基于PostScript成像模型的線狀地圖符號數據結構

吳明光,陳泰生,檀姍姍,駱 騏,閭國年,盛業華

南京師范大學虛擬地理環境教育部重點實驗室,江蘇南京210046

1 引 言

地圖符號利用形狀、尺寸、大小、網紋、色彩等視覺變量來表達定位、定性和定量的地理信息[1],實現對地理空間原貌的抽象,形成地圖模型[2];通過象形、會意的圖形刺激人的大腦,產生心像,引導視覺思維。線狀符號是地圖上使用最為廣泛的符號之一,用來表達地理空間上沿某個方向延伸的線狀或帶狀現象的地理要素,如河流、道路、國界線等。線狀地圖符號設計難點在于:①線狀地圖符號的圖形結構差異較大,難以采用一種通用的、格式化的模式或模板來描述;②線狀符號所指代的地理目標本身形態復雜,光滑、移位、抹角等處理均需要復雜的計算幾何算法;③制圖活動所形成的線狀符號交叉、壓蓋、共位沖突等情況的處理規則也增加了線狀地圖符號繪制的難度。此外,線狀符號的數據結構決定符號的分解模式,也決定符號的定長提取、嵌套與循環算法,直接影響符號繪制的時間復雜度與空間復雜度。

2 現有線狀地圖符號數據結構分析

線狀地圖符號數據結構方面,OGC(open geospatial consortium)制定了 Styled Layer Descriptor Implementation Specification1.0.0標準[3],ArcGIS定義了7種基本線型[4],文獻[5-9]人研究了線狀地圖符號構圖方法[5-9]。綜合來看,當前國內外線狀符號數據結構可分為以下三類:

(1)單元循環配置法,線狀符號由特定的圖形單元按照線的延展方向,采用一定的縮放比例、旋轉角度等參數循環配置而成[7,9]。如圖1所示,境界符號可以依據這種規則分解為一定的圖形循環單元,橫向循環配置而成。其特點是數據結構簡單,易于編輯修改。文獻[7]和[9]均采用此種方法。該方法被CAD系統和通用圖形系統(如Illustrator)所采用。針對復雜線狀符號如國界符號,由于點狀符號的位置計算可以共享全局的循環遍歷以及定長提取,因此其繪制效率較高。而對于連續的線狀符號如鐵路符號,因分割為配置單元時需要進行抹角處理,所以其繪制效率相對較低。

圖1 單元循環配置法與線型疊加法Fig.1 Methods of cell-cycle configuration and line-type overlay

(2)線型疊加法,將復雜的線狀符號縱向分解為一系列基本線型。通過基本線型繪制的疊加來完成符號的整體繪制。國界符號可以分解為三種不同線型(如圖1右側箭頭處所示),它們縱向疊加可以得到最終的符號,文獻[4-5,8]均采用此種方法。該方法數據結構簡單,基本線型可以任意擴充。此類方法在繪制連續的筆劃時具有較高的效率,但是在處理多個筆劃構成的線狀符號時,需要進行多次分段和邊界處理,繪制效率降低。

(3)純函數繪制法,在某種開發語言或對外暴露的符號對象繪制接口(如ArcEngine組件中的ISymbol)下,針對每一個地圖符號編寫相應的符號繪制程序。其優點是繪制效率高,但是符號擴充、修改及交換困難,適合于繪制較為復雜的符號。

圖2 復雜線狀地圖符號Fig.2 Complex line map symbol

此外,與符號數據結構密切相關的線狀符號繪制方法方面,文獻[10]提出了地圖線狀符號圖案單元的優化配置方法,文獻[11]提出了GIS符號庫中復雜線狀符號設計與繪制算法,文獻[12]利用Snake移位模型解決符號化后道路網之間的空間沖突。這類算法從地圖符號本身的構圖方法來提高符號的繪圖效果,但沒有有機地結合圖形學領域圖形光柵化的研究成果(如:alpha混合、硬件加速繪制等技術),無法實現線狀符號的最優繪制,符號化效率依然是地圖類系統的瓶頸之一。

3 基于 PostScript成像模型的線狀地圖符號數據結構

從數據結構來看,線狀地圖符號可以視為在通用線型的基礎上擴展相應地圖符號構圖規律,用以形象、準確地表達復雜的地理概念和地理現象。本文試圖從通用線型和特殊構圖規律兩個方面來設計新型的線狀地圖符號數據結構。二維圖形領域所廣泛采用的成像模型包括Microsoft成像模型與 PostScript成像模型,本文采用 Post-Script成像模型。

3.1 PostScript成像模型

頁面描述語言(PostScript語言,簡稱PS)是Adobe公司提出的一項二維圖形描述標準。成像模型(imaging model)是PS語言描述圖形時最基本的理論依據:頁面上的任何對象(文本、圖劃、圖像)均可視為一個二維圖形,圖形由頁面某個指定區域上進行著色操作得到,指定區域通過構造路徑而成,用戶可以使用顏色或自定義圖案對其進行著色,常用的路徑構造操作符包括newpath、moveto、lineto、rlineto、curveto、arc和 closepath等幾種。PostScript成像模型中最基本的著色操作符有填充(fill)、筆劃(stroke)[13]。與Microsoft成像模型(如 GDI)對比而言,由 path、fill和stroke三元素構成的PostScript成像模型不僅構成了印刷領域通用圖形描述語言,而且成為PDF、SVG、OpenVG、Flash以及HTML5等圖形格式或標準的核心圖形描述模型[14-17],甚至得到底層硬件繪圖指令的直接支持而應用于各種嵌入式、手持式設備[18]。利用 PS成像模型來描述線狀地圖符號的優勢可以歸納為:①基于統一的數據結構來描述直線、弧、Bezier以及Nurbs曲線;②直接兼容SV G、Flash、PDF等圖形標準或格式,使地圖符號能夠同時支持屏幕顯示、網絡發布和制版印刷;③有利于直接利用圖形學領域關于path的反走樣、alpha混合、硬件加速等技術。

3.2 基于 PostScript成像模型的線狀地圖符號數據結構描述

本文針對線狀地圖符號構圖特點,引入Post-Script成像模型中的通用圖形描述機制,提出一種新型線狀地圖符號數據結構(以下簡稱PB數據結構)。構成線狀地圖符號的基本單元是路徑、筆劃、裝飾和輪廓變換,如式(1)。線狀地圖符號可以由一個路徑、任意多個不同類型的筆劃、裝飾和輪廓變換組成。

3.2.1 路 徑

路徑可以是數字化得到的矢量河流坐標,也可以是一個GPS軌跡點序列,還可以是遙感影像上通過目標提取算法獲得的道路輪廓等。如圖3所示,路徑可以由任意多個段來組成,段可以為直線(AB)、圓弧(B C)、Bezier曲線(CD)、Nurbs曲線等。

圖3 PB數據結構中的路徑的構造Fig.3 Path in PB data structure

從幾何意義上講,直線、圓弧、Bezier以及Nurbs曲線等所包含的節點個數和參數類型均不一致,無法直接將任意path描述為一個結構化的信息塊。為此,本文設計了標記頂點(頂點坐標和頂點類型)序列數據結構來解決這一問題:從幾何體的構造過程來看,直線段由抬筆點A和落筆點B構成;圓弧由三個數據點 B、C、H構成;Bezier由節點C、D和控制點E、F、G構成。本數據結構不直接存儲直線、圓弧、Bezier曲線、Nurbs曲線等幾何類型,而是以標記頂點為單位存儲其構造過程。表1列出了PB數據結構中所設計的頂點類型。

表1 PB數據結構中的節點類型Tab.1 Vertex types in PB data structure

path數據結構可以描述任意復雜的圖形。在本文所提的數據結構中,路徑僅表示幾何意義上線狀要素的形狀,而線狀要素外觀則由筆劃、裝飾和輪廓變化來決定,它們的基礎均為路徑。

（4）在員工對“民主溝通和參與方式”的滿意度評價中，本文依據文獻，設計出如下二級評價指標：民主溝通和參與方式制度（U141）、企業中工會自由和集體談判權力（U142）、以及民主座談會（U143）。

3.2.2 筆 劃

“筆劃”表示用一個基本圖元按照控制線的走向,采用一定的參數(寬度、角度)循環排列而成。基本圖元可以是顏色像素、柵格圖像,也可以是預先定義好的復雜線段單元。如圖4,高速公路符號可以描述為將一個路徑以一定的寬度用顏色填充而成;藝術風格的街道符號可以描述為將一個路徑以一定的寬度用柵格紋理填充而成;巖石灘邊線符號可以描述為將一個路徑以一定的幾何圖案,循環配置而成;鐵路符號包括虛實筆劃和比虛實筆劃略粗的顏色筆劃。

圖4 PB數據結構中的筆劃Fig.4 Path in PB data structure

三種筆劃的靈活選用可以同時兼顧單元循環配置和線型疊加兩種構圖模式的優勢,從而避免采用單一構圖模式導致的圖元復雜與效率低的問題。與循環配置法相比,基于筆劃數據的線狀地圖符號數據結構剝離出了連續的線劃,避免循環配置中針對整體線劃的分段、拐角處理等冗余操作,可以極大地提高繪制效率;與線型疊加法相比,基于筆劃數據的線狀地圖符號數據結構,可以包含復雜的線段集元,有效減少對控制線的多次分段提取操作以提高繪制效率。

3.2.3 裝 飾

“裝飾”是采用一定的圖形單元,按照一定的裝飾規則對控制線進行補充描述。裝飾數據結構如下:

裝飾數據結構包含裝飾符號、裝飾規則、裝飾幾何變換矩陣和裝飾過濾器四個成員。裝飾符號描述采用何種符號來裝飾路徑,用于裝飾的圖形單元可以是文字、圖形、線劃或者柵格圖片;裝飾規則描述裝飾符號與路徑的位置關系。裝飾可以位于控制線的某個特定位置,如:起點、終點、中點、數據點、等間距點、隨機間隔點等。裝飾還可以包含角度、縮放比例、偏移量等參數;裝飾過濾器是對裝飾規則的補充說明,表示在線狀符號控制軸線的某些位置(端點、中點等)上強制取消裝飾。圖2中電力線、隧道、石質陡岸、公路運輸線以及鐵路運輸線等符號均是配置裝飾的結果。

3.2.4 輪廓變換

線狀地圖符號中有一類符號不僅具有線狀符號的特征,也具有面狀符號的特征,可稱之為半線半面符號。如:寬度漸變河流、箭頭符號等。對于此類符號,可以先進行輪廓變換,得到一個封閉的輪廓路徑,然后對該路徑進行填充來獲得。輪廓變換是指針對特定路徑中兩相鄰節點,在正、負法線方向處分別對其進行移位處理,由此產生兩對新的數據點,它們之間可以由直線段或參數曲線連接,因此線狀路徑經輪廓變化后演變為封閉的面狀路徑。

如圖5所示,由AB C三點構成的path,經過箭頭輪廓變換得到7個等數據點,2-4、5-6之間采用Bezier曲線擬合,其他線段直接采用線段連接,得到一個箭頭符號的輪廓路徑,然后對該路徑進行著色操作就可以得到箭頭符號。針對不同的圖形可以設計不同的輪廓變換方法。

圖5 由輪廓變換得到箭頭符號Fig.5 Arrow symbol from contour transformation

4 試 驗

4.1 符號設計試驗

為驗證本文所提地圖符號數據結構,構建線狀地圖符號設計器原型系統,開發環境選用Visual C++6.0,原型系統用戶界面如圖 6所示。

圖6 線狀地圖符號設計器界面Fig.6 Interface of line map symbol designer

如圖7所示,采用顏色筆劃繪制國界、有堤管線符號,圖元筆劃繪制陡坎、背斜符號,柵格筆劃繪制風格化的藝術符號。此外,利用裝飾可以繪制石質崩崖符號,借助輪廓變換能夠繪制漸變填充的箭頭符號。

圖7 采用PB符號數據結構設計復雜線狀符號結果Fig.7 Results of designing complex line symbol on PB data structure

4.2 符號繪制效率對比試驗

以國界符號和向斜符號為例,采用顏色筆劃、圖元筆劃和柵格筆劃三種方式分別構建兩個符號。試驗數據共包含五組線劃數據,分別由220、465、1 347、2 759以及6 105個節點構成。試驗設備為因特爾酷睿 CPU,主頻為 2.50 GHz與2.49 GHz,內存為1.98 GB。如圖8與圖9所示,符號構建方法不同,其繪制效率差異也較大。國界符號中,圖元筆劃繪制效率最高,因為其重復單元結構相對較為簡單而且避免顏色筆劃中對控制軸線的多次定長提取;而向斜符號重復單元結構復雜,所以柵格筆劃的繪制效率明顯高于其他兩種。

圖8 國界符號效率測試結果Fig.8 Efficiency test results for national boundary symbol

圖9 向斜符號效率測試結果Fig.9 Efficiency test results for syncline symbol

4.3 符號多介質輸出試驗

PB線狀地圖符號數據結構的基礎為 PS成像模型,由于PS成像模型直接兼容SV G、Flash、HTML5等圖形標準和格式,理論上 PB線狀地圖符號均能夠無損映射到上述標準和格式,可以實現PB地圖符號面向計算機屏幕、網絡、打印機、繪圖儀、印刷機的直接輸出。試驗中,針對某區域1∶25萬地形圖數據,采用PB符號庫進行PDF、SVG輸出試驗。試驗結果如圖10和圖11所示,結果表明PB線狀地圖符號能夠無損輸出為PDF、SVG等圖形格式,可以實現符號庫的“一庫多用”。

圖10 地圖符號的PDF輸出結果Fig.10 PDF outputs of map symbols

圖11 地圖符號的SVG輸出結果Fig.11 SVGoutputs of map symbols

5 結 論

現有線狀地圖符號數據結構各有優劣,彼此難以兼容,無法描述復雜的線狀地圖符號,不支持卡通類、藝術類線狀符號構建。本文針對線狀地圖符號數據結構問題,在分析線狀地圖符號構圖規律基礎上,引入PostScript成像模型中的通用圖形描述機制,提出一種新型線狀地圖符號數據結構。該數據結構具有以下特點:①融合單元循環配置與線型疊加兩種線狀符號構圖模式,能夠根據線狀符號圖形特征而進行靈活分解繪制,從而保證最優的符號繪制效率;②具有較強的線狀符號描述能力,支持卡通類、藝術類線狀符號的設計,支持半線半面類型的線狀地圖符號設計,裝飾規則和輪廓變換可以進一步擴充;③兼容各類圖形標準和格式,同時支持地圖符號的屏幕顯示、網絡發布和紙質印刷。

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