面向地质灾害的快速制图系统关键技术研究
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作者信息
葛洪涛1，赵文豪2，周子文1
（1. 新疆维吾尔自治区第二测绘院，新疆 乌鲁木齐 830002；
2. 国家基础地理信息中心，北京 100830）
“【摘要】针对地质灾害发生时对于应急专题地图的迫切需求问题，本文设计了一套完整的快速制图工艺流程。首先以地理数据库的数据模型为基础，通过对地图符号信息的总结归纳，扩展设计了面向地图制图的数据模型，实现了图库一体化的制图数据库设计。根据制图要素自身的地理特征及其周边的环境，在经典地图综合理论方法的指导下，基于制图要素输出时的状态表达，构建了多比例尺制图数据生成与表达模型，设计了矢量数据动态选取及加工处理的算法，实现了地质灾害应急制图中制图要素的自动化快速选取。
【关键词】地质灾害；快速制图；图库一体化；要素快速选取
【中图分类号】P207
【文献标识码】B
【文章编号】1672-1586（2018）04-0109-05
”引文格式：葛洪涛, 赵文豪, 周子文. 面向地质灾害的快速制图系统关键技术研究[J].地理信息世界,2018,25(4):109-113.
正文0 引 言
地质灾害发生后，应急专题地图是应急救援、灾情评估、灾后重建等活动的应急测绘保障服务中最为普遍的测绘成果表现形式，在应急救援中发挥着重要的作用。该图在内容上，需要准确定位、标识灾情地理范围，以及灾情范围内交通路网、居民地、水系、管网、植被、地形地貌等地表、地质基本要素的基本情况，以便进行灾情评估、应急指挥调度等；在时间上，通常有着苛刻的时效性需求，需要在技术允许的情况下快速制图，图件提供速度的快慢，对于灾情掌控以及应急救援部署有着重要的作用。面向地质地灾的快速制图，主要是以受灾区为制图对象，以该地理范围内矢量地形要素数据(DLG)为基础，通过地图符号化表达、制图编辑处理以及相应的图廓整饰等过程,结合地形高程数据或影像数据进行空间叠加后，形成符合相应制图标准规范的、可直接打印或交付印刷处理的专题应急图集，为救灾减灾提供空间信息技术支持。
目前， 一些专业的平面图形制作软件， 如Coreldraw等具有较强的图形制作功能，但不支持地理坐标系统，不能处理关系复杂的地理信息矢量数据。主流GIS软件具有一定的符号化、注记编辑功能，但其图形化结果与数据分离，不能存储符号、注记与基础数据的关系。目前几乎所有GIS和制图软件系统都不能实现基础数据、制图数据及其之间关系的统一集成管理，不能直接输出满足制图规范、具有地理坐标的制图数据。
如何实现地形图快速制图成为亟待解决的问题。其中，主要存在几个难点问题：①地理信息数据到制图数据的一体化存储与管理问题；②地理信息数据到专题制图数据的数据选取与简化制图表达问题；③快速制图流程化构建问题等。本文通过对地形地理信息数据库的物理结构设计和逻辑结构重组，将地理信息制图方案和地形图制图表达规则存储于数据库中，并创建维护地理信息制图方案和地形图制图表达的关联关系，使地理信息制图方案和地形图制图表达及之间的关系存储于同一数据库中，建立了地理信息数据与制图表达的一体化数据模型。并在地形地理信息数据和制图数据之间实现要素级、符号级、注记级的关联，实现地理工作区域内任意地点、任意范围、任意比例尺的快速地图编制与输出。
1 快速制图总体流程
应用多源地理信息数据进行地质灾害快速制图首先要从总体制图流程上考虑。对于一个具体应用多源地理信息数据进行灾害制图的任务来说，首先是获取基础地理信息成果、影像成果、地质灾害专题的信息（灾害损失、灾害风险），并得到制图所需的与灾害专题空间相匹配的基础地理信息数据，建立地灾应急数据库。然后按照灾害专题的信息特点，在对应空间位置准确表达，并融合基础地图数据和标准制图模板进行专题图成图。地质灾害快速制图总体流程由地理信息数据收集与建库、地质灾害制图数据库生成、应急制图、图件检查、成果提交组成。涉及到图库一体化的制图数据库设计、快速制图关键算法模型设计、制图要素自动选取模型及相关表达规则、快速制图流程知识库构建等处理技术。本文对上述地质灾害快速制图过程中的关键技术分别进行论述。地图快速制图工艺流程如图1所示。
图1 快速制图工艺流程
Fig.1 Fast drawing process
2 图库一体化的制图数据库模型设计
图库一体化的制图数据库设计主要是实现由地理数据库到制图数据库的动态扩展。本文以ArcGIS的地理数据库中的数据模型为基础，针对地图符号表达的诸多要求（地形图图式、符号优化表达、符号间关系协调等），在数据模型的不同层次上进行设计和扩展，并通过自动符号化、冲突探测、地图综合及符号优化等操作完成对扩展后数据库的增强和填充，实现地图表达符号的离线处理及固化存储，减少应急制图时在线符号处理的工作量，以满足地灾应急制图所须的快速出图要求。
地理数据库向制图数据库的扩展，关键是将符号图形信息无缝绑定到地理要素数据中。该过程并不是简单地通过编码信息建立要素目标与符号图形间的表层对应关系，需要顾及复杂符号及要素空间关系下的高质量表达。通过对地图符号信息的总结归纳，在传统的地理数据模型基础上，为实现地理数据库和制图数据库的入库与制图一体化，图库一体化的制图数据模型设计按照单一节点、部分弧段、完整几何对象、地理目标扩展设计面向地图制图的数据模型，具体见表1。
表1 图库一体化的数据模型设计
Tab.1 Design of the data model for mapping and cartographic database integration
3 快速制图关键算法模型设计
3.1 制图要素自动选取模型及相关表达规则
地质灾害专题数据库中数据往往具有多源性、多尺度、多类型、海量化等特点，如何在整体灾害区范围内对目标数据进行快速提取、拼接及数据融合处理等工作，成为快速制图过程的关键环节。为了满足多种用图需求（电子地图、Web地图、纸质挂图、参考图，预警、应急、灾后规划与重建等），本文设计了一套可进行矢量数据动态选取及加工处理的算法，实现提取地理信息数据丰富、图面清晰可读、主题明确突出的效果。其主要思路是：根据制图要素自身的地理特征及其周边的上下文环境，在经典地图综合理论方法的指导下，构建了多比例尺制图数据生成与表达模型，设置了制图要素输出时的表达状态，以应对灵活多变的地图比例尺，实现了地灾应急制图中制图要素的自动化快速选取。
首先在逻辑上对制图数据对象进行层次划分。划分层次的依据主要有：地图的要素分类（自然要素分地貌、水系、植被；人造社会要素分道路、居民地、土地利用、管网设施等）、几何特征（点、线、面、网等）、空间相关性等。在此基础上，以综合选取为主要手段建立面向不同地理要素层的尺度变化方法与多尺度数据组织模型。
制图要素几何表达上的细节特征选取是一种重要的综合过程。针对该问题，本项目提出一种基于弯曲特征识别与决策的曲线形状化简模型。具体方法是首先利用Delaunay三角网识别曲线结构上的不同层次弯曲特征以及重要的特征点信息；在此基础上基于弯曲深度、宽度、面积等指标选取细节弯曲，并构建化简包络带特征；进一步提取包络面中心线替代原始的细节弯曲曲线，获得化简结果。图2给出了主要的算法步骤及相应的执行效果。
图2 基于弯曲特征分析的曲线化简方法
Fig.2 Curve simplification method based on bending feature analysis
利用上述模型，结合不同类型的制图要素特点进行适当调整，可以获得适宜不同地理背景的制图要素形状化简效果。图3、图4是相关的化简实例。
图3 等高线化简结果
Fig.3 Results of contour simplification
图4 水系化简结果
Fig.4 Results of water system simplification
3.2 快速制图流程知识库构建
快速制图过程中，地图的设计是非常重要的一个环节，本文将地图设计流程结构化与模型化，用信息化的语言描述制图设计的各个过程，并将专题地图设计方案形成专业知识向导模板，形成了地图设计流程专家知识库，实现了地图设计流程的系统工程化，满足快速制图设计过程的向导化与智能化。
1）地图模板设计
针对不同类型、不同比例尺数据进行符号设计，构建符号库，同时构建颜色库和字体库。根据快速制图需求，结合符号库、颜色库及字体库，构建地图及整饰内容，并将地图的配置信息、制图规范指标库、数据字典等进行统一的保存管理，形成模板，构建模板库。在应急制图过程中，利用行业软件提供的自动化或交互工具，选择模板，根据制图规范指标及数据字典等进行制图目标及符号的匹配，可以快速地完成地图的渲染，快速地完成由“数据”到“图”的过程。
2）地图整饰知识库
地图整饰知识库在专题地图输出阶段根据制图经验对专题图指北针、图例、比例尺、地图花边等整饰要素进行总结归纳，将整饰要素以制图表达的方式制作并存储于点要素类中，即整饰要素在空间数据库中以点要素存在，在地图上以相应的图形符号表现地图花边等要素见表2。
表2 地图整饰知识库
Tab.2 Map finishing knowledge library
3）注记知识库
地图的注记作为地图语言之一，是影响地图可读性、增进地图使用价值的一个重要因素，注记生成的自动化程度以及注记质量直接影响地图编制效率和地图产品质量。地图注记配置过程是一种智能行为,在遵守制图规范的基础上,根据要标注的地物要素的实体特征和重要性级等确定地图注记的样式与布局。根据不同的地理要素类注记生成的样式和布局：比如注记大小、颜色、字体、位置等信息，构建注记配置知识库，并以规则化的语言存储到知识库见表3。
表3 注记规则知识库
Tab.3 Rules of annotation knowledge library
同时注记生成过程中，需要考虑不同要素的重要程度，动态调整注记压盖的优先顺序，因此需要将不同要素的重要程序信息存储形成注记避让规则库见表4。
表4 注记避让规则知识库
Tab.4 Rules of annotation avoidance knowledge library
4 试验结果及分析
为了验证本文方法的可行性、可靠性以及对不同区域的适应性，分别选取了以地物类型较为密集，地物较为复杂，人员活动较为集中的城市地区为数据试验区，试验区范围约20 km2，经过多次试验, 制图时间平均约为1.5 ～2.5 h。选取了地物类型较为稀疏的城镇地区以及人烟稀少的山区作为数据试验区，试验区范围约20 km2，经过多次试验, 制图时间平均约为1 ～1.5 h。
经试验，本文提出的将专题地图设计方案形成专业知识向导模板，从而形成地图设计流程专家知识库，实现地图设计流程的系统工程化，满足快速制图设计过程的向导化与智能化方法可满足多种地物类型的专题图制作，满足应急响应需求。试验效果如图5所示。
图5 快速制图成图效果
Fig.5 Fast drawing effects
5 结束语
本文以地灾专题地图快速制图为出发点，针对传统制图工艺无法满足突发情况下应急快速地图服务需求的问题，提出了一种基于知识规则驱动的应急快速制图系统的设计和实现方法。基于GIS数据模型和制图表达规则，在保证地理信息数据和地图制图数据的一致性情况下，实现了地形地理信息数据和地图制图数据的紧密关联和集成管理，设计了系列基于地图数据库制图的制图要素自动选取规则和算法，实现了地图制图要素符号、注记、图外整饰等的自动优化配置，实现了地灾专题地理信息数据的快速出图。
本文中提出的地灾专题地图制图数据库模型设计以及地图制图数据要素自动选取模型、地图表达规则、快速制图流程化制定思路，同样可以应用于其他专题的地理信息要素的快速出图工作。
随着地理信息应用新技术的不断发展，多源数据快速制图技术涉及到的问题还很多，如何总结制图专家知识、完善制图表达规则、根据不同需要更加自动、智能化地实现制图综合，还需要进一步研究。
来源：地理信息世界（版权归原作者及刊载媒体所有）
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编辑 / 刘峰 审核 / 刘峰 刘雪
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129）