航海图自动制图综合理论与方法

第1章 绪论 “综合”一词起源于法文generalisation，表示概括。它又是拉丁文generalis（共同的，主要的）一词的派生词。这是从语言来源上考究的，它表达了“综合”一词的基本含义。综合，作为一种方法，在自然科学和社会科学研究中都有着广泛的应用。它是指研究任何事物都要抓住主要的、本质的东西（王厚祥和李进杰，1999；张立华等，2017）。 §1.1 海图自动制图综合的概念 1.1.1 制图综合 在手工制图作业方式下，制图综合已形成自身的一套理论和方法。在我们研究自动制图综合的时候，不能不提及制图综合定义。目前，关于制图综合定义的论述较多，一般都认为“制图综合是在地图用途、比例尺和制图区域地理特点的条件下，通过地图内容的选取、化简、概括和位移，建立新的地面要素组成及其地理分布和相互联系的地图表象的一种制图方法”。这一定义指出了“制图综合”概念所反映的对象的本质属性，包括了制图综合的条件、方法、结果，所以从本质上来说，它对模拟地图制图和数字地图制图都是适用的。但是，由于数字地图有着与模拟地图不同的特征，因此，对于数字地图环境下的制图综合这一概念应该作出具体的解释（王家耀和武芳，1998）。 数字地图是在一定的坐标系统内，具有确定的坐标和属性标志的地面要素和现象的离散数据在计算机可识别的存储介质上概括的、有序的集合。同模拟地图相比，数字地图具有计算机可读、可利用各种现代通信设备进行传输、可与现代设备搭配使用等特征。当然，在一定的硬件和软件环境下，数字地图与模拟地图之间是可以互相转换的。 自动制图综合是在数字地图环境下根据地图用途、地图比例尺和制图区域地理特点的要求，由计算机通过编程的模型、算法和规则等对数字化了的制图要素与现象进行选取、化简和位移等操作的数据处理方法（王家耀和武芳，1998）。自动制图综合具有以下特点。 （1）自动制图综合在操作对象、主体、方式和结果等方面，与手工制图综合不同。前者的操作对象是数字地图，操作主体（操作者）是彼此交互的制图员与计算机，操作方式是在计算机可读情况下通过编程实现，操作结果是数字地图（经过综合的）；而后者的操作对象却是模拟地图，操作主体是制图员，操作方式是利用绘（刻)图工具在目视可读情况下直接处理图形资料，其结果是模拟地图。 （2）由于模拟地图具有目视可读的特点，所以手工制图综合过程中的选取、化简、概括和位移等操作是一次（同时）完成的。而在数字地图环境下，只有计算机可读，选取、化简和位移等操作是分别独立进行的，其操作步骤具有很强的可分解性。从这个意义上说，制图综合过程中的操作步骤分解得越细（当然要合理），自动制图综合的实现就相对越容易。 （3）模拟地图的制图综合结果仍然是模拟地图，在目视可读的情况下，制图综合的质量是可以目视检查的，当然也是可以目视修改的。数字地图制图综合的结果仍然是数字地图，计算机可读，但目前计算机还无法判别综合结果是否符合要求（地图用途、比例尺和制图区域地理特点），因此，还必须在图形交互编辑条件下，将制图综合结果显示在屏幕上，由制图员进行检核并利用修改功能予以修改，或者通过系统绘图软件在绘图仪上输出制图综合结果，供制图员检核并反馈修改。 （4）制图综合是一个复杂的创造性思维过程和繁重的劳动过程，在模拟地图制图综合的情况下，这种复杂的创造性思维过程和繁重的劳动过程都是由制图员（人工）完成的，综合质量取决于制图人员对制图对象规律的认识和对这些规律的表达能力；在数字地图制图综合条件下，复杂的创造性思维过程由制图员完成。而繁重的劳动过程却是计算机编程实现的，即使是引用专家系统技术，计算机也只是模仿该领域专家在制图综合过程中处理问题的思维方式，解决由制图专家才能处理好的问题，综合质量取决于模型、算法、规则的合理性和完备性以及智能化程度；制图综合的决策是由制图员作出的，而决策的实现是由计算机执行的。 1.1.2 海图自动制图综合 海图亦称海洋地图，描绘对象为海洋及其毗邻的陆地。航海图是直接用于航海定位、保证航行安全的海图，是*先发展起来且出版数量*多的一类海图。在相当长的一段时间内，海图与航海图是同一概念（郑义东等，2009）。随着海图种类不断增加，航海图以外的其他海图逐渐出现，但由于数量较少，且当前在探讨、研究海图制图综合时，主要是围绕航海图展开的，故后文相关的阐述中不再严格区分海图与航海图的概念，仅依据概念的特定背景差异和使用习惯的不同采用了不同的术语。 海图制图综合，就是在海图主题和用途的要求下，在海图比例尺的限制下，通过选取、概括和化简等手段，将制图要素表示在海图上，以反映客观实际的某一局部（或某一方面）的基本规律和典型特征（王厚祥和李进杰，1999；张立华等，2017）。 自从电子计算机介入海图生产体系以来，用数字制图技术生产海图和海图集已不再是梦想，使得海图生产从过去低效率、分散式的手工作业逐步过渡到半自动化、高效率的生产方式，海图编绘、数字海图生产和纸质海图生产逐步融为一体，使用小笔尖、曲线笔刻绘等工艺已成为历史，取而代之的是数字化仪、扫描跟踪和扫描识别、激光绘图等设备、技术以及海图制图软件广泛应用，这标志着海图生产已由传统模拟方式开始向数字化方式转变。随着海图产品的数字化和各种地理信息系统的建立，各种各样的数字海图产品和地理信息数据成为新编图的重要资料来源，对这些数据资料的加工和处理，在数字海图生产中显得越来越重要。这些问题能否得到有效解决与海图自动制图综合密切相关。在新的技术条件下海图自动制图综合问题引起了国内外的重视，成为当今地图制图学和地理信息工程领域的重要研究课题之一。 海图自动制图综合，是在数字制图环境下，根据海图用途、海图比例尺和制图区域地理特点的要求，由计算机通过编程的模型、算法和规则等，对数字化了的海图要素与现象进行选取、化简和位移等操作的数据处理方法。 §1.2 海图自动制图综合的内容 1.2.1 海图自动制图综合的基本原则 考虑到制图综合的复杂性和海图制图及数字海图自身的特点，数字海图自动综合必须遵循以下原则。 （1）自动制图综合的一切方法、规则和指标，都应以满足海图主题和用途要求为出发点。 （2）必须坚持地理位置精确性和地理适应性相统一以及内容完备性和清晰易读性相统一的原则。 （3）必须保持合理区域景观特征，如要素的分布特征和不同地区的分布密度、海岸的形态特征等。 （4）要充分考虑海图自身所具有的特点。如以海部要素的综合为重点，对海洋要素表示的详细程度要远胜于陆部；海岸线的综合在遵循线状要素一般综合原则的同时，必须遵循“扩大陆地，缩小海域”原则；与地形图相比，海图的内容载负量较小等。 （5）必须考虑到计算机难以实现的问题。如主观方面的个人制图综合作业的经验和感受，客观方面的要素本身的特征、要素所处地理环境等方面，都不利于计算机进行自动海图制图综合(陈高兴等，2004)。在目前的条件下，宜采用人工交互方式解决此类问题。 （6）采用面向地理特征方法的原则，充分利用数字海图数据分层的特点，针对目前主要的自动制图综合方法的优势与不足，对不同地理要素选用不同且适合其地理特征的自动综合方法。如数理统计、模糊数学等方法侧重于地理要素的内容选取，分形方法、数学形态学和要素平面坐标解析方法侧重于地理要素的图形概括。 1.2.2 海图自动制图综合的主要问题 海图制图综合是地图制图综合的应用分支，遵循地图综合的基本原理和方法，同时也有其特殊的要求和方法。因此，海图自动制图综合研究由两部分组成：传统的地图（通用要素）自动制图综合和海部要素的制图综合。 一般认为，地图自动制图综合主要涉及7方面的问题（王昭和张辉，2017）。 一是对地图制图综合的认识问题：地图综合作为科学的制图方法，应该遵循哪些规律。 二是综合指标模型：地图综合的主要指标如何“计量化”。 三是地图制图综合的算子和算法：算子是地图综合所需的操作，算法是控制计算机如何去实现这些操作。 四是地图制图综合的知识和规则：有一些综合的要求很难用算法实现，因此需要将制图专家手工完成地图综合时所用到的各种知识（包括地图规范、制图经验、书本知识等）分类形成知识库和规则库，用于指导综合。 五是地图制图综合的过程控制：从全局把握整个自动综合过程，主要控制综合环境、综合算法和工作流程。 六是地图制图综合的质量控制：建立地图综合的约束条件和结果评价模型。 七是地图制图综合的系统化和工程化：如何实现全要素、全过程、可控制的整体的，并形成生产可用的软件。目前，海图自动制图综合研究的主要关注点是作为专用要素的海图对象综合的具体模型、算法和规则。 海图制图综合理论与方法一直是伴随着地图制图综合理论与方法的发展而不断发展的。但就目前来看，在数字地图环境下，模型、算法和规则仍是自动制图综合实施的基础。因为只有易于程序化（计算程序和人工智能程序），计算机才能执行制图综合的各项操作，而模型、算法和规则是易于编程的（王家耀和武芳，1998）。海图也不例外，研究制图综合的模型、算法和规则，是研究海图自动制图综合的一项基础性工作。 1.基于模型的制图综合 制图综合模型指描述制图综合中的某些关系的数学表达式。例如：制图物体的选取数量同地图比例尺、制图物体的实地密度（或资料图上）之间的关系，可以用著名的开方根规律公式和回归模型来描述；制图物体的重要性程度同其本身的各种属性特征之间的关系，可以用普通综合评判和模糊综合评判模型来描述等。 制图综合的模型方法，是实现制图综合指标量化的重要手段，反映了制图技术现代化的趋势，对提高手工制图综合的科学性和促进自动制图综合的发展都是必要的。所以，对制图综合模型化的研究应当予以肯定。 从目前的研究结果来看，制图综合模型主要包括定额选取模型、结构选取模型和定额—结构选取模型。定额选取模型解决选取多少的问题，从宏观上控制选取数量，并在不同制图区域之间起数量上的平衡的作用；结构选取模型解决选取哪些制图物体的问题，保证重要物体入选，平衡制图物体的分布特征；定额—结构选取模型则同时控制选取数量和具体选取对象。 应该指出的是，制图综合模型虽是描述制图综合中某些关系的数学表达式，但并不是用一般的函数关系来确定的。制图综合中的某些关系一般都是非确定性的依赖关系，是某种统计规律的数学描述。因此，用这些公式计算制图综合指标的可靠性程度时会受到许多因素的制约。例如：用回归模型计算制图物体（居民地、岛屿）定额选取指标的可靠性，受统计样本数量及其分布的合理性、统计资料（地图）的现势性等因素的制约；用开方根规律公式计算定额选取指标的可靠性，受公式参数X（选取级）的合理性的制约；用模糊综合评判模型计算制图物体（居民地、航标）重要性程度的可靠性，受评判因素的完备性等条件的制约。这就告诉我们，在机助制图综合过程中，对于基于模型选取的结果，还须利用图形交互编辑手段来协调和平衡。 2.基于算法的制图综合 所谓制图综合算法，指对某一类制图综合问题进行有穷地、机械地判定（计算）的过程，它只用有穷多条指令描述，计算机便按指令执行有穷步的计算过程，从而得出制图综合结果。 制图综合算法可以概括为两类：一类是面向目标（物体）的算法，如化简曲线的算法、航标选取的算法、处理各要素相互关系的位移算法等；另一类是面向过程（制图综合）的算法，以居民地的选取过程为例，首先利用定额选取模型计算定额选取指标（选取数目），利用结构选取模型计算居民地的重要性程度等级值，然后依等级值高低逐次选取，直到与计算的选取数目相符。上述对居民地的选取过程，可以用一种特定算法来描述。 制图综合问题的算法化，是实现自动制图综合的一项重要研究任务。凡