空間數(shù)據庫更新模式、技術與方法

白立舜，李進強

(1.北京清華山維新技術開發(fā)公司，北京 100086;2.閩江學院地理科學系，福建福州 350108)

由于現(xiàn)實世界空間實體及其相互關系隨時間不斷發(fā)生變化，使地理空間數(shù)據庫的持續(xù)更新既是一項長期艱巨任務，又是一個復雜的系統(tǒng)工程。它不僅涉及空間信息管理體制、經費來源等問題，而且還涉及一系列與初始建庫不同的理論、方法和關鍵技術問題，更新技術是目前公認的一個普遍性的難題。

1 空間數(shù)據庫更新面臨的形勢和任務

1.1 空間數(shù)據庫更新面臨的形勢

據聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據表明，全球地形圖的更新速度遠遠落后于其生產速度。就連美國這樣的超級大國，其測繪部門生產的5.5萬多幅地圖中也有不少地形圖的平均年齡為23年。

目前國內空間信息在資源調查、城市規(guī)劃管理、環(huán)境保護、災害防治等各項工作中已發(fā)揮重要作用，并成為行政管理、業(yè)務管理與決策工作中不可或缺的重要基礎數(shù)據，但空間信息產品的時效性滯后于現(xiàn)實發(fā)展變化的矛盾日益突出，即使在經濟發(fā)達的省份，也只有5年更新周期的1∶10000地形圖，一到兩年更新周期的城市大比例尺地形圖，顯然難以滿足資源調查、交通建設、災害防治、城市建設與管理等方面應用的要求。例如:只有準實時更新的1∶500～1∶1000基礎空間數(shù)據才能滿足規(guī)劃審批、房產發(fā)證、宗地確權等業(yè)務要求。

以上表明:對空間數(shù)據庫進行持續(xù)更新、以保持空間數(shù)據庫中的信息與現(xiàn)實存在的一致性，已成為世界各國政府測繪部門的長期重要使命。

1.2 空間數(shù)據庫更新的主要任務

空間數(shù)據庫更新的主要任務是:綜合地利用各種來源的現(xiàn)勢資料，如最新航空航天影像、專題調查數(shù)據、竣工實測數(shù)據等，確定和測定一定范圍內基礎地理要素，如道路、水系、居民地、地形、地名、行政界線等的位置變化及屬性變化［1］，對原有數(shù)據庫要素進行增刪、替換、關系協(xié)調等處理，生成新版數(shù)據體，并更新用戶數(shù)據庫。

2 國內外空間數(shù)據庫更新技術發(fā)展動態(tài)

近幾年，一些發(fā)達國家的測繪部門已將工作重點從數(shù)據建庫轉移到數(shù)據更新與應用上，目前圍繞“更新”這一主題的研究已從初步的理論探索進入到實踐階段。

美國地質調查局測繪部從2001年開始計劃建立近實時數(shù)據更新機制，將數(shù)據的現(xiàn)勢性保持在幾天或數(shù)月之內。英國軍械測量局根據其實際情況，建立了推掃式和散點式相結合的更新機制。日本采用基于柵格的更新方法，先更新1∶2.5萬地形圖，再用1∶2.5萬圖更新1∶5萬圖，城市地區(qū)每3年更新一次，郊區(qū)每5年更新一次，山區(qū)每10年更新一次。加拿大測繪署地形信息中心2001年啟動了一項利用Landsat－7影像更新1∶5萬地形數(shù)據的計劃，每年使用Landsat－7影像更新1000幅以上地形數(shù)據。

我國一些經濟發(fā)展較快的省、市在建立更新機制、利用遙感影像獲取變化信息、歷史數(shù)據存取、增量更新、多尺度級聯(lián)更新等方面進行了許多有益的嘗試，并取得一定成效。浙江省測繪局在2006年～2007年已完成1∶10000地形圖快速更新試驗，并已開始規(guī)模性試生產。北京市［2］、廣州市、上海市從2007年開始1∶500城市空間數(shù)據庫增量更新試驗，目前已逐步形成了各自地方特色的更新模式。2008年北京清華山維公司推出了基于時態(tài)的動態(tài)更新軟件EPSW 2008，上海市、重慶市、福州市［3］、宜昌等城市正在使用中。

3 空間數(shù)據庫更新模式分析

對于空間數(shù)據庫，一要進行及時更新以保持其生命力，否則就是一個“死庫”;二是要進行應用開發(fā)，以充分挖掘它的價值。前者屬于數(shù)據生產部門的工作范疇，十分看重采集更新工藝流程的連貫性，這個直接面向更新生產的空間數(shù)據庫稱之為“主數(shù)據庫”。

后者屬于管理和應用部門的工作范疇，看重的是現(xiàn)有數(shù)據的分析與使用，他們一方面希望數(shù)據庫是最新的，另一方面要求保持一定的面對應用的專用性與穩(wěn)定性。如果針對一個集中數(shù)據庫要求同時負擔完成更新與應用兩個方面的工作，顯然是不盡合理，也沒必要。也就是實踐上必須將應用數(shù)據庫與生產數(shù)據庫相分離，這個面向應用的空間數(shù)據庫稱之為“用戶數(shù)據庫”。

3.1 主數(shù)據庫更新模式

(1)整體更新

目前的空間數(shù)據更新采用的主要方式是對空間數(shù)據庫有效范圍內發(fā)生變化的某區(qū)域進行的整體更新，更新區(qū)域可以是行政區(qū)單元，自然分割的網格區(qū)域或一個圖幅。這種方法，都是以分塊為單位進行的新舊數(shù)據整體替換，忽略區(qū)域內已變要素與未變要素的差異。

整體更新的主要優(yōu)點按一定區(qū)域(或大或小)將空間數(shù)據庫化整為零，生產組織與管理比較方便，技術工藝比較簡單容易掌握。但難以實現(xiàn)空間數(shù)據庫的動態(tài)更新(特別是區(qū)域劃分較大時)，也不利于歷史數(shù)據保留，或者為保存歷史版本產生大量數(shù)據冗余。

(2)增量更新

空間數(shù)據更新的實質是空間實體狀態(tài)改變的過程，因此空間數(shù)據更新不是簡單區(qū)域替換。近年來業(yè)界提出“增量更新”［4］更新模式。它采用面向對象數(shù)據模型存儲空間要素，空間實體相互獨立而完整(實體之間拓撲關系是隱含存在的，一般在分析時臨時建立)，原則上對單個實體增加、刪除、修改不影響其他要素實體，因此歷史數(shù)據只需要保留發(fā)生變化的要素(即增量信息)。

“增量更新”較好地解決了空間實體的動態(tài)更新和歷史信息存儲問題，是今后的發(fā)展方向，但技術比較復雜，存在一定的技術風險。

(3)多尺度級聯(lián)更新

多尺度級聯(lián)更新技術是利用基礎大比例尺數(shù)據生產、更新次級比例尺數(shù)據，迅速建立不同比例的金字塔結構。理想的境界是系統(tǒng)自動處理后直接使用，不需要任何人工干預。由于制圖綜合的復雜性，目前尚處于半自動化水平，完全自動化級聯(lián)更新技術存在許多技術問題有待進一步研究。

3.2 用戶數(shù)據庫更新模式

(1)同構數(shù)據庫更新

由于技術和歷史的原因，一個城市(或區(qū)域)各應用領域無法共享一個空間數(shù)據庫，往往是各部門為滿足各自的需要都有自己獨立運行的空間數(shù)據庫。同構用戶數(shù)據庫可以看做是各應用領域(規(guī)劃/國土/房地產/交通/市政等)同時使用多個空間數(shù)據庫副本，或者雖然數(shù)據庫實現(xiàn)上有所不同，但邏輯上遵循統(tǒng)一的空間數(shù)據標準。

同構數(shù)據庫更新，可在主數(shù)據庫更新完成后，用主數(shù)據庫整理好的更新信息對用戶數(shù)據庫副本的相應內容進行更新。如果主數(shù)據庫采用增量更新，則可以通過網絡、建立主數(shù)據庫和各用戶數(shù)據庫之間的增量更新管道，向各用戶數(shù)據庫發(fā)送增量更新信息(通常可歸納為:增加/刪除/修改三類)，用戶數(shù)據庫收到增量信息后啟動“同步程序”達成增量更新的同步，這種同步也可在非工作時間自動調度完成，不影響數(shù)據庫應用，這是本文建議的一種形式。

(2)異構用戶數(shù)據庫

如果使各行業(yè)用戶數(shù)據庫都能夠保持同構狀態(tài)，顯然用戶數(shù)據庫的更新問題將極大簡化，但實際上幾乎找不到這樣的城市，往往由于條塊分割、各自為政、GIS提供商激烈競爭等原因，使得異構空間數(shù)據庫普遍存在(例如:DWG 庫、MapInfo、SupperMap、MapGIS、GeoStar等等)，即使使用相同GIS平臺軟件，數(shù)據標準也常常不一樣。

如果用戶數(shù)據庫結構差異太大，通過數(shù)據的二次加工使之符合用戶數(shù)據庫結構可能是主數(shù)據庫提供更新信息的唯一途徑。事實上，早期由于缺乏對空間信息更新的長期性與艱巨性的認識，以前很多行業(yè)數(shù)據庫建庫就是這樣做的。

如果用戶數(shù)據庫結構在信息語義層面上能夠基本保持一致，則可望通過“信息映射”(EPS2008的跨要素類型轉換技術)技術對主數(shù)據庫的更新信息進行映射變換，達成同構數(shù)據庫相同的效果，從而降低對用戶數(shù)據庫設計要求，最大限度兼容已經存在的歷史數(shù)據。

4 空間數(shù)據庫更新的關鍵技術與方法

(1)基于時態(tài)的增量更新技術

GIS所描述的現(xiàn)實世界是隨時間連續(xù)變化的，但當空間對象隨時間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關緊要時，可以采用離散的“數(shù)據更新”方式來處理時間變化的影響。

EPS2008正是借鑒這一時態(tài)GIS思想，將時間屬性作為空間對象必須的基本屬性，在時間維上，將無序的更新業(yè)務，統(tǒng)一成先后有序的更新事件，妥善解決了更新沖突問題。同時采用增量方式管理歷史數(shù)據，數(shù)據冗余小，信息記錄全，支持歷史回溯與動態(tài)回放。實現(xiàn)了基于時態(tài)的增量更新，允許離線狀態(tài)下的多個更新業(yè)務的相互獨立進行［5］。

主要技術難點包括:時間參考系(更新平臺支持空間實體的時間屬性)、更新事件管理、沖突檢測與處理、歷史回溯等。

(2)信息映射技術

“信息映射機制”通過語義級自動映射，使分布異構空間數(shù)據庫自動更新成為可能。EPS“信息映射技術”是國家自然科學基金項目研究成果，通過模板實現(xiàn)映射關系定制，即在模板中設置不同系統(tǒng)中基本信息單元的對應關系，這種關系可以是一對一，也可以是一對多。不同信息之間“信息映射”通過打散、拆分、過濾及重組等方式實現(xiàn)，最終實現(xiàn)跨平臺的、異構系統(tǒng)之間的數(shù)據對接。

(3)GIS環(huán)境下動態(tài)符號化

如何避免外業(yè)數(shù)據更新采集平臺與GIS數(shù)據結構之間差異，是消除異構性危害的重要環(huán)節(jié)。

《理化檢驗-化學分冊》為國內理化檢驗行業(yè)權威期刊，已被列為中文核心期刊、中國期刊方陣雙效期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊、中國科學引文數(shù)據庫收錄期刊、RCCSE中國核心學術期刊、美國《CA》千種表收錄期刊、英國皇家化學學會《分析文摘》(AA)及《質譜學通報(增補)》(MPBS)收錄期刊、中國學術期刊(光盤版)和中國期刊網全文數(shù)據庫收錄期刊。曾多次獲得上海市優(yōu)秀期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊和“百種中國杰出學術期刊”等稱號。

EPS2008系統(tǒng)采用了支持統(tǒng)一模版的GIS控件技術(ArcSym I)，使存儲為GIS數(shù)據的信息與圖形保持統(tǒng)一，從而建立了外業(yè)更新采集平臺與數(shù)據庫管理平臺的快速通道。與其他方案［6］(數(shù)據轉換等)相比，外業(yè)、內業(yè)和地理信息系統(tǒng)不存在轉換，只存在轉儲，因此更加符合信息化思想。

(4)智能化地圖縮編技術

EPS智能縮編技術:大量應用了EPS信息映射技術，從而使復雜的工作簡化，自動化程度很高，目前效率已達同類產品的3倍左右。人工的工作基本局限在處理注記壓蓋等細節(jié)，因此有時，一些小比例數(shù)據，也可自動處理后直接入庫，不做任何人工工作，直接使用。

(5)更新管道技術

更新管道是連接主數(shù)據庫和用戶數(shù)據庫的橋梁，包括主數(shù)據庫端“信息發(fā)送器”，用戶數(shù)據庫端“信息接收器”，“更新同步器”三個組成部分。在Windows消息隊列的驅動下，實現(xiàn)了用戶數(shù)據庫同步更新的自動化。

5 結論與展望

綜上所述，可以歸納如下結論:

(2)在難以共享一個集中式空間數(shù)據庫的情況下，在信息映射技術支持下通過更新管道同步更新用戶數(shù)據庫是比較現(xiàn)實的選擇。

(3)隨著各種空間信息共享水平和更新技術的不斷進步以及GPS、數(shù)碼攝影測量方法的廣泛采用，必將大幅度改善或提高空間數(shù)據庫系統(tǒng)現(xiàn)實性。

本文主要考慮當前我國空間信息服務還處于獨立建庫的狀態(tài)下，如何有效構建用戶空間數(shù)據庫更新服務體系的問題。但對于基于集中數(shù)據庫的共享模式、原則上可以將集中數(shù)據庫看作特殊的用戶數(shù)據庫，有關內容有待進一步研究。

［1］鄒進貴，潘正風，虞暉等.城市基礎地理信息系統(tǒng)數(shù)據更新方法的研究［J］.地理空間信息，2005(6):4～5

［2］羅曉燕，袁燕巖，郭金麗等.北京市數(shù)字線劃圖數(shù)據庫增量更新技術的應用研究［A］.數(shù)字測繪與GIS技術應用研討會論文集，2008

［3］范江.城市空間數(shù)據庫更新模式研究［J］.福建建設科技，2010(2)

［4］周曉光，陳軍，朱建軍.基于事件的時空數(shù)據庫增量更新［J］.中國圖像圖形學報，2006(10):1431～1438

［5］基于時態(tài)的城市空間數(shù)據庫多用戶并發(fā)更新系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.福建建設科技，2008(3)

［6］操震洲，李清泉.基于ArcSDE和ArcGIS Engine的版本管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(1):76 ～78