一种城市级基础地理实体派生地形图的方法
殷勇1，杨健男1，方登茂2，郑凤娇3，戴昭鑫1
（1.中国测绘科学研究院，北京 100036；
2.西安市勘察测绘院，西安 710054；
3.武汉市测绘研究院，武汉 430022）
摘要:
针对如何实现新型基础测绘中，基础测绘成果的转型升级与高层次应用这一项重要的目标，该文基于传统地形图生产经验，秉持继承与创新的理念，提出一套适应新型基础测绘背景下的地形图编制技术体系。体系包括定制选取、实体综合、制图派生和适配成图等内容，采用实体自动综合、地图符号自动派生、适配地图业务平台成图3项关键技术，较好地进行数据正向派生，实现对基础测绘成果的新型应用。通过新型基础测绘试点应用，结果表明：该技术体系在WJ系统知识引擎和业务流引擎的驱动下，可自动派生出国家基本比例尺或任意尺度的地形图数据。基于派生的地形图数据与其它地图业务平台适配，达到地形图自动生产的目的，大幅提高了地形图生产效率，验证了本文技术体系的有效性与适用性。
0 引言
地形图是详细表示现实世界中诸如居民地、道路、水系、境界、土质、植被等基本地理要素，使用等高线表示地形起伏的一种普通地图[1]。在我国，地形图有着不同的基本比例尺规范，例如大比例尺为“1：500”、“1：1000”和“1：2000”，其在经济建设中起着非常重要的作用，测绘从业人员有很多的工作都是以这类地图为生产基础进行的[2]。地形图根据比例尺的不同，有着不同的生产方法，国家和省级中小比例尺地形图是利用航空影像制作；城市级的大比例尺地形图则主要是外业实地测量。
但随着信息化时代的蓬勃发展，新技术如雨后春笋般快速发展，传统测绘面临着挑战。2015年国务院批复的《全国基础测绘中长期规划纲要（2015—2030年）》文件指出，2030年的基础测绘将会全面建成一套新型基础测绘体系，新形势下的地形图编制手段将会更新换代，基础测绘中诸如传统的国家基本比例尺地形图测制与更新等环节难以满足新的应用需求[3]，其中较明显的就是地理信息数据的来源不同，构成将更丰富，规范更统一，这种地理信息数据就是新型基础测绘背景下的地理实体数据成果。
地理实体数据成果相对于传统成果会有改进与升级，是一种新型数据[4]，其衍生的地形图也是不同于以往的地形图[5]。这种数据不同于基于地图要素下使用的传统GIS空间数据，可以方便地实现地理信息与社会、经济、自然资源等专题信息的挂接[6]。但是，传统成果有着长期的价值沉淀，因此并不是要完全摒弃。为了能够综合传统成果与地理实体数据成果的优点，继承原有重要的基础测绘成果，使用好新型基础测绘数据去编制地形图，是一个重要研究方向。本文基于城市级基础地理实体数据，提出一套适应新型基础测绘背景下的地形图编制技术体系，内容涵盖定制选取、实体综合、制图派生和适配成图等四个方面，厘清如何从基础地理实体数据直接派生地形图的思路，凝练了实体自动综合、地图符号自动派生、适配地图业务平台成图三项关键技术。经国家新型基础测绘试点城市应用，验证方法有效性。
1 基础地理实体数据概述
地理实体是现实世界中占据一定且连续的空间位置、独立具有同一属性或完整功能的地理对象，包括基础地理实体、部件三维模型以及其他实体。根据现实世界中表达对象类型（自然地物、人工设施及地理单元）的不同，地理实体可分为地物实体和地理单元，地物实体是地表及地下各类自然形成或人工建筑的物体，通常包括水系、交通、建（构）筑物、管线等；地理单元是地表上具有统一管理或自然属性的空间区域，通常包括行政区划单元、自然地理单元等[7]。
基础地理实体是通过基础测绘采集和表达的地理实体，是其他地理实体和相关信息的定位框架与承载基础[8]，是新型基础测绘产品体系的核心[9]。相比现有基础地理信息要素数据，基础地理实体数据分类更多样，且突破对现实世界分尺度表达的概念，力图实现“只测一次、多级复用”。当前研究聚焦如何将传统基础测绘中的要素数据升级为新形势背景下的地理实体数据并建库[10-11]，但关于基础地理实体如何向传统地理信息要素数据多尺度派生方面研究还较少，而这对于真正实现基础地理实体的“多级复用”尤为重要。基础地理实体数据，按尺度分为城市级、省级和国家级，本文主要面向城市级地理实体数据的多尺度派生。
2 基于城市级基础地理实体数据自动派生地形图
2.1技术路线
图1为本文基于城市级基础地理实体数据自动派生地形图的总体技术路线。首先，以基础地理实体数据库为数据源，基于基础地理实体数据的实体化、语义化特征，构建高度自动化的缩编派生工艺流程；然后，编制顾及语义、几何、拓扑、空间分布等多特征约束的地形图自动派生知识库，结合WJ系统知识引擎和业务流引擎的驱动，可自动派生出符合国家基本比例尺地形图标准或任意尺度的地形图数据产品；最后，根据地形图业务平台的类型，进行适配成图，形成无级化的地形图产品。
2.2定制选取
地理实体数据成果是在规范性采集下得到的成果，数据信息量大，具有多层次性，按照实体、分精度表达。传统地形图数据是表示地表上基本地理要素且用等高线表示地面起伏的地图。基础地理实体数据的分类内容在一定程度上比地形图表达内容更为广泛，地形图在表示区域特征的时候，有些地物需要表达，而有些地物不需要表达；且传统地形图数据相比基础地理实体数据，需要增加尺度表达模式。为此，在开展基础地理实体向地形图派生时，如何根据实际尺度需求，定制选取对应的地理实体尤为重要，主要包括3个关键步骤。
1）根据应用需求，提取所需的地理实体数据并进行冲突处理。确定所应覆盖的空间范围、地理实体的类型及其粒度，并提取相关地理实体。其中，对于提取的各类地理实体，在进行数据集成时，由于地理实体的精度、粒度、模态等不同，会产生空间关系冲突，需要对产生的空间关系冲突进行移位、拟合、匹配等冲突处理。
2）根据地形图尺度，自动计算比例尺并设定综合规则与指标。
3）对于抽取的地物实体和地理单元数据，按照数据类别采用对应的综合和派生算法显性表达出需要表达的实体以及实体关系。图2中原始地理实体数据中的房屋以幢为单位，但地形图中的不同层级的房屋需要单独表示，在实体综合前需要进行粒度转换。如某幢房屋是以面实体以及房屋层数分割线（存储左右房屋层数）进行表达，为了得到不同分层的房屋面实体，需要结合房屋面实体以及分割线数据，经过几何、拓扑关系等处理来获取不同分层的房屋面实体。
2.3实体综合
基于地理实体数据的综合处理，不同于以往基础测绘数据成果的综合处理。表1为以往地形图自动综合处理与新形势下的实体综合处理对比，新形势下的实体综合在类型上更加丰富，处理范围更广，编制手段的自动化程度要求更高。
表 1新形势前后地形图综合处理对比
新形势下的实体综合依托原始的基础地理实体数据，根据缩编规则和参数设置，对指定范围内或全部基础地理实体数据进行制图综合，可自动生成满足粒度或精度要求的结果数据。自动综合处理的对象包括控制点、工农业和文化设施、陆地交通、水系、居民地、管线、植被、地貌与地质、境界和地名地址等。对单一实体进行综合时要兼顾其他未参与综合的实体，确保综合结果逻辑正确。根据缩编规则与重要程度建立不同实体的优先级关系，当不同类型的实体在综合处理过程中发生冲突时，根据优先级关系对冲突实体进行取舍，确保全实体自动综合处理一键完成。
如图3所示，依托中国测绘科学研究研发的WJ系统中的实体综合技术体系，高度智能且自动化进行实体综合闭环迭代优化处理，基本处理步骤如下。
1）通过分析原始数据和任务需求，提取实体数据中的几何、语义、关系等特征信息，调用全局知识库进行空间格局识别、业务流提取等。
2）基于空间格局识别结果和业务流提取知识，从专题要素库、地形要素库以及冲突关系库等算子算法库以及指标库中，自适应选择算子、算法以及指标参数。
3）根据自适应选择的算子、算法以及指标参数，组装完整的综合业务流程并进行知识库表达与存储，随着智能综合系统以及知识库引擎驱动，生成综合成果。
4）依据量化质量评估子系统，对综合结果进行定量评价，合格即结束；不合格则进行自适应迭代，在尺度、区域、特征等约束指标计算基础上，迭代至综合成果符合要求为止。
实体综合中自动综合算子算法是核心内容之一，需要考虑点线面实体之间的几何形态、空间分布结构、语义等综合处理。
2.3.1几何形态综合
几何形态综合主要针对单个地理实体进行综合处理，包括维度变换、形状化简、形状夸张等综合方法。
1）维度变换
维度变换是将面图元（2维）表达的基础地理实体数据转换为线图元（1维）或点图元（0维）表达的基础地理实体数据的过程。被降维对象常为不满足指标宽度的道路、河流、沟渠、林地等面状实体。例如面状实体降维为线状实体：针对呈线性延展趋势的面状实体，提取其骨架线，骨架线继承原面状实体所有属性来表达该面状实体。
2）形状化简
形状化简是在保持实体主要结构和弯曲特征的同时，移除不重要的细节信息，减少实体的复杂程度的一个过程，过程涉及自然形态部分和人工形态部分化简，这两部分的边界具有不同特征，主要是保持化简前后自然形态部分的曲线光滑特征及人工形态部分的直角化特征。
3）形状夸张
形状夸张是提高或强调实体重要特征的过程，例如当一个面状实体过小，无法在小比例尺地图上表达但却要求表达时，可以适当夸张表达该面状实体，夸张方法应与缩编目的和用途密切相关。
2.3.2空间分布结构综合
空间分布结构综合主要针对地理实体群进行综合处理，主要包括水系综合、道路综合、居民地综合、点群选取等综合方法。
1）水系综合
水系综合需要兼顾水系整体空间结构特征及局部形状特征，综合选取结果需体现原有水系的疏密差异及连通性。水系实体的构成比较复杂，从几何形态上可分成两类，即人工建造而成的实体，例如网状为主的沟渠实体；自然汇聚形成的实体，例如树状为主的河流实体。水系综合的主要操作包括双线河变单线河、水域毗邻化处理[12]、水域多边形合并、线状河流化简、水系网选取以及沟渠处理等。
2）道路综合
道路实体数据应能正确表示道路的类别、等级、位置，反映道路网的结构特征、通行状况、分布密度以及与其它实体的关系。取舍标准是优先选取该区域内等级相对较高的道路实体以及具有特殊意义的道路实体。道路实体数据综合选取后，应保持原有的道路分布特性，即原来密集的地区仍然密集，原来分布稀疏的地区仍然稀疏。
3）居民地综合
居民地群的表示，应总体上反映居民地区域轮廓形状、分布特征以及与其它实体的关系。随着尺度由大变小，建筑物实体依次呈现为单幢房屋、建筑物群组、建筑区域以及街区等不同粒度。一般在构建建筑物间的空间聚合层次关系并进行分类过滤，实现邻近建筑物间的吸收式、包络式、分解式合并。对于建筑物合并和化简算法，需要考虑直角化特征的保持问题，集成不同算法构建形状特征自适应的综合模型是应对多样化形态的有效策略。
4）点群综合
点群综合是从原始点群中抽取出一定数量且相对重要的点，删除相对次要的点的过程。点的权重反映了单个点在点群整体中的重要性程度，是点群综合算法设计中的关键。通过分析并量化空间点群要素的各类特征信息，采用一种基于层次聚类的点群聚合方法和一种基于节点重要性度量的点群选取方法，对空间点群要素进行自动综合。
2.3.3语义综合
空间认知上，仅仅通过空间关系来判断实体综合，是不准确的，因此需要综合考虑实体数据之间存在的几何、拓扑、语义和视觉等多方面约束。其中语义综合是实体综合中根据实体语义约束进行实体合并的一个综合过程，该过程包含一个基本原则（语义归属原则的建立）和两个主要操作（语义合并和语义转换）。
1）建立语义归属原则
语义合并与语义转换后的综合结果，需要指定语义归属，因此需要建立语义归属原则：实体语义综合后的结果通常是继承语义更“强”或更符合当前要求的实体语义。例如具有等级关系的实体语义综合，综合结果继承较高等级实体语义。
2）语义合并
语义合并是在语义归属原则下，某实体利用空间关系与其它实体进行合并的一个综合操作。要实现语义合并，就需要判断实体数据之间的邻近关系，而邻近关系需要涉及几何和语义两种意义上的内容。例如用地数据中的图斑聚合，即是一种语义合并的例子。
3）语义转换
语义转换是指某些场景或综合条件要求下，将实体的语义转换成另一种语义的操作。例如房屋群经语义合并后，不再凸显房屋群这一语义特征，将所属语义转换成院落语义，主要凸显其范围意义即可。
2.4制图派生
制图派生是将基础地理实体数据派生并转化为地形图的关键步骤，制图派生包括实体与要素语义映射、注记自动配置、有向实体要素化处理、复杂实体符号化、边线制图等五个主要技术处理流程，本文将分别进行详细叙述。
2.4.1实体与要素语义映射
实体与要素语义映射，包括直接映射与推理映射两种方法，例如房屋面实体直接转换为房屋边线要素；路口关联实体经关系推理转化为道路边线要素。
1）直接映射表
若基础地理实体与地形要素存在直接映射关系，且映射后图元和基本属性无需处理的基础地理实体，制作直接映射表并进行批量直接映射处理。例如某基础地理实体对应的唯一编码与地形图标准中实体对应的编码进行映射。
2）推理映射
若基础地理实体与地形要素不存在直接映射关系，或映射后图元和基本属性仍需处理的基础地理实体，需进行推理映射。例如图4中的地形图数据成果中不存在路口数据，路口面边界线需要转化为道路边线的一部分，需要通过推理实现路口关联实体映射。
2.4.2注记自动配置
注记，是为了在图上突出显示地物某一属性而进行内容表示的地图制图要素之一。基础地理实体数据中并不存在注记数据，需要基于综合后的点线面实体数据，自动配置出注记结果数据。注记自动配置的基本原理为：根据地形图要求，形成注记规则配置表、注记优先级表，在此基础上创建基于规则的自动注记配置引擎，从而对点状实体、线状实体、面状实体整体进行最优自动注记。
图5为注记自动配置技术路线，先在各种制图约束的基础上，分别对点、线、面实体按照注记规则产生相应的多样的注记候选解；接着，构建一个全局优化容器，以制图专家知识为指导，利用相应的智能优化算法从所有候选解中选出最优解；最后，按照注记样式、属性、定位等参数进行输出注记，实现整体全局最优注记自动配置。
1）产生器
如图6所示，根据实体几何表达类型，需要注记的类型分为点注记、线注记和面注记。
对于点注记，四方位的优先顺序依次是右、上、左、下，六方位再增加竖上、竖下，长内容注记还需进行分词与换行，对于多属性内容注记可以生成组合注记。对于线注记，根据是否沿中心线进行注记，分为中心注记和平行注记；根据线注记字间隔大小，分为紧凑注记与松散注记，同时还包括等高线注记。对于面注记，主要有骨架线、边界线、内点、单连通、散列式等注记模式，如何自动选取面注记模式以及逻辑上实现各注记模式的算法是其关键。
2）约束器
如图7所示，约束器包括显示范围的约束、面实体注记时内点注记是否在面实体内部以及其它制图知识的约束。例如区域外注记不考虑也不表示、注记必须在街区内部、道路交叉口处路名标注的优先级处理等。
图7 约束条件
3）优化器
设计注记质量评价模型中，选取4个独立（很少重叠）的因素：冲突、压盖、位置优先级和要素注记关联性来表达注记质量，这4个影响注记质量的重要因素，不仅在概念上有区别，而且评估它们的参数也彼此独立。根据质量评价模型对产生的候选解进行打分，利用智能优化算法计算全局最佳注记位置。
4）输出器
如图8所示，输出器主要是将注记配置信息以及自动注记成果进行记录输出，包括注记样式、注记属性、注记定位信息等，方便后续适配各类地图业务平台。
2.4.3有向实体要素化处理
现实世界中，诸如涵洞、陡坎、台阶等实体存在方向性，在对有向实体进行制图派生时，需要根据周边实体计算有向点角度、线走向、面朝向等。地形图实际派生过程中，对于这种有向实体，常根据实际要求定义一种方向起点规定表以辅助信息表（用来处理非常规情况，如宽台阶平行方向），在此基础上实现有向实体要素化处理。
1）有向点符号化
对于涵洞、输水隧道及桥梁等实体，其符号具有方向性，但是，基础地理实体数据并未表示这类实体的方向，在地形图数据生成时无法自动确定方向。因此，在制图数据的生产中，这类实体的符号方向只能根据与其相关的道路、水系实体通过计算或推断得到。
2）有向线符号化
对于陡坎、围墙以及城墙等具有线性延展特征的实体，其符号具有左右方向性，需要根据线走向进行符号化。如果线符号化效果沿中心对称，线走向不影响视图效果。但是对于线符号化效果中沿中心线左侧或右侧的情况，需要严格按照线方向走向进行符号化。具体实现方法包括基线派生平行线法、循环配置方法、装饰方法以及组合法。
3）有向面符号化
对于台阶、室外楼梯等实体，其符号具有开口方向性，需要根据面的起点以及走向进行符号化。有向面实体遵循符号在采集方向右侧的规则构建，其中，面实体的构成点需按序进行采集。例如台阶、输水渡槽、滚水坝等面实体，其面实体的组成点遵照下图 9 所示要求进行定义（按照点1至点4 方向构建面实体，前进方向右侧为台阶线），后续就可以派生有向的复杂实体符号。
2.4.4复杂实体符号派生
地形图复杂符号包括斜坡（未加固、已加固）、吊车、单层桥、并行桥等多种类型符号。本文分析总结了4种基本模式，实现地形图复杂符号分解、组装、生成。
1）特征点模式
特征点主要是指线实体上或者面实体边界上的关键节点，这些节点相对于其它节点，常常表现为明显的角度变化。例如图10为棚房齿线符号派生过程，选取出角度变化较大的6个特征点，根据棚房角线生成要求，棚房内角大于180°的角不需要生成棚房角线，而图10（a）中特征点“3”的内角大180°，因此舍弃该特征点，得到如图10（b）过滤后的特征点集，继而根据保留下来的特征点与内角信息，生成角平分线得到如图10（c）的棚房角线。
2）形心模式
通过获取面实体的形心，来定位某些符号的位置，这种位置包括相对于其它符号的位置以及符号本身的绝对位置。如图11所示，以悬空通廊为例，基于形心，直接连接角点即可得到交叉线。
3）特征线模式
主要是获取面实体上或者内部具有明显特征或隐性特征的线。例如图12中，构建面实体约束Delaunay三角网，获取面实体主骨架线；构建主骨架线与面实体的点线拓扑，利用主骨架线首端点s和尾端点e，将面实体数据的弧段总分为两个部分，定义主骨架线前进方向左侧为左曲线，右侧为右曲线；利用特征点模式，获取四个特征点，删除特征点与主骨架线首尾端点间的弧段，派生出坡脚坡顶线。
4）平行线模式
主要是针对经特征点模式分析后，只有四个特征点的面实体进行多条平行或者近似平行的线填充的场景，如果有其他情况，可以根据实际情况分解图形，得到多个具有四个特征点的平行线模式。平行线模式不同于特征线模式，前者所派生的平行线不属于线面实体原有的特征，因此分模式进行了描述。例如台阶、室外楼梯等，需要根据面实体提取参考基线，并依据参考基线派生阶梯线。以台阶为例，首先利用特征点模式，获取面实体的特征点“a”“b”“c”“d”，如果面实体的节点集的起点为“a”，那么顺时针方向定义边Ebc为基边EBase，所有平行线都相对基边形成；分别计算Eab和Ecd的长度，记录较长边记为L；复制L/SD个基边EBase，其中SD为平行线之间的距离，每SD距离做一个平行线；利用面实体裁剪所有复制的平行线，如果复制的平行线的某一端或者两端在面实体内部，需要延伸首尾线，直至在面实体边界上。处理完后即得到如图13所示的多条平行于基边EBase的平行线。
根据实际情况，可组合使用四种复杂符号模式，解决更多的复杂符号派生场景，例如水闸面、吊车、涵洞（依比例）、微波塔、通信塔等。
2.4.5边线制图
边线制图，是将实体面转换为各种制图边线，并对边线制图关系进行处理。在边线制图过程中，制图关系中的压盖关系处理是其重要的一环。压盖关系，源自于“层”这一概念。目前GIS中很多关键技术中都涉及“层”，例如数据层、图层、符号层等。“层”这一概念模型在应用层，是一种分类方法。在制图派生中，正是因为有了“层”的分类，才有了上层压盖下层这样一种位置特点，因此，制图中需要地物是否存在“压盖关系”这一制图意识。本文分析总结了以下四类压盖场景：
1）“井”字压盖
如图14所示，人行桥与干渠的压盖场景类似“井”字，通过空间关系，将人行桥之间的部分干渠线数据删除，解决“井”字压盖问题。
2）共线压盖
不同实体间的共享边如果都派生成地形图要素数据，在进行符号化时，将会影响成图效果以及空间认知，应直接删除其中一条共享边或者保留优先级高的共享边，例如“城市隧道”实体和“主干道”存在共线部分，按要求删除“主干道”上的共线部分，完整保留“城市隧道”，得到如图15所示的制图派生结果与制图效果。
3）“乂”字压盖
同理“井”字压盖，只是类型不同。
4）组合压盖
通常发生于多层立交路段，是前三种压盖情况或者其它未提及的压盖情况，同时出现且相互压盖的复杂实体群。图17中压盖类型即为“乂”字压盖和共线压盖的结合。
3 适配成图
以常用的地形图业务平台AutoCAD为例，其适配并派生出地形图的原理为：基于AutoCAD提供的接口，使用C#编程语言与其进行符号编辑功能通信[13-15]。其中点状符号在CAD软件中，一般是通过不同定义的块参照或形文件来实现；线状符号一般是使用不同的线型来表达；面状符号通常为不同样式的图案填充；文字注记通过不同的字体、字号等样式实现符号化。在适配成图之前，利用XML编写点线面相应的图层信息、注记内容字段、块参照文件路径、线型、线宽、面填充图案名、颜色等配置信息文件，在与AutoCAD软件适配时，读取配置信息进行点线面注记符号化。
图18为某新型基础测绘试点区域的地形图派生效果。经实际地方工作调研，该方法相较于以前地形图生产，很大程度上提升了地形图生产的效率。据统计，以往基于软件平台的符号编辑功能进行人工交互式地形图编制，一人/天约1至2幅地形图成果。而本文基于地理实体数据，经自动派生后得到的地形图数据，一人/天约20幅地形图成果，效率提高10倍以上，该方法适应强，能快速派生任意区域任意尺度的大比例尺地形图。
4 结束语
现今，新型基础测绘处于试点阶段，探索地理实体数据成果与传统成果的关系是一个值得研究的课题。目前，地理实体数据成果与传统成果的关系可分为两种。
1）正向派生。新型基础测绘数据向传统基础测绘数据的派生，例如基础地理实体自动派生标准地形图数据以及电子地图数据等。
2）反向派生。传统基础测绘数据向新型基础测绘数据的改造，主要是存量传统地理信息数据的实体化，例如地形图数据以及电子地图数据向基础地理实体的改造。
本文基于城市级基础地理实体数据，提出一套适应新型基础测绘背景下的地形图编制技术体系，特色为：该方法是一种新型基础测绘数据向传统基础测绘数据的派生方法，搭建了新型基础测绘与传统基础测绘的关系桥梁，实现了传统测绘行业数据的继承与创新。未来，面向不同行业需求，通过自动派生技术，可提供数据落地服务应用，做到新型基础测绘“只测一次，多级复用”落地实现。
（原文有删减）
【作者简介】殷勇（1982—），男，湖北黄冈人，副研究员，博士，主要从事地图制图与综合自动化算法研究。
E-mail：yinyong@mail.casm.cn
【基金项目】中国测绘科学研究院基本科研业务项目（AR2201）；新型基础测绘国家试点项目（H2212/2243/2245）
【引用格式】殷勇，杨健男，方登茂，等． 一 种 城 市 级 基 础 地 理 实 体 派 生 地 形 图 的 方 法 ［Ｊ］． 测 绘 科 学，２０２３，４８（３）。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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