（地图学与地理信息系统专业论文）移动环境地图综合约束条件研究.pdf

摘要 摘要 无线通信技术、空间定位技术、地理信息技术以及计算机技术的飞速发展， 为移动地图服务的产生和发展提供了契机，移动地图的应用也越来越普及。由 于移动地图、移动设备和移动环境具有其特殊性，地图综合技术面临着新的挑 战。因此，如何根据用户的信息和任务即既能满足用户任务要求，同时又考虑 用户运行方式、位置等信息，自动综合出适用用户的地图信息，是地图制图领 域在移动网络地理信息时代面临的一个重大课题。 移动地图区别于其他类型地图的特征是“个性化”，而个性化移动地图的 制作和生产必然与地图综合中的约束条件发生联系，地图综合约束的研究是地 图制图综合的核心问题，所以对移动环境中的地图综合约束条件的研究必不可 缺。为此，本文研究了移动环境中地图综合的约束条件及其在地图综合中的控 制作用。本文的研究内容与成果主要包括以下几个部分： ( 一) 阐述了地图综合约束条件的概念，分析了传统地图综合约束条件的来 源、分类及其形式化表达方法。分析了约束条件对地图综合过程的控制，总结了 点、线、面要素地图综合算法中的约束条件；分析如何根据约束条件确定地图综 合结果的评价指标。 ( 二) 随着地图表达和应用的变化，研究移动环境下的地图综合，需要研 究移动环境下地图综合的原理和过程；其次研究移动环境下地图自动综合的影 响因素，分析这些因素对地图综合的操作、地图综合算法参数的确定、地图综 合结果的表达等方面的影响。通过分析明确移动环境中地图自动综合与普通地 图生产环境中地图综合的区别，提出了面向用户的语义约束条件及其表达方法 ( 三) 研究移动环境下面向用户的语义约束地图综合，将用户的任务、运行 方式与语义约束相联系，把地理对象的语义约束权重作为地图综合算法的控制参 数。阐述了系统的设计思想和开发环境，设计了系统的架构和数据模型，并通过 实验案例分析了面向用户的语义约束地图综合思想的合理性和有效性。 关键词：移动地图；地图综合；约束条件；语义；用户任务 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y , g i st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o b i l em a p s e r v i c ee m e r g e a st h et i m er e q u i r e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o n so fm o b i l em a pb e c o m em o r ea n dm o r e p o p u l a r a st h er e s t r i c t i o n so fh a n d h e l dd e v i c e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l e m a pa n dw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h et e c h n o l o g yo fm a pg e n e r a l i z a t i o nf a c e s m a n yn e wc h a l l e n g e s h o wt oa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t es u i t a b l em a p i na c c o r d a n c e w i t ht h ep u r p o s eo fu s e rn e e d sa n di n f o r m a t i o n ，s u c ha sm o v e m e n t ，p o s i t i o na n d o t h e ri n f o r m a t i o ni sam a j o ri s s u ef o rc a r t o g r a p h yi nt h ef i e l do fm o b i l eg e o g r a p h i c n e t w o r k s c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e so fm a p ，t h em a j o rc h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l em a p i s p e r s o n a l i z a t i o ni nv i e wo ft h es p e c i a l t yo f m o b i l eu s e r s ，m o b i l ed e v i c e sa n dm o b i l e e n v i r o n m e n t ，a n dt h ep r o d u c t i o no fp e r s o n a lm a pm u s tb eb o u n d t oc o n s t r a i n t so f c a r t o g r a p h y t h es t u d yo fc a r t o g r a p h yc o n s t r a i n t si s c o r ei s s u eo fc a r t o g r a p h y g e n e r a l i z a t i o n ，s ot h es t u d yo fc a r t o g r a p h yc o n s t r a i n t si n m o b i l em a ps e r v i c ei s e s s e n t i a l t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e rw es t u d yt h ek i n d so fc a r t o g r a p h yc o n s t r a i n t sa n d t h e i r c o n t r o l l i n gf u n c t i o ni nt h ep r o c e s so fc a r t o g r a p h yg e n e r a l i z a t i o n t h em a i nc o n t e n t s w es t u d i e da n dt h er e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 d e s c r i b i n gt h ec o n c e p to fm a pg e n e r a l i z a t i o nc o n s t r a i n t s ，a n a l y z i n go f t h e s o u r c e so fm a pg e n e r a l i z a t i o nc o n s t r a i n t ，c l a s s i f i c a t i o n sa n d f o r m a lw a yo f e x p r e s s i o n a n a l y z i n go fc o n s t r a i n tc o n t r o l l i n go np r o c e s so f t h em a pg e n e r a l i z a t i o n ， s u m m a r i z i n gt h em a pg e n e r a l i z a t i o na l g o r i t h m o fp o i n t ，l i n ea n da r e ae l e m e n t a n a l y z i n go fh o wt o e v a l u a t i o nt h er e s u l t so fc a r t o g r a p h yg e n e r a l i z a t i o nb y c o n s t r a i n t s 2 a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c e s o ft r a d i t i o n a lm a pa n dm o b i l em a p p u t t i n g f o r w a r dt h ep r o c e s so fm o b i l em a pg e n e r a l i z a t i o n a n a l y z i n gt h ei m p a c to fm o b i l e m a pp u r p o s e ，t h em a ps c a l e ，m o b i l ep h o n ep l a y e r ，u s e ri n f o r m a t i o na n dn e t w o r k t r a n s m i s s i o no nm o b i l em a pg e n e r a l i z a t i o n t h e n ，w ep r o p o s e du s e r - o r i e n t e d s e m a n t i cc o n s t r a i n t sa n dt h ew a y o fe x p r e s s i o n 3 s t u d y i n gu s e r - o r i e n t e ds e m a n t i cc o n s t r a i n tm a pg e n e r a l i z a t i o n i nm o b i l e n e t w o r k a s s o c i a t i n gu s e r st a s k ，t h ew a y o fm o v e m e n tw i t ht h es e m a n t i cc o n s t r a i n t ， i l a b s t r a c t a n d u s i n gt h es e m a n t i cc o n s t r a i n t sa sp a r a m e t e r so fm a pg e n e r a l i z a t i o na l g o r i t h m st o c o n t r o lt h er e s u l t s w ed e s i g nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd a t as t r u c t u r em o d e l s ，a n d a n a l y z i n gr e a s o n a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h mb a s e do nu s e r - o r i e n t e d k e yw o r d ：m o b i l em a p ；c a r t o g r a p h i cg e n e r a l i z a t i o n ；c o n s t r a i n t ；s e m a n t i c ；u s e rt a s k i i i 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 现代生活和工作中人们越来越亲睐那些能够处理综合信息的手持终端设 备，如智能手机、个人数字处理( p d a ) 、手持g p s 等，使得当今社会呈现出 一个显著的特征，即不断增强的人类行为的移动性。而通信技术、网络技术的 发展为人们处理和应用地理信息技术提供了良好的硬件环境，定位信息服务 l b s 技术、无线应用协议w a p 、嵌入式g i s 技术等使我们进入了一个全新的移 动式g i s ( m o b i l eg i s ) 时代，为移动空间信息服务的进一步发展提供了契机。 由于移动地理信息服务带来的极大市场潜力，国内外g i s 研究组织和机构纷纷 致力于移动地理信息服务相关的理论与技术研究。 地图自动综合是一个涉及众多地理要素、目标及其联系随着地图尺度变换 的国际性难题，是对地理空间数据在有限图幅条件下抽象、概括的重要方法。 纵观几十年的研究历程，地图自动综合的研究随着地图与地理信息系统科学的 发展不断深入发展。随着大众对移动地理信息服务要求的日益提高，传统静态 的、基于多尺度地图数据库的间接综合策略已难以满足移动服务的自适应需求， 考虑移动环境特征和用户需求的地图综合已成为地图综合领域无法回避和必须 引起高度重视的一个重要任务。 1 9 6 0 s1 9 7 0 s 1 9 8 0 s 1 9 9 0 $ 2 0 0 0 s 图1 1 地图综合发展历程 地图综合的制作和使用过程中存在着一系列固有的约束条件，地图制图者 第1 章绪论 必须依据这些固有的约束条件对地图所表达的内容进行取舍和表达，而不是任 意的定义和制作地图。对于地图使用者来说，他们也不再是被动的接受地理信 息，而是将自己的信息和任务与地图制作者进行共享，从而制作出符合用户自 己需求的自适应地图。随着信息技术在地图学领域的不断渗透与应用，地图设 计和内容的范围扩大，地图显示介质种类繁多，使用地图的用户类型多样，地 图学迎来了新的发展机遇，这也同时对地图制作者提出了新的高度的挑战，如 何应对这些地图制图过程中出现的新的约束条件，这在制图过程中有着重要的 意义。 本文将在已有地图自动综合理论与方法基础上，主要围绕移动环境地图综 合过程及其过程中存在的约束条件进行研究，探索移动环境中基于语义约束条 件和用户信息的地图自动综合的理论与方法。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 移动地图 移动地图是随着地理信息技术、卫星定位技术和移动通信技术等的发展而 出现的新的地图应用形式，为人们通过移动设备享用地理信息服务提供了方便。 近年来，国内外对移动地图的应用逐渐广泛，一些网站如g o o g l e 、m a p q u e s t 、 m a p b a r 、5 1 d i t u 、g 0 2 m a p 等相继推出了移动地图服务，中国移动推出了手机地 图服务，并且很多公司也纷纷力推p d a 、手机上的离线移动导航地图。目前移 动地图的应用已经相当广泛，成为移动增值服务中的重要组成部分。同时移动 地图也引起了国内外广大专家学者的注意； 在移动地图的理论方面：m e n g ( 2 0 0 5 ) 将移动地图定义为一种带有高度选 择性和智能化的，围绕某一位置和时刻的环境快照，它区别于其它类型地图的 典型特征是其“个性化”，能够自适应地满足人的认知心理需求。郭礼珍、何宗 宜( 2 0 0 2 ) 探讨了移动地图的制作，介绍了移动地图的概念，并指出了针对移 动地图中的综合方法：活动目标综合、智能体综合1 3 。何晶、齐清文和何宗宜 ( 2 0 0 5 ) 讨论了移动地图所面临的技术环境所处的环境是移动的、无线网 络容量有限、移动终端的资源有限性，并对移动地图的核心问题一数据模型、 多重表达、数据压缩进行了探讨。 在移动地图的可视化表达方面：r e i c h e n b a c h e l ( 2 0 0 3 ) 提出了基于自适应 理论的移动地图理论框架6 2 ：王英杰等( 2 0 0 5 ) 进一步探讨了移动环境中用户 模型设计方法，提出了自适应地图可视化系统的体系结构与实现过程3 2 ；汪永 红等( 2 0 0 6 ) 提出了自适应地图可视化的处理流程及关键技术3 2 ；闰超德、赵 仁亮( 2 0 0 6 ) 提出基于邻近的移动地图自适应可视化方法，将邻近关系作为地 第i 章绪论 图比例尺调节和地图更新的依据，既可以避免无效更新，又能够保持地图上内 容与实地视觉空间内容的高度致，较好地解决了移动地图的更新不合理问题。 在移动地图的生成技术方面：牟伶俐和杜清运等( 2 0 0 2 ) 分析移动地图在 移动定位、数据处理、数据传输等方面实现的技术以及优缺点。a l e x a n d e r ( 2 0 0 2 ) 探讨了在旅游服务中自适应地图的生成方法。 这些研究为移动地图的发展提供理论依据和技术支持，但是还没有对移动 地图中要素表达影响因素进行系统总结和分析。 1 2 2 地图自动综合算法研究 综合算法是自动综合的基石，所以很多学者对综合算法进行了研究。本文 主要从点、线、面研究了和总结了现有地图综合算法。 针对点要素综合，基于点要素的选择性删除操作，l a n g r a n 等提出间隔比 率算法，v a nk r e v e l d 等提出了圆增长算法，毋河海运用凸壳在选取的基础上实 现了结构化描述。钱海忠等提出并改进了基于c i r c l e 特征变换的点群选取算法。 基于点要素的结构性简化操作，e d e l s b r u n n e r 等、艾廷华等、彭唬等分别进行 了研究。基于点要素的典型化操作，m a c q u e e n 提出k - 方式聚合方法、a i ， t 和l i u ，y 提出维护空间分布特征的算法。 针对线要素综合，主要有选取、简化和位移算子。早期主要是基于属性 选取，目前选取方法主要有王家耀等提出基于图论的方法，陈军，胡云岗等提 出基于网眼密度的方法，张青年基于动态分段数据模型的方法，武芳，邓红艳 等提出基于遗传算法的道路网综合模型等。线要素简化常用算法有： d o u g l a s p e u c k e r 算法、渐进法、垂距法、光栏法、l a n g 算法等。此外还有z h i l i n l i 等提出基于自然规律、郭庆胜采用渐进式、s a a l f e l d 提出基于逻辑一致性、 v a nd e rp o o r t c n 等提出基于计算几何、王桥等提出基于分形分析、吴纪桃等提 出基于小波分析等改进的线要素简化方法；l a r sh a r r i e 等( 2 0 0 2 ) 在欧盟的 g i m o d i g 项目中，运用变比例尺地图原理，针对芬兰赫尔辛基市的建筑物和道 路数据，采用建筑物简化和选取的综合操作；董卫华等( 2 0 0 7 ) 指出，面向用 户、用户任务的示意性道路网地图制图综合；k u l i k 等基于本体的思想道路选取 算法；线目标移位的方法大致上可分两大类：早期的机械式方法如n i c k e r s o n 算法和目前的优化方法如b u r g h a r d t 的s n a k e 移位方法，武芳的基于弹性力学思 想的方法以及艾廷华的基于场论的移位方法。 针对面状要素综合，主要有单个要素的选取、简化、降维和多个要素的合 并、典型化、移位等。针对单个面状要素的综合操作中，选取方法主要有最 大最小面积选取方法、基于v o r o n o i 图的渐进式选取方法。简化方法主要有 p e t e rl i n d s t r o m 基于降维、t r i c o c h e x 等基于拓扑学、郭仁忠等基于矩形差分、 第1 章绪论 史佳顺等基于分割栅格多次扫描的方法以及数学形态学和神经网络支持下的模 式识别方法等。降维方法主要有基于d e l a u n a y 的河流中轴线提取方法。多个 面状要素的综合操作中，合并方法主要有：基于动态决策树、形态学、a b t m 等方法。典型化方法主要有基于网眼的。移位方法主要有基于场论及基于 c i r c l e 的方法等。 1 2 3 地图自动综合约束条件研究 无论是手工制图综合、自动制图综合还是网络环境下的制图综合，无论采 用何种制图综合模式，制图综合约束在整个制图综合过程中都占据了核心位置， 起到了综合过程的引导和控制的作用。下面主要从约束条件的分类、约束条件 的表达以及约束条件在综合中的作用等方面进行了研究： 目前，地图综合约束条件的类型有不少制图专家提出，比较有代表性的有： h e i s s e r 等学者对综合知识类型进行了详细分类描述，包括几何和图形知识、语义 知识、过程性知识、结构知识、各学科的专家知识；p e t e r 等专门讨论了类型数 据综合过程中需要遵循的约束条件，包括图形约束条件、拓扑约束条件、结构约 束条件、g e s t a l 约束条件。b e a r d ( 1 9 9 1 ) 提出图形约束、结构约束、应用约束 和过称约束四种类型。m a c k a n e s s ( 1 9 9 5 ) 提出了一种面向综合结果评价的约束 条件，这一方法需要和人工交互相结合。r u a s 和p l a z a n e t ( 1 9 9 6 ) 在b e a r d 工 作的基础上定义了可读性、形状、空间和语义限制4 种类型，并研究了它们在 地图设计过程中的作用。w e i b e l 和d u t t o n ( 1 9 9 8 ) 在a g e n t 项目中，提出了 五种综合约束条件类型，图形约束、拓扑约束、结构约束、格式塔约束及过程 约束。近年来，郭庆胜( 2 0 0 7 ) 则将地图综合的约束条件分为4 类：地图综合 驱动条件约束、地理现象分布规律的约束、表达模型的限制性约束、综合方法 与技术的约束；欧盟启动了e u r o s d r 项目对欧洲已有的几种综合软件的性能及 制图质量进行测评。该项目执行过程中，地图综合约束条件的作用被充分地考 虑到。由于是不同的国家、软件商，因此对综合约束条件的定义和描述是不同 的，d i r kb u r g h a r d t 等( 2 0 0 7 ) 基于前人的研究基础，对约束条件构建了不同的 层次，这种分类方法的层次结构如图4 - 6 所示，其目的是将综合约束条件进行 统一的形式化表达。 4 第l 章绪论 、 m ；n 氚r ；删，面尹7 下淼岫。n c o n s t r a i n t d ：雳耋要影芏芦 t y p e ，荔乏溢奄多一上 p o i n t 佃) l i n e ( l ) a r e a ( a ) p p p lp a l ll a 从p l f m i x g e o m e t r y 、- 、，、y ，一，、- 、，_ _ ， t y p e n u m b e ro f 7 m o d i f i e d o b j e c t s _ 多形-薹下 t h e r a a t i c 图1 2 制图综合约束条件类型 这种分类方法首先把约束条件分为两大类：可读性约束和形状保持约束。 这两种约束条件的区别在于：形状保持约束在综合过程的开始阶段是完全满意 的，但是可读性约束在尺度发生变化及符号化时不能够保持一致。h a t t i e ( 2 0 0 1 ) 更深入地研究指出可读性约束条件的执行将改变源数据，而形状保持约束条件 则是要尽量维护原始数据。因此两种约束条件的另一个差别在于：基于可读性 约束条件，目标数据集发生的冲突与原始数据是无关的，而形状保持约束条件 的计算却始终和源数据关联的。在第二层次中，基于对已有约束条件分类方法 的合成，将约束条件进行了特征分类。可读性约束被分为最小尺寸间隔和移动 强调约束两类。最小尺寸间隔约束保证了对象或对象内部组成部分之间的距离 足够大，可以清晰可见。移动强调约束用来处理那些语义重要性不强的对象或 者违反了最小尺寸间隔约束的对象。形状保持约束被分为五类：拓扑、位置 方位、形状、格局及分布统计。拓扑约束和a g e n t 项目中的拓扑约束有着同 样的意义，地图要素需要转换或旋转时，通过位置方位约束来定义，对象的变 形通过形状约束来控制，格局约束用来对需要重复的对象或对象的组成部分进 行建模，分布统计约束是用来对最后的全局效果进行控制，如黑白比率，趋向 或者聚类等。 近年，很多学者对语义约束的研究渐渐重视，如w a r e m j ( 2 0 0 5 ) 、董卫华 等( 2 0 0 7 ) 在示意性道路网地图制图综合指出，除了关注传统约束分类中的几 何约束和拓扑约束之外，还需要关注道路语义与本体特征相关的语义约束；李 芳和边馥苓( 2 0 0 7 ) 提出基于任务及特征匹配的地理实体语义相似性评价模型 的研究。 在综合约束条件的表达方面，比较有代表性的研究主要有：k s t u a r ts h e a 第l 章绪论 等( 1 9 9 2 ) 在分析了产生式规则、谓词逻辑、语义网络、框架的优缺点后，提 出了地图综合知识形式化的策略规则与参数表。郭庆胜( 2 0 0 0 ) 通过对已有 研究的总结，得出地图综合约束的形式化方法包括产生规则、参数表、框架和 面向对象的表示方法等，同时还有规则集合中因素的定量化问题，规则中模糊 性知识的表达，并提出地图综合知识的形式化方法是以面向对象方法为框架， 同时规则和参数表相结合。高文秀、龚健雅( 2 0 0 5 ) 指出综合知识的形式化表 达方法有产生式规则、逻辑、语义网络、框架、状态空间、概念从属、p e t r i 网 等，它们可以单独被使用，也可以联合应用在一个专家系统中，并以土地利用 图为例，采用产生式规则表示法将综合知识形式化为综合规则。田晶等将地图 综合约束转化为相关的量度，量度表达了地理实体的特征，量度进一步转化为 一系列相关属性。有些属性描述了约束触犯的条件，它们是一些阈值，例如街 道所围成的街区的面积。有些属性描述了约束的特征并作为综合结果的评价信 息，它们有初值和变化值，例如街道的数量。钱海忠( 2 0 0 6 ) 使用b n f 范式给 出了地图综合产生式规则的表示结构。 地图综合中约束条件的作用主要体现在3 个方面：地图综合的过程约束、 地图综合算法约束以及综合结果评价约束。在综合过程的约束中，r u a s 和 p l a z a n e t 提出了基于约束的综合过程模型，指出了形式化约束在冲突识别、操 作选择和综合转换有效性中的作用；地图综合算法约束中，武芳对d p 算法、 圆化简算法、渐进式化简以及l i o p e n s h a w 四种典型的线要素化简算法的参数 约束进行了分析，并指出了随着参数的变化，其综合效果也发生的变化。k u l i k 等( 2 0 0 5 ) 基于本体的思想，对道路网进行不同程度的综合；在综合结果评价 的约束研究中，d i r kb u r g h a r d t 等( 2 0 0 7 ) 对约束控制条件引入了另外两个维度， 一个是约束控制需要考虑的对象数量，另一个是几何类型，其优点在于可以明 确上述约束条件的具体执行对象是单个要素、两个要素还是一组要素，其控制 的几何类型是点、线还是面要素，从而可以将综合的约束条件和综合处理的数 据模型、数据结构相结合，并且和综合过程关联起来，更加有利于对制图综合 约束条件的形式化表达，从而对综合质量进行评估。w e i b e l 和d u t t o n 建立的 基于约束的质量评估模型，该模型的侧重点在于分析了自动制图综合中的各种 约束条件，并针对线要素的精度约束评估进行了讨论；m a r t i ng a l a n d 等针对多 边形建立的质量评估模型，这类模型主要是针对多边形的图形约束建立各种约 束值获取算法；a g e n t 项目组建立的基于a g e n t 的质量评估体系，该体系的侧 重点在于从智能体的角度来控制制图综合约束值以获取算法在自动制图综合系 统中的运行机制。钱海忠提出了基于约束条件的线要素化简算法质量评估策略。 首先是定义了综合实施时地图要素应遵循的标准和满足的条件，从研究线要素 第l 章绪论 在化简过程中容易出现的问题出发，以线要素化简的约束条件为根据，通过量 化的约束条件对算法进行评估。李芳和边馥苓( 2 0 0 7 ) 提出基于任务及特征匹 配的地理实体语义相似性评价模型的研究。虽然这些评估模型的侧重点不同， 但其基本原理都是相同的，即根据不同综合问题的约束条件设置评价范围，针 对具体的约束条件设计算法获取约束值，然后与预先设置的范围进行比较获取 评估结果。 综上所述，前人在移动地图表达、地图综合约束领域积累的理论与知识， 为移动网络环境下地图综合研究奠定了基础。但是，目前关于移动环境下地图 自动综合约束的研究还处于起步阶段，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 迄今为止，移动网络环境下地图综合影响因素与约束条件的研究还没 有系统、深入地开展； ( 2 ) 面向用户需求、表达的语义信息形式化描述方法，针对几何与语义信 息集成的约束条件与量化方法等有待理论化和系统化； ( 3 ) 针对移动网络环境的性能指标与移动地图内容与表达的特点，如何使 用地图综合约束条件进行地图综合的控制研究还很少。 1 3 本研究的意义 首先，地图综合所处的环境变化，促使地图综合方式与方法的变化，这就要 求分析移动环境中地图综合的影响因素及其对地图综合的作用，为移动环境中的 地图综合提供参考。 其次，制图综合约束具有科学性、抽象性，是制图专家长期经验积累的结 晶，因此制图综合约束是重要的，其重要性体现在以下几个方面： 1 可以依据制图综合约束对综合前的数据进行检查，从而获取待综合区域 的特点、重点综合内容、综合方法等相关信息，为进行自动制图综合 作准备。 2 可以依据制图综合约束对综合后的数据进行检查，从而判别综合结果是 否满足要求。 3 制图综合约束是各类自动综合算法进行计算的依据，为算法提供参数支 持，同时也是算法计算的约束依据。 4 制图综合约束可以对自动综合过程提供支持，是进行自动综合过程控制 的主要依据。 5 制图综合约束是g i s 系统或与空间数据相关的系统进行数据质量评估 的有效手段。 6 制图综合约束是建立制图综合专家系统的必要基础，目的是使计算机在 7 第1 章绪论 自动制图综合领域发挥该领域人类专家所能发挥的作用。 所以只有对移动环境中地图综合约束进行深入的研究，才能提高移动环境 中地图制图和地图服务的质量，推进地图综合的发展。 1 4 面临的趋势与问题 移动环境地图综合的研究开始于本世纪初，近年来有关移动环境地图自动 综合的研究成果不断出现，展现出这一领域己渐渐成为地图综合的研究热点， 随着研究的逐步深入，这一领域研究存在的问题也渐渐凸现，主要有以下几个 方面： 第1 章移动化境下影响地图综合服务的要素分析不明确 已有的移动环境地图自动综合的研究主要集中于算法的设计和实现，但是 对于影响移动环境地图综合的因素没有进行细致的研究和分析，随着地图生产 和应用的目的、网络环境都发生了变化，这些变化对于地图自动综合究竟有什 么影响，都是移动环境地图自动综合研究必须解决的问题。 第2 章基于约束条件的自适应地图综合研究缺乏 在目前的地图综合过程中，没有考虑太多的制图综合约束条件，没有将用 户的信息和任务、地图使用目的以及地图综合的环境进行综合考虑。如何使用 这些约束条件来自适应地调整综合算子、算法的选择和算法的执行参数等问题， 都是移动环境地图自动综合必须面对的问题，而这一方面的研究还很缺乏 1 5 本文的研究内容、技术路线与章节安排 1 5 1 研究内容 本文主要在以下几个方面对移动环境中的地图综合展开研究： ( 一) 移动环境地图综合影响因素分析 随着地图表达和应用的环境的变化，要研究移动环境下的地图综合，首先要 研究移动地图的概念及其表达要求。其次研究移动环境下地图自动综合的影响因 素，分析这些因素对地图综合的过程、地图综合算法、地图综合结果的影响。通 过分析，明确移动环境中地图自动综合与普通地图生产环境中地图综合的区别。 ( 二) 移动环境中地图综合约束条件研究 在研究移动环境地图表达以及地图综合影响因素的前提下，讨论地图综合约 束条件的概念、分类及其表达方式。分析地图综合约束条件在地图综合过程中的 作用，分析已有地图综合算法中的地图约束参数，分析如何用约束条件作为地图 综合结果的评价标准。 第1 章绪论 ( 三) 面向用户的语义约束的移动环境地图综合算法设计与实现 研究面向用户的语义约束的移动环境的地图综合算法，将用户的任务用户运 行方式与语义约束相联系，把语义约束权重作为地图综合算法的控制参数，同时 考虑用户的位置信息，将语义约束与几何约束相结合，设计面向用户的地图综合 方法法。 1 5 2 技术路线 针对以上主要内容，本研究分三阶段进行研究，总体技术路线如图1 3 所示。 ( 1 ) 研究地图综合中约束条件的作用。通过分析地图综合的过程、地图综 合的算法实现原理及其参数类型，以及地图综合结果的评价方法，明确地图综 合约束条件在地图综合中的作用及其重要性。 ( 2 ) 移动环境下地图综合影响因素及其形式化表达。分析移动环境下地图 综合的影响因素及其约束作用，并使用权重参数的形式对其进行形式化表达和 量化，为地图综合算法的设计和实现提供基础。 ( 3 ) 基于以上两个环节的研究，通过案例设计、算法选取、综合参数阈值 计算等方面，实现不同点要素综合算法，并对其结果进行分析比较，得出面向 用户的语义约束地图综合算法的合理性和有效性。 9 第l 章绪论 i资料搜集与分析 地图综合约束条件对综合的作用分析 约束条件对综合过程的影响 约束条件对综合算法的影响 传统环境自动综合过程分析 移动环境自动综合过程分析 地图综合算法原理分析 地图综合算法参数分析 地图绿台约束条件阴采源分析 l 翌竺_ 鐾型些马 ， 一l l 竺旦一j 嘲 匕兰竺兰划 一 1! 兰竺竺竺兰兰 l。 地图综合约束条件的形式化表达 点要素综合算法实现 综合结果分析评价 图1 3 总体技术路线图 第一章绪论：主要介绍本文的研究背景，分析国内外研究现状，在此基础 上指出移动环境地图综合研究存在的问题，最后介绍了本文的研究研究内容与 论文组织。 第二章地图自动综合中约束条件的研究：首先明确地图综合约束条件的 1 0 第1 章绪论 概念，进一步阐述地图综合约束条件的来源，针对地图综合不同的来源，对地 图综合约束条件进行了分类，并使用产生式等方法对地图综合约束条件进行形 式化表达。同时分析了约束条件在地图综合过程、地图综合算法和地图综合结 果评价的重要作用。 第三章移动环境地图综合约束条件研究：首先阐述了移动环境下地图自 动综合的基本过程以及该过程中的约束条件。然后详细分析了移动地图比例尺、 移动客户端显示器、移动用户信息及其任务、移动环境数据传输等要素与地图 综合的关系，最后阐述了移动环境下语义约束的重要性及其表达，以及语义约 束在地图综合中的控制作用。 第四章移动环境地图综合算法设计与实现：阐述了移动环境地图综合系 统的设计思想，介绍了该服务系统的总体架构设计和数据模型设计，并通过案 例实验验证基于语义约束的移动地图算法的有效性和合理性，并给出了运行结 果。 第五章结论与展望：阐述了本文的主要研究工作，讨论了需要进一步研 究的内容。 第3 章移动环境中地图综合约束条件研究 第2 章地图综合约束条件的研究基础 无论是手工制图综合、自动制图综合还是网络环境下的制图综合，无论采 用何种制图综合模式，制图综合约束在整个制图综合过程中都占据了核心位置， 起到了综合过程的引导和控制的作用。本章将首先介绍地图综合约束的基本概 念，分析了地图综合约束条件的来源，并对综合约束条件进行了基本的分类及 表达，最后分析了地图综合中约束条件的重要作用。 2 1 地图综合中约束条件的基础理论 2 1 1 地图综合约束条件的概念 制图综合知识是指制图专家根据地图用途、制图区域地理特点和比例尺等 条件，通过科学的抽象和概括而形成的能够完成制图综合任务，并且建立反映 区域地理规律和特点的地图模型的制图方法的统称。它是串行化的共性与隐性 综合规则的集合。制图综合知识的另一种称呼是制图综合约束( c o n s t r a i n ) ，即把 制图综合的各种规则都看作是对制图综合操作的约束。 按照知识的含义和构造的不同，可以将知识分为：事实、规则、规律、方 法和理论等。从这个角度来看，试图综合约束条件应该是制图综合知识空间的 一部分，制图综合知识要包括制图综合约束。随着智能技术的发展，方法库、 模型库、图形库、图像库等不断从广义的知识库中分离出来，制图综合的知识 库也不例外。从这个角度上来看，制图综合约束等同于制图综合知识，对于综 合制图约束的研究也称为对制图综合知识的研究。w e i b e l 、h a r r i e 和r u a s 等人 认为，约束条件必须满足3 个条件：包含于某一特定的空间范围之内；与某一 确定部分相关( 如与图形外观相关或与潜在的拓扑关系、空间或语义结构及其 综合相关等) ；在综合过程中扮演特定的角色。 2 1 2 地图综合约束条件的来源 通过分析不难发现，无论是手工制图综合还是自动制图综合，不管是离线 综合还是在线综合，制图综合约束条件的来源和作用都是相同的，如下图。简 单地概括，制图综合约束条件的来源主要包括以下几个方面： l 、制图目的：传统意义上制图目的包含地图的类型，当制图综合领域扩展到 g i s 后，制图综合的结果更多的是强调建立数据库而不仅仅是地图。为此，制 图综合专家将这两种情况分为以地图生产为目的的图形综合和基于数据库的模 型综合，其中图形综合的制图目的侧重于规定显示的内容和符号，尤其是依赖 1 2 第3 章移动环境中地图综合约束条件研究 于正常编图规范的生产环境；模型综合的制图目的则定义了将要使用的数据库 的子集，同时暗示了要素类的优先级，依照不同的制图目的可以定义可操作性 的制图约束。 2 、地图比例尺：地图比例尺的改变是整个制图综合的起源，因此地图比例尺也 是最主要的约束产生因素，决定了很多综合决策的实施。 3 、地图图例：地图符号之间的冲突驱动了综合，因为随地图比例尺的缩小，地 图符号之间将产生不清晰、压盖等问题，要解决这一问题就需要约束，判断冲 突是否产生，怎样解决等。4 、输出介质：在制图综合过程中，输出介质的物理 限制是必须被考虑却又往往被人们忽略的方面，包含了空间分辨率和颜色灰度 分辨率，它们限制了线的分辨率、符号尺寸、类型、样式、色调、颜色、形式 的范围。现代硬拷贝设备没有突出的局限，但仍会有交互显示，特别是网络上 的综合结果显示，不同显示设备的特性可能差异很大而且在综合之前是不为人 知的。 5 、图形限制：这是制图综合约束中最容易由编图规范中得到和便于实施的部分， 一般是指线的最小分辨率、多边形和点的尺寸等。图形限制直接与地图比例尺 和输出分辨率相关，它们决定了地图能包含细节的数量，而且依据制图目的， 通常都可能再大一些。 6 、源数据质量：地图综合源数据质量的好坏也会影响到制图综合操作的行为和 制图综合约束的制定。同样的综合操作，处理质量好的源数据相对于质量差的 源数据最后结果可能会好一些，因此质量差的源数据综合时的约束条件则相对 需要较多。 以上是制图综合约束条件产生的主要因素，但在实际的综合实施过程中不 仅仅只有这些，如对于网络环境下的制图综合，网络传输的速率也将制约着制 图综合的操作等。 第3 章移动环境中地图综合约束条件研究 图2 1 制图综合过程中约束的影响因素及其约束作用 2 1 3 地图综合约束条件的分类 地图综合约束条件的类型比较多样，针对不同的来源，制图综合约束条件 不尽相同，但总的来说要满足地图可读性、逻辑性一致性和结构整体性的需求。 制图学家为了进行制图综合约束条件的进一步研究，对其进行了不同的分类， 其中受到广泛认可的是w e i b e l 和d u t t o n ( 1 9 9 8 ) 按照约束条件的不同影响进行 的分类，他们将其分为五种综合约束条件类型，图形约束、拓扑约束、结构约 束、格式塔约束及过程约束。这五种约束条件的含义分别是： 图形约束：由要素的特征部分和符号的几何属性引起，主要规定了基本尺 寸和其临近属性( 如距离) ，通过图形限制和要素形状、尺寸来约束。典型 的如单个要素的最小尺寸、最小宽度和最小长度；复合要素通过图形约束 定义要素之间的最小间隔有助于增强临近关系等。图形约束是现阶段制图 综合约束条件中研究最多的问题，究其原因主要是因为图形约束便于量化 处理。 拓扑约束：主要针对综合要素之间的基本拓扑关系进行约束( 如连通性、 1 4 第3 章移动环境中地图综合约束条件研究 临近度、包容性等) 。拓扑约束中最简单和容易实行的是对于单个要素自相 交的约束。对于复合要素，拓扑约束不仅仅需要保持一些重要的拓扑关系， 甚至是一些通过分析才能获取的特征也要保持。理想的拓扑约束是保持综 合前后图形的拓扑同胚，但是实际综合过程中由于删除、合并等综合操作 而根本无法保证做到这一点，因此只能尽量保持其综合前后图形拓扑同构。 结构约束语义约束：结构约束主要强调综合前后结构特征的保持。对于单 个要素而言，结构约束主要是指形状的保持，如线的曲折，面的凹凸等。 对于一组要素而言，结构约束主要是指要素分布特征的保留，如建筑物和 道路平行，建筑物的排列规律等。与图形和拓扑约束不同，结构约束描述 了更高层次的概念。结构约束要求增加空间结构和语义结构的数据模型， 因为空间和逻辑结构不能总是由计算技术来推断。 格式塔( g e s t a l t ) 约束：格式塔约束是所有制图综合约束条件中最为复杂的， 它还同美学和复杂的感知研究密切相关。一般来说，就是从制图者的角度 出发，考虑一些必须的制图要求和直观设计等准则。 过程约束：与综合步骤相关，并影响综合过程中的综合顺序、综合算法和 参数的选择。 2 1 4 地图综合约束条件的表达 地图综合约束条件是地图自动综合中不可缺少的要素，也有学者将其称为 地图综合知识，其表达不仅要满足专家系统中知识表示的一般原则，而且还要 满足地图综合自身的特点。钱海忠( 2 0 0 6 ) 指出，地图综合知识表示必须考虑 以下几点要求： 表达能力：应尽可能全面地描述特定领域内的事实性知识和经验知识。 推理能力：应能在知识库的基础上，方便地构造推理机，以便通过推理产 生新的知识。 问题