地图地图应用

收稿日期:1998-05-04;修订日期:1998-09-21作者简介:王全科(1970-),男,1996年在山东矿业学院获硕士学位,现为中国科学院地理研究所地图学与计算机制图技术室博士研究生.
主要从事计算机制图与制版工艺、现代制图多维可视化的理论与方法等方面研究.
文章编号:1000-0585(1999)01-0059-07一体化地图制图信息系统的建立及其应用王全科刘岳张忠(中国科学院地理研究所,北京100101)摘要:由于新技术的发展和应用,地图制图信息系统提出了新的概念,地图生产和应用观念都发生了根本变化,地图学家在新时期下面临着新的机遇和挑战.
为了促进我国地图学的发展,中科院地理所引进了美国INTERGRAPH系统,同时又开发了自己的电子地图创作系统EA-World,并研制了两系统之间的接口,使两系统结合成为一体化的地图制图信息系统.
系统先后完成了多个国家级图集的印刷版和电子版的制作,取得了良好的效果.
文中系统地介绍和总结了这一系统的构成、功能和特点及其工艺流程.
关键词:地图制图信息系统;一体化;电子地图中图分类号:TP391文献标识码:A由于计算机等新技术的飞速发展和应用,地图学由70年代的计算机辅助制图阶段进入了80年代的全数字化发展的新时期,传统地图的手工生产模式在许多国家已被新的设备和技术代替,不仅使地图生产模式发生了根本转变,地图应用也由二维、静态、单介质方式逐渐转变为三维、多介质、网络化(包括Internet)方式[1~3],并向四维(时间维)、实时方向发展[4~8].
90年代后,随着国际上一体化地图生产系统的成熟和应用,地图制图信息系统(CartographicInformationSystem,CIS)新的概念应为:地图制图信息系统是一种计算机系统,它的目的就是生产地图,包括屏幕地图、打印地图和印刷地图等[9].
因此,地图制图信息系统首先是一种用于地图生产的计算机系统,应当具备从数据输入到地图编辑设计以及分色制版等一体化的软硬件设备,能够高效完成整个地图制作过程;其次是一个图形信息库,能够对数字地图和社会统计数据进行存储、管理、分析和共享,具有非空间信息分析和查询及其结果快速成图的功能[10~13].
一体化地图制图系统的成功开发和应用是地图学中具有历史变革意义的事件,为了促进我国地图学的发展,中国科学院地理所在这一方面作了引进、开发、实验和生产等大量的工作,本文在此基础上作了简要总结和探讨.
1系统的建立、结构和功能、特点1.
1系统的建立和结构1995年中国科学院地理研究所采取引进和开发相结合的方针,建立了国际先进的一体第18卷第1期1999年3月地理研究GEOGRAPHICALRESEARCHVol.
18,No.
1Mar.
,1999化地图制图信息系统.
经过全面调研,首先引进美国INTERGRAH系统.
该系统既包含国际流行的MGE(ModularGISEnviroment)软件包,又是一套完整的地图扫描、编辑与分版一体化硬软件系统.
系统的硬件设备实现了大幅面、高分辨率和高精度;软件系统具有较高的人机交互和自动化能力,反映了当前地图学的国际前沿水平.
为了弥补INTERGRAH系统在电子地图及专题地图生产方面的不足,1996年又完成了另一系统EA-World(电子地图创作系统)的研制和开发,并开发了两系统间的数据交换模块.
INTERGRAH系统可为电子地图创作提供地图数据,电子地图也可制版印刷,使两系统成为相辅相承的统一体.
系统建成后,先后完成了《中华人民共和国国家自然地图集》、《中华人民共和国国家经济地图集(电子版)》等多个国家级图集的印刷版和电子版的创作,取得了良好的效果.
本系统的的建立和应用标志着我国地图学进入了现代化生产的新模式,为提高中国现代地图学理论和生产技术水平作出了贡献.
作为一体化地图制图信息系统,硬件设备在前端包括高精度双全开彩色/单色扫描机,中端包括用于地图设计和编辑分版的工作站或高档微机,末端采用高质量绘图机进行预打样,最终分版结果采用高分辨率胶片记录仪和自动胶片冲洗机制作用于制版的胶片.
整个硬件系统采用局域网连接,由一个或多个服务器控制.
以WindowsNT平台为基础的软件系统包括地图数据扫描和记录系统(Srif)、交互地图设计和制作软件包(MapOffice)、地图色彩设计与分色制版系统(MapPublisher)、网络数据库管理系统MS-SQLServer、电子地图制作系统MapMagic,电子地图集成系统EA-Magic,电子地图阅览系统EA-Viewer等.
系统结构如图1所示.
图1中国科学院地理研究所CIS的软件构成Fig.
1SoftwareStructureofCISintheInstituteofGeography,CAS操作系统数据库管理系统数据库界面其它数据源胶片记录系统地图/影像分色制版系统扫描系统(影像/地图)矢量栅格处理系统/矢量地图设计制作系统栅格转换系统专题符号模型库数据转换系统电子地图创作系统电子地图集成系统电子地图阅览系统1.
2系统的功能和特点(1)基于Client/Server的数据管理和统一数据库界面为了适应网络时代和大型工程的需要,系统在操作和应用上以Client/Server结构为基本框架,即CIS的核心系统和数据(图形和属性)放在服务器上由系统管理员统一管理,系统的某些功能可以让用户从客户机通过局域网在服务器上实现,如栅格化操作、地图输出、数据库操作等;图形编辑等工作则可在客户机上实现,这样既可以降低客户机的性能要求,又可满足某些数据的共享需要.
系统数据库管理则支持各种通用的大型网络数据库管理系统,在同一数据库界面60地理研究18卷屏蔽下,用户并不需要熟悉底层数据库管理系统,只要熟悉数据库界面就可实现对数据的操作和管理.
(2)内容丰富的基础制图元素库地图可以看作地面的符号模型,作为地图生产系统的地图制图信息系统提供了完备和方便的基础制图元素库,建造、管理和应用这些基本资源是系统的首要技术保证.
基础制图元素库包括色彩库、线型(linestyle)库、基础符号(cell)库、文字库、网模库等基本资源.
系统图形环境MicroStation的线型构成包括线划结构(strokepatterns)、点符号以及复合元素,用户可以利用这些基础元素构造自己的线型或面状符号,如铁路、国界等符号.
系统的网模库提供了双角网和随机网,前者能使地图上的曲线和文字注记更加精细、光滑、整齐,不出现龟纹;后者用可变尺寸的网点来模拟连续色调的细微过渡,适合于连续色调影像的印刷,用户可以根据不同要求采用适合自己的网模.
(3)人机交互的矢量/栅格图形操作矢量和栅格是计算机制图的两种主要数据结构.
矢量与栅格图形的相互转换及其混合应用是系统最基本的功能.
矢量数据可以与属性相结合,作为电子地图以及其它信息系统的基础;栅格数据则可用于分色制版.
系统提供了强大的矢量/栅格地图设计和操作工具:地图数学基础定义和操作:地图数学基础是地图的骨架,其好坏直接影响地图的精度和使用价值.
本系统的基础图形环境MircoStation和坐标操作系统MCSO带有主、副坐标系,可进行实时主副坐标变换.
除了可以定义比例尺和分辨率之外,系统提供了47种地图投影可供选择,并允许用户自定义椭球体参数.
MSPM模块则可对矢量地图进行不同地图投影之间的变换等操作.
交互图形编辑工具:对矢量图形的编辑修改是地图创作不可缺少的步骤,它的可用性直接影响地图生产效率.
本系统不仅在图形环境中提供了形象直观的矢量操作界面,完成诸如直线、曲线(点曲线、B-样条)、多线条等绘制、修改和拷贝,色彩、线型、线粗选择,基础符号创建、放置,文本字体、大小设置和放置,多边形充填模式操作,地图图层间操作(参考、拷贝)等功能,系统还对当前设置状态、每一工具的作用以及下一步操作提供准确的文本提示,操作的结果也作及时的文本反馈,因此十分便于操作.
自动图形处理工具:自动图形处理是计算机制图有别于手工制图的重要特征,大量相同性质的工作可由系统自动处理,可大幅度提高制图效率.
本系统能够进行从ASCII文件(坐标和属性)到图形和注记的自动绘制,图例自动生成,重复线、交叉线、终点(Endpoint)纠正处理,线段自动链接,多边形自动按属性填色等工作.
三维处理功能:空间信息的三维可视化表达是现代地图学的发展趋势,也是各种空间分析的重要辅助手段,在土地规划、资源管理、军事等各领域中具有重要应用.
本系统提供了三维坐标系以及三维基本摸型库(包括正方体、圆柱体、圆锥体等),三维地形模型(DTM)创建、绘制和观察工具,可叠加其它专题地物信息或航片来模拟逼真的自然景物,并可方便的进行飞行模拟、动画录制等操作.
栅格图形操作:栅格图形是计算机制版的最终数据源,其质量的好坏影响直接分版结果.
本系统主要包括二值图像和连续色调(continuoustone,COT)图像处理,着重完成栅格通用操作功能,例如编辑修改(去杂点、空洞填充、平滑、黑板擦等),图层间的逻辑操作,提取与合并,几何纠正(warp),镜像操作,对比度和亮度调整,色调调整等.
系统提供了自身的游程编码压缩格式以及内存和硬盘间的优化管理机制,特别适合于大数据量的611期王全科等:一体化地图制图信息系统的建立及其应用栅格图形处理.
此外,遥感图像是地图制图的重要数据源,系统提供了MBI(MGEBasicImageer)和MAI(MGEAdvancedImager)等遥感图像处理模块.
矢量/栅格转换及其混合操作:栅格矢量化的方法较多,如采用数字化仪跟踪矢量化、屏幕鼠标跟踪矢量化、软件方法实现的自动矢量化等,但自动矢量化对底图清绘和扫描质量要求较高,本系统采用I/Geovec模块以半自动方式交互进行;矢量栅格化可以按矢量要素、层号、颜色等不同图形属性自动进行,也可以配置参数表来定制所需的栅格属性,系统采用IPLOT模块由客户机在服务器上执行.
矢量和栅格图形可以在同一制图环境下进行混合编辑,效果好的栅格图形也可与矢量图形合成输出,使地图设计和编辑极为方便.
(4)交互地图整饰处理地图整饰是整个地图生产中的重要环节之一,好的整饰效果可以更有效的表达地图内容.
因此,系统的具有专门进行地图整饰的模块MapFinisher,能够交互进行图形的裁剪、图幅拼接、多图合成、加网格、图例制作、版式制作等;能够进行制图符号的定义、符号填色、注记放置等.
系统的整饰功能不仅自动化程度高,而且有助于总体把握地图效果并反复修改对比.
(5)所见即所得(WYSIWYG)的地图设计所见即所得是地图制图系统的一个必要的功能,即使屏幕设计效果与打印或印刷效果相一致.
好的所见即所得效果可以使地图制作者通过屏幕方便自由的发挥创作思想,提高地图艺术性和生产效率.
前面提到的地图整饰功能就具有所见即所得的特点.
在印刷效果上,系统的分色制版模块MapPublisher为了兼顾扫描机、显示器、印刷油墨等不同特性,采用了基于CIE标准色彩空间的转换模型,通过RGB和CYMK两种色彩体系等参数的设置,完成屏幕设计色到印刷色的转换,使屏幕设计效果与印刷效果相一致.
(6)分色制版与胶片记录分色制版是地图印刷前的一项重用工序,目的是将编辑好的栅格文件合成并按CYMK形成用以制版的分色文件.
系统提供参数表让用户设置参数来控制分层栅格文件的印刷优先级(图层上下关系)、压盖深度(本图层要压盖到的图层号)、印刷色彩网点百分比、印刷网模(包括分辨率、密度和网角)等.
系统提供不同的分版模式并允许用户定制不同的网模以适应不同的印刷要求.
分色文件通过高精度地图胶片记录装置输出分色加网胶片,用以地图制版印刷.
(7)面向对象的电子地图模板系统的地图生产应用面向对象的思想,总结和抽象地图制图中有共同规律的部分,加以模板化和算法化,形成相应的模板库和资源库,相似的工作可由模板派生,也可由多个基础元素组合而成,可以大大提高生产效率.
这一思想在电子地图专题符号制作中取得了成功的应用.
专题制图符号用来反映专题要素的质量和数量特征,根据专题地图的内容和特点,分类实现各种专题符号的模型化和算法化,以摸板库形式管理这些专题符号模型,例如MapMagic中设计了多种类型的多变量组合符号模型,这些模型采用简洁的几何图形和内部结构变化来描述不同指标的数量特征,如饼图类、金字塔图类、柱状图类、百分比结构图类等,只要给出各种符号模型要求的参数,系统可自动绘制[10,11].
2一体化地图制图信息系统的工艺流程由于系统的主要目标是电子地图制作和地图设计与制版,所以在工艺流程上有两种不62地理研究18卷同的要求,下面分别加以说明.
2.
1地图设计与制版一体化的地图设计与制版流程总体上按照由上至下的过程设计,即从总体制图内容分析到符号与色彩设计,再到屏幕制作与制版.
但在具体工艺流程上又按制图数据来源、地图类型、数据加工处理的复杂程度分为两种:(1)基于属性数据库的流程当制图与大量的图形数据和属性数据相关时,如GIS数据、ASCII坐标和属性文件、社会经济统计数据等,可以采用基于属性数据库的流程.
系统首先设置好制图环境,定义好专题要素所需的符号、色彩和层位,通过数据接口即可自动将数据读入并成图.
本系统的ASCIILOADER就是这样一种数据接口,既可读入其它系统生成的ASCII数据,也可将本系统的图形和属性按用户定义的格式输出为ASCII文件.
这种流程的好处是可以由系统进行批量式的自动成图处理,节省大量时间,如批量点位符号和注记自动放置、制图数据分级、按属性赋色、图例自动生成、地图接边、线划处理与拓扑关系自动建立等.
虽然创建属性和图形数据库的工作比较复杂,但是CIS的发展方向.
(2)基于CAD的流程当未建立制图数据库,图形数据与属性数据不相关联时,可以考虑采用基于CAD的流程.
这一流程主要采用屏幕交互编辑方法编制地图.
特点是采用CAD技术对图上点、线、面等图形元素和文字注记直接进行绘制、布放、移动、删除、拷贝、比例缩放以及相互套合等处理,编辑修改方便及时,但工作量一般较大.
系统的地图设计与制版流程如图2所示.
图2地图设计与制版流程Fig.
2Theflowofmapdesignandpublishing其它用途胶片冲洗胶片记录分色制版分层光栅化矢量地图全部/部分自动生成基于CAD的交互编辑扫描数据矢量化制图内容总体分析要素分层图例设计数学基础及图形框架建立色彩库构造色彩设计GIS数据符号库构造符号设计与定义2.
2电子地图制作本系统电子地图的制作是将GIS数据或图像扫描数据通过动态链接库读入MapMagic系统中完成.
电子地图具有重要的特征,一是以数字形式在屏幕上显示地图并在多级比例尺缩放下阅读;二是将图形、文字、声音、动画进行多媒体集成管理.
因此,电子地图表现了特有的技术要求.
本系统采用了面向对象的电子地图模型,以模板方式进行电子地图631期王全科等:一体化地图制图信息系统的建立及其应用的创作.
电子地图可以看作是由不同要素组成的图层和对应的图例系统以及操作机制构成的复杂模型,根据每一图层内容选择合适的制作模板类型并读入模板参数,自动生成图层文件.
通常一幅电子地图由地理基础图层、专题要素图层、文字注记层等构成.
图层生成过程中,关键技术是不同比例尺下制图综合的实现.
在EA-World系统中,初步实现了图形符号的化简、图层要素的隐藏和显示,确保所显示的地图清晰可读.
由多个图层组成电子地图,再由多幅电子地图组成电子图集的过程中,系统将产生电子图集目录阅览系统、超文本文字阅读系统,以及具有阅读、检索、分析和输出等功能的用户界面系统(EA-View).
3系统应用引起的思考中国科学院地理研究所将国产软件与国际大型系统相结合,成为一体化的地图制图信息系统并取得了成功应用,使我们彻底摆脱了传统手工作业方式,是地图生产上的一个质的飞跃,但随之而来的问题也值得新时期下制图专家们思索.
传统地图学是艺术、科学和技术的结合[9],而现代地图生产首先体现的是科学性和技术性,其集中表现在计算机技术的应用上,所以掌握和应用飞速发展的计算机技术是传统制图专家们面临的一个首要问题;其次是由于计算机技术的局限性和制图观念的改变,传统制图专家的艺术美感难以随心所欲的发挥,因此如何将传统地图学中的艺术性应用到地图制图信息系统中,创造更完善的地图自动化生产系统成为制图专家的首要任务,这也是一个机遇,制图专家应积极同其他领域专家一起推动传统制图学向现代制图学方向发展.
然而,传统制图专家要抓住这一机遇转变为现代制图专家并非易事.
现代制图专家不仅能够用数字方法采集数据、设计和制作精美的地图,还必须掌握和维护地图制图信息系统,并根据现代科技的发展不断完善和改进地图制图信息系统的应用.
同时,还要保持自己的地图审美感,继续创作地图[9].
必须意识到"制图专家"不再具有单一学科背景,至少现代制图专家除了所受的地图学教育之外,还应有计算机科学等专业背景.
如何掌握多学科的知识,从传统制图专家向现代制图专家转变,是制图专家们面临的一个挑战.
制图专家必须认识到自己在这一机遇和挑战中的地位和作用,促进现代地图学的建设和发展.
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Standardizedandmulti-resourcedata,interactivity,dynamismandrealtime,hyper-media,networkareitsmainfeaturesinthisage.
Underthesupportofnewtechnology,integratedCartographicInformationSystem(CIS)hasbeenputforward.
Severalsuchsystemshavebeenbuiltallovertheworld.
Somoderncartographersarefacinganoppor-tunityandchallenge.
Theymustnotonlycontinuemakingmaps,butalsouseandimproveCIS.
TheInstituteofGeography,ChineseAcademyofSciences,importedINTERGRAPHsystemforprintingatlasanddevelopedEA-Worldforelectronicatlas.
Theexchangingin-terfacewasalsodevelopedtocombinethemasanintegratedCIS.
Manynationalatlasesin-cludingelectronicversionandprintedversionhavebeenfinishedbythissystemsucessful-ly.
Thispaperconcludesthestructure,functions,producingflowandcraftandcharacter-isticsofCISthroughINTERGRAPHsystemandEA-Worldsystem.
Keywords:CartographicInformationSystem;Integration;ElectronicAtlas651期王全科等:一体化地图制图信息系统的建立及其应用