土地使用制图综合自动化过程和综合规则研究

第一章绪论

1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
制图综合一直以来都是地图学的一个重要研究内容。在地图编制的整个过程，包括内业制图和外业测图，以及编制普通地图或专题地图，都必然存在制图综合的问题。它贯穿于编图资料的选择、地图内容的取舍、制图对象的分类分级、表示方法的确定以及地图符号的设计的整个过程。随着计算机和GIS技术的迅速发展，人们开始尝试用计算机来代替人工自动进行制图综合，目前己经有相对成熟的一蜜理论，但实际操作起来还有一定的难度。这是因为制图综合不是对制图区域简单的概括和缩小，而是制图人员的一种创造性的劳动，需要足够的智慧、经验和抽象思维能力。但是计算机对这种复杂的人类智慧的模拟还存在许多尚未解决的技术难点。本文将尝试性研究制图综合自动化的理论和基本方法，主要是通过部分地图元素的计算机综合算法研究和实验证明地图综合自动化的可行性。
1.1.2研究意义
计算机制图综合或制图综合自动化一直是地图学研究前沿的难点之一。随着GIS技术的发展，制图综合逐渐演变为图形数据的多尺度表达以及属性信息的数据综合。也就是说制图综合包括两个方面内容：图形综合和数据综合。其中图形的综合取决于人脑或计算机对图形视觉上的感受和分辨能力，数据综合则取决于计算机对数据的处理能力。传统制图综合的对象是纸质或模拟地图，以手工方式进行。GIS技术的发展推动着人们开始研究制图数据库的综合，特别是数据库的自动综合即制图综合自动化。国内外学术界对此普遍重视。目前，欧美等发达国家以及其他一些国家制图局已经开始制图综合自动化的研究，并取得了一些成果。但制图综合还处于理论研究较多阶段，要实现全自动化综合难度很大，目前釆用较多的是自动化综合和交互式综合相结合的方式。土地利用图是使用最普遍的专题地图之一，人工制图存在诸多弊端。首先，人工制图综合过程是极其费时又费力的，而机助制图能大大减少繁难的手工劳动；其次，人工综合主观因素过多，许多问题靠定性来解决，而计算机是遵循定的程序，客观定量的完成制图综合的；再次，计算机技术日渐成熟，制图综合技术也相应成熟，以越来越精确的达到人们的需求。制图综合自动化是制图综合未来的发展方向，探求如何将计算机数据综合技术与GIS技术相结合，推进土地利用图的自动化综合十分必要。

1.2国内外研究现状
计算机制图综合最早可追溯到1966年Tobler和Perkal的工作(Perkal, 1966;Tobler, 1966)。他们提出了一些机助制图的基本原则，但由于具体操作难度较大而进展有限。并且早期的制图综合工作侧重于比较单一的算法研究。比如Dougks-Peucker算法，被认为是线状要素综合的经典，并沿用至今(Douglas,Peucker, 1973)。1980s产生了机助制图综合的理论框架和概念模式，比如Nickerson和Freenian( 1986)模式，该模式提出了针对专家系统应用的可行操作策略。1988 年出现了综合概念模式(Brassel, weibel, 1988)。1989 年，McMaster给出了全面的综合概念模式，至今仍被沿用。1990s计算机制图综合有了较大进展。从1990s初开始，交互式的制图综合系统进入开发，一些国际性或国家级的专业组织机构开始建立，主要致力于计算机制图综合研究和专业会议的组织。例如国际制图协会制图综合工作组、欧洲科学基金会、美国国家地理与分析屮心等。按照发展侧重点的不同，可以将制图综合分为两个时期1980及以前，属于理论建设时期：最早到1966年Tobler和Perkal的工作(Perkal，1966； Tobler, 1966), Tobler 论述了客观化的制图综合，Perkal 就数值化的制图综合做了定量化的研究工作。
在这个基础上，人们开始往制图综合自动化的方向上前进。但限于早期计算机技术的发展和理论的E乏，早期的工作多是单个图形（主要是线状符号），相应的程序和算法比较单一。这一时期，开发出了一些线性的简化算法，有根据相邻点逐点顺序处理线段的算法和分段考虑线性特征。Reumann(1974)在两者的基础上，做了线段的几何形态复杂性研究。另外，还有一些线形平滑的算法和算法集成问题得以研究。线状符号较为复杂的问题在这一时期也得到了研究，Nickerson和Freeman等(1986)讨论了两线的算法。点状和面状制图综合的问题在这…时期没冇被过多涉及，DeLucia和Black在1987年给出了若干点汇聚为个面的算法。
  
  1.3 研究目的和主要研究内容 .....................14-15
    1.4 论文的主要创新点 .....................15-16
第二章 制图综合自动化相关理论 .....................16-23
    2.1 制图综合概述 .....................16-18
    2.2 制图综合自动化 .....................18-20
        2.2.1 制图综合自动化概述 .....................18-19
        2.2.2 制图综合自动化口前成果分析 .....................19-20
    2.3 制图综合自动化的内容 .....................20-22
    2.4 小结 .....................22-23
第三章 土地利用图制图综合自动化过程和综合规则 .....................23-32
    3.1 制图综合自动化过程 .....................23-24
    3.2 制图综合自动化知识规则 .....................24-31
    3.3 小结 .....................31-32
第四章 算法的主要理论和依据 .....................32-38
    4.1 数学形态学 .....................32-35
        4.1.1 数学形态学概述 .....................32-33
        4.1.2 在制图综合自动化上的应用 .....................33-35
    4.2 形状分析 .....................35-37
    4.3 小结 .....................37-38
第五章 算法设计及仿真测试 .....................38-57
    5.1 线状要素处理 .....................38
    5.2 图斑处理 .....................38-54 
    5.3 综合实例验证 .....................54-55
    5.4 小结 .....................55-57

总结

本文在国内外制图综合自动化研究现状的基础上，阐述了制图综合自动化的相关内容、影响因素和方法过程等，依据制定的制图综合自动化的知识规则，进行了一系列算法的设计和实现。主要的成果如下：
1、根据制图综合理论的概念，分析了影响制图综合自动化的因素；根据影响因素，介绍了制图综合的方法和主要的内容，详述了属性综合、图形综合、数据预处理和综合结果的质量评价。
2、根据制图综合的步骤和制综合自动化的要求，建立了制图综合自动化体系。在此基础上，建立了相关的知识规则：地理要素的选取规则、属性数据的综合规则、图形数据的综合规则还有连续比例尺设计的规则等。
3、介绍了实现本实验算法的主要理论和算法依据，包括数学形态学和形状分析的内容。数学形态学可以应用到整个算法的过程，形状分析主要用在图斑的分析上。
4、进行了综合过程中一系列算法的设计和仿真设计。图斑合并时，设计出“牵引力算法”，解决了小图斑合并的问题；图斑压缩主要是重心表示的方法（点化）和巾轴线提取的方法（线化)；图斑形状的化简依据凸包原理，将不明显的边界细节用凸包边界代替；综合过程屮还会遇到图斑边界不一致的问题，提出了11 ‘轴线分割的算法处理图斑相交问题，对于相离的图斑，运用数学形态学膨胀运算进行处理。

参考文献

陈健，GIS环境下基于知识规则的土地利州数据制图综合研究[D]，北京：北京农业火学,2003.
弗.特普费尔.制阁综合[M]北京：测绘出版社,1982:124_158.
郭庆胜，地图动综合知识的分类及其形式化描述[J]，解放军测绘学院学报，1998,15(3):199-203.
郭庆胜，地阁自动综合理论与方法[M].北京:测绘出版社，2000:30-36.
郭庆胜,地图综合方法的研究进展[J].地图杂志，1999,1999(4):13-16.
郭仁忠，毋河海.地形图上城镇居民地自动综合试验[J].武汉测绘科技大学学报,1993 ,18(2):15-21.
郭仁忠，艾廷华.制图综合屮建筑物多边形的合弁与化简[J].武汉测绘科技大学学报，2000，25(1)-25-30.
高文秀,毋河海.GIS屮专题属性数据综合的芯干问题[J].武汉大学学报：信息科苧版，2002,27(5):505-510.
花叶,上海市主体功能区划分与综合制图[J].地理空问信恩,2010,8(6):123-125.
廖克,喻沧著等，屮国近现代地图学史[M] 济南,山东教冇出版社，2008 260-262.