面向需求的启发式网络地图自动制图研究

王 蕾，李永树

(西南交通大学 地理信息工程中心， 四川 成都 610031)

面向需求的启发式网络地图自动制图研究

王 蕾，李永树

(西南交通大学 地理信息工程中心， 四川 成都 610031)

互联网的发展要求提供个性化的网络地图自动制图服务。文中运用Web Servers和专家知识库耦合技术研究面向需求的启发式网络地图自动制图原理和方法，该方法将不同用户的网络地图需求视为对地理空间信息一系列的启发式再识别过程，提取出相应的需求参数建立用户兴趣模型，并运用相关算法实现数据的加载以及对地理实体的符号化表示。实践表明，该系统实例可以改善互联网上面向用户需求的个性化网络地图自动制图服务。

个性化；启发式；面向需求；自动制图

互联网是快速获取和传播地理空间信息的媒介，它为世界各地成亿的用户提供大量的、可用的网络制图服务，例如Google Earth、YahooMaps、MapQuest等软件在网络环境下提供的全球定位、搜索等制图服务。然而，与传统电子地图专业化服务不同，互联网用户要求提供的是个性化网络地图服务。所谓网络地图的个性化，就是要求网络地图服务的提供者尽可能地根据用户的需求、偏好及其文化背景[1]，提取出用户需求模型来进行空间数据处理及可视化。

国际上对网络地图制图的研究可追溯到上世纪九十年代互联网兴起之初[1-5]，这些研究工作致力于实现网络制图的灵活化、自动化和模块化。但总体而言，当前提供网络地图的最常用方法还是从特定服务器上检索预处理数据，这些预处理数据均按特定比例尺和用途制作，往往不能满足用户的个性化需求。本文针对上述问题的存在，采用web服务与专家知识库相耦合的模式来研究面向需求的启发式网络地图自动制图的原理和方法，用以改善网络地图的个性化服务，实现互联网用户从地图的使用者到地图创造者的转变。

1 面向需求的启发式网络地图自动制图原理

1.1 网络地图的个性化需求

在网络环境下，用户对网络地图的需求千差万别，不同领域、不同部门采用不同的空间数据格式、不同的数据建模方法，对地理空间的认知以及地理数据的组织有很大的差异[6]。

例如，对同样的土地资源而言，国土资源部门需要详细了解其行政区划、土地类型、植被分布、地形、矿产资源等信息；而房地产开发商则更多关注商服繁华程度、交通条件、基本设施等与城市开发密切相关的信息；社会民众则注意土地价格、土地等级、道路通达度等与生活相关的信息。

各种类型用户对地理信息的需求有着很大差异，这导致对地理信息的表达从空间数据到属性数据都有很大的不同。这种由于地理认知不同而造成的需求多样性问题，导致网络地图的设计和应用面临两大挑战：

1)要满足各类用户千差万别的需求，要求需求模型更加个性化；

2)为适应不同行业领域的专业要求，高质量的按需自动制图要求更加专业化的知识；即个性化用图和专业化制图之间的矛盾。

为解决该矛盾，本文提出建立一个面向多用户的需求模型，结合web服务技术与专家知识库技术，将个性化网络地图的制图过程视为用户对所需地理信息的一个再认识过程，运用启发式的方案提取用户需要的地理空间信息和属性信息，最大可能改善自动制图服务的个性化，并且在该过程中不断反馈充实知识库，使得自动制图服务越来越能自适应各类用户的需要。

1.2 启发式地理信息获取

自动制图是一个主动的过程[7]，在这个过程中，用户可以根据其喜好按照一定的标准应用启发式方案来生成自己所需要的地图，启发式的方案总结起来特点有：启发式方案尽可能保留重要物体的重要特征；使得处理一个目标对象的过程缩短;可以缩短地图加载时间，加快地图生成。

启发式网络地图自动制图的工作原理是：对自动制图领域有透彻了解和丰富知识的专家们，将他们的知识以某种方式输入计算机，这称作知识获取[8]。获取的知识被转换成一系列的规则，存储在专家知识库中，用这些规则去识别或描述元数据库中的实体。同时，用户对元数据库进行访问，达到咨询和调用的目的。期间，提取出来的用户需求会被录入元数据库中，经过一系列的转化，将结果与专家知识库中的知识相比对，如果发现有悖于知识的数据，便进行下一步的启发式需求模型再提取，直到形成与知识库中相一致的需求模型。完成之后，根据该需求模型进行自动制图，并将制图结果返回给用户。与此同时，该需求模型又将形成新的知识，经过一系列的规则转化之后添加到专家知识库中。这样，用户需求和专家知识库之间便形成了一个相互促进、相互集成的环境，不断地为各类用户提供理想的制图方案(见图1)。

图1 启发式网络地图自动制图原理

1.3 网络地图启发式制图过程

在确定用户需求之后，建立需求模型的关键就在于确定与用户需求相关的参数，这些参数能够使得用户需求从自然语言转换为制图语言[9]。这是为用户提供所需地图的基础。为了实现网络环境下面向需求的启发式自动制图，本文向用户提供了提取需求参数的平台，并且设计了自动制图的预处理过程(见图2)。该过程中生成的需求模型连接着用户需求和元数据库、专家知识库中的数据资源，使得自然语言转化为制图语言更加容易，并且能够更加准确和清晰地获取到相应用户的需求，实现改善自动制图的个性化服务目标。

图2 自动制图预处理过程

本文在需求参数平台的设计上主要考虑到2方面：①必要的个性化人机交互界面，使得非专业用户更容易理解自动制图；②生成的需求模型要能够精确地反应用户对地理空间的认知，或是启发后的再认知。

自动制图预处理过程的步骤是：建立需求模型、加载数据、应用符号化、计算目标比例尺。其中，运用启发式的方案提取用户参数是建立需求模型的基础，同时参与需求模型建立的还有地图参数、专家知识库和元数据库。完成上述4个步骤之后，系统会自动生成用户所需地图，并将其通过网络传输给用户并显示在客户端显示器上。

2 系统实例及应用

2.1 网络地图启发式方案设计

需求模型的建立是对地理现象的认知，也是对地理现象启发式的再识别过程[10]。笔者在参加某省土地估价师协会网站的建设项目中，在基准地价模块开发过程中，发现国土资源部门、土地估价师协会内部、房地产商、普通民众对网络基准地图的地理信息需求大不一样，即个性化用图和专业化制图之间的矛盾。因此，在本文研究的系统实例中，引用面向需求的启发式方案，提取个性化的需求模型，尽可能满足各类用户对地理信息的需求。网络地图的启发步骤设计如下：

步骤一：基本概念识别。

需求首先是概念的集合。基本概念的再认识是建立需求模型的基础，这包括某一类用户需求的基本概念识别和对同义词的辨析。正如1.1中所述，对于同样的土地资源来说，国土资源部门、房地产商和社会民众之间的需求就大有不同。要准确地辨识这些需求，首先需要准确地识别基本概念和同义词。相应的，元数据库中需要存储的数据种类也很多，不同用户的数据需求差异也较大。表1、表2中分别列出了在需求建模时，这3类用户可能要用到的部分空间数据和属性数据。

表1 空间数据差异

表2 属性数据差异

基本概念的识别在于完整性、准确性，并且要确保元数据库及专家知识库中含有相关领域内的基本术语。

步骤二：关系识别。

提取需求模型是为了给自动制图提供数据，在该过程中涉及到需求之间的关系、数据之间的关系，而这些关系是需求模型所需信息的重要组成部分，即识别这些关系是启发式再认识过程中不可或缺的步骤。

1)基本需求之间的关系。在同一类用户的需求中，需要考虑组分关系：行政区划与土地类型的关系、行政区划与矿产资源的关系、土地类型与矿产资源的关系；在不同类型用户下，需要考虑土地类型、土地价格、土地等级等土地属性之间的关系。另外，还需要考虑基本术语之间的关系，同义词之间的关系。

2)各类需求及其属性之间主体与子体的关系、不同主体之间子体的关系。如表1中，国土资源部门与区域边线、商业/工业用地等之间的主体与子体之间的关系。如表2中，商业/工业用地与土地/房屋/宗地价格等子体之间的关系。

3)新的知识和专家知识库中知识的拓扑关系，专家知识库中知识之间的拓扑关系。其中，当新的知识加入到专家知识库中时，不能改变原有知识之间的拓扑关系[11]。

步骤三：约束条件再识别。

主要约束条件有：用户约束(需求、偏好、语义、对空间的推理认知)，技术约束(数据传输速率、可视化媒介的特性)，空间数据约束(数据建模、数据可用性、数据检索)，空间处理约束(空间自动制图、对象易读性、对象叠加)[12]。

步骤四：符号化。

建立某一类用户所需的需求模型的最终目的是生成用户所需地图，而将用户感兴趣的目标物体符号化则是自动制图可视化的最终表达。如表1、表2中，按国家《地理信息图示表达》、《公共地理信息通用地图符号》等国家标准规范，将社会民众需求的空间数据(路线长度、住宅边线、公交站点/道路定位)和属性数据(土地/房屋/宗地价、土地级别、公交站点)进行符号化。经符号化后的地物及其属性，才能为用户所识别。

2.2 系统应用实例

如前例所述，用户对同样土地资源的特定需求——覆盖面积、土地级别、土地价格等都反映了元数据库和专家知识库中对知识的需求， 用户需求的特征和用户的偏好、文化背景等共同决定了地图配置类型。针对政府部门、企业单位、一般公众等不同类型的用户，以同样土地资源的土地价格需求为例，本文研究并设计了基于B/S的启发式按需自动制图系统实例，现将成果展现如图3、图4所示。其中，图3为个性化的人机交互界面，通过该平台，可以提取出面向用户需求的参数，用于下一步的需求建模工作；图4为基于web服务的客户端应用程序自动制图成果，图4(a)展现了政府部门对基准地价需求的最终制图成果，图4(b)展现了一般公众对基准地价需求的最终制图成果。

图3 用户需求参数提取界面

(a)客户端(公众)自动制图成果

(b)客户端(政府部门)自动制图成果

3 结 论

本文研究了面向需求的启发式网络地图自动制图问题。实践表明：通过该系统实例提取的用户兴趣模型，可以输入用户个性化需求参数，并运用启发式方案对所需的地理信息进行识别与再识别，以此来获取所需网络地图。该方案为解决专业化制图与个性化用图之间的矛盾探索了一条有效的途径。

[1]Theodor Foerstera, Jantien Stotera, Peter van Oosterom. On-demand base maps on the web generalized according to user profiles[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2012:99-121.

[2]Oosterom，P. van，The GAP-tree，an approach to “On-the-Fly” Map Generalization of an Area Partitioning. Den Haag: TNO Physics and Electronics Laboratory，1993. (http://www.gdmc.nl/ oosterom/gap.ps).

[3]Spain Bernier，E.，and Y. Be’dard. 2007. “A Data Warehouse Strategy for On-Demand Multi-scale Mapping.” In Generalization of Geographic Information: Cartographic Modeling and Application，ed[C]. W. Mackaness，A. Ruas，and L.T. Sarjakoski. Kidlington，UK: Elsevier. 177-98.

[4]王卓苧，武芳，王辉连，等．网络环境下地图自动综合框架模型研究[J]．测绘科学，2006,31(5):45-47．

[5]艾廷华．网络地图渐进式传输中的粒度控制与顺序控制[J]．中国图像图形学报,2009(6):999-1006．

[6]杨骏,李永树,蔡国林.面向本体的启发式空间数据库设计研究[J].计算机应用研究,2007(5):24-26.

[7]沈捷.移动环境地图自动综合系统设计与实现[J].地球信息科学学报,2011(5):623-628.

[8]曹文君,么宝刚,何永保.面向对象知识库及其在综合地理信息系统中的应用[J].复旦学报:自然科学版,1992,6(2):184-192.

[9]刘娜.GSI环境下城市居民地制图综合研究[D].成都:西南交通大学,2006.

[10]黄文敏.基于ComGIS的城市土地定级估价信息系统的研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[11]杨必胜,李必军.空间数据网络渐进传输的概念、关键技术与研究进展[J]．中国图像图形学报,2009(6):1018-1023．

[12]王卓苧.基于Web服务的按需网络综合的研究[D].郑州:信息工程大学,2006.

[责任编辑：张德福]

Researchofwebmapinautomaticmappingofheuristicsbasedondemand-oriented

WANG lei, LI Yong-shu

(GIS Engineering Center,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Due to the development of Internet, it requires personalized services of web map in automatic mapping. The principle and method of web map in automatic mapping of heuristics are presented based on demand-oriented by using the coupling technology of Web Servers and expert knowledge base, which method regards the requirement of web map of different users as a series of heuristic re-recognition process of geospatial information, by extracting some relative requirement parameters to build the model for users and applying relative algorithms to achieving data loading and symbol representation of geographic entity. The practice shows that this system can improve personalization of web map in automatic mapping for the requirement of Internet users.

personalization; heuristics; demand-oriented; automatic mapping

2012-06-07

高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20100184110019)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU09ZT01)；中国博士后科学基金面上项目(2011M501412)；中央高校基本科研业务费科技创新项目(A0920502051208-16)；2010年度四川大学博士后专项基金特别资助项目

王 蕾(1988-)，女，硕士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2013)04-0031-04