【技術】柵格地圖制圖綜合技術研究綜述

摘要

地圖制圖綜合是解決地理對象信息詳細性和圖幅表達空間有限性之間矛盾的關鍵科學和技術。本文論述了國內外柵格地圖制圖綜合技術的主要研究進展，包括化簡、合并、典型化、降維、移位等算子的主要方法。闡述已有不同柵格制圖綜合方法的優勢與不足，分析了當前柵格制圖綜合面臨的困難和挑戰，并對未來柵格制圖綜合技術的發展進行了思考。

引用

[1] 張貴凱,沈意浪,張伊晴,等. 柵格地圖制圖綜合技術研究綜述[J/OL]. 測繪科學技術學報, 1-11[2025-12-29]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1974.P.20251126.1123.020.html.

引言

1921年，Eckert首次提出了制圖綜合的概念 [1] 。地圖制圖綜合是在地圖比例尺由大變小的過程中，對制圖區域內的地理要素進行信息抽象、簡化表達的過程。在該過程中，根據地圖的比例尺、主題和用途、制圖區域的地理特征等的不同，一些主要和本質的特征將會被保留而次要的信息被移除，不影響地圖的清晰性和易讀性。制圖綜合是空間數據分析與挖掘的基本手段之一，能夠提高地理信息的表達與利用效率，滿足地理信息可視化與制圖輸出的需要 [2] ，也被認為是現代地圖學中最具挑戰性與創新性的研究方向 [3] 。

制圖綜合過程中包含多個不同的子過程，這些子過程也稱為制圖綜合算子 [4] 。常見的制圖綜合算子包括選取、化簡、合并、典型化、降維、移位等。每一個綜合算子又由不同的綜合算法來實現。在百余年的發展過程中，地圖制圖綜合經歷了手工紙質地圖制圖和計算機自動制圖綜合兩個階段，目前處于人工智能自動制圖綜合的萌芽期。

針對不同格式的輸入數據，可以將制圖綜合算法分為基于矢量數據的綜合算法和基于柵格數據的綜合算法。相比于柵格數據，矢量數據由于其結構緊湊、冗余度低、便于傳輸、圖形顯示質量好等特性，在地理信息可視化和制圖中應用更加廣泛，這也使得基于矢量數據的綜合算法得到更多關注和發展。然而，柵格數據也有結構簡單、成本低廉、獲取方式快捷等優點，如何將柵格數據的優勢融入到制圖綜合當中是一個值得思考的問題。本文旨在對過去柵格地圖制圖綜合技術進行系統梳理，嘗試評述已有不同柵格制圖綜合技術的優勢與不足，分析當前柵格制圖綜合面臨的困難和挑戰，并對未來柵格制圖綜合技術的發展進行探討。

主要內容

化簡是指在地圖制圖過程中，簡化制圖對象的內部結構和外部輪廓的技術和方法，其核心目標是去除對象輪廓中的細節部分，同時盡量保留總體的圖形特征 [3] 。通過化簡這一過程可以有效提升制圖效率和可讀性，同時確保主要地理特征的完整性。

矢量數據因其能精確描述地理實體的幾何形狀而適用于特征學習，因此在化簡算法的研究中，矢量數據一直是主要的研究對象。早期研究中提出了許多經典的化簡算法，如Douglas和Peucker（DP）算法

圖1 DP算法的實現過程。（a）初始折線；（b）尋找最大偏差點，再次進行閾值判斷；（c）遞歸劃分；（d）化簡結果

圖2 利用正六邊形化簡的基本單元示意圖

圖3 使用膨脹腐蝕操作進行柵格數據合并。（a）選擇合并對象；（b）執行膨脹操作；（c）執行腐蝕操作；（d）減去原對象；（e）評估新區域；（f）合并結果。

圖4 多尺度面狀要素聚合結果。（a）待合并的面要素；（b1）原始圖像縮小2倍圖；（b2）原始圖像縮小5倍圖；（c）合并后圖像；（d1）合并圖像縮小2倍圖；（d2）合并圖像縮小5倍圖。

圖5 不同尺度下典型化后的建筑密度對比

圖6 基于遺傳算法的移位算法實驗結果。(a)移位前示例圖；(b)移位后示例圖

盡管制圖綜合的技術和方法已經發展了百余年，無論是在綜合算子算法、過程控制綜合、綜合對象拓展等方面，都取得了豐富成果，但基于柵格數據的制圖綜合算法，如選取、合并、典型化、移位等算法，仍然比較缺乏。需要探索新的適合柵格數據的制圖綜合理論、方法和模型，建立適合柵格數據的綜合質量評價體系。相比于矢量制圖綜合，計算機視覺和數字圖像處理領域有豐富且成熟的理論和模型可以遷移到柵格制圖綜合領域，這個方向的工作仍然值得進行探索和發掘。

柵格制圖綜合算法在速度上如何能夠追上矢量算法，也同樣面臨著挑戰。柵格數據以像素為處理單元，當數據分辨率較高的時候，數據量將會非常大，這會嚴重影響計算的時間和效率。盡管基于柵格的綜合能在算法層面做到效率最優，在對同樣范圍的空間數據進行處理時，其總體計算時間仍然可能會遠大于基于矢量數據的綜合算法。因此，利用硬件如CPU或GPU進行加速是解決算法效率問題的重要途徑。

此外，在應用層面，當前國內外主流的具有制圖綜合功能的軟件均以處理矢量數據為主，如ArcGIS軟件里面的Cartography Tools。如何將基于柵格數據的制圖綜合算法集成并開發成可解決實際生產需求的軟件，也是一個需要解決的問題。

結束語

制圖綜合是通過科學的理論、技術和方法對地理要素進行抽象和簡化表達的過程，以方便人類認知、分析和探索現實世界。本文主要論述了國內外基于柵格數據的制圖綜合技術主要研究成果，具體包括化簡、合并、典型化、降維、移位等算法。相對比矢量制圖綜合，柵格制圖綜合在各類算法設計和開發上仍然較為缺乏，在算法速度優化、軟件應用方面仍然面臨著困難和挑戰。在未來，仍可以通過借鑒計算機視覺、數字圖像處理領域的理論和方法，繼續探索新的基于柵格數據的制圖綜合理論、技術和方法，拓展柵格制圖綜合的應用對象和場景。

來源：測繪學術資訊