作者：陶陶
出版社：重庆大学出版社
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GIS地图符号共享研究试读：
前言
地图符号是地图的图解语言，是地表要素在地图上的表达形式，是用来沟通客观世界、制图者和用图者并传输地图信息的媒介。虽然，地理语言已经逐步由地图演化为地理信息系统（GIS），但地图符号仍然是GIS用以直观、形象地表达地物要素特征和分布规律的主要手段。每个GIS软件平台都通过内置的地图符号系统来实现对符号的编辑、存储和绘制，但这些封闭的、格式不一的地图符号系统给GIS领域地图符号的共享带来了很大的困难。
为了实现GIS地图符号的共享，人们尝试了多种方法，如数据格式转换、符号格式转换、TrueType字体和建立符号对应表等。虽然这些地图符号共享成果或多或少地解决了GIS应用领域的地图符号共享问题，但并没有根除GIS软件平台之间地图符号系统的差异。虽然OGC制定的“符号模式”为地图符号共享带来了一丝曙光，人们希望通过各GIS软件产品支持读写基于该“符号模式”地图符号库的接口，实现对地图符号库信息的共享，但由于“符号模式”的图素单一，加上人们对GIS领域地图符号共享的重要性认识不足，使得基于“符号模式”的共享研究成果微乎其微。
鉴于此，本研究提出了基于通用地图符号库的地图符号共享框架，即由通用地图符号编辑器、通用地图符号库以及地图符号多平台显示技术组成的通用GIS地图符号系统。它屏蔽了各GIS软件内置地图符号系统这个阻碍地图符号共享的最大障碍，成为支持各GIS软件空间数据符号化的独立系统，实现了地图符号库的“一库多用”和地理信息共享中地图符号信息的同步共享。该地图符号共享框架还提供了通用地图符号库与其他多种地图符号库的交互与共享机制，扩展了通用地图符号库的共享范围。
本书主要从以下5个方面探讨了GIS地图符号共享的研究和实践：①基于通用地图符号库的地图符号共享框架。通过建立一个通用的GIS地图符号系统，使GIS数据的符号化从原来的GIS内置符号系统中独立出来，从而实现对通用地图符号库信息的共享。②通用地图符号编辑器。不依附于现有的任何GIS平台，研究、设计与开发出一个系统稳定、功能完善的通用地图符号编辑器，有效地实现对通用地图符号库的操作和管理。③通用地图符号库。通用地图符号库具有存储与调用地图符号的通用性，可以将地图符号存储为文件形式，也可提供多种数据库格式存储，为大型GIS应用系统开发提供统一的地图符号库支持。通用地图符号库表达了丰富的地图符号语法结构和语义特征，使地图符号真正成为一种认知对象，具有更多的共享价值。④地图符号多平台显示技术。地图符号多平台显示技术是以地图符号渲染绘制组件为核心，将通用地图符号库中的点线面符号读出，并实现地图符号在多种GIS地图上的绘制。当在不同的GIS环境里进行地图符号化时，分别调用相应的渲染组件和绘制组件，实现通用地图符号库在不同GIS地图上的显示和地图符号信息的共享。⑤GIS数据共享中地图符号信息的同步共享。基于通用GIS地图符号系统的GIS数据在数据迁移后，空间数据的地图符号信息将带入新的GIS软件环境中，只要调用当前GIS环境下的地图符号渲染绘制组件，就可以将数据原有的地图符号信息绘制出来，真正实现了对地图符号信息的同步共享。
本书是笔者在攻读博士学位阶段的学习积累以及到重庆大学工作后所负责的国家自然科学基金项目：GIS地图符号共享机制（40701149）的研究成果。借此书，首先向笔者的博士导师——南京师范大学的闾国年教授致以深深的谢意。闾教授渊博的知识、敏锐的洞察力及严谨的学者风范一直感染着笔者；他的悉心指导和教诲，帮笔者开阔思路和确定方向，使笔者受益匪浅。笔者还要衷心感谢黄家柱研究员、张书亮副教授以及笔者的研究生同学们对笔者学习与生活上的关心和帮助。感谢笔者的硕士导师——西南大学的刁承泰教授，他的关心和鼓励使笔者感受到了父亲般的温暖。
笔者博士毕业后，到重庆大学建筑城规学院山地城镇建设与新技术教育部重点实验室工作，学院和重点实验室提供了很好的教学科研平台，数字技术实验室具备各种软、硬件实验研究环境，使笔者能在重庆大学潜心研究，并在2007年获得了国家自然科学基金青年基金的资助。在国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助下，笔者得以继续博士阶段的研究方向，相关学术论文分别发表在《中国图象图形学报》《计算机辅助设计与图形学学报》《测绘科学》和《计算机工程》等核心期刊上。本书中涉及的研究工作，也得到了重庆大学建筑城规学院山地城镇建设与新技术教育部重点实验的艾及熙副教授和尹轶华博士的热心支持，在此一并表示诚挚的谢意。同时，向被本书引用的文献的作者表示衷心的感谢。
由于时间仓促，笔者对GIS地图共享方面的研究还有待进一步深入和完善。书中不足之处在所难免，敬请专家、学者与读者批评指正，以便笔者修正。陶 陶2013年10月于重庆大学第1章绪论1.1研究背景
地图符号是地理空间的抽象，是用来修饰地图上对象的图形。根据地图符号的视觉变量和排列顺序来区分地物的类型、属性以及分布规律，也是GIS表达地理信息和空间概念的主要形式。
地图符号一直是GIS的一个热点研究领域。随着GIS应用的普及和深入，GIS软件厂商和二次开发商都逐步认识到地图符号在GIS中的重要作用，加大了其产品对符号的支持力度，并都开发了针对自身软件的地图符号系统。而各GIS软件地图符号系统之间的独立性和差异性成为地图符号共享最大的障碍。过去，GIS工作者对地理信息共享的研究主要集中在空间数据的转换与互操作上，不公开的符号格式使转换后的地图符号都用简单的点、线、面来代替，地图符号中蕴涵的地理信息全部丢失。这已成为地理信息共享的一大障碍，也是GIS数据语义共享的一大难题。
目前，有关地理信息系统中的符号共享的研究成果较少，主要有3个方面：一是以ISO/TC211和OGC为代表的地理信息标准与规范制定部门制定了一些关于地图符号的存储、表达和服务的相关框架和规[1,2]范。二是众多GIS厂商在他们的GIS产品中增加了对其他地图符号库（TrueType字体符号库）的支持，有些甚至提供了地图符号库的[3]交换格式和地图符号库的绘制接口（如SuperMap）。三是GIS研究和应用人员提出了多种地图符号共享方法，如数据格式转换、符号格式转换、TrueType字体和建立符号对应表。虽然这些成果对推动GIS地图符号标准化和规范化具有积极的作用，也或多或少地解决了GIS应用领域地图符号共享问题，但并没有根除GIS软件平台之间地图符号系统的差异，致使它们对GIS地图符号的共享程度极为有限。本研究主要分析了地图符号共享的原理和机制，构建了基于通用地图符号库的地图符号共享框架，实现了通用地图符号库在多个GIS平台的显示以及地理信息共享中地图符号信息的同步共享。1.2项目支撑
本书是笔者主持的国家自然科学基金课题“GIS 地图符号共享机制”（课题编号：40701149）的主要研究成果。该课题提出，从分析现有GIS地图符号共享技术及其存在的问题入手，提出了一种基于OGC符号编码规范（SE）的GIS地图符号共享机制。在系统分析SE符号要素数据模型的基础上，结合现有主流GIS软件地图符号数据模型和编辑器，完善SE符号数据模型，并研究和设计一个可视化的SE地图符号编辑器；研制基于SE符号文档的地图符号绘制引擎。由此形成的通用地图符号系统将理论上的国际地图符号规范转变成具有可操作性的GIS地图符号共享方法，该共享方法将打破现有各GIS软件地图符号系统孤立而无法实现共享的僵局，使人们在共享地理空间数据的同时，实现同一地图符号库信息在多个GIS软件之间以及在互联网环境下的共享。
此外，南京市科委课题“城市管线网应用地理信息系统共享平台”（项目编号：2001ZB0103）、南京市路灯地理信息系统、南京市排水规划地理信息系统、浙江丽水综合管网地理信息系统、江苏省苏北地区水资源配置监控调度系统工程取水许可与地下水管理信息系统和南京数字房产共享平台等应用项目，也为本书的研究提供了翔实的研究素材和客观的实验环境。1.3GIS地图符号共享1.3.1 GIS地图符号共享的内涵
GIS部分由地图脱胎而来，是机助制图的发展，是地图数据库的延伸。传统的纸质地图是一种模拟、静态的GIS，而GIS是地图学在[4]信息时代的发展。与传统的地图符号相比，虽然GIS地图符号在存储方式、绘制方法和表现方式上都有所不同，但在符号分类、符号设计和符号结构等方面都极为一致。地图符号是GIS表达地理信息和空间概念的主要形式，通过建立合理、有效的地图符号模型，准确地传递空间信息，满足GIS用户对空间信息的直观需求，是GIS的主要功[5]能之一。
广义的GIS地图符号共享是指在计算机及空间数据基础设施等技术支撑下的对GIS地图线画符号、色彩符号、立体符号、名称注记和地图投影、比例尺与方向等地图信息的共享。狭义的GIS地图符号共享是指对GIS地图线画符号、色彩符号、立体符号和名称注记等信息[6,7]的共享。
本书所讨论的GIS地图符号共享属于狭义的GIS地图符号共享范畴，共享对象是GIS软件平台里地图符号通常所包含的内容：点符号、线符号和面符号。具体地说，包括以下3个方面。
第一，地图符号库在多种GIS环境下的应用，即“一库多用”。只要解决了通用格式的地图符号库信息在多种GIS环境下的显示，就可完全克服过去孤立的GIS地图符号系统之间信2息共享的障碍，实现对地图符号语法和语义信息的完全共享。
第二，地图符号库的转换与共享。对于数据格式开放的地图符号库，应可以通过对地图符号库信息的解析，找出两种符号文件数据结构的对应方式，有针对性地编程，从而实现地图符号库的转换。
第三，地理信息共享中的地图符号信息共享。空间数据经过数据格式转换后，地图符号信息也应原样显示。1.3.2 GIS地图符号共享的障碍
阻碍GIS地图符号共享的因素很多，大致表现在以下几个方面。1）地图符号数据格式的差异
地图符号数据包括语法（图形）数据和语义（属性）数据两部分，其中，语法数据是符号的图形信息，如地图符号各个图素的绘制参数；语义数据是地图符号的描述信息，如符号编码、符号名称、符号分类、符号描述等。造成地图符号数据格式差异的原因主要有以下4点：①存储介质不同。有些地图符号设计系统把地图符号库存储在数据库中，用数据表来记录地图符号的图形信息和属性信息。地图符号的数据库存储方式比较适合于大型的GIS应用系统，这种存储方式能保证地图符号信息的一致性和共享性。用文件存储符号，存取速度快，而且易于管理和复制，所以一般的GIS软件平台的地图符号都采用文件方式存储。②符号的语法结构各异。每个符号都是由一个或多个要素组合起来的，不同的符号组成要素给地图符号库的交互和共享带来了极大的困难。以点符号为例，Truetype字体文件只有曲线和直线组成的多边形，而ArcGIS的点符号可以是箭头、正方形、圆、菱形、十字、图片或字体，SuperMAP的点符号则可以是点、折线、圆[8,9]弧、多边形、椭圆、矩形、圆角矩形、文本等。③构图规律不同。GIS软件中地图符号的构图规律相当灵活，如线符号有些采用分层叠加方法，有些采用符号循环块方式。④符号的绘制原理不同。有些符号是矢量符号，有些是栅格符号，还有些是栅格和矢量混合符号[10,11]。符号数据格式的差异是实现GIS中地图符号共享最主要的障碍。2）地图符号设计方式的差异
纵观目前的CAD和GIS软件，地图符号设计方式主要有以下6种：①文本编辑设计方法，如AutoCAD的图形文件、线文件和阴影文件，其特点是设计速度慢、不能实时观察所设计的符号。②采用系统提供的二次开发语言编程，如原ArcInfo的AML语言、MGE的MDL等，它们提供了编程实现符号的绘制接口。这种符号编辑模式对符号设计者的编程水平要求较高、难度较大。③利用系统的图形编辑功能，如AutoCAD的块文件（block）、MGE的单元（cell）。但这种方式受系统图形编辑功能的限制，且只能设计点符号。④使用字体编辑器软件来设计符号，很多GIS软件，如ArcGIS和MapInfo都支持对字体文件的显示，可以将创建好的字体文件引入点符号库里。但这种字体符号只适用于点符号，而且是单色的。⑤用GIS平台软件提供的地图符号编辑模块，如ArcGIS、MapInfo、MapGIS、SuperMap 等都有自己的符号编辑模块。⑥使用主流编程语言开发的地图符号设计系统。3）地图符号化接口的差异
由于符号设计的目的是为GIS系统建立地图符号库，因此，为了使GIS能调用所设计的符号，并在地图上进行绘制，必须为地图符号库的显示设置符号化接口。有些GIS软件为了支持用户自定义的符号[12]而为开发人员提供了可编程的接口，如MapObjects和ArcObjects；而有些GIS软件没有开放符号化接口，用户必须自己编程以实现对自定义地图符号库信息的调用和绘制，如MapX、SuperMap、GeoStar等。1.3.3 GIS地图符号共享现状
目前GIS地图符号共享方法主要有以下4种：数据格式转换、符号格式转换、TrueType字体符号和符号对应表。1）数据格式转换
数据格式转换方法主要针对CAD的数据（*.DXF, *.DWG）向其他格式数据（*.TAB,*.SHP等）转换的情况，它通过将CAD数据文件中的每个点要素图块的图形要素（Line, PolyLine, Circle等）分解为多个几何要素写入其他格式文件，这样CAD中的符号信息就显示在其他数据文件中了（见图1.1）。图1.1 CAD图块信息分解示意图
以CAD文件向MapInfo转换为例。在CAD文件中，所有几何要素都被转换为MapInfo 中独立的线和多边形，数据在转换后不仅没有点要素的概念，也不再有地图符号的含义，而是一些具有定位坐标和位置坐标的独立几何要素所构成的符号表象。这样的后果是，不仅会影响用图者对数据的理解，而且会使数据文件膨胀，这种膨胀还会随着点要素的增多以及点符号复杂程度的增加而成倍增长。2）符号格式转换
目前主流的大型GIS平台软件，如ArcGIS、MapInfo、SuperMap和GeoStar等都使用文件方式来存储和管理地图符号库资源，点符号库、线符号库和面符号库分别或一起存储在符号文件中。地图符号格式转换方法就是把其他格式的地图符号数据通过专门的格式转换程序，转换成该系统的地图符号，并复制到当前系统的地图符号库中。但采用这种方式实现系统间的符号共享比较困难。首先，要实现系统间的符号共享，就必须知道源系统地图符号库与目标系统地图符号库的数据格式。但这些数据格式一般都是GIS软件所特有的内部格式，多不公开，因此，很难在现有的各个系统之间提供相应的转换模块。其次，采用这种模式需要针对不同的数据格式编写针对性的程序，工作量大。而且，一旦某个地图符号库在存储格式上发生变化，所有与[13]它有关的格式转换程序都需要修改。3）TrueType字体库
按照TrueType格式制作的TrueType 字体地图符号库因为遵循统一标准，所以符号数据结构、符号编码、数据存储方式、接口函数、操作系统和软件平台等影响矢量符号共享的因素将不再是不同系统间TrueType符号共享的障碍，从而给GIS系统间符号信息的直接无损共[13,14]享提供了可能。几乎现有的专业GIS软件都支持对TrueType符号的显示，TrueType字体符号库可以解决不同GIS环境下地图符号的共享问题。但TrueType地图符号库有两个最大的不足：①TrueType 地图符号库只能设计点符号，对于线符号和面符号则无能为力。②TrueType点符号只能有一种颜色信息，不能为不同的符号组成部分设置不同的颜色。所以，采用True-Type地图符号库，其共享程度和地图表现能力都是很有限的。4）符号对应表
目前，通过数据转换，可以很容易地实现GIS空间数据在不同系统间的迁移，但想通过地4图符号格式转换实现符号库信息的迁移却很难。而采用符号对应表，可以实现地理信息共享过程中地图符号信息的原样显示。可以在目标GIS系统里利用其自带的符号编辑模块创建一套和源系统地图符号库一致的符号文件，建立一个符号对应表，[15]使源地图符号库和目标地图符号库里的符号编码一一对应。当目标系统显示GIS数据时，对于数据中的每一个空间对象，首先获取该对象在源系统中的符号编码，然后在符号对应表中找出与该编码匹配的目标系统的符号编码，最后在目标系统中根据相关地图符号库信息对该空间对象进行符号化，实现地图符号信息的原样显示（见图1.2）。图1.2 符号对应表原理图
图1.3所示为基于符号对应表实现地理信息共享过程中地图符号共享的流程：GIS平台A数据迁移到GIS平台B时，首先创建平台A的地图符号库副本，并按照平台B的符号组织方式将符号副本追加到B平台的地图符号库中，再根据平台A地图符号库与平台B地图符号库的对应关系建立符号对应表。空间数据迁移到GIS平台B后，根据符号对应表使空间数据与平台B地图符号库关联，通过符号化模块对平台B空间要素符号化。图1.3 符号对应表实现流程
GIS引入符号对应表可以实现在数据的迁移过程中数据的表现形式基本保持不变。部分GIS厂商，如MapGIS和SuperMap已经支持符号对应表模式的符号迁移。如MapGIS提供了一套用于和AutoCAD进行符号迁移的对应表，包括符号对应表arc_map.pnt、线形对应表arc_map.lin、颜色对应表Arc_map.clr、层对应表arc_map.tab。对应表都是文本格式，用户可以根据应用需要进行编辑。SuperMap提供的srt格式的对应表由对应表表头、字体对应表部分和线形对应表3部分组成。用户可以生成对应表文件，指定原数据中的线形、字体、符号和填充模式与SuperMap Deskpro式样的一一对应关系。Srt对应表能使其他GIS软件或CAD软件与SuperMap之间进行地图符号库的迁移。
由于现有的GIS软件基本都包括点、线、面符号的编辑模块，采用符号对应表方法可以达到在目标GIS平台里显示与源GIS平台一样[16]的符号的目的，从工程上实现了符号信息的共享显示。但是，由于通过数据格式转换方式、符号格式转换方式和TrueType字体库方式都存在数据失真、难度较大或共享有限等局限性，所以符号对应表是现在最常用的一种GIS数据迁移后共享符号信息的途径。但从本质上说，目标GIS平台里显示的还是本平台地图符号库里的符号，而且不能脱离GIS的地图符号编辑模块独立存在。此外，由于各GIS软件的地图符号系统对符号的语法结构定义的差异，很难实现对符号图形信息的完全共享。可见，符号对应表方法并没有从根本上解决地图符号信息的共享问题。1.3.4 GIS地图符号共享的意义1）地理信息共享的重要组成部分
地理信息共享是指以计算机及空间数据基础设施等技术硬件为依托，在标准、政策、法律等软环境支持下，对地理信息进行的共同使用，即允许知晓、操作、利用自身或非自身生产或者持有的地理信息[17]的过程，这里的地理信息包括数据、设备、人员及服务等。可以看出，对地理信息共享的认识一般来源于两种角度：第一为组织方面，认为地理信息共享是各类社会组织之间的一种关系，是一种互动行[18]为。第二为技术方面，涉及地理信息的互操作、拷贝等方面。本书中所讨论的地理信息共享主要针对共享技术，即如何用计算机技术来消除地理信息共享的障碍。
过去，研究者对地理信息共享的研究主要集中在对空间数据的共享与互操作上，无论是采用数据转换技术、数据直接读取或GIS互操[19,20,21,22,23,24]作都可以实现对空间数据的共享。地图符号作为地图的语言，是地理信息的组成要素之一，它由几何结构信息和属性语义信息两部分组成。现有的地理信息共享技术并没有考虑到地图符号信息的共享，共享后的GIS数据的要素都用简单的点、线、面来表示，地图符号蕴涵的信息资源丢失严重。造成这种现状主要有以下3个原因：一是各个GIS软件平台都有自己封闭的符号设计和绘制模块，实现地图符号信息的共享的技术难度较大。二是空间数据和地图符号数据在GIS操作系统里一直都是两个相对独立的单元，所以在共享空间数据时很少考虑地图符号信息的共享。三是地图符号在GIS地图表达中的重要作用还没有被充分认识到。
地图符号表示的不是每个具体的地理对象，而是各类地理对象的本质特征。建立地图符号系统必须对地图对象进行正确的综合分析和抽象，没有抽象就没有地图符号。当人们创造和运用符号时，把概念转换为形象，或者说创造了一个物质表象并赋予它一定的含义。当人[25,26]们读取符号时，则由物质表象转换为相应的概念。可见，任何一套地图符号系统都包含GIS设计人员对现实世界的抽象信息，这些信息对认识地图和运用地图都非常重要。因此，地图符号的共享是地理信息共享的重要组成部分。2）推动GIS地图符号标准化和专业化
人们在长期的制图实践过程中，形成了一些具有普遍认同度与约束力的图式规范和地图符号库。如《1∶5 000、1∶10 000地形图图示》（GB/T 5791—1993）和《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图图示》（GB/T 7229—1995）都对各种制图比例尺下的地物、地貌要素的符号、注记和整饰，使用符号的原则、方针和要求进行了明确的规定。根据这套国标图式产生了很多行6业应用的标准图式。如南京市测绘勘测研究院依据有关的国家标准，参考已出版的城市规划图集，在MapGIS、Coreldraw和AutoCAD 3种绘制软件上，建成了以城市总体规划为主的城市规划图例地图符号库（City Planning Symbol Base，简称CPSB）。CPSB内容较为全面，共选择了26个规划专题，几乎涵盖了目前我国所有的规划专题。该地图符号库的建立，不仅可以减少规划制图人员的劳动强度、提高工作效率，而且为我国城市规划部门[27]出台城市规划图例符号规范提供了科学的参考依据。但由于没有解决符号共享难题，这个标准地图符号库的应用非常有限，在有些不支持这3种格式符号的GIS环境下，必须重建一套地图符号库。
如果解决了GIS地图符号共享的关键技术，那么国家相关地图符号标准制定部门在制定图式规范的同时，就可以请权威的专业地图符号制作人员制作标准数字地图符号库，配以图式规范，对数字地图符号库作相关文字说明。在地图符号共享技术的支撑下，GIS开发和使用人员只需将它应用于各个GIS平台即可，这将有力地推动符号的标准化和专业化进程。3）充分利用地图符号库资源，减少重复劳动
为了在不同GIS平台的地图上显示地物的类型和特征，系统设计人员必须在该GIS平台的符号编辑模块里设计一套能形象地描述地物特征的地图符号库。地图符号的设计要求必须简明、形象、易读，特别是一些有国际标准和国家标准的行业图式，一条线的长度要求精确到0.1 mm，这对地图符号的设计人员来说，是一项细致烦琐的工作。但由于各GIS平台符号格式的不公开，当基础数据或行业数据转到另一个GIS平台后，必须在这个平台的符号编辑系统里重建一套地图符号库，才能达到数据正常的显示效果。如果一种地图符号库可以被不同GIS软件共享，或者地图符号库可以实现无损交换，那么建好的地图符号库即可直接或通过符号转换在不同GIS软件里显示。这不仅充分利用了地图符号库资源，而且也会明显减少系统开发人员的重复劳动。4）提高数据的显示与输出精度
地图符号可以使地图阅读人员感性地认识到地图范围里地理要素的种类、数量以及分布特征。很多行业对地图要素的图式都有明确、细致的规定，一个业余的制图人员设计的地图符号往往不能满足地图印刷和出版的要求。如果由专业的地图符号制作人员来设计行业标准地图符号库，并为大多数GIS平台识别，实现对标准地图符号库的共享，这样就可以消除地图符号设计过程中的随意性，提高地图数据的显示和输出质量，使制图真正满足行业精度要求。1.4GIS地图符号共享国内外研究进展1.4.1 GIS地图符号共享国外研究进展1）GIS国外地图符号标准化与规范化研究进程
实践表明，如果没有统一的地图符号标准和规范，就没有地图符号共享，GIS地图符号的标准和规范是实现GIS地图符号共享的前提和保障。只有大家都遵循一个GIS地图符号标准，才能最终消除GIS[28,29,30]地图符号共享的障碍，实现符号的互操作。因此，GIS地图符号共享研究的一项重要内容就是地图符号标准的制定。国外很多地理信息标准研究部门（OGC [Open Geospatial Consortium]、ISO/TC211[国际标准化组织地理信息标准化技术委员会]、FG-DC）和专业制图机构（美国国防部影像制图局、国际电工委员会、美国地质调查局）针对通用的地图符号和行业专用符号的标准或规范，进行了研发和制定，产生了大量与地图符号有关的标准和文献（见表1.1）。建立科学、合理的GIS地图符号体系及地图符号库标准，对促进地理[31,32,33]空间信息共享和GIS地图的应用都是非常必要的。表1.1 国际上与地图符号有关的主要标准和文献（1）地理信息国际标准中的图示表达（ISO/TC 211 19107 Geographic information-Portrayal）该国际标准将地理信息表述为人们能够理解的图像，包括描绘符号的方法。该标准提供一个公共接口，以支持标准符号集。它不包括制图符号的标准化，但提供这类标准符号集的标准接口。表达模式将表示规则包含在要素编目、数据集或数[34]据的各个地理要素中。
该国际标准以图示表达机制，为基础定义了一个以要素为中心的规则，根据这些规则图示表达要素的实例。根据专门的图示表达规则，图示表达信息可以被处理成图示表达规范。图示表达机制使其可能以不同方法图示表达同样的数据集，而无须改变数据集本身。该规范规定图示表达规范不应是数据集的一部分，应分开存储并从图示表达规则中查询。图示表达规则应存储在图示表达目录中，并对其起作用的要素类或要素实例进行详细说明。图示表达信息可通过发送一个图示表达目录和数据集图示表达规范，或通过参照已出现的图示表达目录[35]和来自数据集的图示表达规范来详细说明。（2）GML中的默认式样规范（Default Styling）
默认式样规范定义的style式样属性将默认式样信息和GML数据实例联系起来，在应用模式中，通过定义一种关系将这个属性分配给数据。默认式样可以用来给要素和拓扑设计式8样，通过设置几何式样描述符来设置一个要素或拓扑的几何式样。任意一个几何式样可以分派给一个要素或拓扑式样描述符，并可用远程方式或内嵌方式描绘几[36]何对象的图形符号（特殊符号）。（3）网络地图服务实现规范（Web Map Service Implementation Specification）
网络地图服务（WMS）利用具有地理空间位置信息的数据制作地图，提供地图服务，在GetCapabilities和GetMap操作都包括了图层样式参数。GetCapabilities中的style参数可使具有＜Style＞元素的图层或图层集使用零或更多的Style。GetMap请求的必选参数STXLES列出了将要表现的每个图层的样式，参数值是一个包含了一个或多个以逗号分隔的有效样式名的列表，STXLES参数值与LAXERS参数值[37,38]一一对应。（4）式样化图层描述符实现规范（Styled Layer Descriptor Implementation Specification，简称SLD）
虽然当前的WMS能为用户提供式样的选项，但只能告诉用户每个式样的名字，不能告诉用户式样在地图上的样子。更重要的是，用户无法自定义式样，而要实现式样的定义就需要一种客户端和服务器都能理解的式样语言。该规范定义了一种语言，即所谓的式样化图层描述符，并阐述了怎样将网络地图服务规范扩展为允许用户自定义特征数据的地图符号体系。通过SLD文档可以为符合规则的要素进行符[39]号化，从而实现对图层式样的自定义。（5）OGC式样管理服务（OGC Style Management Service，简称SMS）
SMS用来管理那些描绘式样和符号的不同对象，并且提供发现、查询、插入、更新和删除这些对象的方法。它由式样注册器、式样库、符号注册器和符号库4部分组成，式样注册和符号注册可以用来管理关于式样和符号对象的原数据以及使客户端发现原数据资源，而式样库和符号库是用来存储式样和符号对象的实例，这些实例可以[40]被客户端所访问。（6）“空间模式”（Geographic Information—Spatial schema）
该标准定义用于描述地理要素空间特征的概念模式和基于这些模式的一套空间操作，它处理最多到3维的矢量几何与拓扑计算。它定义用于最多3维空间（几何的与拓扑的）对象的空间信息存取、查询、管理、处理和数据交换的标准空间操作。利用这些定义确定一组标准操作和算法，以便将基础算子组合用于矢量地理数据的查询和处理。空间算子是使用、查询、创建、修改、删除空间对象的函数和程序。该标准对这些算子进行分类以便创建一个对这些算子进行定义与实现[41]的标准。（7）《数字显示的地理空间符号》Geospatial Symbols for Digital Display（Geosym）《数字显示的地理空间符号》文件解释了美国国防部影像制图局使用的GeoSym数字地图产品的技术要点，介绍了用户使用的软、硬件环境，介绍了VPF（Vector Product Format）等产品的符号处理原则、使用方法和描述语句。（8）《地图与影像的符号和注记》FCGxx:Symbology and Annotation for Maps and Imagery （SAMI）《地图与影像的符号和注记》文件阐述了处理数字影像产品中地理注记（annotation）的原则，以及对处理符号视觉变量的程序规定、符号元数据编制规定等。2）国外GIS软件产品对地图符号共享支持的发展历程
除了地图符号标准规范的制定，GIS软件厂商作为地理信息共享发展的主力军，其产品对地图符号共享的支持也是推动GIS地图符号共享发展的主要动力。GIS产品对地图符号共享的支持主要经历了以下3个阶段。（1）封闭式
这种类型的GIS软件平台提供相应的地图符号库，地图符号库中有各种类型的符号，便于用户选用。这一阶段地图符号库不能扩展，用户不能编辑、修改符号，只能用GIS软件提供的地图符号进行地图渲染，且GIS软件不提供给用户扩展地图符号的功能或接口。这一阶段GIS软件的地图符号库对用户来讲完全是一个黑箱，是一个完全封闭的地图符号系统。（2）半封闭式
这种类型的GIS软件提供给用户符号编辑的功能和相应的用户界面，用户可以根据自己的需要扩展地图符号库。GIS软件的桌面系统一般都包含地图符号编辑模块，可以新增、修改和编辑符号信息。但GIS软件没有为用户和开发人员提供可编程的接口，用户只能利用系统内置的符号编辑功能进行符号的设置，还不能用自己的应用程序对地图符号进行自定义。另外，这一阶段的GIS软件一般都支持TrueType字体，可将TrueType字体库里的点符号直接作为GIS软件地图符号库的点符号或点符号的组成部分。所以，这一时期的GIS地图符号系统处于半封闭状态。（3）半开放式
某些GIS软件除了提供相应的地图符号编辑工具之外，还为用户开放了地图符号调用显示的接口，用户可以利用这些接口，实现地图符号的自定义和存储，从真正意义上实现了地图符号的用户自定义扩展。如MapObjects和ArcObjects可以按照图层的某个字段值进行地图渲染，开放了SetupDC、Draw和ResetDC 3个地图刷新接口，支持对[42,43]地图符号系统的自定义。1.4.2 地图符号共享国内研究进展1）GIS国内地图符号标准化与规范化研究进程
国内的一些标准化研究机构和权威地图制图部门在地图符号信息分类与编码、地图符号库建立、普通地图和专题地图符号的绘制上都制定了相关规定，对具体的制图过程和制图结构进行了相关说明和限制（见表1.2）。它们为制图者提供了可参考的依据，也为读图者带来了阅读上的便利。表1.2 国内与地图符号有关的主要标准和文献
长期以来，地图图式规范一直扮演着地图符号共享的中介者角色，通过制定地图图式，规定每种地图符号的绘制式样、尺寸和颜色等信息来规范地图制图中的符号设计；通过图式使人们对地图符号的含义和图形表现达成一致的认识，从而实现对地图符号信息的共享。即使制图方式从纸质制图变为机助制图，制图者也必须在不同的制图环境下按照图式的规定设计地图符号库，以维持对地图语言认知的约定。
当然，也有些地图符号研究人员试图把地图图式规范转换成一种电子图式规范，即电子地图符号体系。这样，可以根据电子地图发展的需要，以及目前的计算机制图技术水平和电子地图产品的实际情况来制定数字形式的地图符号，保证数字形式地图符号制作、显示和用[31,32,41]户认知的一致性。结合电子地图产品和地图符号的具体特点将纸质规范转为数字形式的地图符号库，这种电子图式虽然消除了人们按照图式规范转制数字地图符号库过程中信息传输的噪声干扰，有利于对地图符号的信息共享，但由于没有解决地图符号库的多平台显示问题，必须在不同的GIS平台设置地图符号库。而且由于不同的GIS地图符号软件对符号的语法和语义定义的差异，将导致同类型地图符号库在不同GIS平台里可能有不同的图形表现和属性特征。2）国产GIS软件对地图符号共享的支持
国产GIS软件对地图符号共享的支持和国外GIS软件一样，也大致可以分为封闭式、半封闭式和半开放式3种。国产的GIS软件都提供了可扩展的符号编辑功能以及对TrueType字体的支持，其中在地图符号共享方面做得较好的是北京超图的SuperMap 软件。其对地图[3]符号共享提供了5个方面的支持。
①SuperMap GIS提供了点符号的纯文本交换文件格式smi，方便用户读取、转换，以便其他系统使用，为SupeMap和其他GIS地图符号库的交互和共享提供了通道。
②支持TrueType字体的显示，允许把True Type符号转为SuperMap格式的矢量符号，脱离True Type字库使用。
③支持导入dxf、dwg、dgn、cel等数据生成SuperMap GIS格式的符号。
④支持导入ico、bmp格式图片作为栅格符号。
⑤提供了在任一绘图句柄上绘制SuperMap地图符号库的接口。SuperMap的地图符号库包括符号库（点符号库）、线型库和填充库。3）GIS地图符号共享研究
GIS研究人员在实际项目研究和开发过程中也提出了很多共享模式，从某个角度解决了GIS地图符号共享的难题。（1）基于TrueType点符号共享
与传统矢量符号相比，TrueType点符号具有高分辨率、绘制速度快、真正实现系统和设备无关性、可以跨平台使用并可以无级缩放而不发生形变等特点，所以绝大多数GIS软件都支持TrueType点符号的显示。在实际应用系统的开发中，点符号采用TrueType字体来设[14]计，可以实现点符号的多平台显示和共享。（2）基于SVG的地图符号描述模型的符号共享
SVG（Scalable Vector Graphics）是W3C（World Wide Web）制定的基于XML（Extensible Markup Language）开放标准的文本式标记语言。根据功能不同，SVG的主要对象可归为基本要素对象和描述功能对象两大类。基本要素对象不仅支持文字、图像和基本图形，而且对于贝塞尔曲线也同样支持，并引入路径的概念。描述功能包括字体描述、坐标变换、填充、透明、链接、描边、动画、显示方式、剪[44,45]切路径、组合对象以及箭头等。
武汉大学尹章才等人提出，标记语言是使用“记号”来表示格式或数据信息的语言，地图符号由图形构成，可以用图形标记语言SVG来标记。应按照图示表达规范的要求构建一种基于SVG的地图符号描述模型，包括概念模型、逻辑模型和物理模型3种。用SVG标记语言描述地图符号，为地图符号的结构化描述和网络共享和互操作提供了[46]理论基础和基本解决方案。
严格地说，SVG并不是一种GIS数据格式，因为它可以表达多种矢量图形而被有些GIS应用研究人员用作GIS空间数据的一种浏览方式。所以，可以将一个GIS空间数据描述为由一系列SVG图形组成的符号集合用于数据（包括符号信息）的浏览，但这种SVG数据是不能当作GIS数据使用的。因为，这种符号共享方式与CAD数据转为其他GIS数据格式时，图块信息解析为多个几何要素的性质相同，它只能用于符号信息的浏览，而不能看作共享了地图符号信息的GIS数据。此外，SVG只能用来描述一些简单地图符号的几何信息，而一些复杂和特殊的地图符号的显示还存在困难。
当然，在OGC制定的SLD规范中，可以将SVG格式的图形数据引用为点符号、线符号和面符号的组成元素，所以将点、线、面符号制作为SVG格式用于地图要素的渲染也将是实现地图符号（网络）共享的途径之一（详见3.3.1和6.4）。（3）基于MSDT引擎的地图符号互操作
基于MSDT引擎的地图符号互操作是南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室地图符号共享的早期研究成果之一，提出运用图元[7]多接口显示技术引擎来实现地图符号互操作。本书在其成果的基础上进行了深入和完善，提出并详细阐述了基于通用地图符号库的地图符号共享框架，对该框架在实现GIS地图符号共享的可行性和有效性上进行了深入的分析和研究。1.4.3 GIS地图符号共享研究存在的问题1）GIS地图符号共享研究缺乏系统性
一直以来，GIS地图符号共享研究都存在其片面性，对共享的实现机理和实现目标都缺乏系统的研究。表现在：①没有对GIS地图符号的理论体系进行深入的研究，GIS地图符号作为地图的语言以及地学可视化的基本手段，其共享的重要性还没有被很好地认识。②人们普遍认为在GIS领域里地图符号共享纯粹是一个技术问题，对地图符号几何信息的共享就是地图符号共享的全部内容，没有考虑对符号语义信息的共享，对GIS地图符号共享内容缺乏科学的定位。③缺乏对GIS地图符号有关的共享内容、共享障碍、共享关键点和共享目标等一系列问题的系统分析。片面的研究导致GIS地图符号共享进展缓慢，仅产生了一些针对性较强的研究成果。2）GIS地图符号标准的研究与应用脱节
尽管目前已有很多关于地理信息的标准和规范，其中也不乏专门针对地图符号的规范，如SLD和SMS。但由于这些规范与具体的应用脱节，从而很少得到GIS软件的支持。以式样化图层描述符实现规范为例，该规范对点符号、线符号、面符号，甚至是文字符号和栅格符号的图形参数都作了具体的描述。但由于符号支持的图素较少，造成符号的表现单一，符号的配置只能实现比较简单的地图可视化，不适合表达丰富多彩的地图图形信息。所以，虽然OGC等地理信息标准制定部门制定了地图符号规范，却很少被GIS软件在系统中采纳。各GIS软件平台仍然采用本系统内部的符号格式，各种类型的地图符号库中符号语法结构和语义特征缺乏一致性是阻碍符号共享的最大障碍。3）GIS地图符号共享方法的局限性
现有GIS地图符号共享方法大多出于解决某个地图符号共享难题的角度，没有全面综合地提出GIS地图符号共享体系和框架上的思路。体现在：①现有的这些共享方式对环境要求很苛刻，当应用环境改变时，这些共享方式就不能发挥作用。如符号格式转换方法只针对那些开放符号格式的符号库，而目前绝大多数的符号库格式都是不公开的。②共享实现过程烦琐，通常需要很多操作，甚至大量编程才能实现。如符号对应表方法的实现需要在目标环境里重建符号库，建立两个符号库编码的对应关系，编程实现符号编码的关联等操作，才能实现符号的原样显示。③点符号共享的成果较多，而线符号和面符号的共享成果较少。由于各GIS软件平台对点符号的语法结构定义和存储方式基本一致，只要公开点符号库的格式，都可以实现点符号信息的转换与共享；再加上TrueType 字体符号这个中间纽带，点符号共享具有很宽的实现通道。但不同GIS软件平台对线符号和面符号的语法结构认识上有很大差异，所以很难实现对它们的共享。④共享效果不理想。如TrueType字体符号只能是单色显示；而由于不同GIS软件对地图符号语法结构定义的差异，也导致符号格式转换和符号对应表模式的符号显示与原有状态存在一定偏差。
这些单个、片面的共享方式虽然为GIS地图符号共享提出了一些好的理论基础和实践经验，但并没有从根本上消除地图符号共享的障碍。如果要从根本上解决GIS地图符号共享现存的问题，就必须提出一个通用的地图符号共享框架。1.5研究的目的和意义
本书的研究目的和意义主要表现在以下几个方面。
①明确GIS地图符号的共享内容和共享目标。这包括地图符号库在不同GIS环境下的显示；地图符号库之间的转换；地理信息共享中的地图符号信息共享。
②通过分析现有GIS地图符号共享方法的特点与不足，提出基于通用地图符号库的符号共享框架。该框架不仅要解决通用地图符号库在各种GIS软件环境下的显示问题，实现“一库多用”，而且将支持在数据共享过程中的地图符号同步共享。
③该符号共享框架将消除由于不同GIS软件对地图符号语法结构和语义特征定义不一致而形成的地图符号共享障碍，从而实现对地图符号库信息的完全共享。
④该符号共享框架将实现对点、线、面符号的共享，打破由于GIS软件对线符号和面符号结构定义的差异而形成的共享禁锢。
⑤研究在地理信息共享过程中实现符号共享的多种途径。这包括地图符号多平台显示技术、地图符号库的数据转换、TrueType字体库的共享等，为地理数据转换过程中实现对符号的共享提供了可参考的模板。1.6研究思路、方法和技术路线
本研究从分析当前GIS地图符号共享的方法和国内外GIS地图符号共享研究进展入手，在GIS地图符号相关理论的指导下，提出了基于通用地图符号库的地图符号共享框架，详细阐述了通用地图符号编辑器的设计思路和通用地图符号库的组织结构。通过剖析地图符号多平台显示技术的实现原理和组件结构以及通用地图符号库的开放性和共享性，来进一步诠释该共享框架的具体实现，并用地图符号共享实例验证了该共享框架在解决多种情况下地图符号共享问题的有效性（见图1.4）。图1.4 GIS地图符号共享的技术路线
本研究采用了对比法，将通用地图符号编辑器、通用地图符号库和地图符号多平台显示技术与现有的GIS地图符号编辑模块、地图符号库和符号化系统相比较，证明了该通用GIS地图符号系统在地图符号编辑、存储和绘制等方面表现出更多的通用性和共享性。与现有GIS软件和研究人员提出的地图符号共享框架相比，基于通用地图符号库的符号共享框架在共享程度、共享范围和共享效果上都表现出较大的优越性。1.7研究内容
本研究主要研究基于通用地图符号库的地图符号共享框架及其应用实现，研究内容包括以下几个方面。
①地理信息系统中的地图符号学理论与体系。从地理语言学、地学可视化、地图符号学到GIS地图符号系统，对GIS地图符号的组织结构和共享的重要性进行细致、深入的分析。
②基于通用地图符号库的地图符号共享框架。该地图符号共享框架从本质上讲是通过建立一套通用的GIS地图符号系统，使GIS数据的符号化从原来GIS内置符号系统中独立出来，从而实现对通用地图符号库信息的共享。
③通用地图符号编辑器和通用地图符号库。通用地图符号编辑器从底层研制和开发，独立于任何一种GIS平台环境。通用地图符号库的数据组织基于最新的国际地图符号标准，并符合地图符号学的相关理论，即地图符号的语法学和语义学。因为，一个地图符号库只有充分地表达了符号的语法结构和语义特征，才能发挥其独特的语用功能，成为一种表达手段和认知对象，才具有共享的价值。
④地图符号多平台显示技术。针对不同的GIS环境编写相应的渲染组件和绘制组件，使通用地图符号库中的符号可以用于不同GIS软件的地图符号化显示，实现了“一库多用”和地理信息共享中地图符号信息的同步共享。
⑤通用地图符号库与其他格式地图符号库（CAD图块库、TrueType字体库和SuperMap的点符号交换格式）的交互。
⑥地理信息共享中的（点）符号共享的多种途径与实例分析。参考文献
[1] ISO/TC211WG4, Geospatial services N042.Open Geographic Data store Interface（OGDI）．
[2] OGC.http://www.opengis.org/．
[3] http://www.supermap.com/．
[4] 王家耀．信息化时代的地图学[J]．测绘工程，2002,9（2）:1-5．
[5] 龙毅，杜清运，邬国锋，等．数字地图制图向地理信息系统发展的若干问题分析[J]．地图， 2001（2）:1-5．
[6] 马耀峰，胡文亮，张安定，等．地图学原理[M]．北京：科学出版社，2004．
[7] 祝国瑞．地图学[M]．武汉：武汉大学出版社，2004．
[8] 刘忠志．地图整饰技术研究及应用[D]．中国林业科学研究院硕士论文，2003．
[9] 刘芳．《军官地图集》电子版自动分幅系统及专题地图制图系统的设计与实现[D]．中国人民解放军信息工程大学硕士论文，2003．
[10] 张亚军．GIS中地图符号编辑器的设计与实现[D]．中国人民解放军信息工程大学硕士论文，2003．
[11] 孙新颜．军用电子地图制作与应用软件系统及部分软件模块实现[D]．中国人民解放军信息工程大学硕士论文，2002．
[12] ESRI.ESRI OpenStrategy—White Papers on SDE/CAD Client&Spatial Data Warehousing. [EB/OL].[2013-11-04].1998.http://www.esri/com/base/company/opengis．
[13] 杨建军．基于MSDP引擎的地图符号互操作的研究与应用[D]．南京师范大学硕士论文， 2004．
[14] 李东平．基于MapInfo和VB的林业地图跨平台制图自动化研究[D]．西北师范大学硕士论文，2003．
[15] 陶陶，张书亮，曾巧玲，等．基于符号多平台显示技术的线型设计与绘制[J]．计算机工程与应用，2004,40（23）:120-122．
[16] 祁华斌，艾廷华，胡珂．基于 ArcGIS 的地图符号库建立及符号化实施[J]．测绘通报， 2003（1）:14-17．
[17] 何建邦，闾国年，吴平生．地理信息共享的原理与方法[M]．北京：科学出版社，2003．
[18] 陈常松．地理信息共享的理论与政策研究[M]．北京：科学出版社，2003．
[19] Xaser Bishr.Overcoming the semantic and other barriers to GIS interoperability[J].INT.J. Geographical Information Science,1998,12（4）:299-314．
[20] Andrej Vckovski.Digital Representation of Continuous random Fields, Geographic Information Research[M].Edited by Massimo Craglia & Helen Couclelis.London: Taylor & Francis, 1997:382-396．
[21] Buehler K, Mckee L, editors.The Open GIS Guide.OpenGIS Consortium, Inc.,1996．
[22] Goodchild, Egenhofer, Regears.Interoperating GIS, Report of a special meeting held under the auspices of the carenius project panel on computational implementations of geographic concepts [R].SantaBarbara,1997:5-6．
[23] Egenhofer, Goodchild, Interoperating geographic information systems request for approval in detail[EB/OL].[2013-11-04].http://www.ncgia.ucsb.edu/conf/interop97/i20prop/i20prop.html．
[24] Michael F.Goodchild, Max J.Egenhofer, Robin Fegeas.Interoperating GISs.Report of a specialist Meeting Held under
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]