作者：李桂娥（1990—），女，山东嘉祥人，副教授，博士研究生，主要研究方向为GIS应用。/p>

  作者：李桂娥（1990—），女，山东嘉祥人，副教授，博士研究生，主要研究方向为GIS应用。/p

  摘要：针对信息技术和行业需求对专题地图制图的表达内容、表达方法、表达形式和智能化水平带来的巨大冲击问题，通过总结和分析可视化技术和专题地图制图技术的发展，提出了一种新型专题地图自动化制图方法，设计实现了专题地图制图自动化框架。通过对空间数据无缝转换、专题应用模型库构建、开放式制图规则库与符号库设计、注记与符号自动配置、制图要素关系自动处理、地图整饰自动化等关键自动化技术进行研究，基于底层核心制图引擎和内嵌式插件开发技术，研发了专题地图自动制图系统，实现了空间数据库和应用模型驱动的专题地图制图流程。以多种专题地图制图实例进行了验证，根据结果得出系统较好地满足了多场景的专题制图需求。

  大数据、云计算、融媒体、互联网+和人工智能技术的蓬勃发展，推动地图制图向智能化、交互化、动态化和多样化的方向发展[1]。大数据驱动的数据可视化范式中，数据的类型、体量、粒度等的多元变化丰富着地理事件表达的方式[2-3]。面对新的社会需求，具有数据探索和辅助决策功能的专题地图，其地图内容、表达方式等不断变革且面临着新的挑战[4]。专题地图不仅仅可以提供区域的基础性信息，还能强调表达制图对象的空间分布规律、相互关系、发展变化和动态规律[5],在社会经济等所有的领域的应用已愈来愈普遍[6]。地图作为可视化技术典型的行业分支代表，其图形表达技术的发展受可视化分析技术的影响较大，尤其是可视化分析技术在数据挖掘分析和效果展示方面所展现的巨大潜力[7],对专题制图的发展既是机遇又是挑战。并且近年来，不同制图主题开始融入不同的设计理念和框架[8-9],为不一样的行业提供定制化服务的需求与日俱增[10]。同时，数字化、智能化驱动了地图表达形式的泛化，无人驾驶等新兴领域对地图高精化、快速化响应也提出更高要求，地图写实性和写意性可视化表达呈现两极化发展形态趋势[11]。

  传统专题地图数据处理和模型分析一般依赖ArcGIS等地理信息软件，符号配置、布局和样式调整等往往需要借助Adobe Illustrator、CorelDraw等平面设计软件，制图数据处理过程耗时长、效率低[12],从而难以满足相关行业个性化和现势性的快速制图需求[13]。日渐增长的行业需求加速了专题地图自动化编制的研究和实验尝试，主要是通过不同程度的批量处理或二次开发来自动化处理专题地图编制过程中的某些环节来提升制图效率[14-16]。主流制图工艺主要基于平面设计软件和基于GIS或数据分析软件两类制图平台，前者出图和印制质量高，能够很好的满足出版要求，但数据处理与制图作业的工作量较大；后者效率和自动化程度较高，但其制图效果与专业设计软件仍存很大的差距，没办法保证出版级的地图色彩与分辨率高保线]。探索专题地图按需、快速、实时、批量、美观且能满足传统出版和数字发布需求的自动化制图是长期以来测绘地理信息服务行业领域的重要需求。

  本文探索了数智时代背景下专题地图自动化制图的实现框架，解析了数据分析模型驱动机制、专题制图全流程自动化实现的关键技术，设计了一套可支撑多行业需求的自动化专题制图方案，并通过多种场景案例进行了验证。

  数智时代，大数据、智能化技术、行业新需求的驱动以及地图表达形式的革新改变着专题地图的制图内容、表达形式和响应时效，对专题地图的发展提出了新的要求。其中，研究和设计新型专题地图制图框架成为第一个任务。新型专题地图制图框架的重塑需要包含3个方面的研究内容(图1)。

  1)探究模型驱动的制图内容体系，借助基础统计和复杂计算模型实现多元数据到专题信息的高效生成。

  2)设计专题地图新型表达形式，融合日益发展的可视化工具和技术，实现兼具高表现力和高可读性的地图符号和图表系统。

  3)构建自动化专题地图制图框架，通过地图表达库和地图规则库的设计与集成实现满足多行业快速化需求的“一键”出图方案。

  专题地图要素繁多、表达内容丰富、表达形式多样。制作的步骤会涉及重复工作，这就需要遵循一定的流程且要求该流程可循环调整。因此，将制图知识、制图规则进行总结和组织，并依此构建智能化制图数据处理工具，是实现专题地图自动化制图的关键，也是实现制图过程智能化的基础。此外，不同主题的专题地图对多元异构专题数据的整合需求，也促进了地图数据成果库的出现与专题成果数据在组织、使用和表达方面的革新。最终，通过数据处理工具、专题地图模型和地图成果管理的综合加持，拓展专题地图的行业深度应用，满足数智时代对地图服务工作提出的快、好、新、省的高要求。

  本文基于GIS地图表达模型，充分的利用宿主软件的制图功能，通过剖析上述影响专题地图自动化流程的核心问题，设计开放式规则驱动的自动制图解决方案，将专题地图制图过程分解成计算机可自动实现和可扩展的模型，减少数据冗余，服务于专题地图的增量更新和多重表达。专题地图自动化实现的流程如图2所示。

  依据基础数据和专题数据的特征，自动或半交互式的完成数据的预处理，如制图范围确定、基础数据选取、专题数据空间化、数据分层及编码等；制定数据规范性检查规则库，通过规则配置实现不同专题数据一键式规范性检查；突破不同平台空间数据属性及空间关系信息保留问题，实现不同制图平台间的数据信息无缝转换和解析。通过建立模型库规范，并以开放空间和绿色可达性等为例建立示例模型库，实现多元专题数据到制图内容的模型转换，提升专题地图内容的专业性与丰富性，从而更好地辅助决策。

  针对底图制作、专题要素表达、注记与符号配置、要素关系处理、地图整饰等制图重要环节，设计可扩展的制图规则知识库、专题模型库和地图符号库等满足多样化制图需求。其中，制图规则知识库包含底图要素配置规则、符号与专题信息的映射关系及避让规则、注记的配置方式和冲突处理规则、矢量数据符号化规则、专题要素快速表达及要素冲突自动处理规则、地图整饰规则等；专题模型库大多数都用在制定和存储基础算法模型、核心算法模型和专题分析模型以及不同算法模型之间的组合规则从而用于满足多种专题的分析需求；可扩展地图符号库大多数都用在分类存储不同专题类型符号和基础图表，通过基础图元(矩形、圆形、三角形等)变换与组合实现部分专题地图符号的设计，并结合特定模型及专题数据设计新型图标实现对专题知识的表达。利用嵌入式技术提供智能化地图要素数据处理工具，用于处理高频图面要素冲突，包括注记选取、水系渐变、境界跳绘、道路简化、要素冲突自动检核和处理等；提供通用制图工具实现符号、注记和整饰要素的人工交互编辑，如移位、旋转、打散、重组等通用编辑功能，对制图成果进行微调。

  通过建立专题地图成果库实现专题成果数据的高效管理；通过集成专题成果的分析功能实现和拓展专题成果的深度应用；此外，设计的专题地图能够准确的通过目标使用介质的不同，如手机、平板、显示大屏以及不一样的尺寸的纸质地图等，基于既定的制图规则和知识，进行专题地图的重新绘制与调整，以保证不同介质上专题地图的展示效果。

  对于人机交互较多的空间数据处理和专题地图制作阶段，建立协同作业机制通过任务分工、分区制图、分区增量集成功能对复杂图件进行制作，实现制图任务多人分工、协同作业模式，提高制图效率、缩短响应时间。

  专题地图自动制图实现的重点是自动化、智能化地将大量制图过程按照一定的计算机流程自动实现。为最大限度地实现专题地图制图自动化，满足数智时代各类专题地图的多样化需求，节约制图时间和成本，要解决以下多项关键技术。

  保留制图数据丰富的属性信息、实现不同制图平台间多源数据集成和无缝转换是保证专题地图制图科学性、丰富性的关键。通过制定多维、多尺度数据集成组织方式和制图者按需选取属性数据的映射方式，将GIS制图数据数字景观模型(digital landscape model, DLM)的空间信息和属性信息无缝转换成数字制图模型(digital cartographic model, DCM)数据，通过挖掘Adobe Illustrator、CorelDRAW等专业制图软件中提供的扩展方式实现额外属性信息的存储和规则映射。因此，将GIS数据中的属性信息存放在扩展项中可以有效满足专题地图对制图数据语义及关系分析的需求，解决了制图数据模型属性信息短缺的难题。

  地图注记是地图语言的3个要素之一，能够增强地图的可读性和表现力[18]。在实际地图制作的步骤中，注记配置是最为费时费力的环节之一[16],因此，注记智能化配置是自动制图的关键环节之一。基于制图软件的智能注记配置，通过制定专题地图面状要素、线状要素和点状要素的配置规则指导制图过程中的注记配置和冲突解决。制定要素的绘制顺序，即面状、线状和点状，依据要素的不同特点，制定每种要素的注记标注方式(注记内容、注记样式、注记排列和注记位置等)和冲突处理规则。

  专题地图是地理对象(地理底图)和专题对象的有机结合，其中，地图符号和信息图表作为专题地图信息界面的重要组成部分，体现了各类事物之间的关系，是将地理信息转化为易于理解的可视化传播的重要形式之一，其外在设计需具有一定美学特性和表现力[19]。数据可视化和可视分析技术的长足发展，对地图符号和信息图表的设计和更新带来冲击。Highchairs、D3、RGraph、Echarts等作为数据可视化主流工具，提供了丰富和个性化定制的图表样式，为专题地图制作提供了更多参考。由于目前上述可视化工具仅支持在线制图，对于自动化地图制图系统，本文提出一种基本图元(矩形、圆形、三角形等)“合并、相减、相交”的专题符号(地图符号和信息图表的“统称”)构型设计方法。同时，在此基础上实现了信息图表实时计算生成。在制图过程中，可依据需求对基本图元进行组合，自定义符号的组合方式、内容和增长方向等参数，实现专题符号的开放式设计与应用。专题符号大致上可以分为基础统计符号、组合符号和特殊符号，其中，基础统计符号最重要的包含直方图、折线图、饼图、散点图、玫瑰图等；组合符号的组合方式由制图者决定，使用时用户要对专题数据的指标进行匹配；主题定制符号大多数都用在满足专题地图个性化、多样化和特殊化的需求。部分符号和图表设计效果如图5所示。

  专题地图作为一类通过数据探索揭示和表达地理空间事物关联规律的可视化表达形式，在多数情况下其原始数据不适于直接用于地图制作，需要经过一定的模型分析和运算[20]。有限枚举类的专题应用模型库集成已经不足以满足大数据时代下日渐增长的多样化制图需要。通过构建基础模型库(常用基础统计模型集合)、应用分析模型库(空间分析、地统计分析和专业应用模型集合)和核心算法库(专题相关核心算法集合),根据专题需求自由组合基础算法或模型，并利用“模型字典”存储和更新模型的属性，从而构建开放式的专题应用模型库，为满足多样化主题的专题数据分析与处理提供了解决思路。“模型字典”大多数都用在存储模型的定义和描述信息，便于模型更新与维护。

  “一键”出图是专题地图智能化出图的重要体现。因此，底图、符号、注记及其关系处理、地图整饰等知识库的集成是专题地图自动制图的核心，决定了专题地图制图的各项规则，是制图成果的质量保障与依据。通过预设规则，在地图表达库与规则库模块的驱动下实现专题地图矢量要素的自动配置、注记自动生成、冲突自动处理、地图自动整饰、专题符号自动生成等功能，以此来实现专题地图自动制图的目的。

  基于上述专题地图自动化制图框架、流程和关键技术，本文将专题地图自动制图系统架构分为基础设施层、数据层、应用支撑层、业务逻辑层、应用层及制图标准规范体系和信息安全保障体系，如图6所示。基础设施层包括网络设备、存储设备与服务器等设施；数据层包括矢栅基础地理信息数据、专题数据、第三方平台数据等，是专题地图制作的基础；应用支撑层是专题地图自动制图的开发支持平台，本文主要是采用ArcGIS和Adobe Illustrator; 业务逻辑层作为系统的核心，大多数都用在封装地图知识库和地图制图模块等功能接口；应用层是专题地图自动制图系统的应用层面，最重要的包含专题图制作、专题图发布和历史专题图管理等。

  基于上述架构，本文集成研发了专题地图自动制图系统ATMap(图7),设计实现了地图知识库、符号知识库、注记知识库、地图整饰知识库、专题模型库等的封装和集成(图8)。并以传染病地图、海洋管理地图、政务电子地图等专题为例，通过专题需求分析、制图数据处理、底图要素绘制、专题要素绘制、专题地图整饰等流程测试了各类专题自动化制图的效果(图9)。

  ATMap已经在北京、天津、湖北、广州、甘肃等地的测绘部门得到普遍实际应用。经测算单幅基础地理信息要素普通图A1幅面地图自动成图时间不大于5 min, 其符号、注记及其它冲突比例控制在10%之内，整体地图表达效果能够很好的满足出版制图需求；单幅一般复杂程度A1幅面地图协同制图时间不大于1 h, 其符号、注记及其它冲突比例控制在5%之内，地图整体表达效果基本达到出版要求。与传统专题制图方法(传统制图一张图的制作时间在7 d以上)相比，本系统极大地提高了制图效率，能够很好的满足对快速制图服务响应的时效性需求。

  行业需求的变化和信息技术的发展对专题地图制作的流程化、自动化、时效性提出了更高的要求。通过总结可视化和专题地图制图技术的发展，本文提出了一种更高效的专题地图制图自动化方法和实现框架，并以多种专题为例开展了自动制图实践。相关实践根据结果得出了本文设计的自动制图功能模块和关键技术可以在一定程度上完成高效、快速制图的目标。后续研究将继续融合新的信息表达形式，对自动制图框架的功能模块进行迭代优化，不断的提高专题地图自动制图的自适应性。