城市基礎地理信息增量模型

張保鋼，楊伯鋼，夏 強

(北京市測繪設計研究院，北京 100038)

一、引 言

“十一五”期間，我國西部測圖工程取得重大突破，結束了我國西部地區約200萬km2國土無1∶50 000地形圖的歷史，基本建成了覆蓋全國的基礎地理信息數據庫，但基礎地理信息數據庫建設與更新相對滯后。國家測繪地理信息局在測繪科技發展“十二五”規劃中把基礎地理信息動態更新列為地理信息自動化處理關鍵技術。國內各大中城市也非常重視基礎地理信息的更新工作，紛紛采取措施加快地形圖更新周期，如北京市基礎地形圖的更新周期由“二三四八”提高為“零五一一四”，天津市測繪院提出對城市地形圖進行實時更新，一些導航公司也提出了一些增量更新導航電子地圖的方法[1]。

基礎地理信息庫的更新包括批量式更新和增量式更新[2]。批量式更新是指在主數據庫更新完成后，生產者通過數據拷貝的方式，將整個新版數據的副本提供給用戶。批量式更新是指在主數據庫更新完成后，只記錄或提取新版數據中發生變化的要素及相關信息，然后將這些增量信息以增量文件的方式提供給用戶，并集成到原來客戶數據庫中。

二、變化的描述與增量模型

T. Badard將地理信息數據庫新舊版本的變化歸納為7種類型[3]：增加(add)、刪除(delete)、幾何信息修改或/和屬性信息修改(modify)、分解(decompound)、合并(combine)、重分類或組合(reclassify)，變化過程與結果如圖1所示。事實上，這7種變化類型不僅包括幾何信息和屬性信息的變化，還帶來拓撲關系的變化(變化要素本身及其相關要素)。這7種變化也均可歸于增加和刪除，例如：

1) 幾何信息、屬性信息之一或全部修改：分解為對舊版要素刪除 + 新版要素增加，刪除和增加的要素具有相同的標識。

2) 分解：分解為對舊版一個要素的修改 + 新版增加n-1個要素。

3) 合并：分解為對舊版一個要素的修改 + 舊版刪除n-1個要素。

4) 重分類或組合：分解為對m個舊版要素刪除 +n個新版要素增加。

圖1 新舊版本地理信息變化的描述

上述7種變化類型中，除了純屬性信息修改外，其他各種變化均可能導致拓撲關系的變化。

如果增加要素的幾何信息用IAG表示，屬性信息用IAA表示，自身拓撲信息用IAST表示，由增加要素引起的所有與其相關空間要素拓撲信息的變化量用IART表示，則要素增加變化的增量模型δA可表示為

δA= {IAG，IAA，IAST，IART}

(1)

如果刪除要素的幾何信息用IDG表示，屬性信息用IDA表示，刪除前其自身原有拓撲信息用IDST表示，由刪除要素引起的所有與其相關空間要素拓撲信息的變化量用IDRT表示，則要素刪除變化的增量模型δD可表示為

δD= {IDG，IDA，IDST，IDRT}

(2)

根據上文對修改的分析，其他4種變化的增量模型可表示為：

1) 修改，即

δM=δA-δD

(3)

2) 分解，即

δDE=δA1∪…∪δAn-1+δM=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD

(4)

3) 合并，即

δC=δM-δD1∪…∪δDn-1=δA-δD1∪…∪δDn-1∪δDn

(5)

4) 重分類或組合，即

δR=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD1∪…∪δDn-1∪δDm

(6)

如果某空間區域增加了a個要素，刪除了b個要素，修改了c個要素，d個要素進行了分解，e組要素進行了合并，f組要素進行了重分類或組合，則該空間區域地理信息變化的增量模型可表示為(a、b、c、d、e、f為≥0的整數)

(7)

當a、b、c、d、e、f其中之一或幾個同時為0時，構成變化的特殊情況：如b—f均為0時，變化只有要素增加；a、c—f均為0時，變化只有要素刪除等。

三、實 例

圖2、表1是北京市城區行政區劃變化的描述。其中圖2反映了由于西城區(1)與宣武區(0)合并為西城區(1)、東城區(5)與宣武區(6)合并為東城區(5)引起的幾何信息和屬性信息的變化；表1則反映了相應拓撲關系的變化。

表1 合并引起的拓撲關系變化

圖2 合并引起的幾何信息和屬性信息變化

從圖2和表1可以看出，多邊形0、1、5、6的幾何信息、屬性信息、拓撲關系發生了變化，而多邊形3、4、7僅拓撲關系發生了變化。依據上文的增量模型，該區域完整的地理信息增量模型可表示為

δ=δ1n-δD0∪δD1+δ5n-δD5∪δD6=

{I1nG，I1nA，I1nST，I1nRT}- {I0G，I0A，I0ST，I0RT} -

{I1oG，I1oA，I1oST，I1oRT} + {I5nG，I5nA，I5nST，I5nRT} -

{I6G，I6A，I6ST，I6RT} - {I5oG，I5oA，I5oST，I5oRT}

(8)

增量模型(8)只包括幾何信息和/或屬性信息發生變化的地理要素，沒有包括僅發生拓撲關系的地理要素。這是因為該模型中由增加或刪除要素引起的所有與其相關空間要素拓撲信息的變化量IART或IADRT已經包含了僅發生拓撲關系地理要素的拓撲關系變化量。

四、應用增量模型更新基礎地理信息數據庫

基于城市基礎地理信息增量模型編制了基礎地理信息增量提取程序。圖3所示為房屋層增量信息的可視化表示。圖3(a)、圖3(b) 分別是原始和發生變化后的房屋信息，通過兩個版本數據的對比，得到了增量數據，其中增加的房屋如圖3(c)所示，刪除的房屋如圖3(d)所示。圖4是對某區域水系層增量信息的可視化表示，標注為負數的水系是刪除的水系，標注為正數的水系是增加的水系。得到的各數據層的增量信息可以對客戶數據庫進行增量更新。

圖4 水系層增量信息

五、結束語

本文分析了城市基礎地理信息變化的描述，并給出了變化的增量模型；以北京市的行政區劃變化為例，給出了包括幾何信息、屬性信息和拓撲關系在內的區域變化增量模型；對某區域的房屋數據層和水系數據層的增量信息進行了提取，應用這些增量信息可以對客戶數據庫的舊版本數據進行增量更新。應該指出的是，屬性信息是附著在幾何信息上的，拓撲關系與幾何信息之間存在著依賴關系，地理要素幾何增量信息最終分解為簡單的增刪，附著在幾何信息上的屬性信息增量也與地理要素是一一對應的，它們的表達和恢復相對簡單，然而地理要素的拓撲關系不僅與地理要素有關，還牽涉相關地理要素，如何表達和恢復地理要素變化的拓撲關系是一個值得關注的問題。

參考文獻：

[1] 盛秀杰，李宏利. 初探導航電子地圖的增量更新[J]. 地理信息世界，2009，7(5)：51-55.

[2] 王育紅，陳軍. GIS客戶數據庫更新的基本問題[J]．地理信息世界，2008，6(1)：5-12.

[3] BADARD T. On the Automatic Retrieval of Updates in Geographic Databases Based on Geographic Data Matching Tools [C]∥Proceedings of 19th International Cartographic Conference.Ottawa: [s.n.], 1999:47-56.

[4] 王育紅，陳軍.基礎地理數據庫更新信息傳播實施方法研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2010，35(9):1116-1120.

[5] 劉勖，蔡先華，李愛勤，等. 數據增量探測技術在電子地圖更新中的應用[J]. 測繪通報,2007(11): 50-53.