（地图学与地理信息系统专业论文）面状地图综合的质量评价方法研究.pdf

中南人学硕上学位论文 摘要 摘要 地图综合作为地图制图学和g i s 研究的一个国际难题，一直是制 图学界研究的一个主要方向，而如何评估和保证地图综合的质量则是 地图综合领域近期研究的一个基础课题。本文详细回顾了地图综合及 质量评价的研究进展，并以面状地图为例，探讨了面状地图综合的质 量评价方法，主要研究工作如下： 1 系统地阐述了地图综合操作算子，分析了地图综合操作对地图 空间信息的影响，并对地图综合中的空间约束进行了归纳和分类。 2 从几何相似性方面提出了面状地图综合的质量评价方法。从地 图综合前、后形状变化、位置变化和大小变化三个方面分别建立了几 何相似性的度量指标，即形状相似性、位置相似性和面积相似性。 3 从语义变化角度提出了面状地图综合的质量评价方法。从语义 变化的四个方面分别提出了相应的语义质量元素，即语义准确性、一 致性、完整性和语义内容相似性，来度量语义质量。 4 为了研究地图综合过程中空间信息的变化，本文采用了一种信 息论方法来评价地图空间信息，分别从几何、专题、拓扑以及专题拓 扑四个方面来度量地图空间信息，并建立了相应的度量指标，即几何 信息熵、专题信息熵、拓扑信息熵和专题拓扑信息熵。 本文通过实验分别验证了本文所提方法的可行性和合理性。 最后，总结了本文的研究成果，并展望了该方向进一步研究的若 干问题。 关键词地图综合，空间信息度量，信息熵，语义质量，几何相似 性 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a pg e n e r a l i z a t i o ni so n eo f t h em o s tc h a l l e n g i n gt e c h n o l o g i e si nt h e f i e l do fc a r t o g r a p h ya n dg i s d i f f e r e n tm e t h o d sf o rm a pg e n e r a l i z a t i o n h a v eb e e nd e v e l o p e d h o w e v e r , t h e r ea r eo n l yaf e wp u b l i c a t i o n st h a t d i s c u s st h ea u t o m a t i cq u a l i t ya s s e s s m e n to fg e n e r a l i z e dm a p s i nt h i s p a p e r w ep r e s e n tan e wa p p r o a c hf o rt h eq u a l i t ya s s e s s m e n t o f g e n e r a l i z e dp o l y g o n s t h er e s e a r c h e si nt h i sd i s s e r ta r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 t h em a pg e n e r a l i z e do p e r a t i o na r e s y s t e m a t i c a l l ys t a t e d ，t h e i n f l u e n c eo fg e n e r a l i z e d o p e r a t i o nf o rm a ps p a t i a li n f o r m a t i o na r e a n a l y z e da n d c o n s t r a i n t so fm a pg e n e r a l i z a t i o na r es u m m a r i z e da n d c l a s s i f i e d 2 i no r d e rt oa s s e s sa n dc o n t r o lt h eq u a l i t yo ft h eg e n e r a l i z a t i o n ，t h i s p a p e rp r e s e n t s a n a p p r o a c h f o re v a l u a t i o no f q u a l i t y i n m a p g e n e r a l i z a t i o n f r o mt h e p o i n t o fv i e wo f g e o m e t r i cs i m i l a r i t y q u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r sa r ed e v e l o p e dt om e a s u r et h r e ee l e m e n t sa b o u t g e o m e t r i cs i m i l a r i t y , i n c l u d i n gs h a p es i m i l a r i t y , l o c a t i o ns i m i l a r i t ya n d a r e as i m i l a r i t y 3 t h i sp a p e rp r e s e n t sa na p p r o a c hf o re v a l u a t i o no fq u a l i t yi nm a p g e n e r a l i z a t i o nf r o mt h es e m a n t i cc h a n g e f o u r b a s i ce l e m e n t sa r ef i r s tp u t f o r w a r d ，w h i c hc o r r e s p o n d t od i f f e r e n ta s p e c t so fs e m a n t i cq u a l i t y , i n c l u d i n g s e m a n t i c a c c u r a c y , s e m a n t i c c o n s i s t e n c y , s e m a n t i c c o m p l e t e n e s sa n ds e m a n t i cs i m i l a r i t y 4 i no r d e rt o s t u d yg e o s p a t i a l i n f o r m a t i o nc h a n g e ，t h i sp a p e r i n t r o d u c ei n f o r m a t i o nt h e o r yf o rm e a s u r em a pg e o s p a t i a li n f o r m a t i o n ， i n c l u d i n gg e o m e t r i ci n f o r m a t i o ne n t r o p y , t h e m a t i ci n f o r m a t i o ne n t r o p y , t o p o l o g i c a l i n f o r m a t i o ne n t r o p ya n dt h e m a t i ct o p o l o g i c a li n f o r m a t i o n e n t r o p y af o r e s tt h e m a t i cm a pi su s e da sap r a c t i c a le x a m p l et oi l l u s t r a t et h e f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h ep r o p o s e dm e a s u r e s f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ef i n d i n g s ，a n ds o m ei s s u e s a r e h i g h l i g h t e df o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n s 1 i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s m e a s u r e m e n t ，e n t r o p y ， m a pg e n e r a l i z a t i o n ，g e o s p a t i a l i n f o r m a t i o n s e m a n t i cq u a l i t y ，g e o m e t r i cs i m i l a r i t y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 埠 日期： 珥年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：埤 导师签名 嗍净羔月孕日 中南人学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 地图，作为人类抽象表达现实世界的一种符号语言，是人们对现实世界认识 的结果，同时也是人们认识现实世界的工具。地图制图学的根本任务就是制作完 整而且能正确表示地球表面各种信息的地图。地图综合，作为地图制图学和g i s 研究的一个基本内容，始终是地图学界研究的重点【l 】。g i s 环境下的地图综合是 指从空间数据库中抽取重要的和相关的空间要素，并以预定比例尺将其表示在缩 小了的地图空间上的过程【2 1 。地图综合作为地图学的一个重点、核心、难点和瓶 颈问题，长期以来一直是困扰诸多学者的一大难题，而且近年来越来越受到重视。 随着制图技术的发展，地图综合的概念已经从单纯的图形综合，拓展为强调 g i s 环境下空间数据的多尺度表达【3 】。制图综合的指导原则是保持空间实体的基 本结构和特征。地图综合无论过去、现在还是未来，都是g i s 技术乃至地图制图 学的一个核心问题【4 1 。 地图综合历来是地图学中最富挑战性和创造性的研究领域之一，也是地图制 图中必须解决而又未能很好解决的难题。作为地图综合研究中一个重要而又薄弱 的环节，综合质量问题的研究对于有效提高自动制图综合系统的f 确率具有重要 的意义。 地图综合是g i s 领域中最感兴趣和最热门的课题之一，而如何评估和保证地 图综合的质量则是地图综合近期研究的重点课题之一。 现阶段，地图综合质量问题的研究还仅仅停留在针对某一要素综合结果或者 某一操作的评价上，其中比较有代表性的如由a g e n t 制图综合项目组总结和提 出的各种要素综合质量评价策略的标准【5 】；b a r d e r 和w e i b e l 针对制图综合中多边 形的质量评价策略研科6 l ；j o a oa r g e m i r od ec a r v a l h op a i v a 针对多尺度表达提出 的要素关系质量评价策略【_ 7 】等。随着研究的进一步深入，越来越多的研究人员认 识到仅仅对制图综合最后结果或综合算法实施评价是不够的，还需要在综合实施 过程中有效的利用这些评价算法，一方面通过对综合过程每一步骤的及时评价将 综合质量问题解决在问题发生的初始阶段，即实施综合质量的控制过程；一方面 针对不同的具体问题及时采用合适的有效综合算法，即实施综合质量的引导过 程。目前，对这一问题的研究还处于初步阶段，但地图综合其实质是一个复杂的 人工智能问题这一观点已经得到制图学家的广泛认同，同时，利用知识库进行自 动制图综合的质量控制与引导已经逐渐引起制图学者们的关注【s 一。 地图综合的质量需要解决2 个方面的问题，一是质量评价，这主要包括：1 ) 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 对自动综合后新比例尺数据进行质量评价，检查其是否满足新的用图要求；2 ) 对综合中采用的各种算法进行评价，以针对不同的情况采取不同的算法。另一方 面是质量控制，由于制图综合结果很大程度取决于综合过程模型，不同的综合过 程产生的综合结果不同，要获取高质量的综合结果必须在综合过程中加以质量控 制。其中，质量控制是以质量评价为基础的，因此，要解决自动综合的质量问题 首先要研究综合质量评价。 地图综合质量评价问题是个复杂的人工智能问题，目前其研究还处于一个起 步阶段。其中比较有代表性的有w e i b e l 和d u t t o n 建立的基于约束的质量评价模型 【l0 1 ，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 的精度约束评价进行了讨论；g a l a n d 等针对多边形建立的质量评价模型【1 1 1 2 1 ，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 的质量评价体系1 1 3 1 ，该体系的侧重点在于从智能体的角度来控制 制图综合约束值获取算法在自动制图综合系统中的运行机制。虽然这些评价模型 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 行比较获取评价结果。 地图自动综合是地图生产自动化和g i s 中多尺度显示的核心与关键，如何评 价地图综合质量已成为数字制图条件下的主要问题之一。 地图综合质量评价需要解决两个方面的问题，一个是对各种手段综合出来的 新比例尺数据进行质量评价，以检查其是否符合新比例尺条件下的综合要求；另 一方面，对综合算法的综合结果进行实时评价，以评估算法的正确性与优越性， 它包括对制图生产过程中的综合算法评价，同时也包括对g i s 多尺度快速显示中 综合算法的正确性评估。本文主要针对第一方面进行。 地图综合是近几十年来地图学与地理信息科学领域的热点问题，其目的是在 地图比例尺缩小，地图上的地物、地貌符号减少的情况下，尽可能多地表达制图 区域的地理信息。根据地图符号的几何特征，地图要素可以分为点状、线状、面 状三类。学者们为各类几何特征的地图要素研制了许多的算法。这些算法的研制 者只是阐述算法的基本思想、程序流程、时间与空间效率等，而鲜见对算法执行 后的地图综合结果进行评价。分析可知，至少是由于下面的三个原因使得地图综 合结果质量评价问题至今没有解决：( 1 ) 可接受的地图综合结果没有唯一性，因 为不同的制图员根据同一较大比例尺地图综合而得的较小比例尺地图，在内容上 往往是有差异的；( 2 ) 不同综合结果的质量优劣具有模糊的特征，受到评价人员 的知识、地图用途等多因素的影响，一个广为接受的评价标准难以确定；( 3 ) 以 往的地图综合质量评价是定性的，不容易直接量化为计算机可以接受的计算公 2 中南人学硕上学位论文 第一章绪论 式。显然，不能对地图综合结果的质量进行自动评价，自动化的地图综合过程就 不能真正实现。为此，本文研究面状地图的综合质量评价问题，力图给出适合的 评价方法。 1 2 国内外研究现状 地图综合是通过简化地图数据的表达以适合较小比例尺和满足地图易读性 的需要。在综合过程中，有些空间属性特征需要保留( 如位置、方向和形状) ， 然而其它的空间属性特征可能会发生改变( 如大小、间隔尺度、邻近程度和分布 密度) 。地图综合中常用的操作算子为简化、移位、夸张、合并和选取等5 种。 显然，这些操作可能会从根本上改变了地图目标从高分辨率( 大比例尺地图) 到 低分辨率( 小比例尺地图) 的几何关系、拓扑关系和语义关系。从空问数据质量 的角度来看，每个综合操作都将影响着空间数据的质量，如位置的准确性、属性 的准确性、一致性和完整性【1 4 】。例如，移位导致较低的准确性；选取和合并操作 影响完整性；重新分类可能会导致某些属性的丢失；不均的选取也会影响一致性 1 5 1 o 地图综合质量评价的方法可分为定性和定量两种，综合质量评价应该从目标 层次、目标类层次和地图层次分别对几何、拓扑和语义方面进行评价【l6 1 。目前， 对地图综合的结果评估主要依靠视觉和定性方法，并且分别是针对某个综合过程 ( 或操作) 1 7 - 2 0 】，或者空间目标属性某个方面( 如属性准确性 2 1 - 2 3 1 ) ，或者是形 状上的变化度量【2 4 , 2 5 】进行的。例如，b a r d 通过与综合前空间目标的参考特征( 或 最初特性) 相比，来评估地图综合后的质量【2 0 2 6 1 。在b a r d 的方法中，仅仅考虑 了空间目标的三个特征，即位置、凹率和大小。 j a n s e n 使用混淆函数来对综合中的感性特征进行评价【2 7 1 ，这种方法对地图上 拥塞或混乱的地方进行了数量和定位的量化。m a c k a n e s s 之前也提出了混淆函数 的方法【2 引，称之为特征密度表面，它确定了在地图上的不同地方，哪些需要被综 合，但并没有研究是什么引起了混乱。 h a r r i e 提出了为各项综合约束设立相应的权重来解决综合产生的问题，这种 方法在约束条件和地图的质量要求之间取得了平衡【2 9 】。它基于约束的违背对图形 的综合过程进行了度量，对单个目标或一类目标进行了质量度量，但是这些质量 评价的方法不能对整幅地图进行完整的质量描述。该方法的不足是：基于约束的 质量度量方法不能够描述地图质量的所有方面，同样的约束被用来控制和评价综 合过程，这也可能出现对地图的质量评价太过主观。 m c m a s t e r 提出了对于单个目标的综合质量评价的度量方法【3 0 l ，但是，一般 来说，缺少定量的评价方法对目标之间的关系来进行度型1 9 川。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 c h e n g & l i 从三个方面提出了数字地图合并过程中语义质量评价方法，分别 为准确性、一致性和完整性，并给出了具体的度量方法【2 4 1 ，但未从语义信息量方 面考虑语义的质量评价问题。实践中，地图综合中语义( 内容) 信息量变化更为 引起重视，并且在这方面的研究也相对较少【2 5 】。 在已发表的有关自动综合质量评估的文献中，j o a o 的论著( ( c a u s ea n d c o n s e q u e n c e so f m a pg e n e r a l i z a t i o n ) ) 1 3 2 j 有一定的代表性，她在该书中对地图综合 有深入的分析，并比较分析了几种综合算法对数据质量的影响，得出了一些有益 的结论。她在另一篇论文( ( g i sa n dg e n e r a l i z a t i o n ) ) 1 3 3 】中也对地图综合中数据质 量的重要性进行了深入的阐述，并提出了一些设想。 关于地图综合的质量评估问题，i c a 制图综合工作组也曾就此问题有过几次 讨论并一致认为自动综合需要开发相应的评估技术、评估方案和评估工具，从而 为该工作的进行起到了一定的推动作用。但到目前为止，该方面的研究成果【3 4 0 7 ，2 7 】 还很少见到。 在质量评价策略的制定方面，还仅仅停留在针对某一要素或某一操作的研究 上【3 引。比较有代表性的如a g e n t 制图综合项目组总结和提出的各种要素综合质 量评价策略的标准【3 9 】；b a r d e r 和w e i b e l 针对综合中多边形的质量评价策略研究 t 4 0 j ；j o a oa r g e m i r od ec a r v a l h op a i v a 针对多尺度表达提出的拓扑关系质量评价策 略【4 l j 等。针对制图综合中的各种要素、各种限制要求指定质量评价策略的研究尚 未深入进行。在制图综合质量控制方面，国内外的研究都处于起步阶段，a g e n t 项目组在提出的综合框架 4 2 , 4 3 l 中对综合质量控制进行了初步的考虑，但是没有 建立综合质量控制的框架体系，只是从a g e n t 本身的一些特性出发，加入了一 定的质量控制因素以提高综合质量。 除此之外，也还有少量论文对地图综合的数据质量问题提出了一些有益的看 法，但目前国内对自动综合所产生的质量问题的研究几乎还是空白，仅有学位论 文空间数据线要素综合的不确定性与数据处理m 】、曲线的一致性化简及曲 线相交的研究 4 5 1 等以及发表在不同刊物上的“基于多维约束空间的制图综合质 量评估模型【4 6 】 、“地图自动综合的广义性和评价标准的研究”【4 7 1 、“数字环 境下地图综合结果自动评价模型的研究与应用”【4 8 1 、“基于极化变换的点群综合 几何质量评估【4 9 】 等。 对于自动制图综合来说，其质量问题的分析和评价研究是零散的、不全面的。 因此，对自动综合算法的全面评价、对自动综合结果和执行过程的质量控制，还 有许多需要研究和解决的问题。 近来对地图综合的研究主要集中在这几个方面：支持综合过程的更稳健的数 据结构；在操作算法中的不断改进；综合过程的语义支持以及几何特征的建模。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 尽管大部分的这些研究工作都要求对数学、统计或几何度量进行实现，但这些研 究却很少有提及这方面的综合度量。 通过对已有文献分析发现，大部分研究是针对地图综合前、后几何或拓扑关 系变化进行定性分析的，而对其定量分析研究较少。特别是有关几何及语义上的 变化度量研究较少，尤其是针对一类目标甚至整个地图的质量评价方法。 1 3 研究意义 地图综合是g i s 领域中最感兴趣和最热门的问题之一。通俗地说，地图综合 是随比例尺减小而进行的信息化简，使空间信息保持清晰和简洁。它是为了防止 由于比例尺缩小造成的表达空间的不足、数据的混乱和拥挤甚至信息表达的全面 崩溃。通常是通过对空间目标进行压缩、变形以及重抽样来达到对空间信息的减 少。进一步而言，地图综合就是当地物或目标随比例尺的变化而变得不可感知、 目标拥挤时而进行的处理，即地图综合在形式上是在表达地理信息时满足人的视 觉易读要求和认知要求而进行的处理，更深层的是制图模型的改变，地图或地理 信息量的减少【5 0 】。 地图综合不只是为了图形信息压缩以保证地图的易读性，而且担负着生成 g i s 多尺度数据库的使命，支持不同层次的规划、管理与决策。 当比例尺逐步减小，地图数据库由小范围夸大到较大范围时，同时意味着着 眼点、注意力或信息需求层次的质的变化。即大范围地图数据库的生成不是相关 小范围地图数据库的简单合并，因为后者包含了太多的细节，这些细节对于高层 次的应用不但是无关紧要，而且还会可能淹没主导信息。当地图为过量的细节所 充塞，超过人们的视觉分辨与理解力时，人们由此所获得的信息趋于零。因此排 除干扰、突出主导信息，就成为g i s 地图综合( 包括图形信息与属性信息) 的主要 任务【4 1 。 地图综合是g i s 领域中最感兴趣和最热门的问题之一，而如何评估和保证地 图综合的质量则是地图综合近期研究的重点课题之一。在地图综合的过程中，比 例尺的变化以及各种综合算子都可能导致属性数据的变化。地图综合的过程是一 种信息取舍与简化的过程，在这一过程中，由于涉及到地图目标形状、大小以及 专题属性的变化，重新布局地图平面必然会导致一些地图目标的属性数据发生变 化，如何有效的评价这些属性数据的变化以满足地图综合的质量要求是地图综合 的一个重要研究内容。 随着世界经济的高速发展和竞争的日益加剧，产品质量正越来越被人们所重 视，质量已成为产品生存和发展的根本。作为地图生产自动化和g i s 中多尺度显 示的核心一自动制图综合，其综合质量的高低直接影响了生产的地图质量和g i s 5 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 各种分析的可信度。因此，地图综合质量已经成为自动制图综合研究中亟待解决 的问题。 地图综合的质量评价是地图综合的一个很重要的方面，也成为了地图综合建 模的一个推动力。研究地图综合的质量评价有助于改进综合操作和算法。质量评 价和度量在地图综合的研究中非常重要，然而一直缺少很好的质量评价体系，这 也是改进地图综合方法的一个障碍。在地图综合操作中冲突( 或不一致性) 检测 也需要用到评价的方法。 1 4 论文的主要工作及结构安排 本论文中作者所做的主要工作概括如下： ( 1 ) 对几何属性变化进行度量 从地图综合前、后形状变化、位置变化和大小变化三个方面分别建立了度量 指标，即形状相似性、位置相似性和面积相似性。随后给出了面目标几何属性变 化度量的实现方法，并通过实验例证了所提方法的可行性。 ( 2 ) 对语义变化进行度量 首先，从语义变化的四个方面分别提出了相应的语义质量元素，即语义准确 性、一致性、完整性和语义内容相似性。然后，从目标层次、目标类层次和地图 层次分别建立了这四个语义质量元素的度量指标。在此基础上，给出了一个地图 语义质量综合指标，它是通过对提出的四个质量元素分别赋予一个权重得到的。 最后，通过一个实际算例分析了语义质量元素在g i s 环境下的实现方法。 ( 3 ) 对地图空间信息进行度量 通过分析和归纳现有的空间信息度量方法，提出了一种新的空间信息度量及 变化分析方法。在该方法中，首先对地图空间信息进行了重新分类，给出了相应 的信息熵度量；然后定量地分析了地图综合前后其空间信息的变化情况。 论文的主题是围绕着面状地图综合的质量评价，根据这一主题，论文各章节 的组织如下： 第一章绪论。首先介绍了本论文研究的背景和国内外研究现状，进而论述 了研究地图综合质量评价的意义。最后简要的概括了本论文的主要工作。 第二章地图综合的算子与约束。先介绍了地图综合的算子分类以及各种算 子对地图综合的影响。然后介绍了地图综合的约束类型。 第三章地图综合中质量评价方法。提出了对几何属性变化进行度量；对语 义变化进行度量及对地图空间信息进行度量这三种质量评价方法。 第四章实验研究。本章分三个部分，一是对几何属性变化进行度量的计算， 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 二是对语义变化进行度量的实现，三是对地图空间信息进行度量的计算实现，并 分别对实验结果进行了分析讨论。 第五章总结与展望。该部分总结了论文的主要工作，并提出了以后的工作 方向。 7 中南人学硕士学位论文第二章地图综合的算子与约束 第二章地图综合的算子与约束 地图综合的目的是简化地图数据的表达来适合比例尺和满足地图的需要。一 副好的地图必须满足几个要求：地图必须是易读的，地图目标能较好地表达现实。 这些要求可能成为地图综合操作的约束条件。可以通过比较综合前和综合后的目 标来评价综合的结果，但是达到何种程度，这一评价结果才是可以接受的呢? 在综合过程中，有些地物特征的属性可能需要被保留( 如位置，方向和形状) ， 然而其它的特征可能被改变( 如大小，间隔尺度，邻近程度和分布密度) ，因为 在综合后的地图上，这些地理特征必须是易读的。 综合是一个地理信息转换的过程，许多特征被改变了，而且许多特征己变得 太不同了，因此综合评价能够检查是否这种相异是不太重要的，是否它是满足综 合的规范要求。 数据质量的评价应该是建立在制图综合的约束上，也就是约束的维护程度。 地图综合的质量评价所要考虑的问题就是：什么应该被评价以及采取何种方 法进行评价才是合适的。综合评价可以根据几何的、拓扑的、语义的和格式塔四 个方面的约束来对单一的目标( 如单个建筑物) 、类目标( 沿着一条街的一排建 筑物) 和地图这三个层次进行评价。也就是评价这些约束在综合过程中满足到什 么程度。例如，在单一的目标层次上评价拓扑的约束就可以包括检查它的自相交 情况。在类目标层次上评价几何的约束可能包括度量和保持类目标成员之间的邻 近关系。那么，数据质量评价就应该对每种约束采取相应的度量方法。 2 1 地图综合的算子分类 因为多比例尺空问数据不管来源如何，都是遵照地图综合的原理逐步缩小比 例尺的。因此，要进行地图综合首先就必须弄清这些综合算子的规律。地图综合 算子的分类有多种方式。目前，国内外相关领域的研究者提出对自动综合算子的 不同划分，这些算子在一定程度上体现了地图综合的实质。 ( 1 ) 三算子模式：选取、概括和移位。 ( 2 ) 四算子模式：选取、概括、合并、移位【5 1 】； ( 3 ) 七算子模式：简化、夸大、和移位( 纯几何综合) 和合并、选取、类型化 和强调( 几何概念综合) ； ( 4 ) 十算子模式【5 2 j ：语义综合一分类、聚合； 纯几何综合：舍弃、细节化简、增强、融合、侵蚀、夸大、典型化和移位。 8 中南大学硕十学位论文第一二章地图综合的算子与约束 其中语义综合与分类和合并操作精密相关，己有的数据分级结构对这两个综 合操作的执行是非常有用的。分类有助于将同类现象或特征归为一类，换句话说， 就是将单个现象或目标通过这种方式进行综合。而当比例尺变小时，聚合允许不 同层次的目标进行合并。 ( 5 ) 二十算子模式【5 3 】：化简、光滑、选择性重组、选择性删除、合并、化简或 提炼、增强、局部以为、隐蔽或掩盖、面化简为线、缩略、相关图形合并、面化 简为点、聚合、通过分类融合、再选择、尺度变化、融合、符号化和夸大。 其中部分算子的含义如下【5 4 】： 选取：是地图综合最重要的方法之一，主要是基于目标的尺寸、属性以及和 周围目标的关系来解决选取多少、选取哪些和怎样选取的问题。 化简：就是在不破坏目标本质形状的前提下化简地理要素的平面图形，即化 简其内部结构和外部轮廓，使得地理要素得到简化。这个操作只适应于现状和 面状目标，化简的实质是从线状或面状目标的边界移去不必要的细节( 如无关紧 要的弯曲或波动) 。 概括：即减少地理要素在质量或数量方面的差别，包括质量特征的概括和 数量特征的概括，它是通过地理要素的分类分级来实现的。 合并：是一项制图综合措施，空间数据是针对一定的尺度的，随着尺度的 缩小，图形也跟着缩小，这时就会出现数据拥挤、难以分辨的现象。此时就可以 将质量特征和数量特征以及过细的分类都可以合并起来。 移位：是处理要素相互关系的方法，其目的是要保证地图内容各要素总体 结构特征的适应性。即如果相互分离且彼此很近的目标群在较小比例尺的地图上 显示，很可能引起叠置和视觉混乱，此时需要检测目标之间的冲突并移动重要的 目标，使目标之间满足一定距离限差或其他制图规范的要求。 舍弃：当比例尺缩小时，有选择地移去一定数量的太小、太短、太不重要的 以至在目标地图上显示的点状、线状和面状地物目标，如小岛、较短的路以及小 村庄等。 增强：通过增强操作，线状目标可能变得更加光滑，更加弯曲。 聚合：将彼此相连或相邻目标合并为一个新的面状目标，如将一族建筑物群 合并为一个面状目标或彼此连接的小块种植地合并为一个大的农业面目标。 融合：将具有同类的不同目标合并为单个有代表性的目标。如将一群独立的 小湖泊合并为一个较大的湖泊。 侵蚀：在较小比例尺地图上，许多面状或线状目标不可能以相应的地图比例 表现出来，需要降低目标的维数或空间表达程度，如面状或线状目标可能表现为 点状目标、多线目标可能表现为单线目标等。 9 中南人学硕士学位论文第二章地图综合的算子与约束 夸大：在较小比例尺地图上，有时为了强调或增强目标的可读性，需要增强 目标的空问表达程度，如某一岛屿的尺寸小于该比例尺写得可视化面积，一般需 要删除，但该岛屿是重要的导航参考点，因此需要夸大该目标的尺寸。 典型化：当依地图比例尺不能清晰地表示目标的几何形状时，需要执行典型 化操作。既需要在维持目标群的可视化和分布模式的情况下降低目标群的密度和 细节程度。如在某些情况下，某些小的、孤立的要素可能被典型化为另一类重要 的、占支配地位的要素；或在保持排水网络结构的前提下降低其细节程度。 分类和符号化：把具有相似地理属性的目标归为新的、更高层次的目标类并 用一个新的符号表示。 优化或提炼：在保证与现实一致的情况下，通过改变或校正目标的几何形状 来提高目标的可读性，如曲线光滑、拐角纠正、改变点状符号的排列和方向以及 纠正等高线与河流的相交等。 下图2 1 为部分综合算子的操作图例： ( a ) 聚合 圜一图 ( c ) 舍弃 ( d ) 化简 1 0 q ( b ) 融合 中南大学硕士学位论文第二章地图综合的算了与约束 钞。 澎 ( e ) 移位 两 两 ( i ) 优化或提炼 ( f ) 夸大 ( g ) 典型化 ( h ) 侵蚀 圈一囫 ( j ) 增强 中南 学俩十学位论文 第一章地圈综的算于与约束 图1 臼 ( k ) 分类和符号化 图2 - 1 综台操作 2 2 地图综合的影响 从大比例尺n , j , l g 例尺地图这些综台操作基本上改变了目标对象的几何、 拓扑和语义特征。一幅地图包含三种主要类型的空间信息：几何的、语义的和拓 扑的信息。因此，综合操作可能影响一种或多种地图信息。拓扑和几何方面的改 变可以引起语义的改变，反之亦然。例如，因湖泊和村庄之间的距离太短而不能 将它们之间的铁路和道路在给定的比例尺上表示出来。这样就与现实世界不一 致。移位是个解决办法，但这会导致定位精度下降。此外，因为铁路或道路在地 图上不见了，那么地图的语义特征也改变了，语义准确性也下降了。 上述这些算子所产生的结果是币刊的，夸大、符号化、移位、化简和合并会 影响周围的物体，而删除、典型化和收缩则不会影响周围物体但却会影响拓扑关 系。这些算子形成的虽终结果也是不一样的：删除去掉了物体；典型化与合并改 变了原始物体，但却产生了尺寸变大、数量变少的新物体；符号化、夸大、化简 与收缩部分地改变了物体；位移改变了物体的位置但保留了形状与方向。从使用 的角度看，夸大、符号化和位移如果没有足够的空间的话，是不会被执行的，这 是由于这些算子会引起物体的重叠，而且难以描述和操纵它们之间的空间关系。 为了在一个更小的比例尺中获得更逼真的简化模型( 或更具代表性) ，这些 操作从根本上改变了地图对象从大比例尺到小比例尺的几何关系、拓扑关系和语 义特征。例如，简化和夸张操作仅仅对几何对象起作用；选取或舍弃，合并，典 型化，和聚集从根本上改变了拓扑方面的关系。移位是主要衡量标准，但有可能 同时导致某些情况下的拓扑关系的改变。拓扑关系和几何关系的变动可能导致语 义变动，反之亦然。拓扑关系的变动自j 接地影响了衡量标准的变动，但反之则不 对。这样改变通常导致几何关系，拓扑关系和语义方面的准确性的降低。 2 3 地图综合中的约束 约束这个名词最早是b e a r d 由计算机科学引入到制图综台中来的嘲。随着自 中南人学硕士学位论文第二章地图综合的算子与约束 动制图综合技术的发展，自动制图综合由原来简单的批处理逐渐向复杂的智能化 方向发展，制图专家越来越清晰的认识到约束在自动制图综合中的重要作用( 如 图2 2 所示) 陋孓5 6 j 。通过分析不难发现，约束在制图综合过程中占据核心位置， 起到引导和控制的作用：引导过程主要通过制图综合质量评估来实现，如果某一 综合算法产生的综合结果不能满足某一约束条件，则综合过程被驱动，自动到算 法库中寻求新的算法进行重新操作，以引导制图综合向好的方向发展；控制过程 主要通过在制图综合过程实施中加以各种约束限制，以提高综合质量。因此，建 立合理的约束条件不仅仅是制图综合质量评估的基础也是进行高效、正确自动综 合的前提。针对不同的制图目的、比例尺等，制图综合约束条件也不同，但总的 来说都是为了保持可辨性、逻辑一致性和结构整体性的需求。 图2 - 2 自动综合中的约束 在综合的环境下，约束可以定义为是综合过程中需要坚持的设计规范【1 0 】。有 些约束可能是绝对的( 如最小尺寸 ，然而有些约束是相对的( 如大小分布) 。像 最小尺寸这样的约束只需要考虑一个目标就可以达到，而其它的约束却要求两个 状态( 综合前和综合后) 才能进行质量评价。 2 3 1 约束的分类 根据其功能将约束进行分类，这对于数字环境下适合综合问题。进一步地细 分与约束的空问应用范围有关，这些范围可以是单个的地物或地块，也可以是一 类中所有的地块或一类中的一部分地块，还可以是地图的一部分或整幅地图。必 1 3 中南大学硕：l ：学位论文第_ 二章地图综合的算子与约束 须指出的是，虽然约束可以在单个地块中识别，但在实际综合操作中是至少得有 两个地块的。可见，约束对于单个地块是有局限性的。因此，对于单个地块的约 束主要是与选取操作有关，而不是对于实际的转换过程。相关领域的研究者提出 对约束的不同划分。 w e i b e l 列出了综合算子必须遵守的四种约束类型【5 7 】，分别是几何约束、拓扑 约束、语义约束和格式塔约束。他研究了线简化的这四种约束。他对约束的四种 分类如下： 几何约束( 如：大小、位置、方向等) ； 拓扑约束( 如：连接、包含、相交等) ； 语义约束( 如语义冲突) ； 格式塔( g e s t a l t ) 约束( 如整体特征、视觉平衡) 。 通常，几何、拓扑的约束能够形式化地定义出来，而一个好的语义约束的定 义是难以捉摸的。而格式塔约束也是相当难以定义明了的，因为格式塔约束涉及 到一幅地图的感觉和印象。因此，综合算子通常是根据几何的、拓扑的和语义的 约束而设计的，而不是根据格式塔约束。综合算子不考虑格式塔约束的另一个原 因是格式塔约束必须在综合操作完成后才能对地图质量进行评价。例如，如果综 合操作首先完成了地图左边的综合，那么在这时进行格式塔约束评价，地图结果 就会产生奇怪的现象( 由于左右两边不一致) ，这时的评价就不准确，必须待右 边地图也综合完之后才不会产生评价的错误。 m i c h i e l 将约束粗略地分为：局部约束和全局约束两类【2 7 】。有些综合算子对 地图有局部的影响；而有些综合算子对地图有全局的影响。这种区分影响着在设 计综合算子的算法的过程中是否需要考虑这种约束，或是以后约束是否能更好地 被评价。例如，再分类是一个全局的综合操作；夸大和移位是局部的综合操作。 但它们仅局部改变了地图，因此这些综合操作可能引起地图综合的不一致性，这 种情况表现出来就是违背了格式塔约束，有时也同样违背了语义约束。 s t e i n i g e r 并h w e i b e l 将目标的空间关系区分为水平关系和垂直关系( 如图2 3 所 示) 【5 引，文中所指的关系其实就是约束。水平和垂直关系的区分不是来源于空间 属性。相反，它是用户和尺度所决定的。地图目标的水平关系存在于一个比例尺 的地图中，表示普遍的结构属性，例如邻接关系和形态结构。垂直关系是连接不 同比例尺地图之间的单个目标或群组目标之间的关系。 1 4 中南大学碗学位论文 第二章地图综合的算予与约束 f a ) 水平关系 ( b ) 垂直关系 图2 - 3 分类地田的水平关系和垂直关系 其中，水平关系( 约束) 又分为( 如图2 - 4 ) ： ( i ) 几何关系：包括大小、距离、邻近度和形状 ( 2 ) 拓扑关系； ( 3 ) 结构关系； ( 4 ) 语义关系； 图2 - 4 水平关系示意图 2 3 2 几何约束 几何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( 如距离等) 。典型的如单个要素的晟小尺寸、最小宽度和培小长度； 复合要素之间的最小距离等。它是指像避免太小的特征( 看不见的) ，和两个目 标太靠近( 合并) 而设立的约束。这类约束容易识别。比如，移位用来解决两个 目标太靠近的问题。移动一个目标一定距离保证与另一日标分开。几何约束不仅 是现阶段甫b 厨综合约束条件中研究最多的问题同时其约束值获取算法相对也比 较成熟，究其原因主要是因为几何约束便于量化处理。 中南大学硕士学位论文第二章地图综合的算子与约束 2 3 3 拓扑约束 拓扑约束确保了综合要素之间的基本拓扑关系( 如连通性、临近度、包容性 等) 。拓扑约束中最简单的是对于单个要素自相交的约束。当是复合要素时，拓 扑约束相对比较复杂，甚至是指一些通过分析才能获取的空间特征的保持。比如， 当道路网中某些连接点删除时，一些隐含的连接关系仍然需要保留，道路两边的 实体要素应该继续在两侧正确的位置上，不应该错边或被覆盖。拓扑约束并非所 有的要素综合都需要，一般体现在道路网综合中。拓扑约束包括避免线的自相交 情况，保证路网的连通性不被破坏。当综合操作处理不当时，这种情况会发生。 因此，在线简化操作中，应该注意避免线自相交情况的发生，而且如果从路网中 移除一条线而导致网络不连通的话，这样的操作也不能做。 由于制图综合中要素拓扑关系改变过程的复杂性，因此对于拓扑约束的研究 和约束值获取算法现阶段的研究仍然处于起步阶段。 2 3 4 语义约束 语义约束有必要保证地图是有意义的，不能包含明显的矛盾。如：在河流的 线简化后，河流沿着斜坡向上流。另一个语义约束的例子是，考虑到道路的地图 综合。如果综合后产生了大的绕弯，没有近的线路就表示语义上的错误。 虽然上面提到的这三类约束不容易保证，但是地图综合过程中还是应该经常 把这些约束考虑进去。 2 3 5 格式塔约束 执行综合操作需要考虑的第四种约束就是格式塔约束。它与保持整幅地图的 印象有关，包括保持地物特征的整体形状，整体的位置和地物特征的分布，并保 证综合的一致性。格式塔约束主要考虑地图的载负量，综合后地图的表达等因素。 如综合后的地图是否符合美学等要求。格式塔约束难以转化为综合操作的条件， 但在数据准备和结构分析中考虑得较多。格式塔约束涉及到美学、人的心理感知 等一系列相关科学，因此，有关该方面的研究成果还比较少。 2 4 约束与度量的转换 度量是在单个目标、类目标和地图三个层次上描述地理实体相关特征的基 础。度量可能是一个公式( 如计算面积) ，也可能是复杂的算法，它可能要求辅 助计算数据结构，如d e l a u n a y 三角形。度量可能是绝对的，如计算单个目标地 物的面积；度量也可能是相对的，需要通过比较这一类地物之间的关系。度量也 1 6 中南大学硕十学位论文第二章地图综合的算了与约束 包括检测某些综合算子( 如线的简化) 所带来