新型基础测绘自动制图软件的设计与实现

魏国忠

(1.山东省国土测绘院，济南 250102；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

0 引言

测绘制图产品是一种对基础地理信息最具认知功效的表达载体，在应用中具有不可替代的作用。基础地理信息数据库是各类地理信息平台建设和信息化建设的基础，也是基础地理空间框架的重要组成部分。为了减少地形图制图中的重复工作，有效保证数据的一致性，多个省份对制图与基础数据库数据一体化技术进行了探索与实践，在进行数据建库生产时兼顾地图制图[1-3]。但是由于技术上的限制，传统的图库一体化数据生产体系还处于初级阶段，一般通过改造基础数据库模型，将制图信息作为建库数据的一部分存储在数据库中。采用人工交互编辑的方式，进行地形要素的符号化和地图整饰工作。这种生产模式存在以下弊端：一是数据复杂度高，地理实体的拆分不再完全基于空间查询和分析的需要，而是要综合考虑制图符号显示和压盖的需求，数据的制图信息和地理实体信息混合在一起，增加了数据冗余，不利于数据的管理、查询和分析；二是数据更新效率低，采用人机交互进行编辑，自动化程度低，大量空间数据信息需要重复采集，增加了工作量，生产效率低，更新速度无法满足现势性要求[4-6]。

为了满足经济社会发展对测绘成果现势性的需要，提升数据更新效率、简化生产模式，山东省省级基础测绘数据更新引入了按要素更新、网格化更新和融合更新等新型模式，在提升基础数据更新效率的同时，也对后续快速制图提出了更高要求。针对此难题，本文对一体化制图相关技术进行研究，并基于此研发自动化制图软件。

1 自动化制图关键技术

1.1 一体化制图数据库模型

一体化制图数据库模型是实现自动化制图的基础，将基础数据和制图数据统一存储，使数据能够保持一致性，实现数据的统一管理[7]。该模型的关键在于制图数据是根据基础数据自动扩展生成，在二者联动的前提下即保持了相互的独立性，避免基础数据直接用于制图造成的数据逻辑混乱，又可以在同一套基础数据的基础上，根据不同制图规则，支持定制化、多样化的制图产品输出。对于后续的数据更新，实现基础数据与制图数据的联动同步更新，在更新的同时仍保持2种数据的一致性和各自的独立性[7-8]。一体化制图数据库建立了基础数据与制图模板、符号库、字体库之间的联系，使数据能够依靠制图模板规则在软件中实现符号化显示、浏览、控制和输出。

基于基础数据库模型扩展生成一体化制图数据库模型，如图1所示，从3个层次对基础数据库进行了扩展。一是图层结构扩展，在基础库的数据层结构基础上，建立扩展数据层，用于存储制图处理所产生的制图辅助信息，实现基础数据与制图辅助数据的分离管理。二是要素几何扩展，在生成初步制图数据时，依据要素数据的几何，复制生成扩展几何，进行几何关联，制图处理仅对扩展几何对象进行处理，保持原要素几何不变，通过扩展几何实现制图符号效果。三是要素属性扩展，添加制图表达规则属性项，分配制图表达规则编码，关联制图模板中的各项制图表达规则，控制要素的符号效果和显示顺序，实现规则化制图；添加地图标注属性项，关联模板字体库，控制要素注记内容与样式；添加显示控制属性项，控制要素显示状态；添加属性参数属性项，辅助制图表达规则实现更精细的制图效果。

图1 一体化制图数据库模型

1.2 制图要素符号压盖关系处理

基础地形图数据是根据地理实体的空间位置抽象成点、线、面采集的，各要素基于严格的拓扑规则组织在一起[9-10]。要素符号化后，要素显示形态打破了严格的数据组织关系，相互之间产生复杂的要素符号压盖关系问题，大幅降低了地图的可读性和美观性。针对该问题，本文研发的自动制图软件提供了3种处理方法。

1)基于符号级别的要素压盖处理。线、面的同层同类型要素符号化后，需要表达出连通、融合、分离等空间相关关系，即控制同类要素符号化的边界是否显示[11]。通过将一类要素的边界与实体分层符号化，并对分层的符号设置级别，统一控制同一符号层的显示顺序，可以充分表达出同类符号间复杂的空间关系。图2为道路要素在不使用符号级别配置与使用符号级别配置的对比情况。使用符号级别配置后，图2(b)图道路要素可清晰表达出道路的平交与立交关系。

图2 道路压盖处理效果对比

2)基于空间关系的要素压盖处理。对于具有公共边界或空间位置相邻的异类要素，在符号化后，边界符号或者要素整体会发生互相压盖的情况时，可利用要素之间的空间关系进行处理。利用空间关系提取要素符号冲突部分，将高级别要素按符号保留，对冲突区域内的低级别要素符号采用隐藏、位移等方式消除与高级别要素符号的冲突。图3为等高线陡坎冲突处理和过密消隐处理的效果。处理后，陡坎和过密位置的等高线进行了删除处理。

3)基于要素权重的注记压盖处理。注记应当放置在清晰合理的位置，通过标注引擎避免自身相互压盖的同时，也需要考虑避免压盖重要的要素符号[12-13]。采用要素权重避免注记与要素压盖，在要素数据符号化完成的基础上，将要素符号按重要性设置权重，按照符号所占区域生成图斑，在全图范围内生成无缝的图斑参考面，然后对注记基点位置进行调整，避免压盖要素符号[14-15]。图4为无缝图斑参考面生成效果。

图3 等高线压盖处理效果对比

图4 无缝图斑参考面生成效果

2 自动制图软件设计

2.1 总体设计

目前，制图软件大多将制图功能作为子模块与数据生产软件相结合[13]。该模式主要采用人工交互的方式，将制图信息加工存储到数据库中，再通过制图模块符号化处理输出地图产品，这种作业模式人工干预较多。为提高制图效率，将制图模块从数据生产环节中剥离出来，通过对地理对象空间数据的分析，建立从基础数据库到制图数据库的全自动综合处理流程，同时对2个相关联的数据库进行统一管理。通过对制图过程进行专业定制，生产出符合各类需求的制图产品。

1)基础数据与制图数据的转换关系。基础数据库完全依据地理数据自身的空间查询和分析的需要进行组织，不再保留制图信息。在制图时，直接依照地理要素的空间特性和分布关系自动生成制图数据，包括空间对象的点、线、面、位置、属性和拓扑等特性，确立基础数据模型到制图数据模型的转换关系。

2)基础数据库与制图数据库一体化管理。通过建立一致性规则，确立基础数据库与制图数据库的关联关系，保证基础数据库的完整性，不产生数据冗余，保持库与库相对独立，在修改制图数据时不影响基础数据。

3)制图过程可定制化。通过对制图范围、符号库、字体库和标准制图模板等制图过程的专业定制，可自动生产满足不同需求的专题地图，同时可根据制图规则对地形要素数据进行合理取舍，保持适宜的地图载负量。

2.2 自动化制图流程设计

制图输出基于制图数据库实现，自动制图软件设计了基础数据库经过数据转换、制图处理、符号表达等步骤到制图数据库的全自动处理流程，最终完成制图产品输出，如图5所示。

图5 自动化制图流程

1)数据转换。根据一体化制图数据库模型的设计，建立转换规则，然后依据规则，将基础数据库中的要素数据无损添加到制图数据库中，匹配制图表达规则、标注模式、图层顺序等制图信息，形成制图数据。在基础数据转换中，读取元数据，生成图廓信息，进一步完成对制图数据的投影转换、数据裁切，规则检查等工作，确保转换数据的准确性与可靠性。

2)制图处理。制图数据转换完成后，初步形成的制图数据缺少制图信息，需要通过数据处理得到制图信息，依据地理要素的点、线、面几何信息提取制图符号的位置、形状信息，依据地理要素的属性信息提取生成标注信息，并且依据要素的拓扑关系进行符号压盖处理，最终形成制图信息[12-14]。制图数据处理的实质是依据要素数据的特征与相互分布关系，将原先人工交互编辑生产制图辅助信息的步骤自动化完成。

3)符号表达。将制图数据与制图模板关联，通过制图模板建立制图数据库与符号库、字体库、制图表达规则等联系，依照模板中图层与符号等级的配置，按顺序叠加符号化显示数据，并基于注记避让规则，将标注转换成静态注记，最终形成可浏览查询的可视化符号数据。

4)制图输出。软件可输出常用JPG、PDF等格式地图，同时支持CAD数据格式输出，在软件符号库的基础上，通过自动生成块文件和线型文件，实现CAD数据的符号化配置。

3 自动制图软件功能设计

自动制图软件功能包含数据管理、制图数据转换、制图数据处理、制图输出和数据模型管理等模块。数据管理模块提供数据加载、数据浏览、属性查询、制图效果对比等功能；制图数据转换包含数据裁切、数据模型转换、转换质量检查等模块；制图处理模块包括处理项目管理、数据制图处理模块，其中数据制图处理可采用单机模式或分布式处理模式，在处理大批量数据时，采用分布式处理模式提高处理效率；制图输出模块可输出JPG、PDF等常用地图格式，也能按照碎化模式和线型模式2种方案输出CAD格式地图数据；数据模型管理模块主要负责管理转换规则对照表、制图数据库、制图模板、符号库管理等功能。图6为自动制图软件主界面。

自动制图软件能够在无人工干预的情况下实现自动化制图，处理一幅标准分幅的1∶1万地形图仅需3～5 min，制图效果能够保证完整性、准确性、美观性的要求。软件使基础地理信息库的生产单元更加灵活、方便。可以基于道路、河流等线状地物划分作业单元，基于块状作业单元进行数据入库、实体化处理，而不必再受到标准分幅图限制，减少数据接边工作量，大幅提高生产效率和数据质量，分幅和出图的工作完全通过软件自动化解决。

图6 自动制图软件主界面

4 结束语

本文针对基础测绘成果数据的快速制图问题，设计了一体化制图数据库模型，并对制图要素压盖关系处理和自动化制图流程进行详细研究，研发了自动化制图软件。该软件已用于山东省“十三五”省级新型基础测绘数据制图成果生产中，取得了良好的效果，为山东省新型基础测绘整体方案的顺利实施奠定了基础。新型基础测绘自动制图技术的研发，可以节省大量的人力、物力，有效缩短基础测绘数据成果生产周期，保障数据的现势性。