基礎(chǔ)地理信息疊加更新模型研究

王英謀

摘 要：該文以基礎(chǔ)地理信息更新為研究對象，研究提出了點、線、面三種矢量要素的疊加更新模型，論文首先分析了地理信息中的數(shù)據(jù)類型和變化特點，進(jìn)而總結(jié)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的變化形式，在此基礎(chǔ)上，探討了更新中的空間分析與圖形操作的內(nèi)容，最后，分別提出了針對點、線、面三個不同地形要素的更新模型。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)地理信息 疊加 更新 模型

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0015-02

在GIS中地理事物或地理現(xiàn)象被抽象為點、線、面及其組合的表達(dá)，地理信息的更新實際上是對點、線、面數(shù)據(jù)的修改。該 文在分析基礎(chǔ)地理信息的變化特點及點線面數(shù)據(jù)的變化形式的基礎(chǔ)上，對不同的變化模型設(shè)計基礎(chǔ)地理信息更新方式。

1 地理信息的數(shù)據(jù)類型及變化特點

1.1 地理信息中的數(shù)據(jù)類型

地理事物或地理現(xiàn)象在地理信息系統(tǒng)（GIS）中被高度抽象為點、線、面要素，復(fù)雜地物可通過其組合進(jìn)行表達(dá)。點、線、面是GIS中最基本的數(shù)據(jù)類型，在GIS中分層管理。下面是對各類要素的描述。

1.1.1 面狀地形要素

凡是在特定比例尺下（如1：10000）地形圖中以多邊形表示的地形要素均稱為面狀地形要素，如居民地類中依比例尺表現(xiàn)的獨立房屋、普通房屋等；水系及附屬設(shè)施類中，圖上寬0.4以上依比例尺表示的河流，圖上面積大于0.5～2的湖泊，小于0.5～2但有重要意義的湖泊（如位于國界附近的或作為河源的小湖及干早地區(qū)的淡水湖等）等都是面狀形要素。在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)更新過程中，面狀要素是重要的操作對象，在對面狀要素進(jìn)行更新的時候既要注意面狀要素間的拓?fù)潢P(guān)系，又要注意面狀要素與點狀要素及線狀要素之間的拓?fù)潢P(guān)系，面狀要素也是更新過程中較難處理的對象。

1.1.2 線狀地形要素

線狀地形要素是指有一定長度而沒有面積的對象，或者是在給定的地圖比例尺（如1：10000）下形狀非常狹窄的地形要素。

在1：1萬地形圖中線狀地形要素包括幾何線狀地形要素和權(quán)屬線狀地形要素。幾何線狀地物是指具有一定面積與寬度的線狀地物，主要包括交通及附屬設(shè)施類中的鐵路、不依比例尺的公路、其他道路；水系及附屬設(shè)施類中的圖上寬0.4mm以下的河、渠等。權(quán)屬線狀地形要素主要指境界線等。

1.1.3 點狀地形要素

點狀地形要素是指沒有面積和長度的地理特征，或是相對于給定的比例尺來說邊界太小以至于無法顯示。在1：1萬地形圖中點狀地形要素主要是指測量控制點，基礎(chǔ)地理信息更新方法研究居民地類中的不依比例尺的普通房屋，工礦建（構(gòu)）筑物及其他設(shè)施類中的開采的礦井中的豎井、斜井、小礦井等及其他一些以點形式表現(xiàn)的地形要素。

1.2 地理信息變化的特點

基礎(chǔ)地理信息變化的特點在土地利用/覆被變化的規(guī)律中有具體的體現(xiàn)，科研人員對此做了大量研究，盡管由于區(qū)域差異性原因，除了自然地理因素外，人文因素作用顯著，包括國家和地方政策的調(diào)控、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等的影響無論在變化程度、變化格局和土地利用轉(zhuǎn)移方向上都存在顯著的區(qū)域差異性，總的來看表現(xiàn)在，城鎮(zhèn)建設(shè)用地通過大量占用耕地而擴(kuò)展，非城鎮(zhèn)建設(shè)用地間結(jié)構(gòu)變化明顯，城鎮(zhèn)用地擴(kuò)展主要集中于老城區(qū)外圍的城市邊緣區(qū)，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)最高的區(qū)域多位于主城區(qū)的邊緣區(qū)即城鄉(xiāng)交替地帶。這個現(xiàn)象在規(guī)模相對小的人類聚居區(qū)也有類似的表現(xiàn)，如村鎮(zhèn)的內(nèi)部相對穩(wěn)定在外圍的區(qū)域則是建設(shè)的活躍地帶，與城市相比而言特點類似只是規(guī)模大小有別。

2 地理信息變更模式

基礎(chǔ)地理信息變化的原因多種多樣，變化形式的豐富多彩，在以矢量模型抽象表達(dá)現(xiàn)實世界的地理信息中則表現(xiàn)為：代表客觀實體的地理信息中的各種點、線、面要素的變化或是其各種要素變化的組合。

客觀世界中各種不同的地理實體有著自己的發(fā)展變化規(guī)律，如：居民地，水系，道路等，從變化快慢上來說，由于我們國家目前處于高速發(fā)展時期，居民地，道路短時間內(nèi)可能變化較大，而水體一般來說自然發(fā)展則相對緩慢；從GIS數(shù)據(jù)的變化方式上來看，又有所不相同，如居民地可能被拆遷改造從而使得記錄它的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)都發(fā)生變化。地理信息變化可分為空間數(shù)據(jù)變化與非空間數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）變化，它們不是截然分開，有時空間數(shù)據(jù)改變和屬性數(shù)據(jù)的改變又是相互影響的，如，上面提到的，屬性改變導(dǎo)致圖層轉(zhuǎn)移，其中也包含空間數(shù)據(jù)的改變，同樣空間數(shù)據(jù)的改變也會造成地形要素分類的改變，其屬性信息也就會改變。

2.1 空間數(shù)據(jù)變化形式

矢量表達(dá)的空間數(shù)據(jù)類型包括，面狀要素、線狀要素及點狀要素，對它們的變化模型分別總結(jié)如下。

2.1.1 面狀地形要素主要變化模型

（1）面狀地形要素分割，即一個面狀地形要素分割成兩個或兩個以上相同或不同類型的面狀地形要素。（2）面狀地形要素合并，指由兩個或兩個以上相同類型面狀地形要素合并為一。（3）面狀地形要素擴(kuò)大，面狀地形要素所表示的類型不變，而其邊界變化，導(dǎo)致其范圍變大，從而使面狀地形要素面積增加。（4）面狀地形要素縮小，面狀地形要素所表示的類型不變，其邊界變化，從而使面狀地形要素所圍面積減少。如面積減小到一定程度則使得其所屬類別發(fā)生變化，這又會使得其屬性發(fā)生變化。面狀地形要素變窄使其向線狀地物方向變化，或者面狀地形要素面積減少而使其變?yōu)辄c狀地形要素。反之點狀要素、線狀要素也會向面狀要素發(fā)展。（5）面狀地形要素的新增及消亡。

2.1.2 線狀地形要素主要變化模型

（1）線狀地形要素新增或消亡。（2）線狀地形要素的延伸或收縮。

2.1.3 點狀地形要素主要變化模型

點狀地形要素增加或消亡。

2.2 屬性數(shù)據(jù)變化

屬性信息變化分為以下幾種類型：（1）僅僅是其一個或幾個屬性信息發(fā)生變化，但其空間數(shù)據(jù)和所屬分類沒有發(fā)生改變，對此類改變僅僅需要修改其變化的屬性信息即可。（2）幾何形狀沒有太大變化，但其屬性發(fā)生改變，使得其分類發(fā)生改變，這使得該要素不再屬于某一圖層，需要改變圖層。如道路有一般道路改造后變?yōu)榈燃壒贰＃?）由于其幾何數(shù)據(jù)變化而導(dǎo)致其表達(dá)形式發(fā)生變化，從而使得其所屬分類改變導(dǎo)致圖層轉(zhuǎn)移。如溝渠變窄后，由以前的面狀要素表達(dá)轉(zhuǎn)為用線狀要素表達(dá)使得其所屬圖層發(fā)生改變。

地理信息的變化情況在實踐中非常復(fù)雜，上述的變化形式在更新過程中可能只是簡單圖形變化，也有可能同時發(fā)生，但是在數(shù)據(jù)更新實現(xiàn)中又不能同時操作所有的變化地類，只能對變化類型進(jìn)行綜合分析與分步處理，按一定的設(shè)計流程完成數(shù)據(jù)更新。在實際更新過程中，一種地理信息的變化必然導(dǎo)致其它地理信息在空間上發(fā)生相應(yīng)的變化，因此通過對地理信息空間對象的變化特征的標(biāo)識、聚集或復(fù)合，把地理信息的變更模式抽象地歸并為擴(kuò)展、收縮、消亡和新生四種模式，并在幾何數(shù)據(jù)類型變化模型基礎(chǔ)之上的建立相應(yīng)的屬性信息變化模型。涉及到兩個及兩個圖層互動更新的，屬性數(shù)據(jù)一般會有改變，因此把它們統(tǒng)一到屬性數(shù)據(jù)更新中。地理信息更新過程中的屬性變化和空間數(shù)據(jù)變化之間不是相互孤立的，而常常是相互摻雜在一起的，通過對地理信息變更模式的分析，制定數(shù)據(jù)更新的策略，設(shè)計更新流程與更新模型以有效方便的進(jìn)行更新。在進(jìn)行更新處理時，要求綜合考慮引起變化的地物特征，采用各自分層和綜合分析的方法，使得地理信息變化的相互影響及其復(fù)雜性在更新處理時得以有效解決。

3 更新中的空間分析與圖形操作

地理信息更新是以空間分析為基礎(chǔ)的，在空間分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間圖形操作。在單個實體更新過程中通過基本實體和比較實體的空間邏輯關(guān)系的比較實現(xiàn)空間幾何圖形的基本操作。空間實體之間的空間邏輯關(guān)系主要有：等價（Equal），包含（Contain），內(nèi)含（Within），相交（Cross），相離（Disjoint），覆蓋（Overlap），切觸（Touch）。

基礎(chǔ)地理信息更新中，空間分析判斷新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，還要靠幾何圖形操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，幾種基本的空間操作實現(xiàn)幾何圖形的基本操作，包括：切割、差分、交集、并集。

3.1 切割（Cut）

指定一條切割曲線和一個幾何圖形，經(jīng)過切割運算后，沿切割曲線方向把幾何圖形分成左右兩部分；點與多點不能被切割，而面與線只有與切割曲線相交是才能進(jìn)行切割運算。

3.2 差分（Difference）

確定參考幾何圖形和比較幾何圖形，經(jīng)過差分運算后，返回那些用參考幾何圖形中的點減去比較幾何圖形中的點后剩下的部分。

3.3 交集（Intersect）

確定參考幾何圖形和比較結(jié)合圖形，經(jīng)過交集運算后，返回同時落在參考幾何圖形和比較幾何圖形中的部分，交集運算必須在同維之間進(jìn)行。

3.4 并集（Union）

確定參考幾何圖形和比較幾何圖形，經(jīng)過并集運算后，返回那些屬于參考幾何圖形和屬于比較幾何圖形的部分，并集運算必須在同維之間進(jìn)行。

在地理信息更新過程中，一個地形要素的變化會導(dǎo)致到其他地形要素也會發(fā)生相應(yīng)的改變，他們之間相互影響的復(fù)雜關(guān)系。

明確地理實體之間的邏輯關(guān)系，及拓?fù)洳僮鳎兏僮髦锌臻g實體之間的相互關(guān)系，為我們順利進(jìn)行基礎(chǔ)地理信息更新奠定基礎(chǔ)。

4 基礎(chǔ)地理信息疊加更新模型

更新應(yīng)用了GIS的空間分析功能，用第二章和第三章敘述方法獲得新數(shù)據(jù)圖層，先對新要素設(shè)定緩沖距離，與現(xiàn)狀圖層進(jìn)行空間查詢分析，得到與變化數(shù)據(jù)相關(guān)的點、線、面各層要素。新數(shù)據(jù)分別與相關(guān)點、線、面各層要素按變更模式作空間疊加更新，見圖1。

在進(jìn)行更新處理時，關(guān)鍵要考慮引起變化的地形要素特征及其空間相互關(guān)系，以滿足基礎(chǔ)地理信息更新需要為目標(biāo)，更新過程中采用更新數(shù)據(jù)各自分層和綜合分析的技術(shù)，使得地形要素變化的相互影響在更新處理時能很好解決，確保數(shù)據(jù)的一致性，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

基礎(chǔ)地理信息更新主要的內(nèi)容為：幾何數(shù)據(jù)更新和屬性數(shù)據(jù)更新。幾何數(shù)據(jù)更新一般只是在某一層內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行增、減，合并，分割等操作，屬性數(shù)據(jù)更新要復(fù)雜一些，因為屬性變化往往涉及到某一地理要素是否還屬于某一層的問題，如果屬性變化導(dǎo)致地理要素不再屬于某個層，那么就要在不同層之間互動更新，這包含著空間數(shù)據(jù)操作。這時的數(shù)據(jù)更新可通過在幾個圖層之間應(yīng)用空間數(shù)據(jù)更新操作實現(xiàn)。

4.1 矢量數(shù)據(jù)更新模型設(shè)計

以矢量方式表達(dá)基礎(chǔ)地理信息更新模型是通過分別對面狀要素、線狀要素和點狀要素更新實現(xiàn)的，根據(jù)地理信息系統(tǒng)中空間實體的關(guān)系給出地形要素的更新模型，見圖2矢量數(shù)據(jù)疊加更新模型。

面狀要素疊加更新是針對面而狀地物發(fā)生變化的處理方法，以舊版基礎(chǔ)地理信息為基礎(chǔ)，與經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的變化面狀要素及線狀地形要素進(jìn)行空間疊加處理和更新，生成新基礎(chǔ)地理信息。

疊加處理過程如圖3所示。在對面狀要素更新時會對與之相關(guān)的點、線、面要素有影響。包括舊圖中點要素刪除（消亡），線要素的刪除（消亡）、變短（收縮）等，對面要素也會有類似的影響。在面狀要素疊加處理時，要確保變化圖層的屬性字段與舊版現(xiàn)狀圖的屬性字段完全一致，才能做到空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的同時更新，避免數(shù)據(jù)操作出錯。

4.2 屬性信息更新模型

屬性數(shù)據(jù)變化分為幾種情況：（1）僅有屬性數(shù)據(jù)變化的情況，如某某道路改名，某建筑物用途改變等，此時的空間數(shù)據(jù)沒有變化，相應(yīng)的分類也沒有改變，此時數(shù)據(jù)更新操作就僅僅是修改屬性數(shù)據(jù)中的某一個或幾個字段值就可以了。（2）由于屬性值的變化，而使其分類改變。更新中需要在不同的圖層中聯(lián)合刪除和新建操作，即原圖層刪除（消亡模式）改地形要素，目標(biāo)圖層新增（新增模式）該要素。（3）由于其空間幾何數(shù)據(jù)變化而導(dǎo)致其表達(dá)形式發(fā)生變化，從而使得其所屬圖層改變。

更新中除了有消亡模式和新增模式，外還要考慮使用增長或收縮模式，以適應(yīng)表達(dá)形式的改變。

5 結(jié)語

基礎(chǔ)地理信息的更新主要涉及矢量數(shù)據(jù)更新，以及與之關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)的更新，在矢量數(shù)據(jù)更新中，針對不同的空間操作，如切割、差分、交集和并集，對點、線、面三種不同要素有不同的處理方法。另外，屬性數(shù)據(jù)更新和空間數(shù)據(jù)更新不是相對獨立的，他們常常互相摻雜在一起，相互影響，屬性數(shù)據(jù)更新是以空間數(shù)據(jù)更新為基礎(chǔ)的，在更新過程中要綜合考慮。

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