要素类的不同属性从符号库中读取相应的符号，对地图做符号化。这样就完成了一个初步的地图文档。

整饰出图是自动化制图的最后一步。它主要是对地图文档加入一些必要元素，如图名、图例、比例尺、指北针等。经过整饰出图就可以形成完整的成果(图5)。

图5 自动化制图成果示意Fig.5 Product of automatic cartography.

3 讨论及展望

活动断层探测项目后期制图工作的实践证明，自动化制图大大降低了制图难度，减少了工作量，提高了工作效率。特别是引入了自动匹配检查与拓扑检查两项技术后，制图的质量也大大提高。

但自动化制图系统仍有许多不足之处。比如，自动匹配和拓扑检查过程都需要人工干预才能完成最后的工作，没有实现完全自动化。另外，在图层符号化时，由于某些断层(线状数据)太长，致使地图上标记断层本身及其走向的符号相隔较远，影响了地图信息的表达。以上这些问题都需要在进一步的研究中解决。

致谢 在成文过程中得到宁夏回族自治区地震局王银的帮助，特此表示感谢。

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KEY TECHNIQUES RESEARCH OF AUTOMATIC CARTOGRAPHY OF ACTIVE FAULT

GAN De-qiang1)ZHANG Xue-gang1)DU Ke-ping1)YU Gui-hua2)

1)School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China
2)National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

Mass of data in geochemical，geophysical，geological，seismological and other aspects were collected for the national active fault database system in the Tenth Five-Year Plan.How to make use of these mass of data to produce thematic map for government's decision making in urban development planning，land use，significant engineering site selection and providing the scientific basis for urban earthquake resistance and disaster mitigation has become an issue worth studying.Automatic cartography solves this problem well.

By summarizing，we find that most of present researches in automatic cartography care much about cartography process itself，rarely involve property and spatial data inspection.Thus，it is hard to ensure the accuracy of data and may lead to a drop in quality of automatic cartography.Firstly，this paper discusses the process of automatic cartography.Secondly，considering the actual situation of urban active fault detecting project，we propose to add inspection of automatic cartography and topology check to guarantee the quality of cartography.Thirdly，further research is done in the principle of automatic matching and topology checking to develop a feasible process for automatic matching and topology checking.Finally，a system is designed to realize the function of automatic matching.

The techniques and methods used in this system have important reference value in mapping automation in other areas，such as climate，geography，resources and land use，etc.

active fault，automatic cartography，automatic matching，topology checking

P208

A

0253－4967(2011)04－0990－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.04.021

2011－10－19收稿，2011－11－13改回。

国家科技支撑计划项目(2008BAC38B04)和国家自然科学基金“汶川地震应急科考数据库建设”项目共同资助。

*通讯作者:杜克平，北京师范大学副教授，E－mail:kpdu@bnu.edu.cn。

甘德强，男，1986年生，北京师范大学地图学与地理信息系统专业在读硕士研究生，从事地图学与地理信息研究，电话:18910603127，E－mail:recalled@163.com。