原创 陈雅慧 竹山数据 2022-06-01 13:53 发表于四川
0 引言
地图符号是表示地图内容的基本手段，其增强了地图的可读性，是地理信息系统显示和输出的支撑和基础。自“十五”规划以来，地震系统普遍采用ArcGIS软件制图，由此产生了一套基于ArcGIS的地图符号库，并得到较为广泛的应用。然而，随着应急管理部对应急产品的“自主可控”提出更高的要求，开源GIS(Geographic Information System)的应用被逐渐推广，重新制作一套基于开源GIS的地图符号库成为迫切的需求。
地图符号共享一直是地图制图过程中研究的重点和难点，由于不同GIS平台数据结构、存储方法、渲染策略以及商业软件封闭性等原因，导致地图符号难以共享(Chen et al，2011)。为在各GIS平台之间实现符号“一库多用”，国内外众多学者从符号共享方法、应用环境等不同角度进行了探讨，从研究符号规范实现地图符号互操作(Liu et al，2016；刘青峰，2018)，到研究不同平台之间(薛章斌，2014)、不同符号格式之间的数据转换(吴自银，2000；陈泰生等，2011；陈金龙等，2015)，更有学者研究了网络环境下的符号共享(吴明光等，2011；Robinson et al，2013；周海霞等，2019)。相比较而言，对于开源GIS方面的符号共享研究，尤其是SVG(Scalable Vector Graphics)符号共享研究相对缺乏。
QGIS(Quantum GIS)作为一种开源软件，具有要素加载更快速、颜色渲染更美观等优势，其具有自身的符号体系，能够满足基础的地图渲染工作，SVG标记是该软件的一种符号制作方式，常用SVG图片展示复杂符号。在以往研究中，陈梦琳等(2015)实现了将SVG地图符号共享至ArcGIS平台。本文重点研究TTF(TrueType Font)字体符号向SVG符号的反向转换，实现ArcGIS符号库向QGIS软件的迁移，确保基础地理数据在QGIS中能够得到符号化展示，加强地图渲染效果。鉴于点符号为线和面符号制作的基础，本文以ArcGIS点符号库为基础，探讨点符号从ArcGIS向QGIS平台迁移的方法，为点、线、面符号的整体迁移做准备。
1 ArcGIS与QGIS点状地图符号对比
在符号库格式方面，2种GIS系统默认的符号库通常是通用符号库，难以满足各行业个性化的表达需要，其中ArcGIS常用*.style符号库存储用户自定义的符号，QGIS则通过可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML)来存储符号。在style文件中，符号由相应的字体库描述，即利用TrueType字体构建符号，其特点是对符号轮廓进行描绘，通过描边将轮廓线转换为曲线，再对符号内部进行填充，实现丰富符号颜色和增添符号效果的目的(吴新强，2014)。而在QGIS中，用户自定义的复杂符号采用从外部引入矢量图片进行SVG标记，再将多种标记叠加组合而成。在点状符号中，SVG为图形对象，通过图形、路径等参数定义符号的几何结构，并利用轮廓和填充描述符号的样式(陈梦琳，2015)。
在符号构建上，GIS系统点状符号的构建方法主要有几何图元组合、TrueType字体、图片图标与程序法等(Wu et al，2017)。其中，ArcGIS利用矢量几何图形和系统字体库中的字符来构建点符号，通过多重字符和图形的叠加，组合成复杂点状符号；而QGIS既符合图形系统特点，将地图符号作为图形对象，对图形边界和内部进行轮廓修改和填充，又与其他GIS平台(如ArcGIS)相同，能够用图元组合的方式绘制地图符号。
此外，对比ArcGIS与QGIS系统，二者均采用符号分层方式管理地图符号库，但在数据结构方面具有一些差别，ArcGIS主要采用字符构图，QGIS则注重几何图形构图。在符号的组织方式上，QGIS比ArcGIS增加了多层符号组别的设置，使各类符号的管理更加便利。对比2个GIS系统的地图符号特点，如表 1所示。
 | 表 1 ArcGIS与QGIS系统点状符号差异对比 |
2 点符号转换方法及实现
针对QGIS平台自定义地图符号的迫切需求，目前亟需设计一种简洁、快速的方式将2种格式的点符号库进行转换。通过了解和掌握源格式与目标格式的数据结构、绘制方法等详细信息，发现2种格式在符号结构、数据关联模式、渲染方式和技术实现等方面难以进行符号内部的直接转换，并且在转换过程中容易出现数据损失，故需要一个公开格式作为间接转换的桥梁(黄瑞阳，2013)。经过分析，本文采用Python实现点符号格式转换，采用便携式网络图形(Portable Network Graphics，PNG)格式作为公开格式，根据每种格式的特点编写具有针对性的转换程序，实现ArcGIS点符号库向QGIS平台迁移。
2.1 TTF向PNG转换
TTF向PNG转换主要基于Python中的ReportLab库和fontTools库。其中，ReportLab库用于创建自定义PDF文档，输出高质量图形，其主要功能包括绘制自定义图形、图表、文字、编码，输出PDF页面和段落布局等(梁晶等，2019)。本文采用该代码库子包“ReportLab Graphics”中的Drawing方法和Group方法来绘制基础形状和特殊形状，所有待转换的TTF字体均可通过ReportLab Graphics获取符号轮廓路径的方式来绘制PNG图片。另外，fontTools是一个使用Python编写、用于处理字体的库，它可以将TrueType和OpenType字体格式转换为XML格式。本文先依次读取全部TrueType字体，再将所有字体转换为Python对象。
具体的设计思路为: 采用ReportLab库创建一个具有画笔功能的类，描述字体轮廓直线、曲线、移动等方法；然后采用fontTools库创建字体转换函数读取字体库，获取字型名称列表，按字母进行排序，依次循环，调用创建类的绘画方法绘制PNG图像；通过设置填充颜色、轮廓宽度、图像宽度和坐标起点(x，y)描述PNG图像细节(图 1)。
 | 图 1 TTF转换生成PNG图片 |
2.2 PNG向SVG转换
PNG向SVG转换本质上是将位图转换为矢量图，通过XML代码描绘图像，使图像具有交互功能。SVG代码由开启标签< svg>和关闭标签</svg>2个根元素组成，开启标签定义了XML头文件属性，包括XML的版本、字符编码方式，确定选择正确的外部DTD文件。本文选择W3C发布的svg11.dtd规范来解释相关程序定义。SVG代码的编辑包括SVG版本、命名空间、SVG图像的宽度、高度和画布区域等。描述图像时直接嵌入基于Base64编码的像素值，使转换的图像仍是位图结构(袁家政等，2008)。采用base64.b64 encode方式将图片转为base64编码，定义宽、高、起点、填充方式，对之前由TTF转出的PNG图片进行循环遍历，生成多个SVG图像，部分实现代码如图 2所示。
 | 图 2 SVG部分代码展示 |
2.3 转换结果验证
在ArcGIS中点符号为矢量数据，能够参照地图比例尺和制图幅面修改符号大小，且能够更改符号颜色，防止与底图颜色冲突。点符号经过符号转换后生成的SVG图片同样为矢量格式。由于在上述编码过程中考虑了符号背景透明，以及填充(fill)和轮廓(stroke)参数规定，因此在QGIS使用SVG标记方法导入转换结果后，也能够实现ArcGIS中的相同功能，即更改轮廓颜色和填充颜色、改变符号大小、符号质量不变等。图 3展示的符号分别由ArcGIS和QGIS制作，二者从符号颜色、大小、外观，到符号的整体可视化表达几乎无差别，这也证实了本文描述的点符号转换方法是可行的，转换后的点状符号能够满足QGIS制图要求。
 | 图 3 ArcGIS(a)与QGIS(b)符号对比 |
3 地震灾情符号库迁移
为进一步验证方法的可行性，本文以ArcGIS地震灾情符号库为例，将其中的点状符号迁移至QGIS中。地震灾情符号库是国家科技支撑计划项目“地震灾情服务及应急决策支撑平台研究”的成果之一，目前已在地震系统的应急专题制图中得到广泛应用。该符号库包括点、线、面三类符号，其中包含点状符号140余个，大致涉及基础地理信息、地震、地震次生灾害、重点目标、交通等11类。
通过分析，可将140个点状符号分为两类，一类符号能够用QGIS本身的点符号标记方法实现，属于简单符号，包括历史地震、各级政府驻地这类的圆形符号，震中位置、地质调查点等五角星、三角形符号，以及化工厂、学校这类文字符号。这种简单符号通过QGIS符号系统中的椭圆标记、实心标记、文字符号标记、简单标记、SVG标记、矢量字段标记等便可快速制作。另一种符号属于复杂符号，这类符号的特点是QGIS符号系统没有且无法绘制，或是绘制时间较长，至少需要叠加一个SVG图片实现符号制作，因此必须通过SVG转换方式实现，此类点符号的数量占符号总量的三分之二。以3个复杂符号为例，通过多层标记叠加组合实现符号制作，如图 4所示。
| 图 4 部分复杂符号举例 |
对于复杂符号，基于上述点符号转换方法，将“地震灾情符号库.ttf”进行一系列转换，筛选出复杂符号所需的SVG图片，使QGIS平台能够以SVG标记的方式载入图片库。随后，对两类符号统一制作，简单符号以圆形、正方形、三角形、星形等简单形状为基础图形，采用QGIS自带的符号标记方式将多项标记进行组合；复杂符号通过载入SVG图片库，加以颜色设计、轮廓填充、大小设置、角度偏转、坐标偏移等操作进行符号制作。制作完成的140个点符号通过QGIS符号样式管理器统一导出，生成XML文件，如图 5所示。至此，ArcGIS点符号库向QGIS平台迁移工作完成，任意版本QGIS软件可以通过导入“地震灾情符号库.xml”文件来加载全部点符号，符号库满足了地震行业专业技术人员对QGIS平台的制图需求。
| 图 5 基于QGIS平台的地震灾情符号库 |
将QGIS地震灾情符号库应用于地震应急快速出图，实现了不同幅面大小的专题图的产出，实际应用效果如图 6所示。其中，台站符号按数据属性分类，符号色彩饱满，可以看出无论是从符号颜色、样式，还是从符号大小和分辨率上，转换后的地图符号能够清晰地表达地图主题，实现与ArcGIS制图相同的呈现效果。
| 图 6 符号库制图的应用(a)ArcGIS制作；(b)QGIS制作 |
4 结论与展望
通过对ArcGIS地震灾情符号库中点状地图符号的迁移，证实了本文提出的运用Python编程实现TTF向SVG符号格式转换方法是可行的，实现了ArcGIS与QGIS之间跨平台符号转换。在研究过程中，还发现了有待进一步改进的问题，例如，fontTools库能够处理TrueType字体转换为XML格式，QGIS符号库可以识别XML格式，如果能够在程序上实现TTF转换为XML，将避免QGIS从SVG图片获取点状地图符号，从而使符号共享更简便、更快捷。
在实际应用中，基于QGIS的点状地图符号库能够满足制图要求和地震行业需求，达到了本文设计符号转换的目的，同时，转换后的符号实现了与ArcGIS相同的符号使用和编辑自由等功能。ArcGIS点符号库向QGIS平台迁移的方法在其他行业和GIS领域也有良好的发展前景。
参考文献
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Liu D L, Zhou Z Y, Wu Q, et al, 2016, Symbol recognition and automatic conversion in GIS vector maps, Petrol Sci, 13: 173-181. DOI:10.1007/s12182-015-0068-z |
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Wu M G, Zhu A X, Zheng P B, et al, 2017, An improved map-symbol model to facilitate sharing of heterogeneous qualitative map symbols, Cartogr Geogr Inf Sci, 44(1): 62-75. DOI:10.1080/15230406.2015.1102083 |
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