計算機輔助制圖下的文本自動標注

摘要：結合制圖中點、線、面狀要素文本放置的不同規則，模仿制圖者對特定地物文本放置要求，提出了計算機輔助制圖下線狀地物文本自動標注方案。相比目前制圖軟件的文本標注功能，方案的實施可降低制圖后的文本編輯工作量，提高制圖工作效率。

關鍵詞：計算機輔助制圖； 地圖要素； 地理信息系統； 自動標注

中圖分類號：TP391.1文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1023－02

作為信息交流的一種主要形式，地圖應該清晰、明確地表達其中的信息。通過地圖交流的效率很大程度依賴于地圖中要素標注的質量。幾百年來，制圖者雖已總結出一系列制圖經驗，對制圖約定和質量標準達成了一定共識，但地圖要素的文本標注問題一直困擾著制圖者。在傳統制圖中，文本標注很大程度上通過制圖者對地圖的認識和制圖綜合技能體現出來；在計算機輔助制圖盛行的今天，制圖者似乎從文本標注的困擾中解脫出來。其實不然，計算機輔助制圖使地圖所能承載的信息量大大增加，地圖圖層的顯示與否及比例尺的變化使要素文本標注的動態性、不確定性和復雜性也更加明顯，文本標注問題也更加突出。因此，在目前制圖軟件文本標注功能還不太完善的情況下，文本標注仍然是制圖者面臨的一大難題。

1地圖及其信息描述

地圖有多種表現形式，如行政區劃圖、城市街道圖、高速公路圖、地籍圖、地壤圖、航海圖、航空圖等，各種地圖又有不同大小的比例尺，具體采用哪種形式哪種比例尺地圖需根據其所表達目的的不同而不同。

由于地圖表現形式的多樣性，地圖可用來描述不同種類的信息，如行政邊界、城市、城鎮、鄉村、公路網、鐵路網、土地利用、地形、水文信息等。不同種類的信息儲存在計算機數據庫中按圖層進行組織，然后疊加形成一幅特定的地圖，如圖1所示。無論哪種信息，地圖均按三種不同的要素類型進行描述，即點狀、線狀和面狀要素。點要素通過符號進行描述，與比例尺無關；線要素則只在長度上按比例變化，其寬度值與地圖比例尺和地理實體的實際寬度沒有關系；面狀要素則按比例變化。要素的選擇要根據比例尺而定，在1:1 000的比例尺圖上，河流可能被描述為面狀要素，而在1:100 000的比例尺圖上，則可能被表示為線狀要素。類似地，一個城市在大比例尺圖上表示為面狀要素，而當比例尺縮小時，則可能表示為點狀要素。

2文本標注主要問題

一幅有用的地圖必須對其要素進行標注，即文本說明必須放置在特征要素之上或附近，如城市名稱、河流名稱、省名稱等。表面上看似簡單的工作實際上卻相當復雜。為了更好地實現制圖者與讀圖者之間的交流，地圖的文本標注應該使要素的空間關系更容易被察覺和理解[1]。

如果文本只在每一層進行一次標注且永久地存儲在該層，那么地圖文本標注就比較簡單。然而現實中這種情況幾乎是不可能存在的。在計算機輔助制圖中，地圖通常是由多個圖層疊加構成，地圖某一圖層標注的放置受其他圖層要素和標注的影響，如地圖中包不包含圖層B對圖層A的文本標注位置會有所區別。錯誤的處理就有可能使一個圖層的標注覆蓋另一個圖層的標注，或者使不同圖層的標注和要素之間的關系含糊不清。因此，地圖必須在所有的圖層都組織好、所有的要素都已符號化表示、比例尺固定、地圖范圍確定后才進行標注，即文本標注應該是地圖準備工作的最后一步。

如圖2所示，假設圖2中的內部矩形表示研究區范圍，外部邊界代表有效數據范圍。圖中顯示了要素在圖形范圍確定之前進行標注可能發生的情況。如果先對整個地圖都進行標注，則當選擇內部范圍時，city C名稱將被包含在地圖中，但該城鎮位于研究區外。對于city E則出現相反的情況，即名字位于選擇區外，而城鎮位于內部；線要素標注river abc則被分割成兩部分。

另外，文本的放置對于點狀、線狀和面狀要素有不同的要求。因此，文本放置時首先需將要素進行分類，然后對相同要素類設置相同的文本放置方式和優先權。當然，考慮到用戶的特殊要求，對于相同的要素類也可能選擇不同的參數進行標注。

3文本放置規則

對于整個地圖而言，文本放置不僅要求標注與標注、標注與點要素不能相互覆蓋，還要求所有的標注必須與其所指的要素有很明確的關聯。除此而外，文本放置應具有易讀性、空間關系的易理解性以及與制圖約定的一致性。制圖者希望放置更多的信息在地圖上，而地圖的空間是有限的，這樣的矛盾要求制圖者決定如何分配空間，折中處理以使地圖質量最優化，這也是制圖文本標注面臨的主要挑戰之一。

3．1點狀要素

對于點狀要素，文本一般水平放置在要素旁。如圖3所示為點狀要素文本標注的九個主要位置。圖中中心小圓表示點狀符號所在位置；周圍1~8表示點狀要素文本標注的位置；位置0位于點坐標的中心位置，一般當文本本身代表點狀符號位置時使用[2]。點狀符號文本標注具有較強的靈活性，用戶可確定其中一個位置或選擇多個位置。

當點狀要素與線狀要素鄰接時，如一個城市與一條河流或高速公路相鄰，文本應該放在點狀要素相同的一邊，如圖2中city B和city D所示，而city G放置錯誤。但city F是一個例外，將其標注放在水域內是為了向讀圖者說明其為沿海城市。

3．2線狀要素

線狀要素的文本一般放在沿著要素的中間位置，如果要素是彎曲的，則文本標注應該與要素的彎曲相一致，如圖4（a）所示。如果可能的話，應盡可能避免在過多彎曲的地方放置文本。對于很長的要素，文本需要放置多個。有一種特殊的情況需要注意，即當按一個方向追蹤線狀要素時，線狀要素彎曲使上方變成下方，此時讀圖方向會發生變化，其標注也需作相應變化[3]，如圖4(b)所示。

對于城市街道，有兩種主要的標注類型：當城市街道用單線表示時，一般沿著線狀地物上面或下面標注；當城市街道用雙線表示時，一般在街道雙線符號內標注。

3．3面狀要素

對于面狀要素，如果要素足夠大，文本必須標注在面狀要素的內部，否則也應進行彎曲等處理以適應面狀要素的形狀和范圍，如圖2中的park。如果面狀要素太小而不能容納其標注，可使用引線將標注引到要素外部，如圖2中的lake。引注的另一個辦法就是使用數字編號，即使用連續的數字放置在面狀要素內，而數字與其對應的面狀要素名稱則列表放在地圖中的某個位置。

對于面狀要素占主流的地圖，如一個省的各縣地圖，在條件許可的情況下文本標注首選按水平方向直線排列。如果空間不允許水平放置，則可旋轉一定的角度。對于大比例尺地圖，水平方向一般是指與地圖底邊平行的方向；對于小比例尺地圖，一般用緯線代表水平方向，此時水平方向有些彎曲。這種情況下，面狀要素的名稱標注根據其長度不同可與緯線相切或與緯線具有相同的彎曲形狀[4]。

除此而外，還需考慮各種特殊的放置情形，如當面狀要素由兩個或多個分離的部分組合而成，或面狀要素很長，如寬的河流，或一個面狀要素包含另一個面狀要素。對于最后一種情況，根據面狀要素的內部特征，外部面狀要素標注可覆蓋或不可覆蓋內部面狀要素。例如對于處在省內的湖泊而言，覆蓋是允許的甚至是強制性的；對于完全包含在另一個縣內的一個縣而言，覆蓋是不允許的。

4文本自動標注方案設計

隨著計算機輔助制圖的出現和發展，文本自動標注的設計也經歷了很多年。目前，各制圖軟件尤其是地理信

息系統（GIS）軟件都具備了不同程度的文本標注功能。但相比文本標注本身的要求，這些功能都有些簡單，且交互性強，需要較大的人工編輯工作量。在已有軟件的基礎上完善文本標注功能使之更自動化、智能化，或設計一款符合要求的文本標注軟件可望走出目前文本標注面臨的困境。

4．1基于已有軟件的文本標注功能設計

已有軟件的文本標注功能基本可實現文本標注的字體設置、顯示與否、顯示范圍、文本重復或重疊的控制等。文本放置的要求基本停留在靜態和人為控制的水平。當這種放置不能滿足要求時，則要求進一步的人工處理。要完善目前已有軟件的文本標注功能，文本標注模塊必須包含許多新開發的或來自其他領域的算法集合，如計算機圖形學、圖像處理、模式識別和人工智能；而且，每一種要素特征使用哪一種算法，按什么樣的順序處理地理數據等工作流程也是文本標注模塊需要控制的。因此，除了已有的靜態標注功能外，還需要增加一些動態標注功能設計。當最初的理想靜態放置狀態不能實現時，則按程序設計命令動態順序進行操作。以線狀地物標注為例，其動態標注方案可設計為：

按上述設計方案，文本放置的最初理想位置是線狀地物上面的中心。如果成功放置，方案終止；如不能成功放置，文本標注模塊繼續執行下一個命令，將文本放在線狀要素之上或之下。如果這樣也不行，下一步就是將文本豎向分離，如文本是“river abc”，則“river”放在線狀要素上方，而“abc”放在線狀要素下方。如果這種方法仍不可行，下一個命令將縮小字體并返回執行最開始的方案；再將文本放到線狀地物中心、之上，或下面、或豎向分離放置。如果以上任何一步成功，則執行終止；否則將縮小字體大小再次循環，如果循環超過規定次數仍不成功，則執行下一個命令，即使用FONTRESET命令使字體大小重新回到原來的尺寸，然后對文本進行引線標注。如果這樣仍然不行，KEYNUMBER命令將在地物旁放置一個小的數字，再將文本及其關聯的數字一起寫入一個文件，文件的內容可以表格形式顯示在地圖的其他位置。對于任何一種方法都不能成功放置的標注則執行SUPPRESS命令，并將其寫入一個日志文件，用戶可從該文件找到沒有標注的文本并進行人工編輯。

4．2基于獨立的文本標注軟件設計

文本標注軟件只是對已有地理數據進行要素標注，地圖制圖的其他內容則是在其他制圖軟件或地理信息系統軟件中完成。因此，文本標注軟件還必須包含數據輸入和輸出功能，以實現文本標注軟件與其他軟件之間的數據存取，如圖5所示。其中：輸入模塊接收來自其他不同系統的地理數據；文本標注模塊對地理數據進行標注；輸出模塊為適當的GIS返回的文本標注信息以顯示、打印、儲存和數據后處理。

總之，為正確放置文本，軟件必須解決兩個關鍵問題：a）選擇適合要素類滿足特定放置規則的位置；b）放置文本的空間沒有其他點要素或標注，即不允許文本—文本及文本—要素相互重疊放置[5]。

5結束語

由于地圖的多樣化，且服務于多個目的以及通過人類視覺判別空間關系的復雜性，地圖的文本標注一直以來是制圖者面臨的難題。這個問題隨著制圖者希望在最小的空間放置盡量多的信息而加劇。計算機輔助制圖下的文本自動標注系統為這一問題提供了很好的解決途徑，以前人工需要幾周才能完成的文本標注，現在只需要幾秒或幾分鐘就能解決。

隨著互聯網上讀圖要求增加和圖形顯示、平移、縮放能力的增強，地圖自動標注要求在更短的時間內實現對快速、動態的電子地圖進行標注更新。

參考文獻：

[1]COLQUIST J， MEHRA R， TYBERG M， et al. Automated name placement for digital nautical charts[C]//Proc of GIS/LIS Annual Conference. Cincinnati:[s.n.]， 1997.

[2]盧英，劉金義，高輝，等.地圖中點狀要素標注算法設計[J].計算機與數字工程，2006，34(5):97－98.

[3]FREEMAN H. Automated cartographic text placement[J]. Pattern Recognition Letters， 2005，26(3):287－297.

[4]DOERSCHLER J， FREEMAN H. A rule－based system for automated name placement[J]. Commun ACM， 1992，35(1):68－79.

[5]FREEMAN H. Computer name placement[M]//MAGUIRE D J， GOODCHILD M F， RHIND D W. Geographical Information Systems.New York: Wiley，1991:449－460.