地圖注記自動配置的研究

前言

從紙質(zhì)地圖到數(shù)字地圖，計算機技術(shù)在地圖制圖領(lǐng)域帶來革命性的變化。地名注記是地圖非常重要的組成部分，長期以來，地圖上的地名注記是一項費時的手工勞動。特別是小比例尺地形圖，地名的注記量很大，例如一幅1：25000的地形圖，點狀地名的注記就可以達到3000～4000多個。從20世紀60年代開始，地圖界開始計算機輔助制圖的研究，其中的一個重要議題就是地圖自動注記。國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展對基礎(chǔ)測繪、地形圖更新的要求越來越高，在積累了大量面向地理信息系統(tǒng)采集的地圖數(shù)據(jù)的今天，如何將地理信息數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)快速成圖，是地理信息應(yīng)用中一個亟待解決的問題，其中地圖注記配置的自動化和智能化是一個重要環(huán)節(jié)。在制圖界，地圖注記的自動化研究一直是計算機地圖制圖領(lǐng)域的一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題，地圖是地表各種事物的綜合寫照，在通過地圖數(shù)字化建立地圖數(shù)據(jù)時，如何正確處理各要素間關(guān)系是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。地圖注記涉及地名注記與地理要素的對應(yīng)關(guān)系、壓蓋關(guān)系等。地名注記與其相應(yīng)的地理要素的關(guān)系非常密切卻又是不固定的，即地名注記與其相應(yīng)的地理要素只存在根據(jù)優(yōu)先順序和它與其周邊要素之間的壓蓋情況進行配置的關(guān)系，因此，地名注記在地圖上的位置是不確定的，它由制圖人員根據(jù)制圖規(guī)則配置，具有相當程度上的主觀隨意性，特別是當數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容更新時，例如修建了新的高速公路后，地名注記的位置要做相應(yīng)的變更。由此，根據(jù)國家測繪局所制定的1：25000地圖數(shù)據(jù)庫的規(guī)程，地形圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與地名數(shù)據(jù)庫是分開的。因此，研究與開發(fā)一套地名配置智能化與自動化的理論和系統(tǒng)，將地形圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與地名數(shù)據(jù)庫有機的聯(lián)系和結(jié)合起來，顯得尤為重要。從Yoeli進行自動地圖注記研究算起，自動地名注記問題的研究已有30多年歷史。30多年來，在國內(nèi)和國際上雖然對地名注記自動化進行了大量的研究，但是，距離建立一套“地名注記自動化”實用系統(tǒng)，真正能用于生產(chǎn)，尚有很大差距。目前，多數(shù)地名注記自動化的研究多是基于“人工智能”算法，例如基于“狀態(tài)空間問題”求解的狀態(tài)空間搜索策略、“專家系統(tǒng)”等。它們多是基于注記位置以及它與其他地理要素壓蓋情況制定的規(guī)則，進行搜索、推理。在基于“搜索”的算法中，還可以分為不可以“回溯”和可以“回溯”兩種。前者，當遇到位置沖突時，系統(tǒng)不作任何處理。因此，當注記內(nèi)容較密集時，人工調(diào)整工作量很大；后者，當遇到位置沖突時，系統(tǒng)會根據(jù)回溯深度位置層次數(shù)，對注記作調(diào)整，從而減少注記重疊。但是，不論是“狀態(tài)空間問題求解”的搜索算法，還是“專家系統(tǒng)”，它們都是一種“串行算法”。即問題的解與注記的順序有關(guān)，后面的注記直接受到前面注記位置的影響。所有這些算法都未從整體（整幅地形圖）上考慮地名注記與其相應(yīng)的地理要素、地名注記與地名注記、地名注記與其周邊要素之間的關(guān)系，從而獲得一個整體最佳的注記結(jié)果——即整體“最優(yōu)解”。作者積極參加了地名注記自動化和智能化的研究，并選擇了注記問題的整體最優(yōu)解理論和應(yīng)用的研究作為博士論文的主題。經(jīng)過5年多的努力，作者將注記問題抽象成空間競爭的優(yōu)化組合問題，提出了使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法解決注記問題的整體最優(yōu)解方案。作者將該方案與“爬山法”、“模擬退火”等傳統(tǒng)方案進行的對比實驗，證明了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法性能的優(yōu)越性，特別是遺傳算法是一種高效、強健、通用且具有良好擴展性的算法，是最有潛力的解決方案。作者對地圖注記自動化的問題進行了全面系統(tǒng)的探討，深入研究了地名注記問題的分類、規(guī)則、算法、質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)組織和系統(tǒng)實現(xiàn)等各個方面，提出了一套地圖自動注記的完整解決方案，并據(jù)此研制了地圖自動注記系統(tǒng)。

內(nèi)容概要

　　《地圖注記自動配置的研究》以地圖制圖自動化中的難題之一的地名自動注記問題為研究對象，在綜合國內(nèi)外地圖自動注記研究成果的基礎(chǔ)上，將注記問題抽象成空間競爭的優(yōu)化組合問題，提出了使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法解決點狀注記問題的整體最優(yōu)解方案，并將該方案與傳統(tǒng)方案進行了對比實驗，證明了神§元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法性能的優(yōu)越性，特別是遺傳算法，它是一種高效、強健、通用，且具有良好擴展性的算法，是最有潛力的解決方案。此外，作者深入研究了地名注記問題的分類、規(guī)則、算法、質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)組織和系統(tǒng)實現(xiàn)等各個方面，主要成果包括：提出了描述地圖自動注記問題的表達模型；提出了一個考慮沖突、壓蓋、位置優(yōu)先級和關(guān)聯(lián)性的地圖注記質(zhì)量評價模型；提出了一套矢量和動態(tài)柵格數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)組織方案；提出了以專家知識為基礎(chǔ)的注記規(guī)則庫的組織和實現(xiàn)策略；研制了地圖自動注記系統(tǒng)MapLabel。

書籍目錄

第一章 緒論1.1 概述1.2 地圖自動注記的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 注記規(guī)則方面的研究1.2.2 點狀要素自動注記1.2.3 線狀要素自動注記1.2.4 面狀要素自動注記1.2.5 實驗系統(tǒng)的研制1.2.6 國內(nèi)的研究情況1.2.7 我國地圖自動注記研究存在的問題和不足1.3 本書研究的主要問題及其主要成果第二章 基本知識、優(yōu)化算法原理2.1 地圖、地形圖基本知識2.1.1 地形圖的內(nèi)容2.1.2 地形圖的種類2.2 地圖注記基本知識2.2.1 注記的基本特征2.2.2 傳統(tǒng)的注記方法2.3 Hopfield神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法2.3.1 Hopfield網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與算法2.3.2 Hopfield網(wǎng)絡(luò)運行規(guī)則2.3.3 網(wǎng)絡(luò)計算能量函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)收斂2.4 遺傳算法2.4.1 (JA算法簡介2.4.2 GA的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2.4.3 GA的特點2.5 本章小結(jié)第三章 地圖注記的表達、分類和規(guī)則3.1 地圖注記3.1.1 待定位注記、注記位置3.1.2 待注記要素、定位參考圖形、背景要素3.1.3 注記規(guī)則、評價模型、優(yōu)化算法3.2 地圖注記模型3.3 地形圖的7種基本注記模式3.4 7種注記模式的規(guī)則3.4.1 總的注記原則3.4.2 點狀要素注記3.4.3 線狀要素注記3.4.4 面狀要素注記3.5 本章小結(jié)第四章 質(zhì)量評價模型、復(fù)雜性評價模型4.1 質(zhì)量評定準則4.2 質(zhì)量評價模型4.2.1 影響注記質(zhì)量的主要因素4.2.2 注記質(zhì)量評價模型4.2.3 沖突評價函數(shù)4.2.4 壓蓋評價函數(shù)4.2.5 位置優(yōu)先級模型4.2.6 注記-要素關(guān)聯(lián)性評價函數(shù)4.2.7 多個評價函數(shù)的復(fù)合4.2.8 MapLabel中評價模型的實現(xiàn)4.3 復(fù)雜性評價4.3.1 注記密度4.3.2 注記約束率、最大相關(guān)注記集的規(guī)模4.3.3 復(fù)雜性模型的應(yīng)用4.4 本章小結(jié)第五章 自動注記系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)組織5.1 自動注記系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織5.2 地圖數(shù)據(jù)組織5.2.1 地圖要素矢量數(shù)據(jù)組織5.2.2 地圖要素柵格數(shù)據(jù)組織5.2.3 地圖要素的描述信息5.3 注記規(guī)則庫5.4 要素柵格圖5.4.1 要素柵格圖定義5.4.2 柵格圖的快速生成和維護5.4.3 要素柵格圖的疊置5.4.4 要素柵格圖用于檢測沖突和壓蓋5.5 沖突查找表、壓蓋沖突表5.6 本章小結(jié)第六章 點狀要素注記的自動配置6.1 自動注記問題的整體最優(yōu)解理論6.1.1 傳統(tǒng)算法及其問題6.1.2 問題的本質(zhì)6.1.3 整體最優(yōu)解6.1.4 整體最優(yōu)解的解決方案6.2 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法解決點狀要素注記問題研究6.2.1 備選位置質(zhì)量評價6.2.2 解決注記沖突6.2.3 局部優(yōu)化算法6.2.4 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法的實驗、結(jié)論6.3 遺傳算法解決點狀要素注記問題研究6.3.1 確定編碼框架6.3.2 產(chǎn)生初始種群6.3.3 確定適應(yīng)度函數(shù)6.3.4 設(shè)計遺傳算子6.3.5 確定遺傳算法重要參數(shù)6.3.6 遺傳算法實驗及結(jié)論6.4 比較實驗研究6.4.1 比較實驗結(jié)果及其結(jié)論6.5 本章小結(jié)第七章 線狀要素注記的自動配置7.1 線狀要素的曲線注記7.1.1 概述7.1.2 曲線注記的規(guī)則7.1.3 曲線注記問題及其特點7.2 曲線注記解決方案7.2.1 要素合并與分段7.2.2 要素的綜合簡化7.2.3 求矢量平行線7.2.4 消除自相交、平行線優(yōu)化7.2.5 注記定位7.3 特殊問題的討論7.4 實驗結(jié)果7.5 本章小結(jié)第八章 面狀要素注記的自動配置8.1 面狀要素自動注記8.1.1 概述8.1.2 面狀要素注記問題及特點8.1.3 一般的骨架線提取方法8.2 基于Delaunay三角網(wǎng)提取骨架線的方法8.2.1 Delaunay三角網(wǎng)的定義及特性8.2.2 定義骨架線8.2.3 建立骨架線8.2.4 骨架線圖的提取結(jié)果8.3 主骨架線的搜索算法8.3.1 建立骨架線及結(jié)點一骨架線段一面域拓撲關(guān)系表8.3.2 建立面域骨架線樹8.3.3 提取主骨架線8.3.4 主骨架線的平滑8.4 面狀要素骨架線注記解決方案8.4.1 面狀要素骨架線注記的整體解決方案8.4.2 主骨架線問題討論及處理8.5 其他面狀要素注記模式實現(xiàn)技術(shù)研究8.5.1 面狀要素注記類型的簡單自動識別8.5.2 面狀要素邊界線注記模式8.5.3 單連通面域的點自動注記模式8.5.4 散列式面域的點注記模式8.5.5 幾種面狀模式自動注記的結(jié)果8.6 本章小結(jié)第九章 MapLabel自動注記系統(tǒng)及實驗9.1 系統(tǒng)簡介9.1.1 運行環(huán)境9.1.2 系統(tǒng)功能9.1.3 系統(tǒng)邏輯實體9.1.4 系統(tǒng)特點9.2 MapLabel中地圖的表示9.2.1 空間數(shù)據(jù)的表示9.2.2 MapLabel地名信息的表示9.2.3 空間數(shù)據(jù)和地名信息的連接9.2.4 注記規(guī)則的表示9.3 全要素地形圖地名自動注記整體實驗9.3.1 實驗數(shù)據(jù)基本情況9.3.2 圖層特性9.3.3 處理順序9.3.4 注記模式參數(shù)9.3.5 實驗內(nèi)容及結(jié)果9.3.6 評價9.4 本章小結(jié)第十章結(jié)束語參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第二章 基本知識、優(yōu)化算法原理2.1 地圖、地形圖基本知識_地圖是將地面的自然和社會現(xiàn)象，經(jīng)過制圖綜合，用規(guī)定的符號，按照特殊的數(shù)學(xué)法則，轉(zhuǎn)繪到平面上的圖件（或以數(shù)字形式儲存在數(shù)據(jù)庫中）。它能反映各種現(xiàn)象的空間分布、聯(lián)系、變化和發(fā)展，供人們認識、研究和應(yīng)用。地圖的種類繁多，按內(nèi)容可分為普通地圖和專題地圖兩大類（李世林等，1987；尹貢白等，1991）。普通地圖按其比例尺的大小和內(nèi)容的詳細程度又可分為地形圖和一覽圖。2.1.1 地形圖的內(nèi)容地形圖主要包含以下4個方面的基本內(nèi)容（王中流等，1991）。（1）數(shù)學(xué)要素數(shù)學(xué)要素是構(gòu)成地形圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，用以控制和確定圖上所示事物的相關(guān)位置，起著圖的骨架作用。主要包括：①經(jīng)緯線網(wǎng)和平面直角坐標網(wǎng)。用于表達地球橢球面和平面圖形各點坐標之間的解析關(guān)系，以便于指示目標及量測計算。②大地控制點。包括三角點、導(dǎo)線點和水準點等，用于控制地形圖上各點的平面、高程位置和精度。一般在大于1：10萬地形圖上使用。③比例尺。用于決定地形圖圖形縮放的倍率。（2）自然地理要素自然地理要素是反映地面自然形態(tài)的要素。包括水系（如河流、水庫、溝渠等）、地貌（如平原、丘陵、高山等地表狀態(tài)）、土質(zhì)植被（如森林、草地、果園、沙礫地等）。（3）社會經(jīng)濟要素社會經(jīng)濟要素指人類社會活動的成果。包括居民地（如城鎮(zhèn)、村莊、獨立房屋等）、道路（如鐵路、公路、大車路等）、境界（如省界、市界、縣界等）、獨立地物（如煙囪、紀念碑、電線桿等）、管線及垣柵（如電力線、通信線、上下水管道線等）。（4）注記和整飾要素注記和整飾要素是指圖內(nèi)的各種注記及圖廓外的資料說明。包括圖名、圖號、測繪機關(guān)名、測圖日期、成圖方法、平面坐標系和高程系以及一些輔助圖表等，以便于使用者讀圖和用圖。

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《地圖注記自動配置的研究》：測繪科技專著出版基金資助。

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