随着空间信息资源呈海量式增长，如何从中挖掘有效信息并可视化表达成为地理学领域的重要研究方向^[1]。专题地图是空间数据可视化的主要形式之一，它能够根据行业需求，突出而深入地反映制图区域内一种或多种自然或社会要素的分布及特征，在国民经济建设、科研教学方面具有广泛的应用^{[2, 3]}。传统的专题制图方法依赖地理信息软件(如ArcGIS)进行数据处理和模型分析，然后在制图软件(如Adobe Illustrator)中绘制底图、专题符号等地图要素，并进行地图整饰。整个过程需投入较多人力，效率低、周期长，已无法满足高效率、快速出图的要求^[4-6]。因此，自动专题制图成为了制图领域研究的热点^{[7, 8]}，林筝^[9]开发了在线专题地图自动化平台，实现了专题地图的自动化和定制化，但制作的专题地图不支持输出矢量图形，无法满足地图出版的需求。张雷等^[10]通过建立图形和外部数据库的关联，实现了专题地图的自动更新，有效地减少了专题制图过程中多次更新数据所带来的繁琐的人工劳动。陈磊等^[11]提出一个引导式的专题制图模式，将制图流程分解为多个具有专家制图引导的子过程，引导用户快速制作专题地图。目前的自动化专题制图一定程度上减少了人工投入，提高了制图效率，但计算的模型多为简单模型，专题符号常采用直方图、饼图等常规方式，且只能输出栅格图形，不能满足美观性和地图出版的需求。

针对传统专题制图方法自动化程度不高、当前自动制图方法不能输出矢量图形，本文提出了一种应用模型驱动的自动专题制图方法，通过构建专题应用模型库、专题制图插件库和模型驱动机制，将主流地理信息软件的数据处理功能、模型分析功能与制图软件的制图功能结合，设计实现了实用的自动专题制图系统，以期提高专题地图的制图效率和满足出版需求。

1 自动专题制图系统设计 1.1 总体设计

应用模型驱动的自动专题制图系统包括数据存储、专题应用模型库、专题地图绘制3部分。空间数据、属性数据、专题数据等制图数据按专题要素分层的方法进行组织与管理^[12]。专题应用模型库是由专题应用模型组成的集合。专题地图绘制包含了专题要素制图、基础地理要素制图及地图整饰等专题制图过程。该系统基于应用模型驱动机制，不仅实现了专题信息从数据库向专题地图的自动转变，同时将制图规则转换为专家知识融入到专题制图系统中，降低了专题制图的难度，提高了专题制图效率。

1.2 模型驱动机制

模型驱动机制是对整个系统的全部或部分功能和行为进行控制的一种策略或措施，主体思想是通过目标事物和建模知识库确定应用模型，并使用该应用模型控制操作装置来控制系统全部或部分功能的发展和实现^[13-16]。模型驱动机制主要包括建模知识库、应用模型、操作装置、目标事物4个部分。本文以模型驱动机制为框架，以专题地图为目标事物建立了应用模型驱动的自动专题制图机制，其原理如图 1所示。

1.3 专题应用模型

用于专题制图的原始数据不能直接反映地理现象或事物的空间分布特征、动态变化规律和发展趋势等信息，需要对原始数据进行数据处理、专题分析等操作后才能用于专题地图的制图输出^[17]。专题应用模型是一个能够实现某种专题应用的模型，包含了数据预处理、空间分析、统计分析等功能。采用专题应用模型对原始数据进行处理与分析，实现了从原始数据输入到制图数据输出的整个过程，简化了计算流程，提高了数据分析的效率。

2 自动专题制图系统的实现

在模型驱动机制中，应用模型和操作装置涉及到大量的模型计算和地图制图操作。为了提高制图效率，本文通过特定格式的过程数据将专题应用模型处理系统和专题制图插件联动起来，实现应用模型和操作装置两个部分的自动化，实现了专题模型计算和地图制图分离，方便专题应用模型处理系统与其他制图软件相结合。

2.1 专题应用模型处理系统

专题应用模型处理系统采用C#语言来编程实现，该系统集成了ArcObjects SDK for Microsoft.NET Framework、GDAL(geospatial data abstraction library)等开发包中的大量的空间数据处理模块，使该系统具有强大的空间数据分析、处理能力，采用WinForm技术开发图形界面指导用户完成专题应用模型计算。该系统主要包括输入数据加载、数据质量检查、应用模型选择与计算、专题数据输出等功能。

2.2 专题制图插件

专题制图插件是一个采用C++语言基于Adobe Illustrator API二次开发实现的Adobe Illustrator制图插件，扩展和增强了Adobe Illustrator的绘制、着色功能。专题制图插件采用Qt语言开发图形界面来指导用户完成专题地图的绘制，专题制图插件实现的主要功能包括制图数据的加载、要素符号化与注记配置、专题数据符号表达、图幅布局设计等。

3 专题制图实验 3.1 实验专题内容

专题应用模型处理系统目前已经集成了生态安全分析、开放空间综合评价等多个专题应用模型。本文以生态安全分析为例制作专题地图，以“活力-组织力-恢复力”为理论框架，计算生态安全指数ESI(ecological security index)，构建生态安全指数ESI与人均GDP的耦合度C，衡量生态质量与经济发展的协调程度。利用系统聚类方法，评价吉林省各市州生态安全特征。

$ C = \sqrt {{\rm{ESI \times GDP/(ESI + GDP)}}} $

本专题制图所需的原始数据主要包括：①吉林省地表覆盖数据(Shapefile)；②吉林省土地利用现状数据(Shapefile)；③吉林省统计年鉴中的数据，包括多种用地类型的面积、占比、数量等属性信息；④吉林省基础地理要素，包括行政区划、主要城市、主要水系、主要铁路、主要公路等。

生态安全分析专题应用模型的计算过程涉及空间要素分割等空间处理以及景观破碎度指数等模型计算。制图过程涉及要素符号化、注记配置、专题地图整饰等一系列制图操作，以生态安全分析为例绘制专题地图，能有效检测自动专题制图系统是否满足专题制图的需要。吉林省生态安全分析图如图 2所示。

3.2 自动专题制图流程

1) 在专题应用模型处理系统中选择生态安全分析专题应用模型，根据应用模型要求输入所需数据，完成输入参数检查后，单击“计算”按钮即可一键式完成专题应用模型计算。计算完成后，自动将计算得到的景观破碎度指数、生态安全指数等结果导出到Excel文件中。

2) 将步骤1)生成的Excel文件导入到专题制图插件中，同时加载基础地理要素数据作为底图数据。在专题制图插件的交互界面中进行专题符号化配置以及注记配置，专题符号可根据指标数值调整色彩、大小等属性，实时地应用在当前绘制的专题地图上。

3) 在布局调整界面中根据主、副图的图幅选择合适的布局模板，调整主图、副图、图例等的空间布局，实时应用到当前绘制的专题地图上。

经过以上3个步骤，即可在Adobe Illustrator中生成一幅经过初步整饰的专题地图(图 2)。

3.3 结果比较与分析

自动专题制图系统输出的专题地图从原始数据输入到成果图输出累计耗时约2 h，该专题地图色彩协调、图幅均衡，已完成专题地图的大部分内容，后期仅需简单调整和整饰。同等条件下，采用手工制图方式制作该专题地图，需要一名熟练的制图人员投入约5 d时间。结果表明，该自动专题制图系统能大幅减少人力投入，提高数据分析和专题地图制图的效率，且支持输出为矢量专题地图。因此，该自动专题制图系统可应用于地图出版、应急快速制图等领域。专题地图内容丰富、表达形式多样，可输出矢量专题地图，但有些问题如地图后期整饰、表达多样化仍需人工解决。

4 结束语

本文在研究自动化制图的基础上，提出了应用模型驱动的自动专题制图方法，该方法引入专题应用模型和模型驱动机制，融合了空间数据处理功能和自动化制图功能，并在此基础上设计实现了自动专题制图系统，完成了以吉林省生态安全分析为主题的专题地图。结果表明，该方法能有效地提高制图效率，缩短制作周期，支持输出矢量专题地图。随着对应用模型驱动的自动专题制图方法的进一步研究，后期将在专题地图的灵活性、符号样式多样化、整体协调性等方面作进一步优化。