一种数字地图新产品——PDF地图

2016-02-26周校东杨春成孟妮娜

测绘通报 2016年1期

关键词：数字地图文档页面

周校东，杨春成，孟妮娜

(1. 地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054； 2. 西安测绘研究所，陕西西安 710054；

3. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

A New Digital Map Product——PDF Map

ZHOU Xiaodong，YANG Chuncheng，MENG Nina

一种数字地图新产品——PDF地图

周校东1,2，杨春成1,2，孟妮娜3

(1. 地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054； 2. 西安测绘研究所，陕西西安 710054；

3. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

A New Digital Map Product——PDF Map

ZHOU Xiaodong，YANG Chuncheng，MENG Nina

摘要：针对目前数字地图产品的使用现状和需求,提出了PDF地图产品。首先给出了PDF地图的定义与特征，其次详细描述了PDF地图的数据模型及生成方法，最后总结了PDF地图的两种基本应用模式，并验证了其可行性和有效性。

关键词：PDF；PDF地图；数字地图；地图产品

地图从其诞生并发展至今，已成为人们认识、理解、利用地理环境不可缺少的重要工具，广泛应用于经济、社会、文化、军事等各行业。在信息时代，随着模拟地图向数字地图的转变，各种以数字地图为基础的专用地图产品及能提供各类地图服务的信息系统不断涌现，如多媒体电子地图(集)、定位导航系统、信息查询系统等。其使用的方便性极大地扩展了地图的应用面，产生了大信息量的用户，如数字地球、智慧城市，更使原本以专业人员为目标的“地图”用户向大众用户转变[1-2]。然而，当前电子地图的制作与应用都需要专门的电子地图著作软件，地图服务都与相应的地理信息系统密不可分，使得非常有价值的地理空间信息被封闭在复杂的应用软件中，只有部分专业人员知道如何使用[3-5]。通常，非专业用户也非常需要共享地理空间信息。更重要的是这些系统中的地图均采用图示表达的方式，这种可视化方式以地理信息为基础，通过符号映射机制能够快速获得符号化地图，并且保持与符号化之前地理信息的对应关系，但是图示表达不能得到符合出版效果的标准地图[6-7]。目前的出版地图通常是在专业的地图制图软件中编辑完成，这就是地图与地理信息一体化的问题，关于这一问题目前科学界和行业内没有较好的解决方法。然而地理信息系统用户对于标准地图的需求日益增加，人们希望在阅读时面对精美的地图，而不是看着影响人们认知和决策的粗糙地图。因此，用户需要一种地图产品能既包含地理信息数据，又包含相对应的地图符号数据，兼顾计算机的处理需要和人的阅读感受。

PDF(portable document format)是Adobe公司开发设计的一种文档记录格式。PDF文档包含在屏幕上显示和在打印机、照排机或直接制版机上输出所需的全部数据信息，完全独立于创建它的原始应用程序和计算机平台，已成为电子文档传输和数字化信息传播的理想文档格式。2004年美国雷顿图形(Layton Graphics)公司提出用PDF文档存储地图与地理信息的GeoPDF，随后成立了一个名为TerraGo技术公司(TerraGo Technologies)的子公司。GeoPDF是TerraGo技术公司的注册商标，基于已有的PDF标准，扩充了许多功能，并为应用终端提供免费的使用工具，正快速地成为地图分发的首选格式，已受到全球范围内政府机构和企业公司的信任[8]。

笔者所在研究团队是国内最早开始研究以PDF文档存储地图和地理信息的单位，已有部分相关研究成果[9-10]。在对PDF地图不断深入的研究中，给出了PDF地图的定义，提炼出了其特征，尤其对PDF地图的数据模型及应用模式进行了有意义的探索。

一、PDF地图定义与特征

PDF地图是一种新型地图产品，既包含地理信息，又包含符号图形，基于PDF 1.7规范，遵循ISO 32000-1格式标准[13]，具备地理坐标查询、地理要素分层浏览、地理目标属性查询、方向计算、长度及面积量算、信息标注等功能。PDF地图能使使用者利用PDF阅读工具(如Adobe Acrobat、Adobe Reader、Foxit Reader等)阅读分层的、具有地理空间参考的地图和影像产品。

PDF地图产品特点归纳起来，有以下4点：

1) 产品独立性：产品是PDF格式的独立文件，无须关联额外文件，可脱离GIS软件或其他复杂的可视化系统来展示产品，只需任意PDF阅读器即可浏览。

2) 数据完整性：产品在地理目标符号图形数据(包括图像、文本等)中嵌入空间数据与属性数据，无须关联地图符号库，三者是一体化的完整数据。

3) 跨平台与跨终端应用：产品基于PDF格式，与传统格式的电子地图比较，不仅与系统平台无关，而且数据量小，可在便携终端上使用。

4) 行业适用性：产品直接面向应用，不需要GIS相关专业知识和复杂的系统培训，非专业用户也可快速使用、分享地图成果。

二、PDF地图数据模型

PDF地图存储和管理的对象是数字地图，包括地理要素的几何信息、属性信息和符号图形信息3个方面。针对数字地图数据的特点，采用面向对象技术与PDF技术相结合的方法，构造一个以地理实体为单元的PDF地图存储与管理的结构，从而具备使用面向对象的方法将数字地图存储到PDF格式文件中的能力。

1. PDF地图文档结构

PDF地图遵循PDF格式标准，与普通的PDF文档一样由文件头、文件体、交叉参考表和文件尾4个部分组成，如图1所示。

图1　PDF地图文档组成

文件头指明了该文件所遵循的PDF规范的版本号，出现在PDF文档的第一行。PDF地图版本号通常为1.6，文件头对应为“%PDF-1.6”，如果需要支持三维地图需定为1.7。

文件体由一系列的PDF间接对象组成，各对象分层组合构成PDF地图文档结构，是PDF地图文档的主要部分。

交叉参考表是为了能对间接对象进行随机访问而设立的一个间接对象的地址索引表，以xref关键字开始。

文件尾是使得应用程序在读PDF地图文档时能快速找到交叉参考表并发现特定对象，以trailer关键字开始。

PDF地图文档结构呈现出一种树形结构，以目录对象(Catalog)为根节点。目录对象节点主要包含3个子节点，即页面簇(Pages)、要素属性树(StructTreeRoot)和图层树(OCProperties)，如图2所示。

图2　PDF地图文档结构

页面簇含有一个页面(Page)对象节点。页面是PDF地图最重要的组成，主要包含内容流(Contents)和空间参考(LGIDict)两个对象节点。内容流用于存储PDF地图图形信息，包含一系列将图形元素绘制到页面上的指令。空间参考用于实现PDF地图页面坐标同地理坐标之间的转换，包括地图投影(Projection)和变换矩阵(CTM)。地图投影实现地理坐标与投影坐标之间的转换，主要存储投影类型、投影参数、椭球参数等信息。变换矩阵实现投影坐标同PDF地图页面坐标之间的转换。

2. PDF地图要素组织

PDF地图通常按图幅形式存储，每个PDF文件含有一个页面，存储一幅数字地图。PDF地图要素组织参照数字地图数据，采用按地理要素分层组织。地理要素包括自然地理要素和社会地理要素，是具有相同语义特征的地理实体的集合。地理实体是PDF地图的主要内容，由几何定位信息、目标属性信息和符号图形信息共同构成。其中，几何定位信息和目标属性信息是DLG数据，即地理信息库数据，是PDF地图要素查询信息的重要组成部分；符号图形信息是要素的地图表达数据，即制图的结果数据，由基本图元组成，不依赖特定技术和符号库，符号图形信息共同构成PDF地图的地图表达效果。

PDF地图包含若干个地理要素层，通常划分为地貌、水系、植被、土壤等自然地理要素层和居民地、道路、工农业文化设施、行政区划等社会经济要素层。每个要素均包含若干个地理实体，通常分为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体。地理实体包含几何定位信息、目标属性信息和符号图形信息。

图3　PDF地图要素组织

3. PDF地图转换输出

PDF地图转换输出包括空间参考系建立、图层信息配置和地理实体信息输出3部分。

空间参考系建立形成了一个地图图框，主要包括变换矩阵和地图投影参数设置。PDF标准中定义了一个设备无关坐标系，也叫用户空间，它使对象在页面上的关系保持不变，从而在任何输出设备上都具有统一效果。PDF用户空间采用平面直角坐标系，通过变换矩阵，实现PDF用户空间与地图平面直角坐标系间的坐标变换。变换矩阵采用3×3矩阵，需要记录6个参数[abcdef]，变换表达为

(1)

(2)

联立式(1)和式(2)即可实现PDF页面坐标与地理坐标之间的转换。

图层信息配置首先需要根据地图要素分层信息，设置图层资源OCProperties属性值，包括图层定义(包括名称、属性字段)、图层顺序、显示开关等信息。由于PDF规范并不支持GB2312编码，当图层名称等信息是中文字符时，需要转换为Unicode编码。

地理实体信息中符号图形信息输出到PDF页面中的内容流，通常由一系列图形绘制指令组成，图形绘制指令用于向PDF页面上绘制图形信息，其先后顺序决定了绘制的先后顺序，同一位置上，后绘制的图形将压盖先绘制的图形。另外，为了达到最佳的地图图面效果，地图制图过程中要素之间的压盖关系处理是一项不可或缺的重要的处理环节。地理实体符号化后，需要解决符号的压盖问题。这里，提出了以单元符号为最小单位，实体符号通常包含多个单元符号，设置单元符号优先级为0～255之间。地理实体信息中属性信息输出到要素属性树中，通过关键字“K”枚举出所有叶子节点(StructElem)对象。叶子节点对象可用来存储一组自定义属性数据(UserProperties)对象，通过关键字“K”枚举出其关联的标记图形内容唯一识别号(MCID)。

三、PDF地图应用

PDF地图应用可以采用两种模式：一是利用PDF阅读器打开PDF地图数据文件，并使用PDF地图功能；二是利用常用GIS软件打开PDF地图数据文件，除使用PDF地图功能外，还可进一步将PDF地图与GIS功能相结合。第一种模式比较适合非专业用户，简单、易操控；第二种模式适合GIS专业用户，具有扩展性，图面美观兼具空间分析功能。

常用的PDF阅读器主要有Adobe Arcobat、Adobe Reader、Foxit Reader等，用户安装官方软件后，就可实现对PDF地图的阅读浏览、图层控制和地理目标抓取等功能。如果想使用PDF地图其他功能，如空间位置信息、地理量算、属性查询和一些简单的GIS空间分析功能，需要安装与阅读器对应的PDF地图应用插件(Plug-ins)。利用Adobe Acrobat提供的插件二次开发功能，开发地图查询、地图量算等功能插件，实现PDF地图浏览、查询和量算等功能，PDF地图在阅读器中的应用如图4所示。

常用GIS软件需要具有二次开发功能，调用PDF地图功能开发包，开发出支持PDF地图显示、查询等功能的组件，从而实现GIS软件的功能扩展，既可浏览PDF地图，又可使用GIS空间分析功能。通常情况下，在GIS软件中，PDF地图可作为一个独立图层使用，为GIS空间分析提供具有地图表达效果的底图，以辅助机器分析计算与人的视觉认知两者的统一和交互。

四、结束语

PDF地图既具备纸质地图的视觉表达效果，又具有矢量地图的部分功能，可进行地图分层显示、目标属性查询、空间坐标查询和空间量算等操作。由于采用PDF格式存储地理信息数据，产品使用终端不需要依赖专用和昂贵的付费GIS软件，降低了对用户的使用条件要求，为测绘专业部门和非测绘专

业用户之间架起了桥梁，极大拉近了地图生产者和使用者的距离，满足了人们对地理信息的使用要求。PDF地图作为一种新的地图产品，必将打破GIS专业应用的界限，对非GIS专业人员使用地理信息、提高应急测绘保障能力具有重要意义。