第二節(jié)　地圖自動(dòng)綜合的回顧與展望

一、地圖自動(dòng)綜合的回顧

ESRI公司(ESRI white paper series，1996)分析了當(dāng)時(shí)地圖綜合的現(xiàn)狀和發(fā)展過程，把地圖綜合的發(fā)展過程按照年代分為3個(gè)階段:20世紀(jì)60～70年代;20世紀(jì)80年代;20世紀(jì)90年代。Meng(1997)對(duì)地理數(shù)據(jù)的自動(dòng)綜合進(jìn)行了比較全面的分析，并總結(jié)了地圖綜合的發(fā)展過程，并把地圖自動(dòng)綜合的研究分為4個(gè)階段:1965～1980、1980～1990、1990～1995、1995～。地圖自動(dòng)綜合的發(fā)展與地圖生產(chǎn)的需要和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展是緊密相關(guān)的，就目前的有關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，可以分為以下幾個(gè)階段:

(1)地圖目標(biāo)的幾何量測(cè)和圖形簡(jiǎn)化:大約是從1965～1980年，主要研究成果包括:地圖要素分維數(shù)的計(jì)算、地圖符號(hào)的定量約束(如不同比例尺的地圖目標(biāo)的最小尺寸、角度、長(zhǎng)度和面積)、地圖符號(hào)之間的關(guān)系約束(如符號(hào)之間的最小間距)、離散目標(biāo)的選取(如Toepfer的開方根規(guī)律及其修正公式)、矢量數(shù)據(jù)的Douglas-Peucker(1973)濾波及其變種、Lang(1969)線簡(jiǎn)化算法、DEM高通和低通濾波、線光滑的spline函數(shù)、移位算法等。

(2)地圖綜合知識(shí)的應(yīng)用:大約是從1980～1990年，學(xué)者更多關(guān)注地圖自動(dòng)綜合的人性化方法，認(rèn)為地圖綜合需要元知識(shí)，研究了基于規(guī)則的地圖綜合系統(tǒng)，但是得不到很好的綜合結(jié)果，大量的研究認(rèn)為:除了描述性知識(shí)，地圖綜合知識(shí)很難顯式地形式化，因?yàn)榈貓D綜合涉及圖形思維、并行處理等。NCGIA1990年在Syracuse大學(xué)舉行了一個(gè)地圖綜合會(huì)議，研究主題之一就是地圖知識(shí)的形式化。對(duì)已有線簡(jiǎn)化算法進(jìn)行了比較，并在20世紀(jì)80年代后期研究了更復(fù)雜的算法以及算法的應(yīng)用順序、參數(shù)或閾值等問題。

(3)地圖自動(dòng)綜合方法的評(píng)價(jià)與集成:大約是從1990～1995年，人們幾乎都在交換意見，比較和評(píng)價(jià)已有的地圖綜合工具，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)新的算法和方法。研究了并行分布計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等在地圖綜合過程中的應(yīng)用。普遍認(rèn)為發(fā)展交互式的地圖綜合系統(tǒng)是合理的選擇，并認(rèn)識(shí)到在模型層面上和圖形層面上都應(yīng)當(dāng)有質(zhì)量控制，也就是說(shuō)，應(yīng)當(dāng)區(qū)分幾何精度、拓?fù)渚群驼Z(yǔ)義精度，建立相應(yīng)的定量和定性規(guī)范。建立了幾個(gè)國(guó)際組織來(lái)協(xié)調(diào)這方面的研究工作，例如，ICA的地圖綜合工作組;在OEEPE(Organization Europeeme des Etudes en Photogrammetrie Experimentale)下面的地圖綜合小組試圖找到解決地圖綜合實(shí)際問題的方法，發(fā)展了地圖綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的規(guī)則，對(duì)商品化的地圖綜合軟件進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(4)面向應(yīng)用的地圖自動(dòng)綜合方法:大約是從1995年開始，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展給地圖制圖帶來(lái)了新挑戰(zhàn)，地圖綜合必須運(yùn)算效率速度問題，交互式綜合不能滿足要求。人們開始考慮支持地圖自動(dòng)綜合的特殊空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蟮木幊?、基于神?jīng)網(wǎng)絡(luò)的元知識(shí)獲取等問題，考慮地圖綜合的認(rèn)知因素，發(fā)展綜合算法。多種數(shù)學(xué)方法在地圖綜合中得到了很好的應(yīng)用，例如，分形、小波分析、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等。Cecconi、Weibel和Barrault(2002)研究了用MSDB(Multi-Scale Data Base)和地圖綜合方法來(lái)解決多尺度空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膶?shí)時(shí)綜合問題。毋河海(1996)進(jìn)一步擴(kuò)充和完善了他自己提出的結(jié)構(gòu)化地圖綜合方法。郭慶勝(1998)提出了漸進(jìn)式地圖自動(dòng)綜合方法，并隨后利用空間知識(shí)對(duì)線狀要素簡(jiǎn)化的漸進(jìn)式算法進(jìn)行了完善。2002年芬蘭、德國(guó)等國(guó)的一些大學(xué)開始從事一個(gè)研究計(jì)劃GiMoDig(Geospatial Info-mobility Service by Real-time Data－integration and Generalisation)，主要研究如何利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)綜合和集成技術(shù)，讓多個(gè)國(guó)家的地圖制圖局能提供地理空間信息移動(dòng)服務(wù)(Geospatial Info-mobility Service)，強(qiáng)調(diào)地圖綜合方法能為比例尺時(shí)刻變化的數(shù)據(jù)或不同分辨率的移動(dòng)設(shè)備提供地理空間數(shù)據(jù)的圖形顯示(Sarjakoski等，2004)。

二、主要國(guó)家的地圖自動(dòng)綜合研究成果

在德國(guó)，Hannover大學(xué)的Staufenbiel(1973)首次研究了德國(guó)多種大比例尺地形圖中建筑物的各種圖形變化;Lichtner(1976)研究了建筑物以道路為參考的移位問題;Hentschel(1979)研究了等高線的綜合問題;Menke(1983)針對(duì)德國(guó)地形圖中的交通網(wǎng)絡(luò)提出了從1∶5 000到1∶25 000的一組地圖綜合算法(雙線道路的中心線提取、中心線的簡(jiǎn)化、中心線的符號(hào)化等)，這些算法已在CHANGE(Cartography，HANnover university，GEneralizationsoftware)軟件中實(shí)現(xiàn)，在CHANGE軟件中Powitz(1993)增加了建筑物與街道網(wǎng)絡(luò)之間的沖突探測(cè)(包括擁擠產(chǎn)生的、街道符號(hào)的拓寬產(chǎn)生的和其他要素的移位傳播產(chǎn)生的)。Zeiss公司的CHANGE可以用于德國(guó)地形圖從1∶5 000到1∶25 000的道路和建筑物綜合，對(duì)于一個(gè)設(shè)定的比例尺范圍，CHANGE能提供預(yù)設(shè)的參數(shù)和綜合順序。在城市地形圖的綜合方面，特別是居民點(diǎn)的綜合及其與道路的關(guān)系處理(空間沖突的解決)方面，德國(guó)做出了很大的貢獻(xiàn)。

在法國(guó)，IGN(Institut Géographique National)的Ruas(1995)認(rèn)識(shí)到:當(dāng)前還不能完全自動(dòng)地從一個(gè)主數(shù)據(jù)庫(kù)得到其他任意比例尺的數(shù)據(jù)庫(kù);還不能完全自動(dòng)地對(duì)一系列比例尺的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行傳播式地更新;而小比例尺的地圖往往需求量更大，更新頻率更高。因此，她使用Arc/Info的AML開發(fā)了一些地圖綜合算子，例如，借助BUFFER功能的空間沖突探測(cè)，在初始數(shù)據(jù)的骨架化和可視化的基礎(chǔ)上建立目標(biāo)的空間拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行目標(biāo)選擇、線的移位、節(jié)點(diǎn)的融合、線的簡(jiǎn)化和屬性修改等。另外，還研究了目標(biāo)的幾何特性、語(yǔ)義特性和分布特征，例如，特定形狀的識(shí)別、單要素分維數(shù)的計(jì)算、空間剖分、沒有非連接關(guān)系的要素之間的鄰近關(guān)系分析和“對(duì)齊(Align)”處理、要素移位，這些參數(shù)都可以放在規(guī)則中。Ruas等人基于Gothic軟件的LAMPS2中面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)，在AGENT計(jì)劃中完成了綜合軟件Clarity，該軟件使用了Ruas的綜合模型，并且包含了25個(gè)綜合算法，8個(gè)控制算法，29個(gè)量算算法。Clarity軟件提供了過程綜合的批處理方法，利用了面向?qū)ο蠓椒ê椭悄荏w技術(shù)，該軟件在Esprit AGENT計(jì)劃的支持下花費(fèi)了48個(gè)人年，用JAVA開發(fā)，已用于生產(chǎn)視覺產(chǎn)品的地圖制圖綜合(從1∶1萬(wàn)到1∶25萬(wàn))和數(shù)據(jù)模型綜合。Clarity的主要功能包括:

●數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與存儲(chǔ):可以按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入數(shù)據(jù);用連續(xù)的無(wú)縫數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)源數(shù)據(jù);拓展了屬性數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ);2D和3D數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);可以存儲(chǔ)面(Face)和區(qū)域(Area)的“連接-節(jié)點(diǎn)(link-node)”的拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型;數(shù)據(jù)建模，包括對(duì)象類的多重繼承。

●地圖規(guī)范:設(shè)置地圖綜合參數(shù)的窗體界面;為基于智能體綜合定義約束和事件的窗體界面;為了考察過程綜合的合適參數(shù)值，設(shè)計(jì)了可視化界面。

●智能體綜合過程:當(dāng)?shù)貓D要素為了適應(yīng)目標(biāo)地圖的規(guī)范而改進(jìn)其“幸福度“時(shí)，軟件智能體處理它們的演變;示例建筑物和道路智能體的約束、量算和算法。

●其他綜合能力:對(duì)象顯示方法的動(dòng)態(tài)表達(dá)，顯示中的變化可以用多屬性值的組合來(lái)觸發(fā)，或用選擇的比例尺來(lái)觸發(fā);用戶定義的比例尺范圍允許對(duì)象依據(jù)比例尺顯示或忽略;使用數(shù)值方法的自動(dòng)數(shù)據(jù)選取可以用于數(shù)據(jù)庫(kù)的瀏覽;單個(gè)目標(biāo)和群目標(biāo)的幾何特征的濾波和光滑;依據(jù)多重產(chǎn)品規(guī)范，一個(gè)目標(biāo)可在不同產(chǎn)品上顯示或用不同形狀表達(dá)。

●導(dǎo)出:可以用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出地圖制圖數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)。

在美國(guó)，由Intergraph公司開發(fā)的交互平臺(tái)MGE/MG(DynaMap Generalizer)(在UNIX系統(tǒng))有幾個(gè)工具可以輔助交互式地圖綜合(Lee，1993)，可用的算法包括:基于幾何和圖形規(guī)則的選取、線或面到點(diǎn)的轉(zhuǎn)換、簡(jiǎn)化(Nth Point Thinning，Douglas-Peucker，Lang，VectGen，Point Relaxation，Reuman-Witkan，Area Clarification，Area Preservation)、光滑(Brophy，Simple Average，Weight Average)、點(diǎn)和面的聚合、面的矩形化、鄰近關(guān)系的探測(cè)、減少點(diǎn)的密度的典型化。綜合參數(shù)和綜合順序需要用戶根據(jù)特定的任務(wù)交互確定。ESRI公司的ARCGIS中有一個(gè)地圖綜合工具，該工具能解決線的簡(jiǎn)化、建筑物圖形簡(jiǎn)化和多邊形聚合等問題。

英國(guó)的Glamorgan大學(xué)1995年研究了SDS(Simplicial Data Structure)，SDS是基于CDT(Constrained Delaunay Triangles)的一種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了一個(gè)地圖綜合原型系統(tǒng)MAGE(Map Authoring and Generalization Export)。

瑞士ZURICH大學(xué)的Weibel(1992)在DEM的自動(dòng)綜合、基于QTM的地圖綜合、線狀要素的移位、網(wǎng)絡(luò)地圖制圖綜合等方面取得了大量的研究成果。

在中國(guó)，自20世紀(jì)70年代末開始，在原武漢測(cè)繪科技大學(xué)和原解放軍測(cè)繪學(xué)院等單位就開始研究計(jì)算機(jī)輔助地圖制圖綜合問題，主要研究工作包括:結(jié)構(gòu)化地圖綜合、地圖要素形態(tài)特征提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地圖綜合中的應(yīng)用、D－P算法的改進(jìn)、地圖目標(biāo)選取模型、基于小波分析和分形的地圖自動(dòng)綜合、基于三角網(wǎng)的地圖綜合、地圖綜合的地圖代數(shù)方法、地圖要素自動(dòng)移位、協(xié)同式地圖自動(dòng)綜合、漸進(jìn)式地圖圖形綜合、地圖綜合知識(shí)的處理、地圖綜合軟件的開發(fā)等。

三、展望

地圖自動(dòng)綜合從軟件設(shè)計(jì)上看，是一個(gè)大的系統(tǒng)工程，還有很多具體的問題需要進(jìn)一步解決，甚至包括地圖綜合觀念的更新，以及常規(guī)地圖綜合規(guī)則的修正等，例如，“聚合”算子用島嶼作為例子就不合適。Meng(1997)認(rèn)為，在地圖自動(dòng)綜合理論方面比較突出的問題有兩個(gè):

(1)地圖綜合評(píng)價(jià)中無(wú)完善的客觀標(biāo)準(zhǔn):地圖綜合會(huì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的某些成分(Müller等，1995)，例如，定位精度、形態(tài)和尺寸精度、屬性精度、一致性、完整性等。地圖制圖者必須向用戶明確一個(gè)事實(shí):綜合既不是圖片放大/壓縮，也不是屏幕開窗放大/縮小。綜合是一個(gè)認(rèn)知過程，其目的在于為了適合顯示空間、顯示設(shè)備分辨率、感受層次和應(yīng)用要求而使可視性和清晰性。綜合結(jié)果的評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)是目的驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)質(zhì)量保證的規(guī)則應(yīng)當(dāng)有不同的順序。但是直到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)輔助地圖綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果仍然是通過與手工綜合的地圖進(jìn)行比較來(lái)獲得。綜合規(guī)則中缺乏地理細(xì)節(jié)層次的客觀規(guī)范，并且不精確和不確定(Goodchild，1996)。另外，對(duì)量算技術(shù)及其在綜合過程中的應(yīng)用限制的深入研究也是非常必要的(Lagrange，1997)。

(2)地圖綜合的空間認(rèn)知與抽象的規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究:地圖判讀過程中空間認(rèn)知可以幫助我們發(fā)現(xiàn)哪種目的與什么信息相關(guān)。人類進(jìn)行空間抽象的潛在規(guī)律應(yīng)當(dāng)就是地圖綜合應(yīng)當(dāng)遵循的。

從地圖綜合的應(yīng)用來(lái)看:在算法設(shè)計(jì)上需要使用復(fù)雜的空間分析工具(例如，Delaunay三角網(wǎng)、Voronoi圖);需要用更復(fù)雜且易于存儲(chǔ)的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所描述的對(duì)象來(lái)對(duì)現(xiàn)象建模;需要建立同一組數(shù)據(jù)的多重表達(dá)之間的聯(lián)系;需要把豐富的算法庫(kù)集成在同一個(gè)框架中，以便研究它們的排列和組合，以及面向信息移動(dòng)服務(wù)的地圖綜合方法(Edwardes、Burghardt等，2003)。從當(dāng)前的地圖制圖技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及地理信息產(chǎn)業(yè)化對(duì)多尺度地理空間數(shù)據(jù)的要求來(lái)看，地圖自動(dòng)綜合的主要研究方向如下:

(1)地圖自動(dòng)綜合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):地圖是一個(gè)產(chǎn)品，沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是不行的。對(duì)于地圖自動(dòng)綜合而言，必須建立一套評(píng)價(jià)方法和定量化標(biāo)準(zhǔn)，而目前主要采用人工視覺評(píng)價(jià)方法，由地圖專家完成(Weibel，1992;Bard，2004)。地理空間數(shù)據(jù)的精度分析是GIS領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，在地圖自動(dòng)綜合過程中如何分析地圖綜合結(jié)果的可靠性也是一個(gè)類似的研究問題，除了精度外，還有目標(biāo)形態(tài)、目標(biāo)尺寸、一致性、完整性、空間認(rèn)知等方面的評(píng)價(jià)。對(duì)于不同的地圖自動(dòng)綜合算法，還需要評(píng)價(jià)其計(jì)算效率、應(yīng)用范圍等。

(2)地圖綜合知識(shí)的獲取、表達(dá)及應(yīng)用:在地圖自動(dòng)綜合過程中，很多知識(shí)是通過人類視覺形象思維獲取的，在數(shù)字化環(huán)境中，我們應(yīng)當(dāng)利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和人工智能等技術(shù)解決地圖上空間知識(shí)的獲取問題。地圖綜合需要建立在大型地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)之上，地圖綜合知識(shí)同地理信息的融合是必然的趨勢(shì)。張家慶等(1994)認(rèn)為面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制與知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)是一致的，能用于組織知識(shí)庫(kù)。地圖綜合知識(shí)中有很多屬于模糊知識(shí)，在地圖綜合中應(yīng)當(dāng)能夠處理這種模糊信息(Tikunov，1995)。

(3)面向不同空間數(shù)據(jù)模型和不同專題的地圖自動(dòng)綜合方法:地圖的類型很多，所涉及的內(nèi)容有些非常專業(yè)，需要進(jìn)行專門研究。對(duì)于不同的空間數(shù)據(jù)模型往往需要采用不同的地圖綜合算法和知識(shí)表達(dá)方式，同時(shí)，地理數(shù)據(jù)的組織和地理信息的表達(dá)方式不同，也需要采用不同的地圖自動(dòng)綜合方法，例如:DEM的綜合，正射影像地圖的綜合等。

(4)網(wǎng)絡(luò)地圖自動(dòng)綜合方法:互聯(lián)網(wǎng)的普及使得人們使用地圖的方式發(fā)生了變化，在互聯(lián)網(wǎng)上的實(shí)時(shí)地圖綜合就顯得非常需要，這涉及多尺度地理信息的快速傳輸和多尺度地理信息的實(shí)時(shí)表達(dá)。

(5)地圖自動(dòng)綜合的并行算法和最優(yōu)化算法:人類大腦在空間信息抽象過程中往往需要并行處理，另外，地圖綜合過程本身就是一個(gè)求最優(yōu)解的過程，因此研究這兩種算法是非常必要的。

(6)漸進(jìn)式地圖綜合方法:在數(shù)字化環(huán)境中，地圖比例尺的變化可以是漸進(jìn)式的，在空間認(rèn)知中空間結(jié)構(gòu)也具有層次性，從低層次到高層次的變化也是一個(gè)漸變的過程。當(dāng)?shù)乩硇畔囊环N較大比例尺抽象為較小比例尺時(shí)，若比例尺的跨度比較大就比較難以控制，但是若比例尺的跨度很小就比較容易控制，因此，可以通過地圖比例尺的逐漸變化來(lái)獲取任意跨度的地圖比例尺變化所產(chǎn)生的地圖綜合結(jié)果。

(7)地圖自動(dòng)綜合技術(shù)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和更新中的應(yīng)用:用地圖綜合原理可以為已建有的多個(gè)比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建立多比例尺地圖目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于更新信息的傳播機(jī)制來(lái)自動(dòng)地同時(shí)更新多個(gè)比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。在Carto2001計(jì)劃中就是把地圖綜合技術(shù)和數(shù)據(jù)更新技術(shù)結(jié)合在一起，更新國(guó)家地形數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行地圖生產(chǎn)(Jahard、Lemarié和Lecordix，2003)。

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