空間數據更新中多源數據不一致的表現與成因分析

朱 蕊，胡英男，周 濱，嚴 薇

(1. 信息工程大學，河南 鄭州 450052； 2. 61512部隊，北京 100088； 3. 61363部隊，陜西 西安 710054)

一、引 言

在進行空間數據生產、更新和應用時，為了充分了解地理要素及其周邊區域的具體情況，需要廣泛搜集各種最新的數字地圖數據、紙質地圖資料、遙感影像、相關專題數據，以及各種文字資料等，既有軍用的，也有民用的，既有國內的，也有國外的，其形式主要有地圖數據、影像數據、文字資料等[1]。因此，空間數據更新中，對于同一個地理實體可以得到多種不同的數據源；同時，由于空間數據的分析和可視化等方面的需要，當以不同的描述方式和不同的描述詳細程度來表達同一地理實體時，必然會產生不一致，即對數據一致性限制條件的違背所導致的不確定行為[2]。

空間數據的不一致現象會大大影響空間數據的更新質量，并可能進一步影響基于空間數據的分析和應用。為了充分利用好這些豐富的數據資源，給不同層次的管理、分析、規劃和決策提供內容逐步詳盡和精度不斷提高的空間數據，迫切需要行之有效的技術和方法來對多源空間數據進行一致性處理。要研究空間數據更新中的多源數據一致性處理，就必須分析空間數據更新中涉及的多源數據不一致表現，并對造成空間表達不一致性的原因進行詳細分析，這對于指導設計相應的多源數據一致性處理有著重要意義。

二、空間數據更新中多源數據的不一致表現

空間數據表示的是空間實體的位置、形狀、大小、分布特征等多方面信息，具有定位、定性、時間和空間關系等特征。其中，定位是指在一個已知的坐標系里空間實體都具有唯一的幾何位置；定性是指空間實體的屬性特征；時間是指空間實體具有隨著時間變化的特征；空間關系通常是指空間實體之間存在的一些具有空間特性的關系。因此本文認為從空間數據本身的特征來看，多源空間矢量數據處理中的不一致主要體現在幾何位置、屬性特征和要素關系3個方面。

1. 幾何位置不一致

由于遙感影像獲取手段先進、現勢性較好且能提供更為準確的幾何位置信息，一直以來空間數據更新中都是基于影像更新矢量數據中同名要素的幾何位置，然而這兩者在很多方面都有區別。就投影性質而言，空間數據更新中獲取的遙感影像多是中心投影，而獲得的矢量數據多是高斯投影；就表示方法而言，遙感影像僅以影像特征體現，而矢量數據則通過地圖語言如地圖符號、顏色和文字等多種特征體現；從時間性來說，遙感影像是在固定時間獲得的成果，而矢量數據則是一定時間段的信息編輯成果。因此，兩者上述的差異必然造成空間數據更新中的影像數據與矢量數據中同名要素的幾何位置不一致(如圖1所示)。

圖1 影像與矢量數據中道路幾何位置的不一致

2. 屬性特征不一致

許多行業和部門對空間數據的需求日趨強烈且多樣化，并紛紛建立具有各自特點的空間數據庫。由于各自在建庫過程中采用不同的數據模型設計，且對現實世界中的地理實體采用各自的理解和表達方式，使得它們在語義表達上不一致，這種不一致主要表現在屬性特征方面。概括起來，多源空間數據屬性特征的不一致主要有以下幾方面內容：

1) 要素的分類分級不同。通常情況下空間數據按照地理要素類別分層組織，但是不同專業用途的多源空間數據可能會有不同的地理要素劃分標準。如在地形數據中，水系要素基本被抽象為點、線、面3個基本要素類別；而在水利數據庫中，則將水系要素如河流、湖泊、水庫等分別作為一種獨立的要素類別。在地形數據中，道路歸為一類，并通過分類區分為國道、省道、縣道、鄉道及其他公路；而在交通部門的公路數據庫中，道路劃分為國道、省道和縣道3類。這導致不同空間數據中同名要素在要素類別上不完全是一對一的關系，有可能是一對多的關系。

2) 屬性數據項的多樣性。不同數據對同一要素的屬性描述不同，不僅屬性項的數量不同，具體的描述內容及方式也不相同，即采用不同的屬性字段描述相同的地理實體。這導致不同數據庫在描述同名實體上可能存在：① 屬性字段在數目上不同；② 相同含義的屬性在屬性字段描述符上不同；③ 相同屬性字段描述符的屬性在屬性值的類型上不同等。

3. 要素關系不一致

(1) 要素關系沖突

多源空間矢量數據在處理過程中，同名實體在要素關系上往往存在許多沖突。如基于大比例尺數據更新小比例尺數據時，隨著比例尺的縮小，圖形符號之間的間隔越來越小，甚至互相壓蓋，要素關系的沖突也更為集中。如圖2所示，基于1∶10萬數據更新1∶20萬數據時出現的居民地、道路與河流關系存在沖突。

圖2 居民地、道路與河流關系的沖突

另外，空間數據生產與更新過程中，如果點狀要素和線狀要素來源于不同的數據，必然導致兩者的關系不協調、不匹配。如在1∶50萬數據的生產過程中，一個比較典型的例子是：點狀居民地來源于1∶25萬數據，而道路數據來源于GPS數據，由于這兩種數據的獲取手段不同，再加上對GPS數據進行了必要的綜合操作，必然會導致部分點狀居民地與線狀道路之間的關系出現異常，如圖3所示。

圖3 居民地與道路關系的沖突

(2) 數據更新導致的要素關系不一致

在空間數據更新中，當空間目標的幾何位置發生變化時，地理要素之間的要素關系也有可能發生變化。如圖4所示，道路與居民地在更新前的要素關系表現為相切，基于影像更新矢量道路位置信息后，道路與居民地的要素關系表現為相離，這說明數據更新導致矢量信息的要素關系發生了改變，即數據的要素關系不一致。

圖4 數據更新前后要素關系的不一致

除此之外，空間數據更新信息在數據質量、數據現勢性、元數據描述等諸多方面都存在著不一致。本文不再贅述。

三、空間數據更新中多源數據不一致的成因分析

隨著信息獲取技術的飛速發展，人類獲取空間數據的能力顯著增強，各部門往往基于不同應用目的，對同一地區重復生產出大量的空間數據。不同空間數據在描述同一地理實體時必然存在諸多不一致，而造成不一致的原因則是多方面的。

1. 坐標系的差異

不同地區和國家都根據自身情況，選擇適合本國的坐標系統。不同的國家和地區為使地球橢球體表面與本國范圍內的大地水準面達到最佳吻合，會根據自身情況選擇一定元素的參考橢球，并對參考橢球進行定位和定向，獲得大地原點的大地起算數據和基準面，建立適合本國的國家坐標系[3]。

我國境內常用的坐標系有：1954北京坐標系、1980西安坐標系、新1954北京坐標系、2000國家大地坐標系和WGS-84坐標系，其中利用GPS得到的數據成果為WGS-84坐標系，屬于地心坐標系，其他坐標系屬于參心坐標系。我國臺灣地區和周邊國家的坐標系情況見表1。

另外，空間基準是隨時間變化而變化的。如WGS-84坐標系的主要參數，每隔一段時間就會重新測定一次，這就意味著空間數據即使使用了同樣的大地坐標系，可由于使用了不同的參數(由時間引起的)，也會造成空間數據不一致的問題。同樣的問題還會出現在海岸帶的定義，以及高程基準(如1956黃海高程基準、1985國家高程基準)等，因此不能忽略時間對空間數據的影響。

表1 部分國家所采用的大地坐標系

2. 地圖投影的差異

地圖投影是空間數據的數學基礎，起著骨架的作用，是空間數據的基礎框架，是實現信息定位和信息可視化的基礎。地圖投影的實質是建立地球面上點的坐標(B，L)與地圖平面上點的坐標(X，Y)之間一一對應的函數關系[4]。我國生產的數字地圖及其空間數據中，中、大比例尺多采用高斯-克呂格投影，小比例尺則選用等角圓錐投影。境外地區采用的投影與我國存在較大差別，部分國家和地區所采用的投影種類見表2。

表2 部分國家所采用的投影種類

3. 資料應用情況的差異

根據各種資料在空間數據生產和更新中的應用程度，一般分為基本資料、補充資料和參考資料。各種資料應用程度的不同也會導致多源空間數據的不一致，資料的應用程度由資料的可靠性、現勢性和完備性等評價元素決定。多源空間數據中資料應用程度的評價因素眾多，具體評價指標在文獻[5]中有詳細說明，本文不再贅述。不同的空間數據由于資料應用情況的差異導致空間數據的表達不一致，如圖5所示。

圖5 資料應用情況的差異導致空間數據不一致(林地的存在與消失)

4. 空間數據誤差

空間數據誤差是不可避免的，其來源于空間數據生產與更新的各個過程，是伴隨空間數據的采集、處理與應用過程而產生并表現出來的，主要分為源誤差和數據處理產生的誤差。源誤差是指數據源本身的固有誤差，主要包括直接獲取數據產生的誤差、遙感數據獲取產生的誤差、攝影測量數據獲取產生的誤差和紙質地圖數字化產生的誤差；數據處理產生的誤差主要包括數學基礎轉換產生的誤差和數據編輯產生的誤差。

在空間表達上，空間數據的源誤差主要表現為同名實體在空間位置上不重合，會產生一定的偏移甚至變形；另外，由于空間位置誤差，同樣也會導致同名實體在大小、形狀、方向等方面的不一致；而數據處理和應用過程中產生的誤差不但會導致同名實體的地理位置、面積和方向的表示有差異，還會導致屬性特征整合處理時產生誤差，這些都是產生多源空間數據不一致的重要原因。

四、結束語

空間數據更新過程中涉及的各種空間數據在生產過程中存在尺度、時相、應用目的等諸多方面的不同，使得不同數據源在空間表達上出現了不一致性，要研究空間數據更新中的多源數據一致性處理，就必須首先分析空間數據更新中涉及的多源數據不一致表現。通過對空間數據更新中多源數據的不一致表現和成因進行詳細分析，有利于構建面向動態、異構、開放的海量信息環境下快速、準確地進行多源目標數據一致性處理的應用需求，這對于指導設計相應的多源數據一致性處理有著重要意義。

參考文獻：

[1] 朱蕊.多源空間矢量數據一致性處理技術研究[D].鄭州：信息工程大學，2012.

[2] EGENHOFER M J，ELISEO C，PAOLINO D F．Evaluation Inconsistencies among Multiple Representations[C]∥Advances in GIS Research：Proceedings of the Sixth International Symposium on Spatial Data Handling. [S.l.]：Taylor & Francis，1994．

[3] 馬俊.地圖數學基礎分析及其轉換的相關技術研究與實踐[D].鄭州：信息工程大學，2009.

[4] 李國藻，楊啟和，胡定荃.地圖投影[M].北京:解放軍出版社，1993．

[5] 朱蕊. 面向數據整合的境外地理信息分析與評價[J].測繪科學，2011,36(S0):132-133.

[6] 陳軍, 李志林, 蔣捷,等. 基礎地理數據庫的持續更新問題[J]. 地理信息世界, 2004，2(5)：1-5.

[7] 安曉亞. 基礎地理信息數據融合的相關理論和技術研究[D].鄭州：信息工程大學，2008.

[8] 嚴薇. 面向空間數據更新的地理事件模型研究[D].鄭州：信息工程大學，2011.

[9] 李科. 網格環境下地理信息服務關鍵技術研究[D].鄭州：信息工程大學，2008.

[10] 翟仁健. 基于全局一致性評價的多尺度矢量空間數據匹配方法研究[D].鄭州：信息工程大學，2011.