北京市电子地图集的设计与技术实现，本文主要内容关键词为：地图集论文,北京市论文,电子论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P283.1
文献标识码：B
文章编号：1000-0585(2001)02-0220-09
电子地图起步于上个世纪90年代，是随着计算机技术和可视化技术进一步发展而产生的新的地图品种。经过近十年的发展，电子地图系统已进入了实用的阶段并成为一门新兴的产业。电子地图（集）的发展完全改变了过去那种纸质地图的制作方式和表现形式，与传统纸质地图相比，具有显著的优越性。而多媒体技术、多维数据结构的研究、虚拟现实技术、网络技术的发展，使得电子地图（集）的内容更加丰富生动，表现形式更加灵活多样。
1 图集设计
1.1 设计目标和数据来源
《北京市电子地图集》的制作是为了展现伟大祖国首都——北京的风貌，向读者提供了解北京的具有实用化的信息查询工具。(1)该图集尽可能详细地反映了北京市的基础地理信息要素，表现了北京市区最新的街道分布及其名称和其它地理要素，翔实反映了郊区的居民点、交通网以及最新的行政区划建制。(2)为了形象直观地表达北京的地面景观，图集中设置了使用北京市数字高程模型(DEM)数据制作的三维地图，展现了整个北京市及分区的三维地面特征。(3)图集分23个专题表示了近百种类别、5000多个机构和公共设施的分布以及它们的地址和通讯信息。除了可直接在图上阅读其分布状况外，还可以直接查询需求的信息，为读者提供具有实用价值的信息。(4)图集最后部分汇集了北京最具特点的风光、景点、著名建筑、文化历史遗迹等方面图片，按不同专题和区县单位归类，展示了北京作为我国文化历史名城和现代化国际大都市的风采。
本图集制作的主要数据，来源于北京市测绘设计研究院多年来完成的数字测绘成果。其中包括最近出版的1:20000北京市区地图9幅（数字化要素内容如表1所示）；覆盖全市的北京1:25000地形图213幅（数字化要素内容如表2）；全市50米×50米和100米×100米精度的DEM数据；收集了全市各行业和各部门的有关机构设施的最新信息；另外还选编了200多张精美的照片和大量的文字。这些资料均为相关部门所提供并且经过选取和审定，有效地保证了该图集具有较高的权威性和较强的现实性。
表1 1:20000市区地图要素分类
Tab.1 1:2000 Classification of Map Element in Urban District
表2 1:25000郊区地图要素分类
Tab.2 1:25000 Classification of Map Element in Suburban District
1.2 主要功能设计
《北京市电子地图集》按其内容共分为五大模块：市区地图、效区地图、三维显示、机构和设施分布、北京纵览。图集设计采用了最新的地图可视化和多媒体信息管理技术（图1）。
1.2.1 图集的阅读功能 阅读功能是地图的最基本要求。由于电子地图设计中存在着两个矛盾，既要解决计算机具有海量的地图存贮容量同屏幕显示尺寸的限制之间的矛盾，又要处理由屏幕分辨率决定的显示精度与地图主导比例尺同多重显示之间的要素的综合协调问题。因此，在设计北京市电子地图阅读功能时，采用了如下技术方法：(1)使用超链接方法的目录系统。按图集内容结构，将地图图标和文字操作结合，建立方便灵活的图集目录浏览系统。(2)矢量数据的变焦显示。根据用户阅读的范围，显示其全部地区的总体面貌或局部地区的细部，并按不同比例尺在屏幕的负载量允许条件下自动改变显示内容的详尽程度，特别是处理街道和地区注记的隐现。(3)电子地图的快速漫游与位置索引。在交互条件下，允许用户实现屏幕显示地图在任意方向上连续地平滑移动，确保用户看到的是一个“无缝”地图。例如，北京市区地图是由九幅地图数字化而成，而在使用时是存取于一个连续空间中，没有分幅问题，这样就方便了用户，提高了阅读速度。在漫游中，要解决线状要素注记的“流动性”，保持注记在屏幕显示范围内的完整性。另外，漫游的同时出现位置索引窗口（通常称为“鹰眼”），标识当前屏幕显示窗口在全图上的位置；用户同时也可拖动索引窗口中的显示地图标示框，带动地图显示部分的滚动（图2）。(4)实现图、文、声多媒体的阅读。在超文本数据结构组织下，实现非顺序的阅读，随机的文字说明和声音解释，对地图要素链结图象或视频片段。多媒体技术在北京市电子图集中的应用，一方面增强了系统的表现力和趣味性，另一方面由于图像、视频信息的应用（图2，以燕莎友谊商城为例），不仅弥补了单纯图形所引起的信息损失，而且使用户对地理要素的认识更加直观形象。
图1 北京市电子地图集主要功能框架
Fig.1 Frame of functions of the Electronic Atlas of Beijing
图2 北京市电子地图阅读功能示例
Fig.2 Demonstration of browse of the Electronic Atlas of Beijing
1.2.2 空间检索和属性查询功能《北京市电子地图集》采用了矢量数据结构和属性信息库，因而可实现空间和属性的双向查询，使用户获取信息便捷快速和准确。主要有以下三种方式：(1)屏幕全要素的图形空间信息查询。该方式只需用户移动鼠标，选中所要查询的某一点、线、面图形要素，在无须知道当前激活图层的条件下，实时弹出信息框，显示有关地名信息或其它数字信息。(2)按属性信息条件，索引查询要素的地图空间分布。在已知空间信息的情况下，激活图形要素所在图层，用鼠标点击属性查询功能按钮，可在弹出的对话框中实现属性或地名的模糊检索，选中后，图面将以该地物为中心在屏幕上显示。(3)专题要素信息详细查询。在北京市电子地图集中收集了23类专题要素，这些专题要素含有地址、邮编、电话号码等属性信息。用户只要激活要素所在图层，在图面上用鼠标点击该要素，即可弹出对话框，描述该要素的详细情况，若有多媒体信息可立即显示或播放。
1.3 用户界面设计
1.3.1 《北京市电子地图集》的用户界面设计 当前，尽管以Windows为代表的GUI(Graphic User Interface)已有了很大的发展，但还存在着操作较麻烦、响应较慢、对资源要求较高及剩余的工作区域较小等不足。笔者在系统的设计中，尽量应用了当前GUI的长处，并对当前的不足进行了改进，整个系统界面采用了超地图的概念来组织。为了引导用户在相关数据间跳转，使用户不致于在系统的应用中“迷失方向”，在设计中考虑到了“导航”机制，以保证用户在丰富的功能和信息中轻松地完成任务。具体采用了以下技术：(1)与超文本技术结合。在图集的北京纵览部分收集了200多幅图片和大量的文字信息，系统采用了超文本(Hypertext)技术，多媒体信息的表现和链结也采用了HTML格式。笔者针对该部分信息特点设计了易于使用的浏览器系统。该系统的整个操作类似于Explore和Netscape等浏览器的操作。用户可以方便地操作系统中的各种媒体信息，便于“联想”搜索有关内容。(2)系统中采用了不少现实生活中的隐喻，使地图用户共享一个直观的界面框架。由于人们熟悉日常生活中的一些工具，因而对计算机显示的图符的含义容易理解，诸如：手电筒（查询）、放大镜（放大图形）、飞机（地图索引）、地图夹（存放地图）、喇叭（声音开关）等（图3）[1]。(3)地理对象的可视化操作。对于电子地图应用来说，使处理的地理数据易于操作并直观显示是十分重要的。在该系统应用中，点击地物名称检索按钮，弹出的对话框中将列出激活图层的所有地物名称，用户可方便地了解所要查询地物要素的图形信息和属性信息情况（图3）。
图3 形象图符和地理对象的可视化
Fig.3 Visual symbol and visualization of geographic entity
2 技术实现
2.1 数据组织
本系统采用了面向对象的数据模型。数据模型的实现以关系模型为基础，在其上搭建面向对象逻辑层。系统中的数据分为三类，第一类是系统中表示地理实体的数据，主要包括地理要素的几何数据，属性数据和多媒体数据等；第二类是表现这些地理实体的可视化数据，如所采用的符号、线型和填充样式等数据；第三类是管理用户操纵地理实体的数据，称为地图数据，如地图的比例尺范围、投影方式和图层数等。
由于矢量数据结构具有几何精度高、存储空间少、结构特征严密、易于表达拓扑关系、提供有效的拓扑编码，利于拓扑分析等特点，在图集中笔者主要采用了矢量结构。通过对具有逻辑意义的地理实体进行抽象，将二维地理数据归纳为三个层次：地图、图层和地理要素。图4是系统对二维数据结构三个层次的描述。
图4 地理数据组织图
Fig.4 The mechanism of geographical data relation
在三维子系统中采用了矢量栅格一体化数据模型，既有矢量数据与栅格数据的混合应用，又有矢量地物的栅格化表达[2]。系统目标的空间位置都采用X、Y、Z三个分量来表达，该子系统空间目标主要包括点状地物、线状地物、面状地物、数字地形和影像，其中点状地物和线状地物采用三维矢量表达，栅格化后的面状地物和数字地形采用栅格表达。该子系统采用游程长度编码进行压缩，影像数据主要采用DIB格式（图5）。
图5 三维数据模型
Fig.5 Data model of three dimension
2.2 三维地面景观的表达
本子系统不仅能够对地形进行三维透视显示，而且系统环境还允许用户对三维地形进行交互操作，专题要素叠加，动画录制和播放、图像复合以及实时开窗动态浏览等。由于系统采用基于DEM的矢量栅格一体化数据结构，并且所有空间目标的位置都采用X、Y、Z三个分量来表达，因此对于二维的矢量要素可以利用现有的二维矢量数字地图，将其向DEM投影获取各坐标点的Z分量，并记录成为三维（X、Y、Z）形式，为以后空间分析和操作打下了基础。为了提高三维图形显示速度，系统设计从两个方面考虑：一是压缩数据文件以缩短硬盘访问时间；二是提高实时显示速度并模拟“越近看的越清”的视觉规律。由于DEM的引入，造成三维地图数据量庞大。为了解决这一不利影响，系统在数字地形显示时采用了LOD技术与“雾化”技术相结合的方式[3][4]。系统中通过判断视点与地形参考点间的距离，采用不同分辨率来显示DEM，距离越远，分辨率越低。为了弥补数字地形分辨率变化造成的失真，可以采用“雾化”的技术来屏蔽，既能大幅度提高数字地形的显示速度，实现对三维地图的实时飞行模拟，又提高了地形观察模拟的真实感。在地形表达上，由于地形数据是在三维形式下按给定光源由计算机自动模拟，效果逼真且易于调整，可以产生不同的地图产品，例如图6所示为北京地区地貌晕渲图。
图6 北京地区晕渲图及栅格化表达的水库和城区
Fig.6 The demitint map and raster presentation of reservoir and the city zone
2.3 实时空间查询的实现
为了实现实时的空间信息查询，系统采用的方法是：针对每一类地理要素的几何特征，分别设计一个位置选取判断的函数。该函数的参数应是鼠标在屏幕地图上的地理坐标，由于系统直接得到的是鼠标的设备坐标，这就需要将设备坐标先转换为逻辑坐标，再由逻辑坐标转换为地理坐标[5]。其转换公式为：
(1) 设备坐标转换为逻辑坐标：
XL=(XD-XDorg)fy+XLorg
XL=(YD-YDorg)fy+YLorg
(2) 逻辑坐标转换为地理坐标：
XG=(XL-XLorg)Fx+XGorg
YG=(YL-YLorg)Fx+YGorg
其中(XL,YL)，(XD,YD)，(XG,YG)分别是逻辑坐标、设备坐标和地理坐标；(XDorg,YDorg)，(XLorg,YLorg)分别是设备坐标原点和逻辑坐标原点；fx，fy为X，Y方向上的坐标空间转换比例因子，随设置的映射方式和坐标范围的变化而变化；Fx，Fy为逻辑坐标到地理坐标转换比例因子。
选取判断函数通过鼠标的地理坐标G(XG,YG)，在地图数据库中匹配所选取的地理要素（图7）。其中，maxl是当前地图所包含的图层数；maxe是当前图层所包含的地理实体要素数；i是图层序号；j是地理实体要素序号。
2.4 图形冲突的解决和动态注记
在一个交互的电子地图系统中，用户对地图阅读的主要活动是滚动和缩放。从技术上讲，滚动是局部显示的地图在任意方向上的切换。在这种情况下，为了保证注记在屏幕范围内的完整显示，必须重新计算注记的位置；另一方面，地图缩放不能象照片一样简单地放大和缩小比例尺，而是应根据屏幕的最大信息负载量和屏幕地图的视觉效果重新决定当前屏幕的显示要素和符号化方式。
2.4.1 图形冲突的解决 在系统应用中，缩放一幅地图不仅仅需要改变比例尺，而且屏幕显示的地图范围也会发生变化。由于大比例尺的地图提供的信息详细，注记内容较多，因此，在缩小比例尺的过程中，随着屏幕显示的地图范围增大，显示要素的增加，图形不可避免地出现冲突现象。对以上问题解决的好坏无疑会影响地图在屏幕上的表现效果和地图信息的传递。在《北京市电子地图集》系统中，笔者解决的步骤主要分以下几点：(1)首先，在图集创作系统中设计了地图符号化编辑模块，该模块提供了对地图、图层和地理要素三个层次（见3.1中的系统总体数据和数据组织）的编辑功能。对于地图层次，可以设置修改地图的显示范围，最佳显示的比例尺等；对于图层层次可以设置该图层的优先级，图层要素及要素注记的显示比例尺范围等；对于地理要素层次可以修改要素的符号，在不同比例尺上应采用不同的符号类型，如大比例尺显示采用艺术形象符号，小比例尺采用简单的抽象符号；修改注记的大小、方位等。(2)对地图中所包含的图层要素按其重要性和在屏幕上的显示效果确定它们的显示优先级。确定的原则是：越能反映整幅地图框架特征的要素层的优先级越高（如境界线、市区的的主要干道等优先级就高于其它要素）[6]。(3)设置各要素的最佳比例尺范围以及其注记的比例尺范围。这项工作必须依据地理要素在屏幕上的显示效果而定。确定各要素及其注记的显示比例尺范围要以尽量避免图形冲突为原则。(4)符号和注记字体大小应随比例尺的变化而变化，确定符号和注记尺寸与比例尺的依赖关系（即符号和注记的比例尺变化因子）。应该注意的是注记尺寸和符号尺寸的变化与地图比例尺并不是呈正比关系，而且注记和符号的变化比例因子之间也是不一致的。(5)依据地图在屏幕上的显示效果，设定地图缩放的比例尺的范围。
图7 要素搜索流程图
Fig.7 The flow chart of searching map elements
2.4.2 线状图形的动态注记 由于可视范围受计算机屏幕尺寸的限制，在阅读地图的过程中，屏幕显示范围内的线状要素常常只能显示其一部分。如果线状要素注记的位置是固定的，当对图形漫游时，读者无疑会对显示在屏幕上的不完整图形注记产生误解。本系统的解决的方案是：(1)首先，实时确定屏幕地图显示区域的范围R[,D]（设备坐标），将其转化为地理坐标R[,G]；(2)顺序取一条线状要素，判断该线段与R[,G]的位置关系，若在R[,G]外，则取下一条线段；若在R[,G]内，则在屏幕上将该线段符号化，计算注记字符个数和线段的长度，确定每个字符的位置并注记到屏幕上；若线段与R[,G]相交，这也是最复杂的一种情况，则需将该线状要素求交，求出交点和确定落在R[,G]内的线段的端点，计算出线段长度和字符个数，求出字符注记的位置并注记到屏幕上。在上述过程中，由于线段长度和方向的变化，还应考虑字符注记的大小和方向。在北京市电子地图中，动态注记的图形效果如图8所示。
图8 同一比例尺地图漫游时线状地物的动态注记
Fig.8 Following annotation of line entity during map wandering in same scale
图9 北京市电子地图集软件系统构成图
Fig.9 The modular diagram of the software system of Beijing Electronic Atlas
2.5 软件系统设计
《北京市电子地图集》软件系统是融合目前计算机制图以及多媒体技术于一体的电子地图集创作和浏览应用的软件系统。在该软件系统的开发过程中，完全采用当今软件设计的最新技术，对整个系统进行面向对象的模块化设计（图9）。
电子地图是信息技术发展的产物，随着信息技术的高速发展，电子地图的表现形式和表达内容也将不断变化。这就要求制图工作者不断跟踪新的技术并应用到地图学中来。笔者在北京市电子地图的创作过程中，力图掌握计算机制图的最新成果，对当前电子地图的界面设计、三维显示、动态注记和动态交互等问题作了较深入研究，并取得一定的进展。另外，由于电子地图的生产是一项多因素结合、综合性极强的系统工程，它的生产和出版还必须有数据编辑、图象处理、音频处理、视频处理等方面的技术人员参与。
收稿日期：2000-09-06；修订日期：2001-02-12
标签：电子地图论文; 比例尺论文; 三维地图论文; 北京地图论文; 地图符号论文; 地图比例尺论文; 空间数据论文; 地理论文;