地图自动综合的回顾与展望

第二节　地图自动综合的回顾与展望

一、地图自动综合的回顾

ESRI公司(ESRI white paper series，1996)分析了当时地图综合的现状和发展过程，把地图综合的发展过程按照年代分为3个阶段:20世纪60～70年代;20世纪80年代;20世纪90年代。Meng(1997)对地理数据的自动综合进行了比较全面的分析，并总结了地图综合的发展过程，并把地图自动综合的研究分为4个阶段:1965～1980、1980～1990、1990～1995、1995～。地图自动综合的发展与地图生产的需要和计算机科学的发展是紧密相关的，就目前的有关文献来看，可以分为以下几个阶段:

(1)地图目标的几何量测和图形简化:大约是从1965～1980年，主要研究成果包括:地图要素分维数的计算、地图符号的定量约束(如不同比例尺的地图目标的最小尺寸、角度、长度和面积)、地图符号之间的关系约束(如符号之间的最小间距)、离散目标的选取(如Toepfer的开方根规律及其修正公式)、矢量数据的Douglas-Peucker(1973)滤波及其变种、Lang(1969)线简化算法、DEM高通和低通滤波、线光滑的spline函数、移位算法等。

(2)地图综合知识的应用:大约是从1980～1990年，学者更多关注地图自动综合的人性化方法，认为地图综合需要元知识，研究了基于规则的地图综合系统，但是得不到很好的综合结果，大量的研究认为:除了描述性知识，地图综合知识很难显式地形式化，因为地图综合涉及图形思维、并行处理等。NCGIA1990年在Syracuse大学举行了一个地图综合会议，研究主题之一就是地图知识的形式化。对已有线简化算法进行了比较，并在20世纪80年代后期研究了更复杂的算法以及算法的应用顺序、参数或阈值等问题。

(3)地图自动综合方法的评价与集成:大约是从1990～1995年，人们几乎都在交换意见，比较和评价已有的地图综合工具，几乎没有发现新的算法和方法。研究了并行分布计算、神经网络模拟等在地图综合过程中的应用。普遍认为发展交互式的地图综合系统是合理的选择，并认识到在模型层面上和图形层面上都应当有质量控制，也就是说，应当区分几何精度、拓扑精度和语义精度，建立相应的定量和定性规范。建立了几个国际组织来协调这方面的研究工作，例如，ICA的地图综合工作组;在OEEPE(Organization Europeeme des Etudes en Photogrammetrie Experimentale)下面的地图综合小组试图找到解决地图综合实际问题的方法，发展了地图综合质量评价的规则，对商品化的地图综合软件进行了评价。

(4)面向应用的地图自动综合方法:大约是从1995年开始，计算机网络的发展给地图制图带来了新挑战，地图综合必须运算效率速度问题，交互式综合不能满足要求。人们开始考虑支持地图自动综合的特殊空间数据结构、面向对象的编程、基于神经网络的元知识获取等问题，考虑地图综合的认知因素，发展综合算法。多种数学方法在地图综合中得到了很好的应用，例如，分形、小波分析、数学形态学等。Cecconi、Weibel和Barrault(2002)研究了用MSDB(Multi-Scale Data Base)和地图综合方法来解决多尺度空间数据在网络上传输的实时综合问题。毋河海(1996)进一步扩充和完善了他自己提出的结构化地图综合方法。郭庆胜(1998)提出了渐进式地图自动综合方法，并随后利用空间知识对线状要素简化的渐进式算法进行了完善。2002年芬兰、德国等国的一些大学开始从事一个研究计划GiMoDig(Geospatial Info-mobility Service by Real-time Data－integration and Generalisation)，主要研究如何利用实时数据综合和集成技术，让多个国家的地图制图局能提供地理空间信息移动服务(Geospatial Info-mobility Service)，强调地图综合方法能为比例尺时刻变化的数据或不同分辨率的移动设备提供地理空间数据的图形显示(Sarjakoski等，2004)。

二、主要国家的地图自动综合研究成果

在德国，Hannover大学的Staufenbiel(1973)首次研究了德国多种大比例尺地形图中建筑物的各种图形变化;Lichtner(1976)研究了建筑物以道路为参考的移位问题;Hentschel(1979)研究了等高线的综合问题;Menke(1983)针对德国地形图中的交通网络提出了从1∶5 000到1∶25 000的一组地图综合算法(双线道路的中心线提取、中心线的简化、中心线的符号化等)，这些算法已在CHANGE(Cartography，HANnover university，GEneralizationsoftware)软件中实现，在CHANGE软件中Powitz(1993)增加了建筑物与街道网络之间的冲突探测(包括拥挤产生的、街道符号的拓宽产生的和其他要素的移位传播产生的)。Zeiss公司的CHANGE可以用于德国地形图从1∶5 000到1∶25 000的道路和建筑物综合，对于一个设定的比例尺范围，CHANGE能提供预设的参数和综合顺序。在城市地形图的综合方面，特别是居民点的综合及其与道路的关系处理(空间冲突的解决)方面，德国做出了很大的贡献。

在法国，IGN(Institut Géographique National)的Ruas(1995)认识到:当前还不能完全自动地从一个主数据库得到其他任意比例尺的数据库;还不能完全自动地对一系列比例尺的数据库进行传播式地更新;而小比例尺的地图往往需求量更大，更新频率更高。因此，她使用Arc/Info的AML开发了一些地图综合算子，例如，借助BUFFER功能的空间冲突探测，在初始数据的骨架化和可视化的基础上建立目标的空间拓扑关系，进行目标选择、线的移位、节点的融合、线的简化和属性修改等。另外，还研究了目标的几何特性、语义特性和分布特征，例如，特定形状的识别、单要素分维数的计算、空间剖分、没有非连接关系的要素之间的邻近关系分析和“对齐(Align)”处理、要素移位，这些参数都可以放在规则中。Ruas等人基于Gothic软件的LAMPS2中面向对象的数据库，在AGENT计划中完成了综合软件Clarity，该软件使用了Ruas的综合模型，并且包含了25个综合算法，8个控制算法，29个量算算法。Clarity软件提供了过程综合的批处理方法，利用了面向对象方法和智能体技术，该软件在Esprit AGENT计划的支持下花费了48个人年，用JAVA开发，已用于生产视觉产品的地图制图综合(从1∶1万到1∶25万)和数据模型综合。Clarity的主要功能包括:

●数据的导入与存储:可以按照工业标准数据格式导入数据;用连续的无缝数据库存储源数据;拓展了属性数据浏览和存储;2D和3D数据的存储;可以存储面(Face)和区域(Area)的“连接-节点(link-node)”的拓扑数据模型;数据建模，包括对象类的多重继承。

●地图规范:设置地图综合参数的窗体界面;为基于智能体综合定义约束和事件的窗体界面;为了考察过程综合的合适参数值，设计了可视化界面。

●智能体综合过程:当地图要素为了适应目标地图的规范而改进其“幸福度“时，软件智能体处理它们的演变;示例建筑物和道路智能体的约束、量算和算法。

●其他综合能力:对象显示方法的动态表达，显示中的变化可以用多属性值的组合来触发，或用选择的比例尺来触发;用户定义的比例尺范围允许对象依据比例尺显示或忽略;使用数值方法的自动数据选取可以用于数据库的浏览;单个目标和群目标的几何特征的滤波和光滑;依据多重产品规范，一个目标可在不同产品上显示或用不同形状表达。

●导出:可以用工业标准数据格式导出地图制图数据和地理数据。

在美国，由Intergraph公司开发的交互平台MGE/MG(DynaMap Generalizer)(在UNIX系统)有几个工具可以辅助交互式地图综合(Lee，1993)，可用的算法包括:基于几何和图形规则的选取、线或面到点的转换、简化(Nth Point Thinning，Douglas-Peucker，Lang，VectGen，Point Relaxation，Reuman-Witkan，Area Clarification，Area Preservation)、光滑(Brophy，Simple Average，Weight Average)、点和面的聚合、面的矩形化、邻近关系的探测、减少点的密度的典型化。综合参数和综合顺序需要用户根据特定的任务交互确定。ESRI公司的ARCGIS中有一个地图综合工具，该工具能解决线的简化、建筑物图形简化和多边形聚合等问题。

英国的Glamorgan大学1995年研究了SDS(Simplicial Data Structure)，SDS是基于CDT(Constrained Delaunay Triangles)的一种空间数据结构，并开发了一个地图综合原型系统MAGE(Map Authoring and Generalization Export)。

瑞士ZURICH大学的Weibel(1992)在DEM的自动综合、基于QTM的地图综合、线状要素的移位、网络地图制图综合等方面取得了大量的研究成果。

在中国，自20世纪70年代末开始，在原武汉测绘科技大学和原解放军测绘学院等单位就开始研究计算机辅助地图制图综合问题，主要研究工作包括:结构化地图综合、地图要素形态特征提取、神经网络在地图综合中的应用、D－P算法的改进、地图目标选取模型、基于小波分析和分形的地图自动综合、基于三角网的地图综合、地图综合的地图代数方法、地图要素自动移位、协同式地图自动综合、渐进式地图图形综合、地图综合知识的处理、地图综合软件的开发等。

三、展望

地图自动综合从软件设计上看，是一个大的系统工程，还有很多具体的问题需要进一步解决，甚至包括地图综合观念的更新，以及常规地图综合规则的修正等，例如，“聚合”算子用岛屿作为例子就不合适。Meng(1997)认为，在地图自动综合理论方面比较突出的问题有两个:

(1)地图综合评价中无完善的客观标准:地图综合会影响数据质量的某些成分(Müller等，1995)，例如，定位精度、形态和尺寸精度、属性精度、一致性、完整性等。地图制图者必须向用户明确一个事实:综合既不是图片放大/压缩，也不是屏幕开窗放大/缩小。综合是一个认知过程，其目的在于为了适合显示空间、显示设备分辨率、感受层次和应用要求而使可视性和清晰性。综合结果的评价应当是目的驱动的，同时质量保证的规则应当有不同的顺序。但是直到现在，计算机辅助地图综合的评价结果仍然是通过与手工综合的地图进行比较来获得。综合规则中缺乏地理细节层次的客观规范，并且不精确和不确定(Goodchild，1996)。另外，对量算技术及其在综合过程中的应用限制的深入研究也是非常必要的(Lagrange，1997)。

(2)地图综合的空间认知与抽象的规律有待进一步深入研究:地图判读过程中空间认知可以帮助我们发现哪种目的与什么信息相关。人类进行空间抽象的潜在规律应当就是地图综合应当遵循的。

从地图综合的应用来看:在算法设计上需要使用复杂的空间分析工具(例如，Delaunay三角网、Voronoi图);需要用更复杂且易于存储的几何和拓扑结构所描述的对象来对现象建模;需要建立同一组数据的多重表达之间的联系;需要把丰富的算法库集成在同一个框架中，以便研究它们的排列和组合，以及面向信息移动服务的地图综合方法(Edwardes、Burghardt等，2003)。从当前的地图制图技术和计算机技术的发展现状，以及地理信息产业化对多尺度地理空间数据的要求来看，地图自动综合的主要研究方向如下:

(1)地图自动综合的评价标准:地图是一个产品，没有一个标准是不行的。对于地图自动综合而言，必须建立一套评价方法和定量化标准，而目前主要采用人工视觉评价方法，由地图专家完成(Weibel，1992;Bard，2004)。地理空间数据的精度分析是GIS领域的一个重要课题，在地图自动综合过程中如何分析地图综合结果的可靠性也是一个类似的研究问题，除了精度外，还有目标形态、目标尺寸、一致性、完整性、空间认知等方面的评价。对于不同的地图自动综合算法，还需要评价其计算效率、应用范围等。

(2)地图综合知识的获取、表达及应用:在地图自动综合过程中，很多知识是通过人类视觉形象思维获取的，在数字化环境中，我们应当利用计算机视觉技术和人工智能等技术解决地图上空间知识的获取问题。地图综合需要建立在大型地图数据库的基础之上，地图综合知识同地理信息的融合是必然的趋势。张家庆等(1994)认为面向对象的继承机制与知识库系统的框架结构是一致的，能用于组织知识库。地图综合知识中有很多属于模糊知识，在地图综合中应当能够处理这种模糊信息(Tikunov，1995)。

(3)面向不同空间数据模型和不同专题的地图自动综合方法:地图的类型很多，所涉及的内容有些非常专业，需要进行专门研究。对于不同的空间数据模型往往需要采用不同的地图综合算法和知识表达方式，同时，地理数据的组织和地理信息的表达方式不同，也需要采用不同的地图自动综合方法，例如:DEM的综合，正射影像地图的综合等。

(4)网络地图自动综合方法:互联网的普及使得人们使用地图的方式发生了变化，在互联网上的实时地图综合就显得非常需要，这涉及多尺度地理信息的快速传输和多尺度地理信息的实时表达。

(5)地图自动综合的并行算法和最优化算法:人类大脑在空间信息抽象过程中往往需要并行处理，另外，地图综合过程本身就是一个求最优解的过程，因此研究这两种算法是非常必要的。

(6)渐进式地图综合方法:在数字化环境中，地图比例尺的变化可以是渐进式的，在空间认知中空间结构也具有层次性，从低层次到高层次的变化也是一个渐变的过程。当地理信息从一种较大比例尺抽象为较小比例尺时，若比例尺的跨度比较大就比较难以控制，但是若比例尺的跨度很小就比较容易控制，因此，可以通过地图比例尺的逐渐变化来获取任意跨度的地图比例尺变化所产生的地图综合结果。

(7)地图自动综合技术在空间数据库维护和更新中的应用:用地图综合原理可以为已建有的多个比例尺的地图数据库建立多比例尺地图目标之间的关联关系，基于更新信息的传播机制来自动地同时更新多个比例尺的地图数据库。在Carto2001计划中就是把地图综合技术和数据更新技术结合在一起，更新国家地形数据库，并进行地图生产(Jahard、Lemarié和Lecordix，2003)。

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