基于地形圖分幅及要素分類代碼的對象標識研究

周 炤，季曉林，劉 剛

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

基于地形圖分幅及要素分類代碼的對象標識研究

周 炤，季曉林，劉 剛

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

地理要素對象標識是空間信息系統(tǒng)的重要組成部分。文中對地理要素對象標識的概念進行闡述，對其性質(zhì)、類型及生成方法進行分析與總結(jié)。在此基礎(chǔ)之上提出一種基于基本比例尺地形圖分幅和地理要素分類代碼的地理要素對象標識，深入分析該對象標識的特性及功能特點，并對其在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)增量更新中的應用進行探討。

地理要素；地理要素對象標識；地形圖分幅；地理要素分類編碼；增量更新

地理要素對象標識(Geographic features Object identifier，GFOID)是各種空間信息系統(tǒng)存儲、管理、分析及應用地理空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。在面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型中，每一個時空對象都具有唯一的對象標識[1]。在處理時態(tài)數(shù)據(jù)時，對象標識將起更重要的作用[2]。在各種空間數(shù)據(jù)庫中，地理要素對象標識在地理要素的整個生命周期中通常都保持不變[1-2]，因此利用地理要素對象標識能夠?qū)崿F(xiàn)對地理要素歷史數(shù)據(jù)及版本數(shù)據(jù)的有效管理，通過地理要素對象標識能夠提取出同一地理要素不同版本或不同時期的數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對地理要素歷史狀態(tài)的回溯，為研究時空對象的演化奠定基礎(chǔ)。在地理空間數(shù)據(jù)持續(xù)更新過程中，通過地理要素對象標識，可以實現(xiàn)更新數(shù)據(jù)與其被更新數(shù)據(jù)間同名實體的匹配[3]，使更新機制更加靈活和高效。在數(shù)據(jù)共享及互操作等方面地理要素對象標識同樣也具有重要作用。

對象標識在描述嵌套結(jié)構(gòu)的復雜事物、處理共享數(shù)據(jù)、描述歷史數(shù)據(jù)和版本特征方面具有重要作用[4]，但總的來看關(guān)于地理要素對象標識的研究仍然比較欠缺，基于各種空間信息系統(tǒng)設(shè)計的地理要素對象標識缺乏系統(tǒng)性和通用性，適用范圍比較窄。基于此，本文提出一種基于地形圖分幅編號及地理要素分類代碼的地理要素對象標識方法，可對我國基本比例尺基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)中的地理要素進行唯一標識，有效提高地理要素對象標識的系統(tǒng)性和通用性，特別是在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)增量更新過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對更新地理要素的快速精確查詢和匹配。

1 地理要素對象標識

1.1 地理要素對象標識的概念

地理要素是客觀存在的地理實體在空間信息系統(tǒng)中的數(shù)字化表達。為了便于對地理要素的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)進行管理和應用，通常每一個地理要素都被賦予一個“標志”用于唯一標識該地理要素，即地理要素對象標識。因此，地理要素對象標識是用于在各種空間信息系統(tǒng)中無歧義的標識某一地理要素的標志，是地理要素的重要組成部分，是空間信息系統(tǒng)存儲、管理、分析及應用地理空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

1.2 地理要素對象標識的性質(zhì)

地理要素對象標識概括起來具有以下3個特性，即唯一性、擴展性和穩(wěn)定性。

1)唯一性是指每個地理要素對象標識在空間信息系統(tǒng)中必須唯一，并且只能用于標識其中的某一個地理要素。

2)擴展性是指按照地理要素對象標識的編碼規(guī)則，能夠擴大其編碼范圍以滿足更多的應用需求。地理要素對象標識的資源總量往往是有限的，而且隨著應用的不斷深入，可能會出現(xiàn)現(xiàn)有標識不能標定的地理要素，這時就需要在不影響已有數(shù)據(jù)的情況下對地理要素對象標識進行擴展，以滿足新的需求。

3)穩(wěn)定性是指地理要素對象標識不應隨著地理要素狀態(tài)的變化而頻繁變更，應保持相對穩(wěn)定。地理空間數(shù)據(jù)對現(xiàn)勢性有較高的要求，因此就需要對地理要素進行持續(xù)更新。如果每次更新后，地理要素對象標識都發(fā)生改變，一方面地理要素對象標識的資源會被極大浪費；另一方面同一地理實體的不同歷史版本的地理要素將具有不同的對象標識，給地理要素歷史狀態(tài)的回溯帶來困難。

1.3 地理要素對象標識的類型及生成方法

地理要素對象標識主要包括地理要素無關(guān)型標識和地理要素相關(guān)型標識兩種。地理要素無關(guān)型標識是指地理要素對象標識的編碼不包含與地理要素相關(guān)的任何信息，如英國軍械測量局(Ordnance Survey)的Os MasterMap?RR產(chǎn)品中，地理要素的對象標識TOIDRR便是一種地理要素無關(guān)型標識。TOID是由前綴‘osgb’及16位數(shù)字構(gòu)成，例如某個地理要素的TOID是‘osgb1000001329143866’。當一個地理要素產(chǎn)生時，TOID會自動按照順序進行分配。TOID在地理要素的整個生命周期中都不發(fā)生變化。當?shù)乩硪叵龊螅瑯俗R該地理要素的TOID不會被收回并重新分配給其他地理要素[5-6]。地理要素無關(guān)型標識的優(yōu)點就在于，它不會隨著地理要素自身狀態(tài)的變化而變化，具有較好的穩(wěn)定性。但由于無關(guān)型標識不包含與地理要素相關(guān)的任何信息，對實現(xiàn)對地理要素數(shù)據(jù)的訪問與查詢帶來一定困難，通常需借助額外的映射機制，這是其不足之處。

地理要素相關(guān)型標識是指地理要素對象標識的編碼與地理要素本身存在一定的聯(lián)系。孫毅中等提出的利用自適應剖分四叉樹網(wǎng)格及地理要素幾何特征生成的地理要素空間唯一標識[7]便是一種相關(guān)標識。該對象標識與地理要素的幾何位置和幾何特征密切相關(guān)，當?shù)乩硪氐膸缀挝恢煤蛶缀翁卣靼l(fā)生變化時，地理要素的對象標識也會發(fā)生改變。地理要素相關(guān)型標識雖然可能會因地理要素自身狀態(tài)的改變而改變，穩(wěn)定性稍差，但由于該類標識包含與地理要素相關(guān)的信息，因此通過該類標識查詢訪問地理要素數(shù)據(jù)較無關(guān)型標識具有一定的優(yōu)勢。

2 基于地形圖分幅及地理要素分類代碼的地理要素對象標識

空間信息系統(tǒng)是人們進行空間認知的主要工具之一。為了便于人們從不同的層面進行空間認知，從而產(chǎn)生了不同尺度的地理空間數(shù)據(jù)來模擬客觀世界。多比例尺地理空間數(shù)據(jù)雖然在客觀上造成了同一地理實體對應多個不同尺度的地理要素，并且不同尺度的地理要素通常具有不同結(jié)構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)和不同精度的幾何數(shù)據(jù)，而且在空間信息系統(tǒng)中往往將它們看做是不同的對象，但這種數(shù)據(jù)處理方式滿足了不同層面的應用需求，具有其合理性。此外，我國目前已經(jīng)建立了多個尺度的地理空間數(shù)據(jù)庫，對于矢量數(shù)據(jù)的存儲、管理和使用仍主要以地形圖圖幅為基本單元。基于以上分析，本文提出了基于地形圖分幅及地理要素分類代碼的地理要素對象標識(Geographic features object identifier based on map subdivision and feature classification codes，GFOID-MSFCC)，該對象標識能夠?qū)崿F(xiàn)對我國基本比例尺地理空間數(shù)據(jù)中地理要素的唯一標識。

2.1 GFOID-MSFCC編碼模型

GFOID-MSFCC由3部分構(gòu)成：地理要素區(qū)域代碼+地理要素分類代碼+數(shù)字序號，如圖1所示。

圖1 GFOID-MSFCC組成結(jié)構(gòu)

地理要素區(qū)域代碼以我國基本比例尺(1∶1 000 000～1∶500)地形圖分幅編號[8]為基礎(chǔ)拓展而來，由12位編碼組成，如圖2所示。其中，第1位為1∶1 000 000地形圖圖幅行號(A，B，C…,V)，第2、3位為1∶1 000 000地形圖圖幅列號(1，2，3，…,60)，第4位為比例尺代碼，規(guī)定當?shù)乩硪厮诘匦螆D比例尺為1∶1 000 000時，比例尺代碼為‘A’，其余比例尺代碼依次類推，如表1所示。第5至8位為圖幅行號，第9至12位為圖幅列號，表示以1∶1 000 000地形圖為基礎(chǔ)，以我國基本比例尺地形圖圖幅范圍及行列數(shù)量關(guān)系為依據(jù)，如表2所示，按規(guī)定的經(jīng)差和緯差劃分的圖幅行列數(shù)，行列號不足4位時前面補0。為了在形式上保持統(tǒng)一，規(guī)定當?shù)乩硪厮诘匦螆D比例尺為1∶1 000 000時，圖幅行號和圖幅列號均為‘0’，若為其他基本比例尺時，則為該比例尺圖幅所處的行列值，例如，某個比例尺為1∶1 000 000的地理要素，其區(qū)域代碼為‘J50A00000000’，某個比例尺為1:500的地理要素，其區(qū)域代碼為‘J50K00012304’。

圖2 地理要素區(qū)域碼組成結(jié)構(gòu)

第二部分地理要素分類代碼采用國家標準GB/T 13923-2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》中對我國基礎(chǔ)地理信息要素做出的分類及其規(guī)定的代碼。該地理要素分類代碼涵蓋了從1:1 000 000至1:500的所有基本比例尺基礎(chǔ)地理要素，同一種地理要素具有一致的分類和唯一的代碼，且具有較好的穩(wěn)定性、適用性、完整性和可擴展性[9]，以三角點為例，其分類代碼為‘110102’。

表1 比例尺代碼

表2 國家基本比例尺地形圖圖幅范圍及行列數(shù)量關(guān)系

第三部分數(shù)字序列號是為了進一步區(qū)分在同一幅地形圖范圍內(nèi)，且屬同一類地理要素的多個不同地理實體。數(shù)字序號不設(shè)碼位限制，最小值為1，最大值理論上可以趨近無窮，按照依次遞增的順序分配。例如，處于某一幅1:1 000 000地形圖范圍內(nèi)的第1個三角點要素，對應的數(shù)字序號為‘1’，則其完整的GFOID-MSFCC為‘J50A000000001101021’。

2.2 GFOID-MSFCC的性質(zhì)

從其構(gòu)成情況來看，GFOID-MSFCC是一種集地理要素空間位置信息、類別屬性信息及數(shù)字序列號的混合結(jié)構(gòu)對象標識。地理要素區(qū)域代碼是地理要素空間位置的集中體現(xiàn)，標定了地理要素所處的空間區(qū)域；地理要素分類代碼描述的是地理要素的類別屬性，從屬性層面對地理要素進行標識；數(shù)字序列號進一步將屬同類地理要素的不同地理實體進行區(qū)分。因此，GFOID-MSFCC完全可以實現(xiàn)對地理要素的唯一標識。

在擴展性方面，國家標準GB/T 13923-2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》中對地理要素的分類及其代碼的擴充原則進行了規(guī)定，可根據(jù)需要對地理要素的分類及其代碼進行擴展，這里不再贅述。數(shù)字序列號由于沒有碼位限制，理論上可無限擴展。因此總的來看，GFOID-MSFCC具有較好的擴展性。

穩(wěn)定性方面，GFOID-MSFCC中地理要素區(qū)域代碼、地理要素分類代碼都與地理要素存在著一定的相關(guān)性，因此其穩(wěn)定性會受到影響。地理要素狀態(tài)的變化比較復雜，舒紅(2000)將地理要素的狀態(tài)變化形式細分為6種[10]，可將地理要素的生命周期歸結(jié)為3個階段：新生、進化和消亡。通過分析，在地理要素進化階段能夠引起GFOID-MSFCC發(fā)生變化的情況有兩種：①地理要素的空間位置從其原先所在的圖幅變化至其他圖幅，導致地理要素區(qū)域代碼發(fā)生改變；②地理要素的類別發(fā)生轉(zhuǎn)變，如道路由“省道”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皣馈保乩硪胤诸惔a相應地也要發(fā)生轉(zhuǎn)變。除上述兩種情況外，地理要素在進化階段的狀態(tài)變化都不會影響到其對象標識。因此，將上述兩種情況視為舊地理要素的消亡及新地理要素的產(chǎn)生，即可確保GFOID-MSFCC在地理要素的生命周期內(nèi)保持不變。

2.3 GFOID-MSFCC的功能特點

GFOID-MSFCC不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對地理要素的唯一標識，而且在構(gòu)建過程中由于使用了與地理要素相關(guān)的地域范圍和類別屬性信息，因此在其功能方面得到加強，主要表現(xiàn)在以下4個方面：①通過GFOID-MSFCC可以直接獲取地理要素所在比例尺的圖幅編號及其所屬圖層，基于這一功能可以實現(xiàn)在多比例尺、多圖幅基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫中對某一地理要素的快速查詢及訪問；②通過GFOID-MSFCC可以精確計算出地理要素所處的經(jīng)緯度范圍，便于進行數(shù)據(jù)調(diào)度；③通過GFOID-MSFCC能反映出地理要素的空間尺度；④GFOID-MSFCC是一種非常基礎(chǔ)的對象標識，可作為地理要素多種標識機制之間相互映射的元標識。

3 GFOID-MSFCC在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)增量更新中的應用

增量更新是基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)持續(xù)更新的主要發(fā)展方向之一。所謂增量更新是指當變化(圖形或?qū)傩缘?一經(jīng)發(fā)生、發(fā)現(xiàn)、測定便立即對基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫實施更新，然后將更新的數(shù)據(jù)(發(fā)生變化并實施更新的部分)源源不斷的傳遞給用戶用于更新其數(shù)據(jù)庫(用戶在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加了專業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫)的一種更新模式[11-12]。在增量更新過程中，從變化的發(fā)現(xiàn)、變化的測定到對基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫實施更新以及最終將變化內(nèi)容傳遞給用戶均是以地理要素為基本更新單元，因此在這一過程中對實施更新的地理要素的查詢匹配就十分重要。盡管目前地理空間數(shù)據(jù)仍是按照多尺度、多圖幅的形式存儲和管理，但利用GFOID-MSFCC可以實現(xiàn)在增量更新的整個過程中對更新地理要素的快速準確查詢匹配。如圖3所示，當某個地理要素的變化被發(fā)現(xiàn)后，首先從現(xiàn)勢庫(現(xiàn)勢庫存放的是當前現(xiàn)勢性最佳的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù))中將該地理要素提取至工作庫中進行變化測定；變化測定完成后利用GFOID-MSFCC在現(xiàn)勢庫中進行變化地理要素的查詢匹配(利用GFOID-MSFCC可以在多比例尺空間數(shù)據(jù)庫中確定地理要素的比例尺、所在的圖幅及要素層)，并將該地理要素的當前數(shù)據(jù)存入歷史庫中(歷史庫存放的是地理要素的歷史數(shù)據(jù))，然后再對該地理要素實施更新；當更新完成后，從現(xiàn)勢庫中將實施更新的地理要素導出到增量更新包中(包括地理要素的圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù))，并傳輸給用戶；用戶拿到增量更新包后，利用更新包中的GFOID-MSFCC在用戶數(shù)據(jù)庫中對該地理要素進行查詢匹配，進而實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的更新。

圖3 增量更新過程

4 結(jié)束語

地理要素對象標識是空間信息系統(tǒng)不可或缺的組成部分。本文在明確地理要素對象標識概念的基礎(chǔ)上，首次提出地理要素對象標識應具備的3個性質(zhì)，并對地理要素對象標識的類型及生成方法進行分析與總結(jié)。設(shè)計提出的基于地形圖分幅及地理要素分類代碼的地理要素對象標識GFOID-MSFCC，具有特性鮮明、功能完善等特點，更重要的是它能夠比較容易地集成到現(xiàn)有基本比例尺地理空間數(shù)據(jù)庫中。通過對GFOID-MSFCC在基礎(chǔ)地理空間信息增量更新中應用的分析與探討，充分體現(xiàn)出GFOID-MSFCC設(shè)計的合理性。當然，對GFOID-MSFCC的應用還需要建立起一套健全的管理機制，如GFOID-MSFCC的注冊、變更等，這是今后需要進一步研究的內(nèi)容。

[1]宋瑋，王家耀，郭金華.面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型的研究[J].測繪科學技術(shù)學報，2006，23(4)：235-236.

[2]龔健雅.GIS中面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型[J].測繪學報，1997，26(4)：289-291.

[3]王育紅，陳軍.GIS客戶數(shù)據(jù)庫更新的基本問題[J].地理信息世界，2008(1)：9.

[4]李天柱.對象標識的語義構(gòu)成[J].計算機科學，1993,20(5)：16-17.

[5]Policy Statement-OS MasterMap Topographic Identifiers-TOIDs[R]. Ordnance Survey. http://www.ordnancesurvey.co.uk/oswebsite/docs/licences/.

[6]OS MasterMap Topography Layer User Guide and Technical Specification[R]. Ordnance Survey. http://www.ordnancesurvey.co.uk/oswebsite/docs/user-guides/.

[7]孫毅中，姚馳，陳少勤，等.顧及幾何特征的地理要素空間位置唯一性標識方法[J].武漢大學學報：信息科學版，2012，37(12)：1486-1489.

[8]國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 13989-2012國家基本比例尺地形圖分幅和編號[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，中國標準出版社，2012.

[9]國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 13923-2006基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼[S].北京：中國標準出版社，2006.

[10]SHU HONG,GOLD C,CHEN JUN.Various events involved in spatio-temporal databases [C]//Inter-national Archive-s of Photogrammetry and Remote Sensing.Amsterdam,Netherlands,2000,33(B4):971-978.

[11]周曉光.地籍數(shù)據(jù)庫增量更新[M].北京：測繪出版社，2007:7-10.

[12]中國測繪學會.中國測繪學科發(fā)展藍皮書(2010-2011卷)[M].北京：測繪出版社，2012:44-45.

[責任編輯：張德福]

Research on geographic feature object identifier based on map subdivision and feature classification code

ZHOU Zhao,JI Xiao-lin,LIU Gang

(Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)

Geographic feature object identifier (GFOID) is an important component of spatial information system. The related definition, property, types and generation methods of GFOID are analyzed and summarized. Thus, a geographic feature object identifier based on map subdivision and feature classification codes or GFOID-MSFCC, is put forward. Then the GFOID-MSFCC’s features and functions are explored in details. Finally, the application of GFOID-MSFCC to the fundamental geographic information change-only update is also discussed.

geographic feature; geographic feature object identifier; subdivision for topographic map; classification and code of geographic feature; change-only update

2013-10-10

國家自然科學基金資助項目(41201391)

周 炤(1978-)，男，講師，博士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2014)07-0012-05