自發地理信息研究進展綜述

梁發宏，楊 帆

(西安測繪總站，陜西 西安710054)

在Web 2．0的大環境下，隨著衛星定位技術和移動終端技術的發展，地理信息傳遞和服務的模式經歷著深刻的變化。網絡用戶不僅被動地消費信息，也開始自己創建或編輯網頁內容。相應的一些項目蓬勃發展，用戶數量顯著增加，如維基百科、Flickr、YouTube等。

通用數據貢獻常常被稱為用戶生成內容(usergenerated content，UGC)，如維基百科條目或博客文章。UGC中有一種包含地理組件的特例，被稱為眾源地理數據［2］或協同地理信息［3］，更常見的名稱為自發地理信息(volunteered geographic information，VGI)［1］。筆者以OpenStreetMap為例，側重于數據及貢獻者分析的方法和結論，介紹了協作收集地理數據和相應的貢獻者模式，全面回顧了VGI研究的現有成果，并展望其前景，指出需要解決的問題。

一、自發地理信息簡介

自發地理信息由Goodchild［1］在2007年提出，他認為VGI是指使用工具創建、收集、傳播個人自發提供的地理信息。目前關于VGI還沒有形成一個統一的定義。維基百科中對VGI的定義是指用戶通過在線協作的方式，以普通手持GPS終端、開放獲取的高分辨率遙感影像，以及個人空間認知的地理知識為基礎參考，創建、編輯、管理、維護的地理信息。李德仁等［4］從廣義和狹義兩個角度對VGI進行了解釋，認為狹義的VGI是由大量非專業用戶利用3S技術自發創建的地理信息;廣義的VGI是與狹義的VGI相關的概念、模式、方法和技術。

筆者認為VGI的主要特征為:①向VGI平臺貢獻的信息必須匹配地理位置，地理位置既可以通過地理參考航空影像跟蹤采集，也可以通過指定設備主動收集GPS軌跡來獲取;②數據收集具有公眾自發性和非專業性，沒有專業技能的用戶也可以基于個人目的貢獻地理信息，協作完成空間數據處理。

1．近期代表性VGI平臺

近年來VGI急速發展，表1中列出了5種不同的VGI項目的比較，比較不包括一些廣泛使用的LBS平臺，如谷歌地圖，因為其VGI功能有限。VGI項目之間的主要區別在于數據許可證類型和信息可用性。

表1 VGI項目比較

2．OpenStreetMap(OSM)

OSM項目于2004年啟動，主要數據庫和網絡服務托管在倫敦大學的多個服務器。所有創建和共享OSM數據的服務器和接口主要由志愿者開發和管理。該項目的主要目標是建立一個免費的全球地理信息數據庫。貢獻數據前必須注冊并創建一個賬戶。新注冊的會員在注冊后就可以立即添加、修改或刪除OSM數據庫中的地理對象。而對于其他VGI項目，如Google Map Maker，新會員所作的編輯首先要通過審查。最初幾年，OSM地理信息收集大多是應用GPS手持設備。2007—2011年間，雅虎地圖、微軟Bing Map均對其進行影像數據支持，這對OSM新對象的收集有很大的影響。此外，一些地區通過導入商業或政府數據集獲取了大量數據，如荷蘭、奧地利、美國、西班牙和法國。近年來，隨著OSM項目的蓬勃發展，一些公司全部或部分地將其地圖應用轉換為OSM，如蘋果、Flickr和foursquare。

二、自發地理信息研究熱點及成果

1．數據質量分析

(1)路網評估

OSM質量分析多為道路網絡評價，多數是將政府或商業數據集作為參考數據進行對比。2008年Haklay［5］將英國的OSM數據與軍械測量局(OS)的數據集進行了比較。結果表明，OSM覆蓋英國面積的29．3%。2009年重復了這項分析，覆蓋范圍提高到65%［6］。OSM在英國的數據質量和覆蓋率顯示出明顯的區域差異，城市地區路網密度高，但缺少街道名稱等細節，而有些農村地區完全沒有數據。Girres等［7］對法國進行了研究，重點為路網，也包含其他要素，如興趣點、水系和海岸線。該研究表明，法國OSM數據集也具有類似的區域差異。對德國2007—2011年OSM數據集的綜合分析［8］表明，如果比較機動車路網，OSM比專有數據少9%;如果包括人行道和小路時，OSM超過專有數據集27%，但專有數據集中包含的其他重要信息，如轉彎限制，在OSM數據集中常常缺失。

2011年，Zielstra等［9］將整個佛羅里達州(美國)OSM數據集與TomTom和Navteq的專有數據進行了比較。與之前在歐洲的發現不同，在佛羅里達州農村地區，OSM具有較強的覆蓋，而在城市地區也比專有數據表現出更好的覆蓋。研究人員認為這是由于2008/2009年美國TIGER/Line普查數據導入了OSM。

總體來看，OSM路網數據在不同區域質量差別較大，城市優于農村，局部地區數據非常詳細。是否應該使用OSM或其他VGI資源，需要針對興趣區域和項目目標進行評估。

(2)興趣點(POI)評估

導航過程中，將描述地點的地址或文本準確轉換為一個地理位置非常重要，這個過程被稱為地理編碼。Amelunxen［10］將谷歌地圖的地理編碼功能與OSM進行了比較，對于市政、街道、門牌號碼，OSM都沒有達到足夠的詳細程度來支持空間分析。Jackson等［11］將OSM與其他專有數據集的點要素地址信息比較，顯示出類似的結果。Mashhadi等［12］對倫敦(英國)和羅馬(意大利)來自專有數據集的POI數據與OSM進行了比較，發現在地理位置精度方面基本一致。

OSM中志愿者收集的非傳統興趣點與專有數據庫有差別，詳細程度不足，位置精度基本一致。

(3)數據信任和人為破壞

為了簡化數據評估，建立某種形式的信任機制非常必要。一些研究人員提出將志愿者作為一種質量測量參數。Bishr等［13］探討了基于社交網絡信任評級的解決方案。Kessler等［14］基于貢獻對象的歷史來確定信任值。

OSM項目的普及也帶來了一些需要注意的問題，特別是人為破壞。Coleman［15］總結了如何驗證貢獻者及其空間信息的一些方法，Neis等［16］自動檢測人為破壞，在OSM數據庫中每天至少檢測到一起人為破壞，有的是故意破壞，有的是操作失誤。

2．貢獻者分析

VGI研究的第二大方向是項目貢獻者行為，可以將用戶分為普通用戶(使用數據或在線信息)、注冊會員(擁有VGI項目賬戶)和貢獻者(積極為VGI項目做貢獻)［24］。普通用戶數量基本無法確定，注冊會員和貢獻者數量可以從OSM數據庫確定或分析。

(1)參與不均衡

參與不均衡的現象在開源項目或以在線社區為基礎的項目中往往類似。Nielsen［17］以90－9－1規則描述了這種現象，即90%的用戶從來沒有對項目作出貢獻，只是充當“潛水者”，9%的貢獻者不定期地增加信息，1%的貢獻者提供了項目收集到的幾乎所有的信息。OSM也有類似現象［18－19］。

2010年，注冊會員人數增至30萬，其中近5%(16 500)按月積極為項目做貢獻，所有成員中僅占3．5%(12 000)的會員貢獻了占98%的數據量［8］。圖1表示了注冊會員的增長及其活動，可以看出注冊會員與活躍貢獻者在數量上的巨大差異。

Neis等［18］進行的研究還按周和日分析了貢獻者的活動。結論為平日貢獻模式相似，周日數據編輯的人數略多，而下午和晚上是OSM一天的活動高峰期。

(2)區域分布

OSM貢獻者的區域分布表現出與前述數據質量分析類似的區域差異。因為OSM會員在項目注冊時不必提供位置信息，研究人員通過不同的方法確定會員的區域。Budhathoki［19］分析了貢獻者為不同國家加入注釋的數目，Neis等［18］關注貢獻者首次編輯或編輯最多的區域。這兩項研究顯示貢獻者中3/4位于歐洲，剩下的1/4分布在北美和亞洲，南美、非洲和大洋洲只有少量貢獻者。活躍貢獻者在德國密度最高，德國OSM數據集也表現出了較高質量。然而，OSM貢獻者并不只限定在自身區域收集數據，少數非常活躍的OSM會員在至少兩個或更多的國家收集數據［18－19］。

圖1 2005—2015年OSM會員增長

(3)貢獻者動機、行為和人口因素

貢獻動機是研究人員調查的主要內容。Budhathoki［19］認為對特定區域的個體認知是最顯著的動機，當用戶看到他們所關心的領域信息空白或錯誤，往往會利用自己擁有的知識編輯數據。Coleman等［20］將VGI激勵因素分為積極和消極兩類。表2總結了上述研究中主要動機。

表2 VGI激勵因素

過去許多研究指出，VGI主要的貢獻者是非專家或未經訓練和不合格的志愿者［5］。但是，有調查顯示近50%的受訪者有相關學位或曾在地理、測繪、城市規劃或計算機/信息科學等領域工作，說明OSM社區并不像經常猜測的那樣只有GIS愛好者［19］。Coleman等［20］將VGI項目成員分為新手、業余興趣、專業人士、專業專家和權威專家等。

對貢獻者人口因素也有詳細的分析，如項目參與者的年齡、性別或教育背景。研究表明，大多數OSM貢獻者(97%以上)為男性［21］。對于其他門戶網站，數據并沒有顯示出這種性別偏向，但引入地理信息時女性參與率大幅下降［22］。OSM大多數貢獻者(＞60%)在20～40歲之間，大約20%為40歲以上［21－22］。63%—78%有大專、本科及以上學歷［21－22］。

三、自發地理信息應用前景

1．構建世界范圍地理空間基礎數據庫

VGI的優勢源于其開放式數據收集方法，可以說VGI是最廉價的地理信息來源，往往也是唯一的來源。尤其是對于世界范圍而言，其豐富的數據內容和形式，是對現有地理信息數據的一個很好的補充和完善。

2．應急響應輔助決策支持

OSM和其他VGI項目的另一潛力是危機及災害等應急響應行動中的輔助決策支持功能。2011年海地地震期間，志愿者基于OSM最新衛星影像和移動GPS設備采集道路及興趣點數據，標注救護站、帳篷和倒塌的大橋，在48 h內構建了最 完 整 的“Haiti OpenStreetMap”［23］。VGI在洪災損失評估［25］、野生消防疏散［26］和其他重要的風險及自然災害管理和響應［27－29］等方面也已顯示出很多潛力。

3．地理監測

地理監測工作量大，現勢性要求高。VGI用戶分布廣泛，貢獻的數據類型多樣(矢量數據、圖片、視頻等)，客觀性和現勢性強，獲取周期短，成本低，未來的地理國情監測完全可以借助VGI手段。

4．特殊用途地圖應用

近年來涌現出許多基于OSM的應用程序、在線地圖及可打印地圖，志愿者協同收集地理信息，滿足特殊需求，如貨車、自行車、滑雪、輪椅、盲道及公共交通。如Wheelmap共享公共場所輪椅無障礙信息，OpenRouteService提供自行車和貨車路徑查詢功能。

5．三維應用

隨著三維應用的日益普及，研究人員測試了OSM對三維應用程序或三維基于位置服務的適用性［30］，有文獻探討如何將OSM數據轉換到規范的城市地理標記語言(CityGML)模型［31］或室內疏散模擬［32］。

四、結束語

本文首先介紹了VGI的概念和特征，比較了有代表性的幾個VGI平臺，重點介紹了其中影響最大的OSM;接著全面回顧了VGI研究熱點，研究工作分為兩個主要領域:數據質量和貢獻者分析，詳細討論了每個領域的最新文獻中闡述的各項研究的方法和結果;最后展望了VGI的應用前景。

VGI的發展很快，但也存在許多亟需解決的問題:數據質量不可預測，數據分布不均，連續性和一致性不能保證;沒有嚴格的數據規范或質量標準，如何有效地進行數據質量控制需要進一步研究;VGI數據來源多樣，類型復雜，數據量大，如何管理這樣的海量多源數據，需要設計簡單、高效、擴展能力強的數據管理方案;如何基于數據集中的現有對象導出其他類型的地理要素，或是通過多源數據融合集成并豐富當前的數據集，未來的研究都可以詳細探討。VGI數據可能會涉及個人隱私、知識產權與國家安全，需要出臺和完善相應的法律法規，以保證數據安全。VGI的持續性依賴于志愿者，相關部門也需要制定政策鼓勵志愿者加入。

現有的VGI系統主要集中在西方發達國家，對語言的支持也比較單一，大多數僅支持英語。其他地區服務穩定性不高，用戶數量有限。與國外的研究相比，當前國內VGI的研究仍處于初始階段。但作為完全開放的免費數據源，我們可以看到其巨大潛力，VGI這種日益普遍的新現象正在改變著地理信息數據獲取、傳遞和應用的傳統模式。

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