地理信息數(shù)據(jù)自動綜合知識規(guī)則構(gòu)建
——以房屋要素為例

尹向軍,印 潔,黃志洲，余 斌

(1.南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029; 2.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100830; 3.北京國測信息科技有限責(zé)任公司,北京 100020；4.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074)

在數(shù)字城市階段，囿于技術(shù)手段的局限性和當(dāng)前分級測繪管理現(xiàn)狀，測繪地理信息行業(yè)構(gòu)建的地圖及數(shù)據(jù)庫都是分尺度的，生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行大量的人工設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，效率低，聯(lián)動性差。隨著智慧城市建設(shè)的深入，信息化和互聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，地理信息數(shù)據(jù)在服務(wù)于城市各部門日常業(yè)務(wù)與綜合決策中，需要將其多層次的專題信息疊加在多尺度聯(lián)動更新地理信息數(shù)據(jù)上，僅在單一尺度上進(jìn)行展現(xiàn)無法滿足多種應(yīng)用的需求，更難以挖掘出深層次的關(guān)聯(lián)信息。

從自動綜合技術(shù)發(fā)展歷程來看，先后經(jīng)歷了傳統(tǒng)時代、數(shù)字化時代及信息化時代階段，自動綜合也實(shí)現(xiàn)了由最初的主觀過程到客觀傳統(tǒng)人工制圖方法，再到現(xiàn)階段在原有模型、算法和知識基礎(chǔ)上開展協(xié)同式自動制圖綜合技術(shù)的轉(zhuǎn)變，自動綜合技術(shù)水平取得了顯著提高，逐漸開始進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)施階段。本文通過對自動綜合知識規(guī)則的研究與構(gòu)建，基于南京市無級縮編平臺，開展地理信息數(shù)據(jù)多種尺度聯(lián)動更新實(shí)踐，并對成果進(jìn)行應(yīng)用和推廣，探索出一種信息化測繪技術(shù)體系中新型更新、服務(wù)模式。

1 自動綜合技術(shù)體系

知識驅(qū)動下的自動綜合技術(shù)，通過知識形式化處理將制圖專家的知識和經(jīng)驗(yàn)形成知識算子，再根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對數(shù)據(jù)各級關(guān)系進(jìn)行決策推理，形成智能化的知識庫，然后依托無級縮編平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動綜合[1]。知識庫在決策推理中，需建立包括激活數(shù)據(jù)層、要素類型、比例尺變化范圍、用戶操作消息及幾何控制指標(biāo)的綜合流程控制機(jī)制。針對不同比例尺、不同專題、不同用途的數(shù)據(jù)綜合工程任務(wù)，由機(jī)器學(xué)習(xí)、地圖綜合的圖式規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等多種途徑建立綜合知識規(guī)則庫，設(shè)定規(guī)則參量，完成綜合工作環(huán)境的建立[2]。自動綜合技術(shù)指標(biāo)將實(shí)施綜合的條件與執(zhí)行綜合的行為緊密連接，綜合條件由影響圖形尺度表達(dá)的因素決定，在綜合規(guī)則中表現(xiàn)為與幾何、拓?fù)洹⒄Z義相關(guān)的基本指標(biāo)參量，綜合操作行為表現(xiàn)為綜合算子、概括算法、參量設(shè)定等。

2 知識規(guī)則理論分析

綜合知識規(guī)則通過形式化處理一般可表達(dá)為六元組[4]，其元素包括但不限于數(shù)據(jù)處理對象的要素類別、屬性標(biāo)識、幾何算法、控制指標(biāo)、指標(biāo)的適用上限、適用下限。當(dāng)〈層代碼〉內(nèi)的目標(biāo)具有〈屬性碼〉，且其“指標(biāo)項(xiàng)”小于“上限”且大于“下限”時，執(zhí)行“綜合算子”。

2.1 指標(biāo)影響因子

自動綜合指標(biāo)描述的具體形式多種多樣，包括最小可視距離、圖面表達(dá)的圖形資格、體現(xiàn)重要性意義的主題層次、適宜整幅圖面容量表達(dá)的載負(fù)量等，但歸納起來都是與尺度和任務(wù)目標(biāo)相關(guān)的，為了適宜計(jì)算機(jī)軟件操作的條件規(guī)則，需要對這些基本參量指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，其過程受空間分辨率、語義分辨率和精度等因素影響。

2.1.1 空間分辨率

空間分辨率是地圖表達(dá)中地理目標(biāo)空間特征不同層次的劃分，包含大小、特征和關(guān)系3類。大小分辨率是數(shù)據(jù)庫所能表達(dá)的目標(biāo)面積、長度的最小單位，特征分辨率是數(shù)據(jù)庫所能表達(dá)的目標(biāo)細(xì)節(jié)特征的最小單位，兩者均可以通過設(shè)置表達(dá)的閾值決定是否予以表示。在地圖目標(biāo)圖形化簡、幾何維數(shù)變換的規(guī)則表達(dá)中往往基于空間特征分辨率。關(guān)系分辨率是目標(biāo)間拓?fù)洹⒕嚯x、方向上可表達(dá)的最小可辨析關(guān)系，小于該限值往往要通過刪除、合并、移位等操作來變換該空間關(guān)系，使其滿足分辨率要求。

2.1.2 語義分辨率

語義分辨率是數(shù)據(jù)庫中目標(biāo)主題屬性表達(dá)可劃分的最小單位，描述語義層次樹結(jié)構(gòu)中的深度級別和寬度范圍，根據(jù)專題屬性層次結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)成，又可分為3種語義分辨率。集合語義分辨率上下層結(jié)點(diǎn)間是聚合的關(guān)系，在綜合規(guī)則中表現(xiàn)為語義特征合并的層次，如電子地圖綜合中達(dá)到大類還是小類，由該分辨率產(chǎn)生的規(guī)則決定；聚合語義分辨率上下層結(jié)點(diǎn)之間是聚合的關(guān)系，在綜合規(guī)則中表現(xiàn)為聚合屬性的歸并，由該分辨率產(chǎn)生的規(guī)則決定；次序分辨率是指次序關(guān)系中結(jié)點(diǎn)的排序位置，它是地圖表達(dá)中的語義資格。

2.1.3 精 度

精度描述目標(biāo)的不確定性特征，表達(dá)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量上的可信賴程度，有定位精度、屬性精度、時間精度之分。自動綜合一方面要簡化表達(dá)，另一方面又要不損失重要信息內(nèi)容，需要從數(shù)據(jù)質(zhì)量上約束綜合行為，制定相應(yīng)的約束規(guī)則。這方面的規(guī)則往往由精度來控制，通過位置誤差、屬性誤差的形式表現(xiàn)。

2.2 知識分類

根據(jù)地圖自動綜合的算子及地圖無級縮編平臺框架，將地圖自動綜合知識分為：

(1) 由比例尺或精度的變化所帶來的有關(guān)地圖綜合的外在條件方面的知識，受圖形、比例尺及精度等條件等限制。

(2) 要素內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)知識和語法、語義知識，要素群內(nèi)要素間空間關(guān)系及其語法、語義知識等有關(guān)地圖要素本身的知識。

(3) 地圖綜合算子適用場景使用范圍和地圖綜合算子使用順序方面有關(guān)地圖綜合算子應(yīng)用知識。

(4) 地圖綜合算子所產(chǎn)生的局部和總體效果是否符合制圖規(guī)范等方面有關(guān)地圖綜合結(jié)果評價方面知識。

2.3 綜合算法

綜合問題的算法化是實(shí)現(xiàn)自動地圖綜合的一條重要途徑。算子不是算法，它是一個問題或問題解決方案，在自動綜合操作系統(tǒng)表現(xiàn)為一類操作。從自動綜合是一個工程性問題的角度看，綜合算子應(yīng)當(dāng)是整個工程系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，各個算子相對獨(dú)立又緊密聯(lián)系。而對于每個算子來說，可以有多種綜合算法，這些算法就是進(jìn)行綜合變換的工具，因而必須是精確的、清晰的、可以被計(jì)算機(jī)執(zhí)行的。南京市無級縮編平臺綜合算法總結(jié)包括界面化交互處理與新增優(yōu)化算法(如圖1所示)，其中界面化交互處理的算法包括預(yù)檢、合并、選取、化簡、概括、專題、輔助及關(guān)系處理功能集合，基于底層綜合算法，考慮要素級、層級間的空間關(guān)系，覆蓋到全要素全過程，分別構(gòu)建綜合知識庫，然后在知識引擎的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)一鍵自動綜合。

3 知識庫構(gòu)建

3.1 標(biāo)準(zhǔn)分析

基于現(xiàn)有國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)情況、需求及自動綜合技術(shù)能力，重點(diǎn)突破傳統(tǒng)人工知識經(jīng)驗(yàn)積累向計(jì)算機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)換的知識梳理，建立多種尺度之間在要素分類、數(shù)據(jù)模型與制圖表達(dá)等方圖面的關(guān)聯(lián)、制約與轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖2所示。

圖1 綜合算法分類

圖2 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)分析

3.2 技術(shù)指標(biāo)制定

以南京市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)房屋要素1∶500到1∶10 000自動綜合技術(shù)指標(biāo)和知識庫研究為例，首先根據(jù)《南京市1∶500、1∶2000、1∶10 000基礎(chǔ)地理信息要素規(guī)范》和《國家基本比例尺地圖圖式第2部分：1∶5000 1∶10 000地形圖圖式》規(guī)定，按照規(guī)范要求，需要將1∶500建成一般房屋(面)、廊房(面)、建筑中房屋(面)及架空房(面)等4類要素合并成街區(qū)要素，通過對比分析、指標(biāo)計(jì)算及推算驗(yàn)證，形成1∶10 000房屋地理信息要自動綜合參數(shù)指標(biāo)見表1。

3.3 知識庫構(gòu)建

按照表1中房屋要素自動綜合技術(shù)指標(biāo)，基于無級縮編平臺綜合算法，構(gòu)建房屋要素綜合知識庫，主要房屋要素知識庫構(gòu)建流程節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

(1) 將建成一般房屋(面)、廊房(面)、建筑中房屋(面)及架空房(面)進(jìn)行合并形成街區(qū)數(shù)據(jù)。經(jīng)過合并算法的自動綜合數(shù)據(jù)有可能會出現(xiàn)多面、相交等現(xiàn)象，此時需要繼續(xù)進(jìn)行多轉(zhuǎn)單、幾何數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、多邊形自相交標(biāo)準(zhǔn)化的處理，其主要目的就是為了對合并數(shù)據(jù)后續(xù)綜合操作進(jìn)行有序、規(guī)范處理。

表1 自動綜合技術(shù)指標(biāo)

(2) 將標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理的數(shù)據(jù)顧及水系與道路進(jìn)行實(shí)地緩沖，距離在1.5 m內(nèi)的緩沖合并，并移除實(shí)地面積為800 m2的島數(shù)據(jù)，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理后且消除實(shí)際距離閾值1 m的凹凸細(xì)節(jié)，并再次移除實(shí)地面積閾值小于850 m2的島。

(3) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理，然后與水系、道路的線要素進(jìn)行實(shí)際緩沖距離為1.5 m的空間關(guān)系處理，使得水系線數(shù)據(jù)、道路線數(shù)據(jù)穿越街區(qū)。

(4) 選取實(shí)際面積閾值小于70 m2的街區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，形成建成一般房屋線數(shù)據(jù)。再根據(jù)實(shí)際長度閾值進(jìn)行劃分，小于40 m的轉(zhuǎn)成建成一般房屋點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)際長度閾值大于40 m的形成建成一般房屋線數(shù)據(jù)。然后選取實(shí)際面積閾值在70～900 m2的作為建成一般房屋面數(shù)據(jù)，最后選取實(shí)際面積閾值大于900 m2為街區(qū)面數(shù)據(jù)。

(5) 將與街區(qū)數(shù)據(jù)疊加的部分點(diǎn)數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并擦除。

4 數(shù)據(jù)試驗(yàn)

基于上述研究方法，以南京市江南六區(qū)區(qū)780 m21∶500、1∶1000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時構(gòu)建了房屋、道路、水系、植被、地貌等全要素的知識庫，并進(jìn)行了地形圖多種尺度的聯(lián)動更新試驗(yàn)，從自動綜合效果來看(如圖4所示)，由于城市大比例尺地形圖全要素綜合涉及復(fù)雜符號的表達(dá)及原始數(shù)據(jù)要素解讀能力，自動綜合相對人工綜合結(jié)果還需對自動綜合技術(shù)指標(biāo)、算法及權(quán)重粒度進(jìn)一步細(xì)化。此外，通過無級縮編平臺，同時進(jìn)行了電子地圖和地理國情普查數(shù)據(jù)知識規(guī)則的構(gòu)建和試驗(yàn)，由于這兩類數(shù)據(jù)包含要素內(nèi)容、幾何類型、邏輯關(guān)系相對地形圖較為簡單，自動化程度較高，其中電子地圖實(shí)現(xiàn)了從市、省、國家11種尺度聯(lián)動更新全覆蓋，地理國情普查數(shù)據(jù)中圖斑要素自動綜合變化差異率在10%以內(nèi)，成果比較客觀和真實(shí)，可進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。

圖3 房屋要素知識庫構(gòu)建流程

圖4 地形圖聯(lián)動更新實(shí)例

5 結(jié) 語

本文以房屋地理要素自動綜合知識規(guī)則的研究與構(gòu)建為例，開展了地形圖、電子地圖及地理國情普查圖等多元地理信息數(shù)據(jù)的自動綜合試驗(yàn)和應(yīng)用，為地理信息公共服務(wù)、“多規(guī)合一”及智慧城市大數(shù)據(jù)中心等建設(shè)提供了一源數(shù)據(jù)的多尺度聯(lián)動更新成果，拓展了測繪保障服務(wù)的深度與廣度，推動了測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式的變革，成果對后續(xù)地理信息數(shù)據(jù)自動綜合知識規(guī)則向行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化具有積極推動作用。