交通要素启发式多尺度表达技术方法探讨

高 翔，徐京华，王 蕾，刘 刚

(西南交通大学 地理信息工程中心，四川 成都 610031)

交通要素启发式多尺度表达技术方法探讨

高 翔，徐京华，王 蕾，刘 刚

(西南交通大学 地理信息工程中心，四川 成都 610031)

针对当前地图的单一尺度可视化与用户所需地图的多尺度表达之间的矛盾，利用多尺度制图技术，探讨基于用户制图需求的交通要素启发式多尺度表达的技术方法。通过对用户的制图需求信息进行启发式识别，提取出相应参数对不同尺度下各要素进行取舍和简化，最终实现交通要素的多尺度表达。实践表明，文中方法可以改善电子地图表达尺度单一的缺陷，满足用户对多尺度地图的制图需求。

多尺度表达；制图需求；启发式；交通要素；道路综合

随着地理信息系统技术的发展，电子地图已经应用于各学科和各部门。随着应用范围的扩大和交叉学科合作项目的增加，电子地图的用户类型逐渐增加，不同用户的制图需求存在巨大差异；即使是同一用户，对地图的要求也不断提高，在通过地图查找所需的某一类地物时，要求不同视距的地物具有不同的认知效果，即：用户有地理信息的多尺度需求。

尺度有多重含义，如比例尺、分辨率、颗粒度、详细程度等[1]。本文提到的尺度是指比例尺，多尺度即多比例尺，而多尺度表达即是动态显示同一区域范围内不同尺度的地图，但在同一张地图中，不同位置具有相同的比例尺。多尺度表达是近些年国内外GIS研究工作的热点与难点。在国外，一些学者研究了基于多尺度数据库，提高面向需求的网络地图自动综合的能力，通过将多尺度数据库与地图综合过程相结合的方法，利用多尺度数据库来增进地图综合的需求[2-3]；在国内，也有学者进行了多尺度表达有关问题的研究，来解决该技术所面临的数据存储量大、操作响应慢等诸多问题[1]。但由于在电子地图的多尺度表达中不存在目标比例尺，在制图综合中常用的数量指标的计算公式在这里失去了用武之地[4]。因此,目前的多尺度制图方法主要还是独立数字化各比例尺图，所提供的地图大多是按照特定比例尺、特定用途制作而成的，用户无法根据自己的某种需求去编辑或者更改其内容或尺度，这就使地图的灵活性大大降低，无法满足用户对地图的多尺度需求。本文针对上述问题探讨基于用户制图需求的交通要素启发式多尺度表达方法，通过启发式再识别过程，提取出制图需求信息，根据用户提供的尺度信息确定制图比例尺，并结合制图数据库中的数据资料确定制图所需参数，对要素进行取舍简化，生成用户所需专题和尺度的地图，从而增强地图的灵活性，实现交通要素的多尺度表达。

1 多尺度表达的启发式设计

多尺度制图过程是对地理现象的启发式识别过程。在这个过程中，用户可以根据自身需求，按照一定的标准，运用启发式方案生成自己所需尺度的地图。启发式方案可以尽可能地保留重要地物的重要特征、缩短处理一个目标对象的时间，缩短地图加载时间，加快地图生成。该过程中，用户利用操作平台与计算机进行交互操作，通过交互区域输入其制图需求(交互区域包括用户类型信息、制图区域信息、制图尺度信息等内容)。操作平台将这些需求参数反馈给服务器，再由服务器对制图需求信息进行提取与识别、处理与综合，将用户所需尺度地图经由操作平台反馈给用户，在地图显示区域上显示出来。制图过程如图1所示。

图1 交通要素启发式多尺度制图过程

1.1 制图需求信息提取与识别

对需求及其有关概念的识别是对制图需求信息进行处理与综合的基础。但用户对交通要素的需求千差万别[5]，不同领域用户对地理空间的认知和对地理数据的组织均有很大的差异[6]。例如：交通部门需要了解道路属性、车流量信息、交通设施分布等与交通规划管理相关的信息；而房地产开发商则更多关注与项目相关的道路分布、交通条件、基本设施分布等与房产开发密切相关的信息；社会民众则注意行车路线、车站分布、道路通达度等与生活息息相关的信息；即使是同一领域的用户，也可能因需求差异而需要不同尺度地图的支持。以交通部门对城市道路的规划管理为例：当城市主干道路遇到交通拥堵时，首先要依据大尺度图查看堵塞道路的分布范围，再利用中、小尺度图，查找与堵塞道路相连道路的通达情况，若道路可以实现通达，则引导车辆经由此路绕行，从而对堵塞道路进行交通分流，减缓交通捅堵。

如上所述，交通部门、房地产商和社会民众这3个主体之间以及各主体内部的不同子体对交通要素的制图需求存在很大差异。为了准确地辨识这些需求信息，首先要获取各行业所需交通要素的小尺度基础数据(包括道路等级、道路边线、交通附属设施的定位和属性信息等)，建立制图数据库，用户利用浏览器作为输入平台，输入其需求数据，浏览器将这些数据传送给服务器，再由服务器对这些数据进行提取，并以制图数据库中的数据为基础，对用户制图需求信息所涉及的相关领域的基本概念和同义词进行准确地识别。由于涉及的用户领域较多，不同用户的数据需求差异较大，制图数据库中需要存储的数据种类也很多，因此，识别基本概念的重点不仅在于保证其完整性、准确性，同时要确保制图数据库中含有相关领域内的基本术语。表1、表2中分别列出了在进行制图需求信息识别时，不同尺度下不同用户所需的交通要素中部分空间数据和属性数据的差异。

表1 空间数据差异

表2 属性数据差异

1.2 制图需求信息处理与综合

为了实现网络环境下面向用户制图需求的启发式多尺度制图，在完成了对用户制图需求信息的识别之后，需要将识别后的需求信息与制图数据库中的数据信息进行匹配，确定与用户制图需求相关的参数，从而使用户制图需求从自然语言转化到制图语言[7]。

制图数据库中既包括元数据，也包括从对多尺度制图领域有透彻了解和丰富知识的专家们那里获取到的知识，如果两者可以匹配，则直接进行要素的取舍与概括。如果发现有悖于知识的数据，则需进行需求启发式再提取，根据用户提供的信息确定与用户制图需求最接近的参数，同时把该数据记录在制图数据库中，由相关领域的专家利用其丰富的知识来补充完善数据库中的相应信息。这样，用户制图需求和制图数据库之间便形成了一个相互促进、相互集成的环境，不断地为各类用户提供理想的制图方法。制图需求信息处理流程如图2所示。

图2 制图需求信息处理流程

制图需求信息经过处理后，需要对各要素进行综合概括及符号设计。由于不同比例尺地图所涵盖的空间范围不同[8]，所需数据类型不同，所展示信息的详略程度也存在很大差异。因此，不同尺度下不同等级的要素，其综合概括程度和符号设计的重点均存在差异。现以交通要素中的道路为例进行说明。

1)道路选取。根据道路选取的原则，以道路面积负载量、道路等级及用户用图目的作为取舍的标准，共同决定道路的取舍。根据处理后的用户制图需求信息确定用户所需尺度及地区类型，计算该地区各等级道路的面积载负量，再与制图数据库中储存的相应尺度相应类型用户对应的各要素面积载负量的阈值作比较，按照等级由低到高的顺序逐渐舍去较低等级的道路，若大于该值，说明该等级要素在屏幕上显示过为密集，需要将其舍去，减轻地图负重；若小于该值，则将该要素保留，并以恰当的符号表示出来。

2)道路简化与符号设计。本实验主要通过Douglas-Peucker算法简化比例尺缩小时线状要素的形状，它的优点是具有平移和旋转不变性，给定曲线与阈值后，化简结果一定[9]。并以改变要素符号的尺寸、颜色这两个视觉变量作为辅助方法，来实现不同尺度下各交通要素的表达。图3所示为国道和省道在不同尺度的要素简化与符号设计上存在的差异。不同要素之间的差异主要通过符号的颜色和宽度的变化来区别，其中颜色起主要作用，宽度随着道路等级的降低也略有减短；同一要素间的差异主要通过要素形状复杂程度的变化和要素符号宽度的变化来表达，如国道，不同尺度下其形状都不同，随着比例尺的缩小，选取不同的阈值对要素进行综合，逐渐简化符号的几何形状，剔除一些细小弯曲或抖动点，使其复杂程度降低，同时改变符号的尺寸，使其宽度降低，增强中小比例尺图的可视化效果。在完成了要素的简化综合之后，运用设计好的地物符号形象地表现要素对象的属性信息，符号化后生成用户所需地图，并根据用户提供的需求信息确定显示要素的属性信息，显示在客户端显示器上，实现多尺度可视化的最终表达。

图3 不同尺度交通要素简化与符号设计差异

2 实 验

如前例所述，不同用户对交通要素的制图需求存在差异，这些不同的需求既反应了数据库对知识的需求，同时也反映了电子地图对多尺度表达的需求。为满足不同用户对交通要素千差万别的需求，本文探讨了基于用户制图需求的交通要素启发式多尺度表达技术方法，设计了个性化的人机交互界面(图4)。界面左侧的4个选项为用户制图需求信息选项，用户在此输入其制图需求，计算机可以根据其需求提取出制图所需参数，并和已有数据库中的数据及知识进行制图需求信息识别，遵循交通部门的技术规范在数据库中提取相关制图空间信息进行多尺度制图。界面左侧第4栏是尺度选项，若用户选择了其所需尺度大小，系统会根据尺度信息确定制图比例尺，并按照1.2中所述方法确定各类用户所需各要素面积负载量的阈值和Douglas-Peucker算法的阈值，对交通要素进行取舍概括，确定所要显示的要素等级，生成用户所需尺度和类型的地图。如果用户不了解自己所需尺度的大小，也可以先不选择尺度信息，系统会根据已提供的信息生成满足用户制图需求的大、中、小3种不同尺度的地图供用户选择，并将制图结果通过右侧显示区显示出来，用户可以根据视觉效果并结合自身需求确定其所需地图。

交通要素多尺度表达方案的成果如图4所示。图4(a)展现了所需尺度已知时交通部门对道路等级分布需求的大尺度可视化效果；图4(b)展现了所需尺度未知时交通部门对道路等级分布需求多尺度可视化效果。

图4 多尺度可视化效果

3 结束语

本文通过对不同领域用户进行制图需求调查，并根据用户间的制图需求差异，在本文提出的多尺度表达的概念和实验设计方案的基础上，选取了部分数据对交通要素启发式多尺度表达方法进行了试验。结果证明，该方法可以实现用户对所需尺度地图的快速查询，并提供了多种不同尺度的地图供用户查询分析，为多尺度制图技术的发展提供了一定的借鉴。

然而，目前的启发式多尺度制图方法还处在初级阶段，在以后的研究中还应着重于尺度变换时比例尺不连续以及多尺度表达时的自动综合等方面的问题，力争提高网络地图的自适应表达能力，改善无级缩放显示效果。

[1]贾奋励.电子地图多尺度表达的理论与方法的研究[D].郑州：信息工程大学，2002.

[2]ALESSANDRO CECCONI,etc. Improving Automated Generalisation for On-Demand Web Mapping by Multiscale Databases[C]. Symposium on Geospatial Theory, Processin g and Applications. Ottawa 2002.

[3]王卓苧. 基于Web服务的按需网络综合的研究[D].郑州：信息工程大学，2006.

[4]艾廷华，成建国.对空间数据多尺度表达有关问题的思考[J].武汉大学学报：信息科学版，2005，30(5)：377-382.

[5]杨海鹏，郭建忠，杨泽锋.网络电子地图认知研究[J].测绘工程，2011，20(6)：9-15.

[6]杨骏，李永树，蔡国林.面向本体的启发式空间数据库设计研究[J].计算机应用研究，2007，24(5)：24-26.

[7]刘娜. GSI环境下城市居民地制图综合研究[D].成都:西南交通大学，2006.

[8]王艳慧，陈军，蒋捷.GIS中地理要素多尺度概念模型的初步研究[J].中国矿业大学学报，2003，32(4)：376-381.

[9]李钢，黄强.城乡一体化地籍中道路自动综合研究[J].测绘科学，2011，36(4)：216-217.

[责任编辑：刘文霞]

Research of the technology and method of heuristics web map multi-scale representation

GAO Xiang, XU Jing-hua, WANG Lei, LIU Gang

(GIS Engineering Center of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

Aiming at the contradiction between visualization of sin gle scale maps and multi-scale representation of the maps that users demands, it uses a multi-scale mapping technology, and discusses the method of traffic elements heuristic multi-scale representation based on users’ mapping demands. By a series of heuristic recognition process of users’ mapping demands information, this method ranks the corresponding parameters to accept, reject and simplify all the elements in different scales. Finally it realizes the multi-scale representation of traffic elements. Practice shows that this method can ameliorate the sin gle scale flaws of web map representation, satisfy the demands of users to multi-scale web map.

multi-scale representation; mapping demands; heuristics; traffic elements; road generalization

2013-09-02

高 翔(1990-)，女，硕士研究生.

P283.7；P208

：A

：1006-7949(2014)08-0062-04