多尺度城市地形圖數據建庫研究

張保鋼,楊伯鋼

(北京市測繪設計研究院,北京 100038)

多尺度城市地形圖數據建庫研究

張保鋼,楊伯鋼

(北京市測繪設計研究院,北京 100038)

分析多尺度城市地形圖的特點,對城市地形圖要素進行分類,并將城市地形圖要素制圖綜合歸納為 3類映射共 19種變化。提出多尺度城市地形圖建庫、聯動更新和可視化的思路。最后通過相鄰尺度城市地形圖數據的“基態”、“增量”組織方法,實現了多尺度城市地形圖數據的組織。簡述多尺度城市地形圖的聯動更新及可視化方法。

多尺度;城市地形圖;建庫;制圖綜合;映射;數據組織

改革開放 30多年來,我國廣大城市地區發生了很大變化。隨著國家加快城鎮化建設政策的實行,今后若干年我國廣大城市地區仍將高速發展。與此相適應,城市地形圖的更新速度也在加快,如北京市 1∶500、1∶2 000、1∶10 000地形圖的更新周期已由 2、3、4、8年提升為 0.5、1、1、4年。上海市也實現了類似的提升。天津市更是走在了前頭,實現了地形圖的實時更新。由于財力和地形圖的用途不同,同一區域的地形圖存在多個尺度,如城市地形圖系列就有 1∶500、1∶2 000、1∶5 000和 1∶10 000多個尺度。它們量測了同一個客觀世界,只是量測的尺度不同。本文試圖建立同一地區多尺度的城市地形圖數據庫,盡可能地節約數據采集、加工、存儲成本,保持各尺度地形圖數據的一致性,實現相鄰尺度的城市地形圖數據聯動更新和可視化。

一、多尺度城市地形圖的特點

多尺度城市地形圖具有以下特點:

1)空間范圍相同或具有包含關系。對指定城市而言,各尺度地形圖覆蓋相同的城市空間范圍,或較小比例尺地形圖覆蓋范圍包括較大比例尺地形圖覆蓋范圍。一般說來,較大比例尺地形圖覆蓋的城市范圍較小,如城市的中心區或規劃市區,較小比例尺地形圖覆蓋的城市范圍較大,如城市的規劃市區或全市域等。

2)更新周期與比例尺成反向關系。各城市地形圖的更新周期隨其經濟發展情況等因素不盡相同。對指定城市而言,一般比例尺越大,覆蓋范圍越小,更新周期越短;相反比例尺越小,覆蓋范圍越大,更新周期越長。

3)地形圖要素分類逐步趨于統一。在《基礎地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[1]發布以前,各尺度地形圖要素的分類不統一,如1∶2 000～1∶500比例尺地形圖是一個分類代碼, 1∶10 000～1∶5 000比例尺又是一個分類代碼,國土基礎信息數據還有另外一個分類代碼,由此造成各尺度地形圖的要素分類與可視化表達不統一,難以實現各尺度地形圖的統一建庫、更新及可視化表達?！痘A地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)統一了不同尺度地形圖的分類代碼,一些地方標準如北京市的各尺度地形圖分類編碼尚存在不同情況,但總的趨勢是分類代碼統一。

4)表示內容有詳略之分,表示方法成系列。不論城市地形圖位于何處、什么尺度,其內容均包括定位基礎、水系、居民地,以及設施、交通、管線、境界與政區、地貌、植被與土質八大要素。表示內容的詳略程度有所不同,比例尺越大,表示內容越詳細;比例尺越小,表示內容越概略。地形圖的表示方法均采用地圖符號和注記。相鄰尺度的地形圖之間如 1∶2 000～1∶500采用同一種圖式,1∶10 000～1∶5 000采用同一種圖式。這兩種相鄰尺度區間圖式的各對應符號間有對應關系,一些符號基本相同或可進行轉換。

二、城市地形圖上地理實體的分類及其在不同尺度地形圖上的映射關系

根據地理實體的幾何特征,城市地形圖要素可分為點、線、面狀地理實體,地圖注記以及制圖輔助線幾種。其中線狀地理實體可以劃分為:由于實體間空間關系沖突移位的線如跳繪的境界線,依比例尺表示寬度的線狀地理實體和其他地理實體。根據文獻[2-3],設較大比例尺到相鄰較小比例尺地理實體的映射為 f:E→E′,其中 E={e},E′={e′}。對于 f根據自變元與映像的關系分為:

1)1-1映射:e’=f1(e)。當 f1(e)=NULL(空映像)時,表示 e在新尺度下綜合中被刪除;當f1(NULL)≠NULL時,表示在新尺度下增加了新的地理實體;當 f1(e)≠NULL時,映像 e′保持目標的獨立性與完整性,經過簡化后,e與 e′存在幾何特征或屬性特征的差別。對地形圖來說僅存在幾何特征的差別。1-1映射的結果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①點、線、面狀地理實體沒有發生變化;②新增了點、線、面狀地理實體;③點狀地理實體被移位;④依比例尺表示寬度的線狀地理實體映射為不依比例尺表示寬度的線狀地理實體;⑤對不依比例尺表示寬度的線狀地理實體的形狀進行了化簡;⑥對線狀地理實體進行了移位;⑦面狀地理實體映射為點;⑧面狀地理實體映射為線;⑨對面狀地理實體的形狀進行了化簡;⑩制圖輔助線被刪除;○11新增地圖注記;○12地圖注記被移位;○13點、線、面狀地理實體或地圖注記被刪除。

2)n-1映射:e′=f2(e1,e1,…,en)。表現為多目標的聚合,根據聚合的層次關系,又可分為 IS-A層次關系目標的聚合(同質聚合)和 PART-OF層次關系目標的聚合(異質聚合),在常規綜合算子中一般將前者稱為融合 (amalgamation),后者稱為聚合(aggregation)。地形圖綜合僅存在同質聚合或融合。n-1映射的結果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①多個線狀地物合并為一個線狀地物并化簡;②多個線狀地物合并為一個線狀地物并化簡移位;③多個面狀地物合并為一個面狀地物并化簡。

3)n-m映射:(e′1,e′2,…,e′m)=f3(e1,e1,…,en)表現為群結構、網絡機構多目標的綜合映射,如群點的重采樣、街道網化簡、河系樹化簡、島嶼群的化簡等。參與映射的 n個實體具有空間相關性或語義相關性,組成較高層次的符合目標,從另一個角度可以視為復合目標的 1-1映射,但此時的目標與前面討論的目標不在同一水平,將其定義為 1-1映射更合適。N-m映射的結果伴隨著不同尺度地形圖上的如下變化:①多個群分布的點狀地理實體變換為群分布的點狀地理實體,如測量控制點、高程點;②多個群分布的線狀地理實體變換為群分布的線狀地理實體,如街道網化簡、河系樹化簡;③多個群分布的面狀地理實體變換為群分布的面狀地理實體,如街區的分割合并、湖泊群的分割合并等。

三、相鄰尺度城市地形圖數據的建庫、更新、可視化思路

為滿足不同空間分辨率范圍層次用戶的需要,測繪工作者測繪了不同尺度的地形圖,由此分別建立了不同尺度的地形圖數據庫,并分別進行更新和可視化。對于不同尺度的城市地形圖,分別進行建庫、更新和可視化表達是最簡便的方法。但與之相伴的是同一地理實體的多重采集、重復存儲和多重表達問題,導致大量的人力物力耗費。如果只建立一個較大比例尺地形圖數據庫,能自動綜合生成各級尺度地形圖數據庫,實現各尺度地形圖的聯動更新,并自動生成不同尺度的地形圖信息自然是最理想的了。但由于地物變化的自動發現與獲取問題、自動制圖綜合問題、大尺度比小比例尺地形圖成圖范圍小問題等未能很好解決,實現多尺度地形圖數據庫自動的一體化建庫、更新及可視化還不現實。介于二者之間,本文提出一種相鄰尺度城市地形圖數據建庫、聯動更新、可視化的方法。其基本思想是:①建立較大比例尺地形圖數據庫,以及與之相鄰較小尺度地形圖增量數據庫,實現相鄰尺度城市地形圖數據建庫;②建立同一地理實體在相鄰尺度地形圖上不同表示方法的對應關系,實現通過更新較大比例尺地形圖聯動更新相應區域的較小比例尺地形圖;③建立同一地理實體在不同尺度地形圖上的可視化圖形對照表,實現多尺度地形圖數據的可視化。

四、多尺度城市地形圖數據的組織方法

文獻[4]提出了多尺度空間數據庫數據量壓縮的技術策略:①只存儲變化的數據部分,取代完整的數據存儲;②識別關鍵變化部分,過濾無關緊要的細小變化;③通過幾何圖形漸變函數導出新尺度下的數據表達。參照時空數據庫的基態增量存儲模型,在進行多尺度地形圖數據建庫時考慮建設一個基態庫、一個增量庫和一個不同尺度地形圖數據庫映射表。通過基態庫、增量庫和相鄰不同尺度地形圖數據庫映射表及相關制圖綜合程序生成目標庫?；鶓B庫是原始的較大比例尺地形圖數據庫,目標庫是與基態庫相鄰尺度較小比例尺地形圖數據庫,增量庫是目標庫與基態庫不同地理實體或同一地理實體不同表達方式的數據集。不同尺度地形圖數據庫映射表反映了各地理實體在不同尺度地形圖上的映射關系。

基態庫的結構及數據組織方式同單尺度版本地形圖數據庫,增量庫是映射后表現形式發生變化的地理實體數據集結果。相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表的結構形式見表 1。

表 1 相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表

表 1中初始關鍵字或映射后的關鍵字定義為“尺度編號 +層名 +順序號”,尺度編號是比例尺信息,如 1代表 1∶500,2代表 1∶1 000,3代表 1∶2 000,等等,層名是地理實體所屬數據層名,一般由語義名加幾何特征名構成,如“RiverPy”代表河流面層,順序號是地理實體在圖層中的順序編號,是一系列自然數。映射類型是本文第三部分所列 19種類型中的一種。綜合方式有兩種:考慮到目前制圖綜合技術現狀,19種類型中第④、⑤、⑦、⑧、⑨類型采用計算機程序自動制圖綜合完成,其他類型的制圖綜合通過人機交互制圖綜合完成,結果存在增量庫中。對于第④、⑤、⑦、⑧、⑨種類型的制圖綜合,分別編制線、面狀地理實體中心線提取程序,線狀地理實體化簡(或數據壓縮)程序,面狀地理實體質心提取程序,面狀地理實體的形狀化簡 (或數據壓縮)程序,可對相應類型的基態數據進行制圖綜合處理,生成相鄰較小尺度城市地形圖相應幾何特征類型數據。程序生成的這類目標地形圖增量數據也寫入上文的增量庫中。目標庫中的全部地理實體應為:刪除基態庫中相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表中“映射后關鍵字”字段內容為空的地理實體,增加基態庫中的全部地理實體。

當建庫地形圖系列尺度不止兩個相鄰尺度時,可將生成的較小比例尺地形圖數據庫目標庫作為新基態庫,再組織新基態庫與新目標庫間的新增量庫和新的相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表,按上述方法生成新的目標庫。再有更新的目標庫時以此類推。此方法的缺點是各尺度之間必須是相鄰的,即使不需要實用相鄰尺度數據也要用相鄰尺度數據導出,其優點是如此組織數據可大大降低數據量[4],非常適合于國家或地方基礎測繪和基礎地理信息管理部門使用。

五、多尺度城市地形圖數據的聯動更新與可視化

當基態庫中某個地理實體發生變化時,可通過相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表或該地理實體的空間范圍找到增量庫中對應目標(若增量庫找不到相應目標,說明增量庫無須更新),對其進行手動或自動化編輯,保持與基態庫數據一致性。若在基態庫中增加了新的地理實體時,根據制圖綜合理論,確定相鄰較小比例尺地形圖數據庫中是否增加該地理實體數據,若需增加,則在增量庫中按上文的 19種變化對應增加相應地理實體,并在相鄰不同尺度地形圖數據庫地理實體映射表中記錄該地理實體的映射結果。由此實現了相鄰尺度城市地形圖數據的聯動更新。

多尺度城市地形圖數據的可視化與單尺度城市地形圖數據的可視化方法相同,只是首先要生成多尺度城市地形圖數據 (這里是骨架數據),建立相應尺度的符號庫(如果相鄰尺度地形圖使用相同圖式,僅需建立一個符號庫,若使用不同的圖式,則需建立兩個符號庫),調用相應可視化程序,實現多尺度城市地形圖數據的可視化。對于地形圖各地理實體間空間關系沖突的處理問題,限于篇幅,本文不再贅述。

六、結束語

本文首先分析了多尺度城市地形圖的特點:空間范圍相同或具有包含關系,更新周期與比例尺成反向關系,地形圖要素分類逐步趨于統一,表示內容有詳略之分,表示方法成系列。根據地理實體的幾何特征,對城市地形圖要素進行了分類,并將城市地形圖要素制圖綜合歸納為 3類映射共 19種變化。提出了多尺度城市地形圖建庫、聯動更新和可視化的思路:①建立較大比例尺地形圖數據庫,以及與之相鄰的較小尺度地形圖增量數據庫,實現相鄰尺度城市地形圖數據建庫;②建立同一地理實體在相鄰尺度地形圖上不同表示方法的對應關系,實現通過更新較大比例尺地形圖聯動更新相應區域較小比例尺地形圖;③建立同一地理實體在不同尺度地形圖上可視化圖形對照表,實現多尺度地形圖數據的可視化。最后通過相鄰尺度城市地形圖數據的“基態”、“增量”組織方法,實現了多尺度城市地形圖數據的組織。簡述了多尺度城市地形圖的聯動更新及可視化方法,可供多尺度地形圖數據建庫及更新參考使用,為相鄰尺度的地形圖綜合提供了數據準備和綜合方法。

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Study of Construction of Urban M ulti-scale TopographicMap Database

ZHANGBaogang,YANGBogang

0494-0911(2010)09-0012-03

P208

B

2010-04-19

地理空間信息工程國家測繪局重點實驗室開放基金資助項目(200908)

張保鋼(1965—),男,河北冀州人,教授級高級工程師,主要從事地理信息系統方面的研究與開發工作。