馬京振，肖 強(qiáng)，溫伯威，楊 超

(1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001；2.96633部隊(duì)，北京 100096)

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基于MicroStation的定向地圖制圖系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馬京振1，肖 強(qiáng)1，溫伯威1，楊 超2

(1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001；2.96633部隊(duì)，北京 100096)

定向地圖是定向運(yùn)動中的必備工具之一，是決定比賽成功的關(guān)鍵因素。文中分析定向地圖的特點(diǎn)，總結(jié)OCAD軟件制圖的流程及存在的問題，提出定向地圖的一體化生產(chǎn)模式，并對地圖符號化、屬性管理、地圖編輯等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。最后，在MicroStation平臺上通過MDL二次開發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定向地圖制圖系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地圖編輯、出版處理等功能，該系統(tǒng)在實(shí)踐中得到較好的應(yīng)用。

定向地圖；一體化生產(chǎn)；地圖符號化；MicroStation

定向運(yùn)動是一項(xiàng)世界性的體育運(yùn)動，是參與者借助指北針和定向地圖，在比賽區(qū)域內(nèi)選擇路線、尋找目標(biāo)，力爭用最短時間依次找到圖上檢查點(diǎn)并完成比賽線路的戶外運(yùn)動，它能鍛煉人的身體素質(zhì)和野外識圖用圖能力，娛樂性和實(shí)用性兼?zhèn)洹６ㄏ虻貓D是公平競賽的基礎(chǔ)，也是發(fā)展這項(xiàng)運(yùn)動的重要條件，因此，制作出準(zhǔn)確、清晰的定向地圖尤為重要。

目前，大多數(shù)的定向地圖是利用OCAD軟件繪制的，但由于不是專業(yè)的制圖軟件，其存在圖形編輯不夠靈活、不能實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)等問題。MicroStation制圖系統(tǒng)不僅具有良好的圖形化作業(yè)環(huán)境，而且能夠管理圖形的各種數(shù)據(jù)信息，目前在測繪中的應(yīng)用越來越廣泛。本文以定向地圖一體化生產(chǎn)的需求為牽引，對定向地圖制圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 定向地圖及其特點(diǎn)分析

1.1 定向地圖介紹

定向地圖是定向運(yùn)動員野外找點(diǎn)必備的參考工具，是一場定向比賽成功的關(guān)鍵因素之一，從參賽人的角度看，一張準(zhǔn)確和清晰的地圖是選擇路線的可靠向?qū)В敢麄冄刂粭l選定的、適合自己的定向技能與體能的路線前進(jìn)。定向地圖上必須包含對參賽人來說是明顯的、從使用者角度看是有價值的地面特征物[1]，通常情況下，地圖表示的內(nèi)容包括地貌、巖石與石塊、水體與濕地、植被和人造特征物等五類地理要素。

1.2 特點(diǎn)分析

與普通地形圖相比，定向地圖的特點(diǎn)：

1)地圖符號與顏色方面：普通地形圖圖式中包含幾百種符號，而定向地圖只有一百多種符號。在顏色表示方面，定向地圖中基本地理要素(如水系、地貌等)的顏色與地形圖類似；但對于顏色的組合使用，定向地圖將其賦予了描述實(shí)地通行程度、可跑性等含義，并使用不同顏色或者同一顏色的不同亮度來區(qū)分不同的植被符號，如白色是指通行路況較好的樹林，綠色越深表示樹林越密，通行度越差。

2)注記表示方面：普通地形圖中的注記分為名稱注記和說明注記[2]，而定向地圖上除了特殊情況需要標(biāo)注高程外，沒有其他文字或數(shù)字注記，替代注記的是檢查點(diǎn)說明表(表1展示了檢查點(diǎn)說明和對應(yīng)的文字解釋)，包括點(diǎn)位的特征物、外觀細(xì)節(jié)、尺寸與組合等信息描述，通過符號來表達(dá)部分重要地理要素的屬性信息。

表1 檢查點(diǎn)說明和文字解釋

3)其他方面：普通地形圖以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，有精確的比例尺和地圖分幅要求；而定向地圖比例尺不固定，圖幅范圍不確定，對地圖分幅沒有要求。定向地圖是使用經(jīng)緯度坐標(biāo)而不是直角坐標(biāo)來確定地理目標(biāo)位置，而且為了便于指北針的使用，圖幅上是磁北方向而不是坐標(biāo)北方向。

2 定向地圖的數(shù)據(jù)分類及制作流程

2.1 定向地圖的數(shù)據(jù)分類

定向地圖的數(shù)據(jù)來源于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，需要利用的多源空間數(shù)據(jù)的種類主要包括：①國家基本比例尺地形圖：已建成的空間數(shù)據(jù)庫是定向地圖的重要數(shù)據(jù)源，其中1:10000的大比例尺地形圖，精度較好，適合定向地圖的底圖；②航空數(shù)據(jù)與遙感影像：基礎(chǔ)航空攝影和遙感技術(shù)是獲取基礎(chǔ)地理信息的主要手段，航空攝影數(shù)據(jù)和遙感影像包含豐富的信息，在制圖領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用；③實(shí)測數(shù)據(jù)：野外實(shí)地測量的數(shù)據(jù)精確性較高，通過GPS和全站儀測量可以獲取精確的點(diǎn)位坐標(biāo),可作為一種重要的補(bǔ)充數(shù)據(jù)；④紙質(zhì)地圖：對于沒有矢量數(shù)據(jù)的區(qū)域，可通過掃描矢量化的方式生產(chǎn)空間數(shù)據(jù)[3]；⑤其他專題數(shù)據(jù)。

2.2 定向地圖的制作流程

OCAD軟件是八十年代后期瑞典、挪威定向工作者研制出來的一款專業(yè)的定向地圖制作軟件，目前大多數(shù)專業(yè)的定向地圖都是由該軟件繪制的[4]，利用OCAD軟件制作定向地圖的流程如圖1所示。

圖1 利用OCAD制作定向地圖的流程

①根據(jù)定向運(yùn)動的區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有該區(qū)域的制圖信息，選取相應(yīng)數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)比例尺恰當(dāng)?shù)牡乩硇畔?shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)路線，設(shè)置起點(diǎn)、終點(diǎn)和打卡機(jī)位置點(diǎn)；②選擇OCAD軟件中已有的定向地圖模板，導(dǎo)入選取的地圖數(shù)據(jù)，根據(jù)需要進(jìn)行野外實(shí)地測量，然后進(jìn)行定向地圖的編輯修改，根據(jù)設(shè)計(jì)好的路線繪制路線圖，并設(shè)置檢查點(diǎn)說明，完成整個地圖的繪制；③將制作好的地圖通過打印或印刷的方式輸出成圖。

2.3 存在問題分析

OCAD軟件是一款專業(yè)的定向地圖制作軟件，其提供ISOM2000的標(biāo)準(zhǔn)圖式，為制作標(biāo)準(zhǔn)的定向地圖提供很多便利，但是其仍然存在一些問題：①定向地圖從某種意義上可以看作是一種特殊的專題地圖，但OCAD軟件并不是一款通用的制圖軟件，數(shù)據(jù)采集、圖形處理以及編輯修改等功能不夠靈活；②定向地圖的制作需要對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合利用，OCAD軟件只能夠進(jìn)行地圖編輯，不具備投影變換、幾何糾正、空間數(shù)據(jù)符號化等數(shù)據(jù)處理功能；③利用OCAD軟件能夠?qū)崿F(xiàn)定向地圖的編制，但不能生產(chǎn)該地區(qū)定向地圖的空間數(shù)據(jù)，對進(jìn)一步利用定向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析造成諸多不便。

3 MicroStation環(huán)境下定向地圖制作的關(guān)鍵技術(shù)

OCAD軟件只能完成定向地圖的繪制，不能實(shí)現(xiàn)定向地圖制圖與地理信息的一體化生產(chǎn)，因此，鑒于MicroStation軟件在圖形編輯以及在數(shù)據(jù)管理方面的優(yōu)勢，本文主要探究MicroStation環(huán)境下進(jìn)行定向地圖一體化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 總體方案及技術(shù)流程

MicroStation環(huán)境下定向地圖的一體化生產(chǎn)模式，總體方案和技術(shù)流程如圖2所示，首先收集制圖區(qū)域的數(shù)據(jù)資料，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，如坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和幾何糾正等；然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MicroStation數(shù)字制圖平臺，連接數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)的符號化處理；再進(jìn)行編輯修改、關(guān)系處理和繪圖檢查等操作；最后進(jìn)行地圖的出版處理，得到紙質(zhì)定向地圖。其中，定向地圖的符號化表達(dá)、屬性管理與地圖編輯技術(shù)貫穿于整個定向地圖的一體化生產(chǎn)過程，是定向地圖制作的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 定向地圖一體化生產(chǎn)的總體方案及技術(shù)流程

3.2 定向地圖的符號化表達(dá)

地圖符號化技術(shù)是數(shù)字制圖的核心技術(shù)，符號化表達(dá)的好壞決定了制圖成果的優(yōu)劣[5]。定向地圖的符號化過程實(shí)現(xiàn)地圖要素編碼與定向地圖符號的對應(yīng)過程[6]，這種符號化表達(dá)是在制圖的全過程而不是某一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)符號化，并滿足定向地圖要素采集、編輯修改能實(shí)時符號化的要求，符號化后的地圖符號最終定向地圖出版時的地圖符號。

3.2.1 定向地圖符號庫的建立

實(shí)現(xiàn)定向地圖的符號化，必須有相應(yīng)的符號庫支持。MicroStation提供便利的符號制作工具，根據(jù)定向地圖圖式規(guī)范的要求，建立相應(yīng)的符號庫。

1)符號線寬規(guī)定。MicroStation中提供了32種線寬變化(WT=0～31)，根據(jù)圖式符號的尺寸要求，在符號制作前建立線寬與實(shí)際尺寸的對應(yīng)關(guān)系，如WT=1代表0.1 mm。

2)符號顏色規(guī)定。定向地圖的符號主要由7種顏色構(gòu)成，在MicroStation中根據(jù)符號的顏色規(guī)定設(shè)置色表，定義每種顏色的RGB值和地圖出版時的CMYK值，并建立兩者的對應(yīng)關(guān)系，如1號色代表100%藍(lán)，2號色代表75%藍(lán)。

3)點(diǎn)狀符號制作。點(diǎn)狀符號在MicroStation中稱為圖元(cell)，每個圖元由點(diǎn)、線、圓弧等基本元素構(gòu)成，根據(jù)定向地圖符號的顏色、線寬、長度等規(guī)定制作點(diǎn)狀符號即可，最后保存在圖元庫中。

4)線狀符號制作。定向地圖的線狀符號比較簡單，可由一組基本的圖形單元循環(huán)配置而成。MicroStation提供的線狀符號制作工具比較強(qiáng)大，首先建立線型庫，然后根據(jù)圖式要求制作線狀符號即可。

5)面狀符號制作。定向地圖面狀符號由填充色和填充樣式組成，MicroStation中不提供面狀符號庫，而是提供“區(qū)域填充”工具，把填充圖案放到圖元庫或線型庫中，利用填充工具完成面狀符號的制作。此外，還可以根據(jù)自己的需要，在MicroStation的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，完成復(fù)雜面狀符號的制作。

3.2.2 多源數(shù)據(jù)屬性編碼與定向地圖符號的對應(yīng)

在定向地圖的符號化過程中，由于沒有現(xiàn)成的定向地圖數(shù)據(jù)，通常利用已有的地形圖數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)，通過建立地形圖要素屬性編碼與定向地圖符號的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向地圖的符號化。由于定向地圖要素種類少、符號少且沒有注記的特殊性，兩者的對應(yīng)關(guān)系如下：①一一對應(yīng)：部分地形圖要素和定向地圖的符號是一一對應(yīng)的，如等高線、沖溝、陡崖等地貌要素；②多對一：普通地形圖的要素種類多，定向地圖的要素種類少，因此很多地形圖要素和定向地圖符號是多對一的關(guān)系，如地形圖中的單線鐵路、復(fù)線鐵路、窄軌鐵路對應(yīng)定向地圖中的鐵路符號；③零對一：定向地圖只表示對參賽人來說有價值的特征物，而地形圖需要詳細(xì)表示各類地理要素，因此很多地形圖中的要素是不需要在定向地圖中表示的，如測控點(diǎn)、境界、部分公共設(shè)施和水文要素等。此外，定向地圖的制作通常需要進(jìn)行外業(yè)測量，在對外業(yè)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行符號化處理時，建立外業(yè)測量數(shù)據(jù)屬性編碼與定向地圖的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而將實(shí)測數(shù)據(jù)符號化表達(dá)為所需要的定向地圖數(shù)據(jù)。

3.2.3 定向地圖符號化的控制

分層規(guī)定定義了不同要素的優(yōu)先級關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)定向地圖要素關(guān)系的處理；符號化控制表確定了符號化的對應(yīng)關(guān)系，用戶可通過建立不同的控制表，實(shí)現(xiàn)不同地圖內(nèi)容的符號化。

1)分層規(guī)定。定向地圖要素的關(guān)系處理復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)地圖的出版時要考慮不同要素壓蓋關(guān)系，因此把地圖要素放在不同的層上，靈活地進(jìn)行壓蓋關(guān)系。分層是分類的細(xì)化，分層的規(guī)定主要受地圖要素類型、符號顏色、要素壓蓋優(yōu)先等級等因素的影響，MicroStation中定向地圖的分層如圖3所示。

2)建立符號化控制表。通過建立符號化控制表可以控制定向地圖符號化的整個過程，控制表中按點(diǎn)、線、面要素進(jìn)行歸類并進(jìn)行控制。點(diǎn)、線要素控制表的內(nèi)容主要包括符號名稱、要素編碼、層名、顏色、寬度等，面狀要素的控制表較為復(fù)雜，還包括填充色、填充樣式等。

圖3 MicroStation中定向地圖的分層顯示(部分)

3.3 定向地圖屬性管理與編輯技術(shù)

如果僅僅實(shí)現(xiàn)定向地圖的生產(chǎn)，則不需要空間數(shù)據(jù)的屬性管理，制圖系統(tǒng)只需提供圖形編輯功能即可，但是在定向地圖制圖與空間數(shù)據(jù)一體化生產(chǎn)模式中，必須在制圖的過程中使用屬性管理，并實(shí)現(xiàn)基于屬性管理的編輯修改，把地圖生產(chǎn)的過程同時變成空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過程。

3.3.1 屬性管理在定向地圖中的應(yīng)用

屬性管理是GIS中非常成熟的技術(shù)，是GIS應(yīng)用分析的基礎(chǔ)，而目前的制圖軟件都是基于圖形或符號的，在地圖制圖中借鑒屬性管理的技術(shù)，能夠使空間數(shù)據(jù)管理與地圖制圖有機(jī)結(jié)合，從而進(jìn)行一體化的生產(chǎn)[8]。如果要存儲屬性信息，就必須在定向地圖制圖的過程中連接屬性數(shù)據(jù)庫，用它存放定向地圖要素的各種地理屬性信息(主要是定位坐標(biāo)和編碼屬性信息，不包含注記信息)，符號化之后通過指針連接起地圖符號與屬性記錄的聯(lián)系。只有這樣，經(jīng)過地圖編輯修改后，地理要素的屬性信息不會丟失，才能進(jìn)行地理信息的生產(chǎn)或更新。其中，定向地圖要素的空間坐標(biāo)可從作圖平面上獲取平面坐標(biāo)，再經(jīng)投影變換得到，屬性信息從屬性數(shù)據(jù)庫中提取，最終得到所需要的地理空間數(shù)據(jù)，這就是空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程。MicroStation平臺中，定向地圖的屬性信息數(shù)據(jù)使用通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，地圖符號文件通過ODBC形式連接屬性數(shù)據(jù)庫。

3.3.2 基于地理屬性管理的定向地圖編輯

在地圖制圖的過程中使用屬性數(shù)據(jù)庫管理要素屬性，可以實(shí)現(xiàn)地圖編輯從基于圖形、符號到基于地理屬性的飛躍[9-10]。在定向地圖的符號化控制表中，已經(jīng)定義了地理屬性與定向地圖符號之間的關(guān)系，在連接了屬性數(shù)據(jù)庫之后，就能夠存儲地圖符號的各種屬性信息。如果要修改一個地圖要素，首先修改屬性數(shù)據(jù)庫中它的屬性信息，然后根據(jù)要素的編碼信息確定改變的定向地圖符號，完成修改操作。這種基于地理屬性管理的定向地圖編輯方式，既能夠編輯修改地理要素的屬性信息，同時能夠編輯修改對應(yīng)的定向地圖符號，可大大提高工作的效率。

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在MicroStation V8平臺下，采用MDL語言(MicroStation Development Language)實(shí)現(xiàn)，MDL是一個完整的開發(fā)環(huán)境，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，并且提供了MicroStation的各類圖形函數(shù)庫。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖4所示，系統(tǒng)的主界面如圖5所示。

4.2 系統(tǒng)的主要功能

基于MicroStation的定向地圖制圖系統(tǒng)的主要功能：

1)多源數(shù)據(jù)處理功能：系統(tǒng)能夠?qū)Χㄏ虻貓D的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對地形圖數(shù)據(jù)、野外測量數(shù)據(jù)、紙質(zhì)地圖、遙感影像等多源數(shù)據(jù)的輸入和讀取，能夠?qū)崿F(xiàn)投影轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、幾何糾正等數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。

2)定向地圖符號化功能：系統(tǒng)中建立定向地圖的符號庫，在數(shù)據(jù)讀取與符號庫的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)地圖的符號化功能，為進(jìn)一步的編輯修改和出版成圖提供便利。

3)定向地圖編輯與修改功能：MicroStation軟件提供強(qiáng)大的地圖編輯功能，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)要素的采集、圖形的編輯修改、要素查詢、制圖綜合處理等功能。

圖4 定向地圖制圖系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

4)定向地圖屬性管理功能：系統(tǒng)連接空間數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)的屬性信息進(jìn)行管理，并實(shí)現(xiàn)基于屬性管理的編輯修改，在管理屬性信息的同時對圖形、符號進(jìn)行編輯修改，把空間數(shù)據(jù)的管理與地圖制圖結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)定向地圖的一體化生產(chǎn)。

5)定向地圖整飾與出版功能：系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)地圖整飾的功能，包括圖名、比例尺、指北針、檢查點(diǎn)描述表以及路線設(shè)計(jì)等；在地圖出版方面，還可以實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換、添加圖形蒙片等功能，最終以打印或印刷的方式輸出成圖。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的定向地圖制圖系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)OCAD軟件制圖的不足，能夠?qū)⒌貓D制圖與空間數(shù)據(jù)管理有機(jī)結(jié)合在一起，進(jìn)行定向地圖的一體化生產(chǎn)。由于MicroStation軟件在制圖方面的優(yōu)勢，該系統(tǒng)界面友好、操作方便、性能穩(wěn)定，而且具備定向地圖的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地圖編輯、地圖出版等功能，目前該系統(tǒng)在實(shí)踐中得到較好地應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Research and realization of orienteering map system based on MicroStation

MA Jingzhen1,XIAO Qiang1,WEN Bowei1,YANG Chao2

(1.Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China; 2.Troops 96633,Beijing 100096,China)

Orienteering map is one of the essential tools of orientation movement,which is the key factor that determines the match.This paper analyzes the characteristics of orienteering map,concluding the process and existing problems in cartography with OCAD software.An integrative production mode of orienteering map is proposed,and the map symbolization,attribute management,map editing are studied in this paper.At last,the orienteering map system is developed by MDL on MicroStation,with many functions,such as data preparation,map editing and publishing process,and the system can be applied to the practice.

orienteering map; integrative production; map symbolization; MicroStation

引用著錄：馬京振，肖強(qiáng)，溫伯威，等.基于MicroStation的定向地圖制圖系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測繪工程，2017，26(1)：55-60.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.01.012

2016-04-28；

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571399;41071297)

馬京振(1993-)，男，碩士研究生.

P258

A

1006-7949(2017)01-0055-06