基于數(shù)字湘潭的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)組織方法與應(yīng)用

溫康鋒

(湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001)

一、前 言

國家測繪地理信息局于2006年啟動了“數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)示范工程”項目，擬通過在全國選擇若干具備條件的城市作為試點開展數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)，總結(jié)經(jīng)驗，推動數(shù)字中國、數(shù)字省區(qū)的建設(shè)。目前試點工作基本完成，已進入全面推廣計劃階段。數(shù)字湘潭地理空間框架建設(shè)項目是由湘潭市人民政府向湖南省國土資源廳提出項目建設(shè)申請，經(jīng)可行性研究后，由湖南省國土資源廳向國家測繪地理信息局提出立項申請，經(jīng)國家測繪地理信息局審批通過的項目。

湘潭市位于湖南中部，湘江中游，與長沙、株洲各相距約40 km。湘潭是湖南省乃至我國重要的工業(yè)基地，交通區(qū)位優(yōu)勢明顯，工業(yè)基礎(chǔ)得天獨厚，科技文化水平較高，旅游資源豐富，信息化測繪體系已初步形成；同時，湘潭市也是國家“兩型社會”配套改革試驗區(qū)，對數(shù)字湘潭地理空間框架建設(shè)具有強大的推動力和拉升作用。

數(shù)字湘潭地理空間框架的建設(shè)與應(yīng)用按照“需求牽引、設(shè)計統(tǒng)一、共同投資、資源共享”的原則組織實施，總體目標(biāo)是：充分運用遙感、全球定位、地理信息和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，制定相應(yīng)的政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，建設(shè)多尺度、多分辨率、多種類、多時相的城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)體系，構(gòu)建全市統(tǒng)一、內(nèi)容豐富、更新維護及時、共享交換便捷的地理信息公共平臺，促進以地理信息為載體的公共信息資源的整合、共享和利用，從而為政府、企業(yè)、社區(qū)和公眾提供高質(zhì)量的基于空間位置的應(yīng)用服務(wù)，加快城市信息化進程，全面建立數(shù)字湘潭地理空間框架體系。

二、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)

地理空間框架是數(shù)字城市的核心組成部分之一，是其他一切地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)參考框架，它為國民經(jīng)濟和社會信息化提供統(tǒng)一的空間定位與基礎(chǔ)地理信息公共平臺，對于信息資源按照地理空間進行整合和實現(xiàn)信息共享具有十分重要的作用。地理空間數(shù)據(jù)是地理空間框架的血脈，具有多尺度、海量數(shù)據(jù)的特點。地理空間框架數(shù)據(jù)庫要求將所有數(shù)據(jù)信息錄入庫中進行統(tǒng)一管理，而當(dāng)前，每個城市的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)現(xiàn)狀不同，所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，因此地理空間框架數(shù)據(jù)的組織與管理成為一個重要的環(huán)節(jié)。

1. 地理空間數(shù)據(jù)組織與管理方法

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，地理空間框架數(shù)據(jù)趨于一體化，通過地理空間框架數(shù)據(jù)庫加上空間數(shù)據(jù)引擎來對地理空間框架中多類型、多時相、多分辨率的海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的無縫組織集成和管理。這種技術(shù)還不夠成熟，而且效率不高。總結(jié)國內(nèi)外數(shù)據(jù)組織與管理的研究現(xiàn)狀，可分為兩個方面，一方面從數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)入手，主要包括地圖要素的LOD分層、OpenGL技術(shù)、金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)技術(shù)。地圖要素的LOD分層利用細節(jié)分層顯示的思想，對數(shù)據(jù)進行分層處理，就是根據(jù)重要程度將不同比例尺地圖中的要素劃分為不同的顯示級，解決了有限的屏幕顯示范圍和大數(shù)據(jù)量的地圖要素之間的矛盾，但是LOD技術(shù)處理的只是數(shù)據(jù)縱向分層的結(jié)構(gòu)，沒有考慮橫向連接的數(shù)據(jù)顯示問題。金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只針對柵格數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，但應(yīng)用范圍有限。另一方面是從數(shù)據(jù)的管理方法入手，主要運用ArcSDE進行數(shù)據(jù)組織，它可以對復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)進行存儲和處理。目前GIS軟件的空間數(shù)據(jù)管理都在朝著集成結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)庫方向發(fā)展，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫一體化存儲和管理。目前應(yīng)用最廣泛的是Oracle，但是這種數(shù)據(jù)處理方法也有不足：一是大區(qū)域空間信息同步建立非常困難；二是造成了空間信息有多級產(chǎn)品，數(shù)據(jù)冗余較大，管理維護不方便。綜合以上數(shù)據(jù)組織與管理的方法，各有優(yōu)點和不足，因此在方法的選擇上要具體考慮項目的數(shù)據(jù)情況有效地對數(shù)據(jù)進行組織和管理，根據(jù)數(shù)字湘潭項目建設(shè)的要求，本文研究出適合數(shù)字湘潭數(shù)據(jù)共享的各類地理數(shù)據(jù)組織與管理方法。

2. 湘潭地理空間數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過國家、省、市三級測繪行政主管部門多年基礎(chǔ)測繪建設(shè)，湘潭市在地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)及應(yīng)用方面已具備了一定基礎(chǔ)，多個相關(guān)部門都建立起了各自的應(yīng)用系統(tǒng)并擁有相當(dāng)規(guī)模的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)。近年來，湘潭在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)、應(yīng)用方面取得了一定成果，但也存在著一些問題，具體表現(xiàn)如下：

1) 地理空間數(shù)據(jù)分散在多個不同部門，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不統(tǒng)一。

2) 目前湘潭的地理信息數(shù)據(jù)更新速度跟不上城市建設(shè)步伐，影響了數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，降低了地理信息的利用效率。

3) 湘潭市地理空間信息數(shù)據(jù)的共享機制尚未建立，沒有建立數(shù)據(jù)分發(fā)與數(shù)據(jù)服務(wù)的技術(shù)體系，缺少空間地理信息數(shù)據(jù)的支持，從而影響了政府信息化建設(shè)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4) 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和管理，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)還沒有形成統(tǒng)一的體系。

湘潭市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括1∶500、1∶2000、1∶5000、1∶10 000、1∶50 000等多種尺度、多種形式的數(shù)據(jù)。湘潭市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用高斯-克呂格投影，1∶500、1∶2000比例尺的數(shù)據(jù)采用湘潭獨立坐標(biāo)系(1980西安坐標(biāo)系，中央子午線112°30′E)；1∶5000、1∶10 000比例尺的數(shù)據(jù)采用CGCS2000，中央子午線為114°E。另外，1∶500、1∶2000比例尺數(shù)據(jù)提供經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的CGCS2000數(shù)據(jù)庫成果，1∶10 000比例尺的數(shù)據(jù)提供經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的湘潭獨立坐標(biāo)系數(shù)據(jù)庫成果，以適應(yīng)目前各部門的實際需要。不同坐標(biāo)系數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)情況，還需要進行的基礎(chǔ)地理信息建設(shè)包括：測繪基準(zhǔn)建設(shè)，各種影像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，對DLG、DOM、DEM等各種地理信息數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查和處理，統(tǒng)一入庫，建立由元數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)庫、DLG數(shù)據(jù)庫、DEM數(shù)據(jù)庫、DOM數(shù)據(jù)庫、地名數(shù)據(jù)庫和其他專題數(shù)據(jù)庫等組成的湘潭基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。

3. 數(shù)字湘潭地理空間框架數(shù)據(jù)分類

地理空間框架主要由空間基準(zhǔn)框架和地理空間框架數(shù)據(jù)組成，城市地理空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)組織和管理是數(shù)字城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工作，其建設(shè)的質(zhì)量和效率直接影響數(shù)字城市的建設(shè)。

地理空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)主要分為三大類：基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、各種專題數(shù)據(jù)及各種社會經(jīng)濟屬性數(shù)據(jù)。本文主要針對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(DLG、大地測量數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù))進行組織管理，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 湘潭市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

三、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)組織和管理

1. DLG數(shù)據(jù)

DLG是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要組成部分之一，包含測量控制點、居民地及設(shè)施、境界與政區(qū)、交通、管線、地貌和水系等基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)。湘潭市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)除自身建設(shè)需求外，往往還為其他數(shù)據(jù)(如地理空間框架數(shù)據(jù)、各專題數(shù)據(jù)等)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

分層是重要GIS數(shù)據(jù)組織方法，矢量數(shù)據(jù)分層有利于數(shù)據(jù)的管理和分析，依據(jù)湘潭市空間信息的要素類型，綜合考慮國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)，又因為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)包含多個比例尺的DLG數(shù)據(jù)，不同比例尺的數(shù)據(jù)分層及屬性結(jié)構(gòu)不盡相同。1∶500矢量數(shù)據(jù)集的分層見表1。

表1 矢量數(shù)據(jù)集分層

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中矢量數(shù)據(jù)集對數(shù)據(jù)庫中所管理的各種矢量數(shù)據(jù)綜合描述，根據(jù)數(shù)據(jù)庫建庫和數(shù)據(jù)生產(chǎn)的特點，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中矢量數(shù)據(jù)集包含水系、居民地、建(構(gòu))筑物、交通、境界、地貌、植被與土質(zhì)等九大類數(shù)據(jù)，每種要素都是根據(jù)要素的特點及要素的功能特性進行組合。根據(jù)Geo-database的數(shù)據(jù)集(DataSet)和數(shù)據(jù)類(FeatureClass)的數(shù)據(jù)組織特點，將湘潭市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫中矢量數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)集存在數(shù)據(jù)庫的Geodatabase中，各類數(shù)據(jù)根據(jù)其特點分別作為多個FeatureClass存放在矢量數(shù)據(jù)集中，矢量數(shù)據(jù)集采用的模型見表2。

表2 矢量數(shù)據(jù)集模型

2. 大地測量數(shù)據(jù)

大地成果數(shù)據(jù)由各級平面三角控制網(wǎng)、GPS控制網(wǎng)、水準(zhǔn)控制網(wǎng)及控制點所組成。按照大地測量要素的分類進行物理分層，每一個物理分層作為一個要素類存在，其命名規(guī)則為：要素類代碼+要素特征代碼，每個部分使用“_”進行分隔。大地成果數(shù)據(jù)中包含的所有控制點圖層與屬性表及命名列表見表3。

表3 大地成果數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)表

各類大地測量要素都采用通用比例尺方式存儲，適用于不同比例尺的同類大地測量要素存儲在同一個物理分層。每類大地測量要素的屬性數(shù)據(jù)存儲在對應(yīng)的點之記表、托管書表和成果表中，通過編號字段相互關(guān)聯(lián)。三角網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)等存儲在相應(yīng)的表中，通過點位列表字段與控制點進行關(guān)聯(lián)。大地成果數(shù)據(jù)不僅包含控制網(wǎng)拓撲和解算信息，還包括各個控制點的點之計、數(shù)字影像及相關(guān)的精度信息。這些信息與DLG數(shù)據(jù)疊加，對全市控制網(wǎng)分布進行可視化展示和管理。

3. 地名地址數(shù)據(jù)

(1) 地名分類類別設(shè)計

設(shè)計好地名分類類別是建設(shè)地名數(shù)據(jù)的前提條件，根據(jù)地名分類原則和方法，地名分類代碼采用《地名分類與類別代碼編制規(guī)則》(GB/T 18521—2001)中的地名分類與類別代碼規(guī)則，行業(yè)類別細分類依據(jù)《國民經(jīng)濟行業(yè)分類與代碼》(GB/T 4754—2002)。

(2) 外調(diào)工作底圖制作

為了保證城區(qū)地名地址數(shù)據(jù)庫的完整性、地理位置的真實性，將雨湖區(qū)、岳塘區(qū)部分制作外業(yè)調(diào)繪工作底圖，實地進行調(diào)查核實。為了使圖面清晰易讀，刪除多余性質(zhì)說明注記，保留原數(shù)據(jù)庫中單位、地名、道路名稱等注記及相關(guān)核心要素。

(3) 外調(diào)地名地址數(shù)據(jù)錄入

外調(diào)工作人員通過調(diào)繪，在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上補加了小區(qū)名、標(biāo)志物名、興趣點名和門(樓)址等。內(nèi)業(yè)作業(yè)員根據(jù)外調(diào)工作底圖資料，對新增地名地址通過自編程序進行錄入，對發(fā)生變化的地名地址進行數(shù)據(jù)更新。

(4) 城鎮(zhèn)地名數(shù)據(jù)更新

1∶500、1∶2000、1∶10 000地名數(shù)據(jù)進行疊加時，刪除同一位置1∶10 000 DLG地名數(shù)據(jù)，將1∶500及1∶2000地名注記進行數(shù)據(jù)更新。

(5) 地名提取與整合

由于數(shù)據(jù)來源不同，生產(chǎn)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，為了使數(shù)據(jù)能夠在一個平臺融合，達到無縫鏈接，空間疊加不錯位，能夠滿足各種比例尺對數(shù)據(jù)的要求，必須進行整合，包括數(shù)據(jù)接邊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以及1∶500、1∶2000數(shù)據(jù)和1∶10 000數(shù)據(jù)融合等。

(6) 地名標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于地名是從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中提取的，這些數(shù)據(jù)中的地名，既是地理名稱，又是各種符號注記，命名不規(guī)范，還有些已經(jīng)改變，有些已經(jīng)棄用，因此必須對地名進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：①由于圖幅分幅的原因，有時一個單位有幾個相同的名稱，采取只保留一個的原則；②有些名稱注記不是標(biāo)準(zhǔn)地名，不能錄入地名數(shù)據(jù)庫，則去掉，如市房產(chǎn)局公房等。

四、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的建設(shè)主要為地理信息公共平臺打基礎(chǔ)，通過符合規(guī)范的空間地理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理形成平臺數(shù)據(jù)集。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)提取、擴充和重組等加工過程形成地理實體數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)和三維景觀數(shù)據(jù)等面向服務(wù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其他部門或單位的專題數(shù)據(jù)，以及目錄與元數(shù)據(jù)。

1. 政務(wù)應(yīng)用級數(shù)據(jù)庫

政務(wù)應(yīng)用級數(shù)據(jù)庫從基礎(chǔ)地理信息標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中提取水系數(shù)據(jù)、居民地及設(shè)施數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、境界與政區(qū)數(shù)據(jù)、植被與土質(zhì)數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

2. 影像標(biāo)記級數(shù)據(jù)庫

在政務(wù)應(yīng)用級數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，提取水系、居民地及設(shè)施、交通主要名稱注記等。其中線要素包括鐵路、城際公路(國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道)、城市道路要素的中心線及境界線等要素。

3. 矢量電子地圖

矢量電子地圖在政務(wù)應(yīng)用級數(shù)據(jù)庫非符號化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行內(nèi)容刪減和數(shù)據(jù)簡化。在ArcGIS中，通過要素的圖形代碼與符號庫進行匹配，完成各要素符號化處理。為了出圖的美觀性，公路符號化時，通過道路構(gòu)面線重新生成道路邊線要素，并處理路口、立交部分關(guān)系的正確性及合理性。各要素地形圖的點、線、面要素都需賦色，其用色大部分按《地理信息公共服務(wù)平臺 電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》(CH/Z 9011—2011)規(guī)定的“R-G-B”執(zhí)行。經(jīng)過配圖，形成政務(wù)應(yīng)用級矢量電子地圖數(shù)據(jù)。

政務(wù)應(yīng)用級矢量數(shù)據(jù)主要由相應(yīng)比例尺基礎(chǔ)矢量地形要素數(shù)據(jù)中的水系、居民地及設(shè)施、交通、境界與政區(qū)等構(gòu)成，主要面向政府用戶。對政務(wù)應(yīng)用級矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過脫密處理后，即形成面向公眾用戶的公眾服務(wù)級數(shù)據(jù)，通過非涉密網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

4. 基本地理實體數(shù)據(jù)

為方便整合社會經(jīng)濟和自然信息，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化運行，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)重組和模型重構(gòu)等處理，形成地理實體數(shù)據(jù)。基本地理實體是指能夠比較方便地從基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果中提取整合的實體對象，包括境界實體、政區(qū)實體、道路實體、鐵路實體、河流實體、房屋實體。

作業(yè)時，從政務(wù)應(yīng)用級數(shù)據(jù)庫提取境界實體、政區(qū)實體、道路實體、鐵路實體、河流實體、房屋實體等要素，并進行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集、編輯和數(shù)據(jù)重組。

五、結(jié)束語

隨著測繪領(lǐng)域高新技術(shù)的不斷發(fā)展，3S技術(shù)和4D產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)獲取方式趨于多樣化，如何高效利用已有數(shù)據(jù)資源、有效組織和管理數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本文針對湘潭市的DLG數(shù)據(jù)、大地測量數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)進行組織和管理研究，為建立多尺度、多分辨率且更新及時的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)，從而為建設(shè)數(shù)字湘潭數(shù)據(jù)共享平臺提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)資源，具有重要的現(xiàn)實意義。

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