基礎地理空間數據持續更新模式分析

周 炤，肖 強，趙國成,劉 剛

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

基礎地理空間數據持續更新模式分析

周 炤，肖 強，趙國成,劉 剛

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

基礎地理空間數據持續更新已經成為世界各國關注的熱點及難點問題。文中對基礎地理空間數據持續更新的3種主要模式：定期更新、增量更新和級聯更新進行總結與探討，分析這3種更新模式的概念、更新的方式方法、涉及的關鍵技術以及有待解決的問題等。通過對這3種更新模式的梳理，拓展基礎地理空間數據持續更新的思路，為今后研究工作的開展奠定基礎。

基礎地理空間數據；定期更新；增量更新；級聯更新

基礎地理空間數據廣泛應用于社會發展、經濟建設和國防建設的方方面面，世界各國歷來都非常重視基礎地理空間數據的建設和維護工作。我國測繪工作者通過近40年來的不懈努力，已經完成了包括1∶1 000 000、1∶250 000和1∶50 000在內的基礎地理空間數據庫的“初始建庫”工作，并陸續對這3個數據庫組織實施了更新。2002年，國家測繪地理信息局主持完成了全國1∶1 000 000和1∶250 000基礎地理空間數據庫的更新工作[1-2]，2006年組織實施了全國1∶50 000基礎地理數據庫的更新，用5年的時間對除西部無圖區之外的全國陸地范圍內19 000余幅1∶50 000基礎地理空間數據進行全面更新[3-4]。在2012年，國家測繪地理信息局又啟動了國家基礎地理信息數據庫動態更新工程。與此同時，各個省、市、自治區測繪地理信息部門建立了更大比例尺的地理空間數據庫，并已加快推進基礎地理空間數據的持續更新工作[5]。由此看來，隨著基礎地理空間數據“原始積累”的逐步完成及廣泛應用，基礎地理空間數據持續更新已經成為測繪地理信息部門工作的重點。

基礎地理空間數據持續更新的目的在于維持提升其現勢性。所謂現勢性是指基礎地理空間數據與其所表達的現實世界的一致程度。基礎地理空間數據對現勢性的要求要高于其他類型的數據。現實世界時刻處在發展變化之中，而基礎地理空間數據作為表達現實世界的一種快照模型，是靜態的，它只能反映現實世界在某一時期或時間段內的狀態。隨著時間的推移，基礎地理空間數據的現勢性會越來越差，最終將影響其應用的價值及使用的廣泛程度。因此，要維持提升基礎地理空間數據的現勢性則必須對其進行持續更新。

中國幅員遼闊，地表情況復雜，同時又處在經濟建設和社會發展的高速時期，各種地物要素變化較快，因此如何有效維持提升基礎地理空間數據的現勢性，以更好地為國民經濟建設與社會發展提供服務成為亟待解決的熱點和難點問題。國內學術界給予了較高的關注，專家學者們提出了多種基礎地理空間數據持續更新的方法和模型，以期能夠有效縮短更新周期，提高其現勢性。但總的來看，對于基礎地理空間數據持續更新還沒有形成一個明確的、統一的認識框架，所以有必要對基礎地理空間數據持續更新的模式進行梳理和總結，以起到拋磚引玉的作用。

1 基礎地理空間數據持續更新模式

目前采取及提出的基礎地理空間數據持續更新模式主要包括以下3種，即定期更新、增量更新和級聯更新。

1.1 定期更新模式

1.1.1 定期更新的概念

定期更新是我國目前主要采用的基礎地理空間數據持續更新模式。所謂定期更新，又稱周期性更新，是指在規定的年限內對一定尺度地形圖上的地理要素實施更新。表1為我國對地形圖更新周期給出的具體規定[6]。定期更新通常是全面更新，即以地形圖圖幅為基本更新單元，對圖幅范圍內所有的地理要素實施更新，所以它是一種批量性質的更新，是目前使用最多、最廣泛，技術條件最成熟、更新流程最完備的一種基礎地理空間數據更新方法。定期更新也是目前世界各國主要采取的更新模式。

表1 我國地形圖更新周期

1.1.2 定期更新的主要方法

基礎地理空間數據定期更新主要采用的更新方法可以概括為重測更新、修測更新和縮編更新3種。重測更新即對圖幅區域重新進行測繪，這種方法適用于比例尺比較大，圖幅范圍內地理要素變化劇烈，且對原有數據實施更新困難的地形圖。主要采用的方法包括：外業實地測量、數字攝影測量(利用數字攝影測量系統，采用以人工作業為主的三維立體測圖并輔以內外業調繪，采用單景影像時可將數字正射影像與現有矢量數字地圖、柵格數字地圖疊加采集數字線劃地圖，并輔以野外調繪)。由于要進行重新測量，所以這種方法可能會使得數據更新的周期偏長。

修測更新即利用各種現勢性資料，包括已有的紙質地圖、矢量數字地圖、柵格數字地圖、遙感影像、車載GPS道路數據、野外實測數據、導航電子地圖以及其他各種圖文資料等，對待更新圖幅內發生變化的那些地理要素實施更新。例如將高分辨率的正射影像與矢量數字地圖疊加顯示更新發生變化的地理要素，或者將車載GPS道路數據導入到更新系統中與原有道路數據進行比對實施更新等。在更新完畢后需與圖上其他地理要素進行空間關系協調。修測更新的核心思想是對多源數據的融合及綜合利用。這種方法適用于各種比例尺的矢量數字地圖的更新。

如果需要更新的地形圖比例尺較小，且原有數據的現勢性較差，利用修測更新困難較大，不能滿足用戶需求或者達不到精度要求時，可采用縮編更新的方法。所謂縮編更新即首先利用較大比例尺的、現勢性較好的矢量數字地圖，按照欲更新的小比例尺地圖的圖幅范圍進行拼接，然后對拼接得到的地圖實施制圖綜合(概括)生成小比例尺地圖，之后再利用其它現勢性資料對綜合得到的小比例尺地圖實施更新，例如利用4幅1∶250 000地形圖縮編更新一幅1∶500 000地形圖。

定期更新的3種方法在實施過程中并沒有十分明確的界限，在更新作業過程中各種情況都有可能出現，因此3種方法可能只使用其中的一種，也有可能會同時使用[3]，這需要根據作業的實際情況來具體確定。

1.1.3 定期更新模式的優點和缺點

由于定期更新是以地圖圖幅為更新基本單元，因此它的優點非常明顯：①數據更新的組織實施相對簡單，只要明確了需要更新的圖幅，分析圖幅區域內地理要素的變化情況，搜集相關的現勢資料，制定好實施的技術方案，利用目前已經成熟的更新作業方法就可實施更新；②圖幅內地理要素間的相互關系容易處理和保持，例如地理要素間的拓撲關系，完全可以在整幅地圖都更新完畢后重新生成拓撲關系；③以圖幅組織實施更新，比較容易進行外業調查核實和數據質量的檢驗，從而確保更新成果的質量。

定期更新的缺點也很突出：①更新周期偏長，基礎地理空間數據的現勢性問題依然存在。以1∶50 000基礎地理空間數據庫為例，國家測繪地理信息局于2006年啟動的數據庫更新工程，耗時5年完成對整個數據庫的更新任務，顯然最先更新圖幅的現勢性可能已經不能滿足社會發展的需要而必須再次更新，而更大比例尺的基礎地理空間數據庫，這類問題將會更加突出。②在數據的組織管理上，由于是以地圖圖幅為更新基本單元，因此更新后的數據是以地圖版本的形式進行存儲和管理，這就造成了在地理空間數據庫內可能同時存儲有同一幅地圖不同版本的數據，客觀上造成了數據大量冗余；③在更新地圖數據的分發上。定期更新往往只能將更新后的新版地圖數據整體分發給用戶，如果用戶在基礎地理空間數據的基礎之上添加了滿足自身需求的專業數據集，則用戶將不得不面臨兩難的境地，要么在新版的基礎地理空間數據之上重新添加專業數據集，要么在新版的基礎地理空間數據中選出發生變化的地理要素更新添加專業數據集的數據庫，顯然這都將對用戶數據的更新與維護帶來困難。

1.2 增量更新模式

在基礎地理空間數據在更新過程中，并非將圖上所有地理要素都更新一遍，而是只更新那些發生變化的地理要素，因此如果能建立某種更新機制，能夠對發生變化的地理要素做到及時發現、及時更新、及時發布，則將避免定期更新周期偏長的問題，從而有效提高地理空間數據的現勢性。基于此，增量更新的概念逐漸被人們提出，并受到了國際和國內專家學者的高度重視。如國際制圖協會(ICA)在1999年便成立了“增量更新和版本”(Incremental Updating and Versioning)工作組，緊接著在2000年，國際制圖協會與國際攝影測量與遙感學會(ISPRS)聯合召開了以“增量更新和空間數據庫版本”(Incremental Updating and Versioning of Spatial Data Bases)為主題的學術研討會[7]，以促進在這一領域的研究與交流。國內在這一方面的研究起步稍晚，陳軍教授(2004)負責主持的自然科學基金重點項目“GIS空間數據庫更新的模型與方法研究”在多源遙感影像與矢量化地圖自動配準、典型地理要素變化提取、用戶數據庫更新等方面開展了深入的研究[8]。中南大學周曉光副教授負責主持的自然科學基金項目“顧及拓撲關系一致性的空間數據庫增量更新方法研究”重點從局部拓撲關系一致性維護方面進行了研究。楊兆升(2009)等采用基于鄰接表的路網拓撲結構，實現了中心端和車載端的導航電子地圖增量更新[9]。

1.2.1 增量更新的概念

增量更新是指當變化(圖形或語義等)一經發現、測定便立即對基礎地理空間數據庫實施更新，并將更新后的數據(發生變化并實施更新的部分)持續發布給用戶使用(用戶對在基礎地理空間數據的基礎上添加了專業數據的數據庫實施更新)的一種更新模式[5,10]，即實現對變化地理要素的“及時發現、及時測定、及時更新、及時發布”。從增量更新的概念可以看出，基礎地理空間數據增量更新可以劃分為3個階段，即變化的發現與測定、更新基礎地理空間數據庫和更新用戶數據庫。增量更新的核心思想是當發現地理要素發生變化后在條件允許的情況下即對其實施更新，因此增量更新的基本單元應是單個地理要素，即在更新實施的整個過程中，從變化的發現測定、更新基礎地理空間數據庫，到將更新的內容傳輸給用戶均是以地理要素為基本單元。基礎地理空間數據庫增量更新流程如圖1所示。

圖1 基礎地理空間數據庫增量更新流程

1.2.2 實現增量更新的方法及關鍵技術

1.2.2.1 變化的發現與測定

增量更新的前提是要能及時發現發生變化的地理要素，并對其變化進行測定。對于變化的發現主要有3種方法:①由專業人員進行實地調查發現并確認變化。這種方法需要耗費大量的人力、物力和財力，只適合于更新比例尺較大的基礎地理空間數據。②利用多源遙感影像與矢量地圖進行自動配準及變化檢測[11-13]。這種方法是目前研究的熱點，但主要針對的是地理要素的空間位置特征，對于地理要素屬性特征變化的發現仍缺乏行之有效的手段。③通過相關的政府部門，如土地管理部門、建設規劃部門等，或者通過新聞媒體、互聯網等其他途徑獲取地理要素的變化信息。地理要素變化的發生、發展絕大部分都與人類的活動息息相關，如道路的擴建、居民地的拆遷、行政區劃的改變等。即便是與人類活動無關的自然現象造成的地理要素發生變化，如地震、海嘯、泥石流等，同樣是“有跡可循”，因此第3種方法原則上是可行的，但需要建立起一套完善的地理要素變化發現采報機制。

變化的測定即對確定發生變化的地理要素進行空間位置信息和屬性信息的獲取。獲取的途徑包括：①通過人工采集，如野外實地測量、數字攝影測量等，該途徑與定期更新中針對地理要素變化信息的獲取方法基本相同，這里不再贅述。②自動或半自動的從遙感影像上提取(只能提取地理要素的空間位置信息)。從目前的研究成果看，變化的發現與測定還無法完全實現自動化或半自動化，是制約增量更新技術進一步向實用化方向發展的瓶頸。

1.2.2.2 基礎地理空間數據的組織與管理

增量更新對基礎地理空間數據的組織與管理提出了更高的要求。由于增量更新的基本單元是單個地理要素，因此應對地理要素的現勢數據、工作數據和歷史數據分別進行存儲和管理。現勢數據是指地理要素現勢性最佳的地理空間數據。工作數據是指地理要素在實施更新過程中的數據，當更新完成后用于更新地理要素的現勢數據。歷史數據是指被更新地理要素不同時期的數據，對歷史數據的存儲與管理具有重要意義：①一旦發現地理要素更新錯誤，可以利用歷史數據進行回溯，將更新地理要素的數據恢復到更新前的某一狀態。②通過對歷史數據的查詢，可以對地理要素的歷史狀態進行回溯，探索其變化發展的客觀規律，從而為研究時空對象的演化過程奠定基礎。此外，還應建立地理要素現勢數據、工作數據和歷史數據間的相互映射機制。

1.2.2.3 地理要素間局部拓撲關系重建

地理要素間的拓撲關系是空間信息系統進行空間分析的基礎。由于只對發生變化的地理要素實施更新，因此地理要素間的拓撲關系會輕易遭到破壞。如果每更新一個地理要素就將整個圖層的拓撲關系重新構建，必然會帶來大量的重復性工作，增加數據的處理時間，直接影響更新的效率，因此必須對地理要素間局部拓撲關系重建的思路與算法進行研究。

1.2.2.4 用戶數據庫增量更新

理想情況下，基礎地理空間數據庫更新完成后，應及時將更新的地理要素以增量更新包的形式發布給用戶，用于更新用戶數據庫。增量更新包應采用與平臺無關的形式來組織及表達增量信息，目前提出的方法主要是基于XML或GML來構建。第二個需要解決的問題是，增量更新包中的地理要素與用戶數據庫中同名地理要素如何匹配的問題，即如何用增量更新包中的地理要素數據去更新用戶數據庫中對應的地理要素。最直接的辦法是建立地理要素的唯一標識符，利用唯一標識符進行地理要素的匹配，如英國軍械測量局發布的新一代空間數據產品—MasterMap中設計的TOID屬性字段[14]。此外，如果用戶數據庫中基礎地理空間數據與專業數據進行了整合，沒有做到完全分離，則會給用戶數據庫的更新帶來困難，如何在不破壞用戶數據庫模型和專業數據的情況下完成對基礎地理空間數據的更新也是需要關注的問題。

1.2.3 增量更新存在的問題

基礎地理空間數據更新是一個非常復雜的過程，是一個綜合利用多源數據相互比對、相互印證、綜合判斷的數據融合更新過程，在實施更新前需要收集大量的現勢性資料。增量更新只對發生變化的地理要素實施更新，因此就存在著需針對不同的更新對象頻繁收集相關資料的問題，與定期更新的只在更新完成前收集資料相比較，會給更新本身增加許多額外工作。此外，增量更新與定期更新一樣，在同一時期通常都只能更新一個尺度的基礎地理空間數據，難以實現對多個尺度的基礎地理空間數據進行同步更新，存在著同一地理要素多尺度數據間無法保持一致性的問題。

1.3 級聯更新模式

為滿足不同層次應用的需要，基礎地理空間數據以多個比例尺的形式存在，因此每一個尺度的數據都存在著持續更新的問題[15]。各比例尺的基礎地理空間數據目前均采用定期更新的模式，由于更新周期的不同，將會導致不同尺度的數據間存在不一致甚至是矛盾，級聯更新正是在這一背景下提出的，即通過實現多個比例尺數據之間的聯動更新，以保證數據的正確性和一致性[16]。

1.3.1 級聯更新的概念

級聯更新是指在更新了較大比例尺基礎地理空間數據的同時完成對多個較小比例尺基礎地理空間數據的更新。理想情況下的級聯更新是在大比例尺數據更新完成后，實施自動制圖綜合，從而生成多個小比例尺的基礎地理空間數據，但從目前制圖綜合發展的現狀來看，還無法實現。因此級聯更新更現實一些的做法是在對某個較大比例尺基礎地理空間數據更新完成的前提下，采用半自動化的制圖綜合及人機交互的方式聯動更新較小比例尺的基礎地理空間數據，如圖2所示。

圖2 級聯更新示意圖

1.3.2 級聯更新的關鍵技術

1.3.2.1 自動制圖綜合技術

級聯更新對制圖綜合技術提出了更高的要求。當大比例尺數據更新完成后，可將其作為更新源用于其他小比例尺基礎地理空間數據的更新。對于某些類型的地理要素，如能實現同名地理要素多尺度數據間自動化或半自動化的制圖綜合將有效提高更新作業的效率，為實現多尺度基礎地理空間數據級聯更新奠定基礎。因此，在自動制圖綜合技術上需有所突破，如果仍然主要依靠人機交互的方式來實施更新，則不能體現出級聯更新的優勢所在。

1.3.2.2 建立同名地理要素關聯機制

要實現同名地理要素多尺度基礎地理空間數據的自動(半自動)制圖綜合，則必須建立它們之間的關聯關系。這種關聯關系可以通過兩種方式建立：①通過設計某種關聯機制，如唯一標識符，建立同名地理要素間的關聯關系。當大比例尺基礎地理空間數據中地理要素發生變化并實施更新后，利用這種關聯機制就可對其他較小比例尺數據庫的同名地理要素實施更新，但這種方式需維護同名地理要素多比例尺數據間的關聯關系。②通過動態匹配的方法，自動建立同名地理要素間的關聯關系。動態匹配的實質是計算多比例尺數據中地理要素間的相似程度，以此來建立同名地理要素間的關聯關系。主要的方法包括：基于地理要素幾何形態的匹配和基于屬性語義的匹配等。動態匹配的問題在于，通過計算得到的地理要素間的相似度，能否正確建立同名地理要素間的關聯關系，如果關聯關系建立錯誤或將導致級聯更新的失敗。

1.3.3 級聯更新存在的問題

級聯更新的核心思想是利用大比例尺基礎地理空間數據縮編更新小比例尺數據。當前我國的基礎地理空間數據是根據其比例尺按照規定的經緯度范圍劃分的圖幅進行組織和管理，小尺度的基礎地理空間數據所覆蓋的地域范圍與大尺度數據存在一定的數量關系。因此只有當相應數量的大比例尺數據更新完成，才能對小比例尺的數據實施級聯更新，特別是對一些跨圖幅的地理要素，例如陸地交通中的鐵路、高速公路等。這就產生了新的問題：一是級聯更新從什么比例尺的基礎地理空間數據開始實施比較合適，是從規定的比例尺最大的數據還是其他什么尺度的數據；第二個問題是，級聯更新能否使小比例尺的基礎地理空間數據滿足現勢性的要求。級聯更新的特點是當一定數據量的大比例尺基礎地理空間數據更新完畢，才能更新一幅中比例尺的數據；當一定數量的中比例尺的數據更新完成才能對一幅小比例尺的數據實施更新，這樣就可能會造成小比例尺的基礎地理空間數據更新周期偏長，因此探索建立適合的基礎地理空間數據級聯更新機制是必須要面對的問題。

2 結 論

基礎地理空間數據持續更新已經成為世界各國關注的熱點及難點問題。本文對基礎地理空間數據持續更新的3種主要模式：定期更新、增量更新和級聯更新進行了梳理，對這3種更新模式的概念、更新的方式方法、涉及的關鍵技術以及存在的問題等進行分析和探討。3種更新模式從概念上來看雖然略有區別，但涉及到的一些關鍵技術具有趨同性，解決好這些問題是提高基礎地理空間持續更新自動化水平，提高基礎地理空間數據現勢性的根本所在。同時，對基礎地理空間數據的持續更新，不僅僅要關注對數據本身的更新問題，更要關注如何為用戶提供良好服務的問題，這才是基礎地理空間數據持續更新的根本目的。

[1]蘇山舞，于榮花，沈濤，等.全國1∶1 000 000數據庫建設與更新[J].地理信息世界，2003，1(2):21-25.

[2]商瑤玲，王東華，李莉.論全國1∶250 000數據庫建立與更新[J]. 地理信息世界，2003， 1(2):17-20.

[3]陳軍，王東華，商瑤玲，等.國家1∶50 000數據庫更新工程總體設計研究與技術創新[J].測繪學報，2010，39(1):7-10.

[4]王東華.國家1∶50 000基礎地理數據庫建庫的技術研究與實踐[J].地理信息世界，2006，4(4)：4-5.

[5]中國測繪學會.中國測繪學科發展藍皮書(2010—2012卷)[M].北京：測繪出版社，2012:49-50.

[6]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 14268-2008國家基本比例尺地形圖更新規范[S].北京：中國標準出版社，2008：7-7.

[7]ANTONY COOPER，AMMATZIA PELED. INCREMENTAL U-PDATING AND VERSIONING[C].//Proceedings of the 20th International Cartographic Conference.Beijing，C-hina，August，2001：2806-2809.

[8]陳軍，劉萬增，張劍清，等.GIS數據庫更新模型與方法研究進展[J].地理信息世界，2008,6(3):12-16.

[9]楊兆升，汪健，李麗麗.導航電子地圖增量更新方法研究[J].交通信息與安全，2009，27(2):10-14.

[10]周曉光.地籍數據庫增量更新[M].北京：測繪出版社，2007:7-10.

[11]范大昭，張永生，雷蓉.地形圖數據庫更新的自動化方法[J].測繪通報，2005(7):43-47.

[12]張劍清，佘瓊，潘勵.基于LBP/C紋理的遙感影像居民地變化檢測[J].武漢大學學報：信息科學版，2008，33(1)：7-12.

[13]ZHU LINA，ZHANG JIANQING，PAN LI. River Chang Detection Based on Remote Sensing Image and Vector[C]//Proceeding of International Multi-Symposiums on Computer and Computational Sciences.Hangzhou，China，June，2006: 188-191.

[14]Policy Statement-OS MasterMap Topographic Identifi-ers-TOIDs[R]. Ordnance Survey. http://www.ordnances-urvey.co.uk/oswebsite/docs/licences/.

[15]陳軍，李志林，蔣捷，等.基礎地理數據庫持續更新問題[J].地理信息世界，2004，2(5)：2-3.

[16]傅仲良，吳建華.多比例尺空間數據庫更新技術研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32(12)：1115-1118.

[責任編輯：張德福]

Researchonfundamentalgeo-spatialdatadontinuousupdatingmodel

ZHOU Zhao, XIAO Qiang, ZHAO Guo-cheng, LIU Gang

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

Continuous updating of fundamental geo-spatial data has become a hot topic as well as a tricky problem all over the world. At present there are three dominant updating models, the periodic updating, incremental updating and multi-scale linkage updating. Research is made on the definitions, updating methods, essential techniques, and unsolved problems of the three updating models, laying foundation for the improvement and innovation of continuous updating of fundamental geo-spatial information.

fundamental geo-spatial data; periodic updating; incremental updating; multi-scale linkage updating

2013-05-07

國家自然科學基金資助項目(40401052)

周 炤(1978-)，男，講師，博士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2014)01-0012-05