城市电子地图多尺度自动缩编方法

尹向军，王芙蓉，印 洁，诸敏秋，王树魁

(1. 南京市城市规划编制研究中心,江苏 南京 210029； 2. 中国测绘科学研究院,北京100830)

城市电子地图多尺度自动缩编方法

尹向军1，王芙蓉1，印 洁2，诸敏秋1，王树魁1

(1. 南京市城市规划编制研究中心,江苏 南京 210029； 2. 中国测绘科学研究院,北京100830)

随着智慧城市、地理信息公共服务及地理国情数据等政务信息逐步公开，作为各类政务信息发布基础的城市电子地图在多尺度展现时，只能通过关闭、选取要素来实现，这种未进行制图综合的做法导致要素在逐级放大过程中，会出现跳跃性丢失和细节破碎的现象，既不符合地图表达要求也难以满足用户视觉体验。本文提出了一源数据多尺度自动缩编的技术方法，构建了最优化的“统一源头、一致派生、无级表达”技术体系，实现了城市电子地图联动更新和多尺度展现，节省了大量人力和物力，为最大限度地发挥测绘地理信息集成与服务能力提供保障。

城市电子地图；多尺度；自动缩编

长期以来，电子地图多尺度表达受制于数据源的分级测绘，不同级别地图展示采用不同比例尺数据源,由于这些数据源在现势性和产品质量规格上的不一致,无法实现多级电子地图联动更新和地图渐近表达。在城市级电子地图建设过程中，虽然掌握了丰富的大比例尺基础地理信息数据，但要实现地图多级表达，传统做法只能通过关闭图层，这种未做地图缩编的做法通常会导致要素在逐级放大过程中，出现跳跃性丢失或细节破碎的现象，无法形成科学的地图表达。相对于传统人工缩编，自动缩编通过最优化的“统一源头、一致派生、无级表达”技术体系，是目前解决多尺度数据快速获取的一种最有效方式。

本文利用面向城市级电子地图联动更新和多尺度发布的需求，梳理缩编知识形式化表达规则，以及多级数据在数据模型、要素语义与地图表达等方面的关联、制约与转换关系，提出双模型解译方法，通过数据结构化记录要素主体与领域的相互评价关系，构建面向城市电子地图自动缩编的技术体系，并实现基于一源尺度到多尺度电子地图数据自动缩编，有效保证多尺度地图的联动更新和渐近式表达。

1 总体设计思路

国内外在自动综合技术方面的发展遵循了一个由简单到复杂、由局部到整体、由数字化到智能化的客观发展过程。在传统地图制图时代，实现了制图综合从主观过程到客观过程制图方法的转变；在数字化地图制图时代，实现了由定性描述到定量描述的提升，并在模型、算法的研究方面引进了许多现代应用数学方法，成效显著；在信息化地图制图时代，主要是在原有模型、算法和知识基础上开展协同式自动制图综合研究[1]。

本文针对电子地图逐级表达要求,设计了一套电子地图的自动缩编技术流程，如图1所示,通过将制图专家的知识和经验进行知识形式化处理，形成相应的知识算子，再根据相关标准规范及实际数据的情况，对数据要素级、层级关系进行决策推理，形成智能化的知识库，再经过反复学习训练，直至实现数据自动综合。

图1 总计设计思路

2 自动缩编关键技术

2.1 缩编知识形式化表达

缩编技术指标梳理需要在现有标准规范基础上，结合数据实际情况及自动综合技术能力，突破传统人工知识经验积累，转向计算机可执行的形式化表达与解译，解译需要分析几何、拓扑、上下文、属性等各种关系，而形式化表达是将实施综合的条件与执行综合的行为连接起来，回答“何时”“何处”对“何物”执行“何操作”的问题，最终通过对接软件执行。

以居民地缩编指标为例,居民地综合总原则是要正确表示居民地的位置、轮廓图形、基本结构、通行情况，居民地的行政意义、名称和人口数，要正确反映居民地的类型、分布特点及与其他要素的关系。居民地的选取要保证详细性和清晰性的统一，能反映不同地区居民地密度对比，反映图上居民地密度差别随着地图比例尺的缩小而缩小的变化规律，并且保持轮廓的基本特征不变。本文以南京市电子地图15级(比例尺1∶18 055)居民地缩编指标制定为例，见表1。

表1 居民地综合指标

2.2 双模型

现有地图自动化程度普遍不理想，究其本质原因，是将数据综合和图形综合一并考虑，缩编过程中需要统筹考虑的因素太多，无形中加大了地图编绘的复杂性。本文提出了双模型的解决方法，如图2所示，双模型是指将数据模型和制图模型分离并存，实现了地图符号独立于制图平台，作为地图符号的图形数据既可以与地理数据整合在一起生成地图表达数据，又可以随时把符号数据和地理数据分开，便于各种综合算法先关注数据本身的空间特征与空间关系，再进行多约束一体化融合。双模型内置实体全局关系、结构化关系及邻近度关系，通过语义与空间特征参数支撑数据连续、多尺度处理与表达。

图2 双模型的分离与并存

2.3 数据结构化

数据结构化是对数据进行全局性评价，即查明并建立数据之间的分布规律与结构关系，如图3所示。对不同类型的地理数据采用不同的结构化方法和结构化表示手段，同时也要顾及区域特征的不同处理方法。本文从特征优化的角度，提出数据区分主体、附属及影响范围，采用结构化补偿方式，实现从邻域上分析各个物体相对重要性的手段，从而使得在全局结构中处于同一级别的各个物体获得一个新的补充性的评价依据。

图3 数据结构化示意图

2.4 缩编流程统一

自动缩编流程以实际多类型数据使用需求为导向、知识规则为基底，提出满足原始数据—标准规范化—实体关系识别—多约束融合，实现智能综合。其中的实体关系识别要考虑实体的修复与关系识别，多约束融合时既有要素级之间的约束，也要顾及层级之间的约束。本文对现有综合算子进行细颗粒度区分与分类，细分出97大类，1086亚类的算子，通过科学梳理及有机组合，确保综合知识的有效表达。

以多边形化简算法为例(见表2),当比例尺发生变化时，优化增加了“是否移除化简后小于阈值的环”“是否移除化简后小于阈值的短线段” 等多边形化简算法限制性条件，在不影响原有要素特征的情况下，移除化简后小于阈值的环或短线段，使多边形既保持原有特征又更加简洁。

表2 多边形化简参数 mm

3 缩编平台设计

3.1 平台架构

平台总体架构以WJ-III软件为依托， 自下而上包括4个层次，基础设施层是平台稳定高效运行的支撑与保障。数据层进行数据的获取、转换、存储等操作。平台层是核心内容，从图4可以看出，核心基础算法可分为原子级、数据级、地图级，为对外表现的模块集成提供了多种颗粒度的算法封装，这样三者结合，就实现了从数据获取、处理、管理、分析和表达的GIS功能全覆盖。应用层是基于平台层提供的功能模块的基础上，完成各类数据的自动缩编。

3.2 功能模块

基于数据导入、处理、显示、符号化、出图等流程化处理，实现数据自动综合及可视化处理，平台提供工程、浏览、查询、编辑、综合、制图、设置、管理等11大类模块，如图5所示，具备电子地图综合与成图知识库和符号库，重点实现点、线、面等人工与自然地物自动综合的全要素覆盖，同时自动处理要素之间的空间关系协调。其中，知识库涵盖综合算子的选取、软件的过程控制模块、决定算法的执行和参量的控制，其元素包括但不限于数据处理对象的要素类别、属性标识、几何算法、控制指标、指标的适用上限和适用下限。符号库区分为点、线、面3类，可按比例尺及地图类型组织管理，可以按需定制。

4 数据缩编建设

基于无级缩编平台对南京市电子地图进行了自动缩编建设，数据范围覆盖全市域，包括境界、水系、居民地、交通、植被等6大类、68小类，其自动缩编流程如图6所示，包括前期准备、数据综合、后期调试3个阶段。

4.1 分析准备

缩编处理前需全面了解当前任务数据相关标准规范、有关资料，以及现阶段比较成熟的技术、方法等，充分核查源数据的质量，检查数据的完整性、一致性等，对数据进行分析，包括对坐标系统、数据格式、空间数据组织、属性结构等的分析，并整合出缩编所需数据。

4.2 数据预处理

对一些不符合综合要求的数据进行人机交互编辑，对有规律可循的数据利用南京市测绘地理信息无级缩编平台进行数据编辑；对没有规律的数据进行人工编辑，使其在自动综合处理前保持数据规范性。继而再对处理好的数据进行要素归属划分，做好自动综合前的数据预处理工作。

4.3 制图综合

针对不同类型参照已有成熟的相关标准规范，制定其综合原则。根据要素的权重，调整其综合顺序，使综合更具逻辑性，同时梳理同层要素间或层级要素间的关系，使其符合数据实际需求，合情合理地表达数据之间的联系，并将其中的联系制定成相应综合指标。最后将指标形成知识库，使用平台进行训练，综合成相应尺度数据。综合时，要保证数据详细性和清晰性的统一，能反映不同地区要素密度的对比，更要反映图上要素密度差别随着地图比例尺的缩小而缩小的变化规律。

4.4 质量控制

数据质量控制是数据综合工作的关键，采用总体概查结合软件详查方式，各个级别的数据进行质量检查，检查数据成果的数据集(层)定义规范、属性项定义符合性，格式、数据、命名等规范性，拓扑一致性等。

4.5 缩编成果

基于自动缩编建设的南京11种尺度的电子地图成果已广泛在天地图、警务GIS、智慧城管等多个平台中应用，尤其在小比例尺级别下，地图的渐近表达和要素合理性取得了显著的提升，以14级(1∶36 112)缩编前后效果比对为例,如图7所示。

图4 平台架构

图5 功能模块

图6 数据自动缩编流程

5 结 语

本文结合城市电子地图建设面临的实际问题，以南京为例, 实现了电子地图基于一源数据多种尺度的自动缩编，通过对原数据处理和算法的提升，自动化水平达到80%以上。该技术显著提升了城市电子地图多尺度数据的一致性派生与全方位服务能力，领导了城市范围电子地图数据无级生产的根本性变革，对推动信息化测绘体系的构建具有重要推动作用。

图7 自动缩编效果比对

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AStudyontheAutomaticGeneralizationofUrbanMulti-scaleElectronicMap

YIN Xiangjun1，WANG Furong1，YIN Jie2,ZHU Minqiu1，WANG Shukui1

(1. Nanjing Urban Planning & Research Center， Nanjing 210029,China; 2. Chinese Academy of Surving & Mapping， Beijing 100830,China)

With the openness of the government information, such as smart city, geo-information common services, and geographical conditions data, the city electronic map, which is considered to be the basis of all kinds of government affairs, can only be illustrated by shutting down and selecting elements in multi-scale display. This leads to the jumping loss and detail fragmentation phenomenon for the elements in the scaleless display. Therefore,it cannot meet the requirements of cartographic representation and satisfy the user’s visual experience. This paper presents an automatic generalization method,which constructed a technology system featured unified source, consistent derivation， scaleless representations. This system realizes the linkage renewal and multi-scale display of urban multi-scale electronic map. To some extent,it will play an important role in maximizing the geographical information integration and service capabilities of surveying and mapping.

urban electronic map; multi-scale; automatic generalization

尹向军，王芙蓉，印洁,等.城市电子地图多尺度自动缩编方法[J].测绘通报，2017(11)：80-85.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0353.

P283

A

0494-0911(2017)11-0080-06

2017-06-15;

2017-09-01

国家自然科学基金(41371374)

尹向军(1979—)，男，硕士，高级工程师，主要从事电子地图建设研究。E-mail:9337981@qq.com