地理信息圖庫(kù)一體更新方法

周校東，孟妮娜，謝 鵬，何列松

(1. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054； 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

地理信息智能化服務(wù)的新時(shí)代即將到來(lái)[1-2]，人們對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性與內(nèi)容的豐富性提出了更高的要求[3]，地理信息的現(xiàn)勢(shì)性一直是關(guān)注的熱點(diǎn)。

近年來(lái)，基于數(shù)字景觀模型(DLM)的DLG數(shù)據(jù)更新方面已取得了豐富的研究成果，主要集中在地理目標(biāo)匹配、變化發(fā)現(xiàn)、尺度變換、沖突處理、增量建模和更新發(fā)布等方面。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于目標(biāo)差、被差和交的目標(biāo)快照差三元組，為時(shí)空目標(biāo)差異部分的分類(lèi)描述提供了形式化方法；文獻(xiàn)[5]研究了增量更新過(guò)程中目標(biāo)間的空間沖突檢測(cè)與處理方法，提出了一種自適應(yīng)的對(duì)象接邊算法；文獻(xiàn)[6]提出的最優(yōu)組合匹配法解決了非一對(duì)一的要素匹配問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]以多邊形疊置運(yùn)算為基礎(chǔ)提出了一種跨比例尺新舊居民地?cái)?shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)與更新方法；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種包含變化對(duì)象的空間位置和類(lèi)型信息的地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新方法；文獻(xiàn)[9]提出了一種能夠適應(yīng)不同比例尺下道路網(wǎng)絡(luò)的Stroke部分匹配算法。

DLG數(shù)據(jù)更新后其對(duì)應(yīng)地圖的更新目前存在兩種方式：一是基于更新后的DLG數(shù)據(jù)再次全圖符號(hào)化、制圖編輯，完成地圖制作；二是基于地理數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的地圖制圖模式實(shí)現(xiàn)地圖的增量更新。前者顯然存在大量的重復(fù)工作，不是最佳選擇。人們希望制圖過(guò)程既不脫離地理數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，又能制作出達(dá)到地圖規(guī)范的地圖產(chǎn)品。文獻(xiàn)[10]研究了地圖制圖與空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)一體化的理論和核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的圖庫(kù)一體；文獻(xiàn)[11—12]研究了地圖與DLG數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化生產(chǎn)與管理方法，提出了圖庫(kù)一體化產(chǎn)品——Digital Line Graphs and Map；文獻(xiàn)[13]研究了以地理數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的地圖增量更新機(jī)制，從基態(tài)繼承、增量數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展、圖形(注記)輸出控制、地理處理工具、增量表達(dá)分類(lèi)預(yù)處理、圖形沖突檢測(cè)與處理等6個(gè)方面進(jìn)行了探討,并給出了基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn)途徑；文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種基于單個(gè)地理要素的制圖表達(dá)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了制圖信息的增量更新方法。

筆者認(rèn)為，地圖更新必須與DLG數(shù)據(jù)更新相結(jié)合，與當(dāng)前地理數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的地圖制圖模式相一致，這種方式是地圖數(shù)據(jù)增量更新的根本途徑。

1 圖庫(kù)一體更新方法

1.1 基于地理實(shí)體的圖庫(kù)一體模型

基于地理實(shí)體的圖庫(kù)一體模型既存儲(chǔ)了DLG數(shù)據(jù)，又存儲(chǔ)了地圖表達(dá)數(shù)據(jù)，如圖1所示。DLG數(shù)據(jù)包括空間信息及屬性信息，主要用于GIS空間分析；地圖表達(dá)數(shù)據(jù)包括符合制圖規(guī)范和人類(lèi)視覺(jué)要求的地圖表達(dá)信息，主要用于地理信息的表達(dá)。

圖1 基于地理實(shí)體的圖庫(kù)一體模型

地理實(shí)體表達(dá)具有地理意義的地理空間物體，地理實(shí)體數(shù)據(jù)由幾何信息、屬性信息和地圖表達(dá)信息3部分組成，具有確定的位置和形狀特征、規(guī)定的屬性項(xiàng)及屬性值、滿足制圖規(guī)范的符號(hào)圖形。地理實(shí)體數(shù)據(jù)中，幾何信息和屬性信息的集合構(gòu)成DLG數(shù)據(jù)，地圖表達(dá)信息的集合構(gòu)成完整的地圖。地理實(shí)體分為基本實(shí)體和組合實(shí)體兩類(lèi)，基本實(shí)體是最小的地理實(shí)體單位，組合實(shí)體是由多個(gè)基本實(shí)體或其他組合實(shí)體通過(guò)集合、聚合、從屬等方式構(gòu)造而成的復(fù)雜實(shí)體。當(dāng)?shù)乩韺?shí)體的幾何信息或?qū)傩孕畔⒏聲r(shí)，不必重新進(jìn)行地圖符號(hào)化和編輯處理已經(jīng)調(diào)整好的符號(hào)關(guān)系，只需更新發(fā)生變化的地理實(shí)體的符號(hào)即可。

地理信息以地理實(shí)體為單位按矢量圖層進(jìn)行數(shù)據(jù)組織并存儲(chǔ)到地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，基于地理實(shí)體的圖庫(kù)一體數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模型如圖2所示。

矢量圖層是相同類(lèi)別地理實(shí)體的集合，每個(gè)矢量圖層都有一個(gè)唯一的圖層識(shí)別號(hào)(global layer ID，GLID)，同一矢量圖層中的地理實(shí)體版本可不相同，但具有相同的比例尺。矢量圖層包含空間參考關(guān)系信息、屬性字段信息、圖層元數(shù)據(jù)信息和圖層版本信息。地理實(shí)體包含幾何信息、屬性信息、圖形信息和版本信息。增量更新包含地理實(shí)體版本號(hào)、地理實(shí)體GFID、更新類(lèi)型等信息。每一次增量更新操作，將生成一個(gè)新的版本號(hào)，更新類(lèi)型為新增、刪除和修改3種。

圖2 基于地理實(shí)體的圖庫(kù)一體數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模型

1.2 圖庫(kù)一體聯(lián)動(dòng)更新過(guò)程

圖庫(kù)一體聯(lián)動(dòng)更新過(guò)程如圖3所示，具體步驟如下：

圖3 圖庫(kù)一體聯(lián)動(dòng)更新過(guò)程

1.2.1 數(shù)據(jù)集成處理

地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新數(shù)據(jù)來(lái)源很多，如現(xiàn)勢(shì)性矢量數(shù)據(jù)、OpenStreetMap數(shù)據(jù)、GPS道路修測(cè)數(shù)據(jù)、野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其他行業(yè)部門(mén)數(shù)據(jù)等。利用數(shù)據(jù)集成處理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種來(lái)源更新數(shù)據(jù)源進(jìn)行坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系等的檢查與修正處理，得到標(biāo)準(zhǔn)更新數(shù)據(jù)。

1.2.2 變化發(fā)現(xiàn)與變化信息提取

針對(duì)道路、居民地、水系等典型地理要素，根據(jù)變化信息類(lèi)型選擇相應(yīng)的檢測(cè)提取方法，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)匹配算法提取變化信息。利用變化發(fā)現(xiàn)與變化信息提取自動(dòng)或交互方式獲取地理實(shí)體幾何和屬性變化信息。

1.2.3 空間沖突檢測(cè)與協(xié)調(diào)處理

地理實(shí)體幾何和屬性數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，從要素層次、屬性定義、屬性結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系和上下文聯(lián)系等方面進(jìn)行正確性、精度、邏輯一致性和完整性檢查處理。利用空間沖突檢測(cè)與協(xié)調(diào)處理自動(dòng)或交互方式獲取空間上下文影響的地理實(shí)體空間變化信息，從而得到以地理實(shí)體為單位組織的幾何和屬性增量信息，利用該增量信息可實(shí)現(xiàn)DLG數(shù)據(jù)的增量更新。

1.2.4 地理實(shí)體地圖表達(dá)信息更新

利用地理實(shí)體的幾何和屬性增量信息，聯(lián)動(dòng)更新地理實(shí)體地圖表達(dá)信息，從而得到地理實(shí)體的幾何、屬性和地圖表達(dá)增量信息，如圖4所示，主要包括以下4個(gè)方面：

(1) 地理實(shí)體增加后，自動(dòng)生成地理實(shí)體符號(hào)圖形，依據(jù)制圖規(guī)范自動(dòng)或交互方式協(xié)調(diào)處理該地理實(shí)體及與其上下文相關(guān)的地理實(shí)體的符號(hào)圖形，更新符號(hào)圖形發(fā)生變化的地理實(shí)體地圖表達(dá)信息，如圖4(a)、(b)、(c)所示。

圖4 地理實(shí)體地圖表達(dá)信息聯(lián)動(dòng)更新

(2) 地理實(shí)體刪除后，由于該地理實(shí)體符號(hào)圖形刪除后勢(shì)必引起其上下文相關(guān)的地理實(shí)體的符號(hào)圖形的變化，依據(jù)制圖規(guī)范自動(dòng)或交互方式協(xié)調(diào)處理這些上下文相關(guān)的地理實(shí)體的符號(hào)圖形，并更新符號(hào)圖形發(fā)生變化的地理實(shí)體地圖表達(dá)信息，如圖4(d)、(e)所示。

(3) 地理實(shí)體空間位置變化后，通常情況自動(dòng)更新地理實(shí)體符號(hào)圖形，依據(jù)制圖規(guī)范自動(dòng)或交互方式協(xié)調(diào)處理該地理實(shí)體及與其上下文相關(guān)的地理實(shí)體的符號(hào)圖形，更新符號(hào)圖形發(fā)生變化的地理實(shí)體地圖表達(dá)信息；若地理實(shí)體空間位置變化不大，依據(jù)制圖規(guī)范不需調(diào)整符號(hào)圖形位置時(shí)，地理實(shí)體地圖表達(dá)信息不變，如圖4(f)、(g)所示。

(4) 地理實(shí)體屬性值變化后，若屬性值作為注記內(nèi)容，自動(dòng)更新注記符號(hào)，依據(jù)制圖規(guī)范自動(dòng)或交互方式調(diào)整注記符號(hào)位置，并更新地理實(shí)體地圖表達(dá)信息，如圖4(h)、(i)所示；若屬性值作為符號(hào)參數(shù)，自動(dòng)更新符號(hào)圖形，依據(jù)制圖規(guī)范自動(dòng)或交互方式協(xié)調(diào)處理該地理實(shí)體及與其上下文相關(guān)的地理實(shí)體的符號(hào)圖形，更新符號(hào)圖形發(fā)生變化的地理實(shí)體地圖表達(dá)信息。

1.2.5 地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新

有效的數(shù)據(jù)更新機(jī)制是地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)勢(shì)性的根本保證，建立多版本機(jī)制，在跨越一定版本之間設(shè)置一個(gè)基態(tài)，基態(tài)存儲(chǔ)全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算該基態(tài)與上一基態(tài)間的數(shù)據(jù)差(稱為基態(tài)距)，如圖5所示。利用地理實(shí)體的幾何、屬性和地圖表達(dá)增量信息，以批處理方式自動(dòng)更新地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 多版本機(jī)制

2 試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證本文方法，課題組基于ArcGIS平臺(tái)，利用Microsoft Visual Studio 2010和ArcObjects .NET SDK，采用Visual C#語(yǔ)言搭建了地理信息圖庫(kù)一體更新試驗(yàn)原型系統(tǒng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為江蘇省某城區(qū)1∶10 000地形圖數(shù)據(jù)，采用Geodatabase關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)一體化存儲(chǔ)地理實(shí)體的幾何信息、屬性信息和地圖表達(dá)信息。本文首先利用1∶10 000現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的局部實(shí)地修測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)集成處理、變化發(fā)現(xiàn)與變化信息提取、空間沖突檢測(cè)與協(xié)調(diào)處理等過(guò)程，提取并得到地理實(shí)體的幾何與屬性增量信息；然后基于地理實(shí)體的幾何與屬性增量信息，經(jīng)過(guò)圖形符號(hào)更新、沖突處理等過(guò)程，得到更新后地理實(shí)體的地圖表達(dá)增量信息。

圖6顯示了1∶10 000局部區(qū)域地理信息圖庫(kù)一體更新的中間數(shù)據(jù)與最終結(jié)果，其中：圖6(a)為更新前1∶10 000舊DLG數(shù)據(jù)；圖6(b)為更新前1∶10 000舊地圖；圖6(c)為利用現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的實(shí)地修測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并提取的地理實(shí)體的幾何與屬性增量信息；圖6(d)為增量信息融合更新后1∶10 000新DLG數(shù)據(jù)；圖6(e)為地理實(shí)體的幾何與屬性增量對(duì)應(yīng)的符號(hào)圖形變化信息；圖6(f)為基于幾何和屬性增量信息對(duì)地理實(shí)體符號(hào)圖形進(jìn)行更新后的1∶10 000新地圖。

如圖6(e)、(f)所示，直接利用地理實(shí)體的幾何和屬性增量信息更新地理實(shí)體的符號(hào)圖形，并通過(guò)自動(dòng)或人工交互方式對(duì)更新后的符號(hào)圖形進(jìn)行局部關(guān)系調(diào)整，可得到滿足地圖出版要求的新地圖，極大提高了地圖更新工作效率。

圖6 地理信息圖庫(kù)一體更新試驗(yàn)數(shù)據(jù)更新結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

采用地理信息圖庫(kù)一體更新方法，當(dāng)DLG數(shù)據(jù)更新時(shí)，基于地理實(shí)體的幾何和屬性增量信息，通過(guò)局部刪除、新增或修改符號(hào)圖形，實(shí)現(xiàn)了變化地理實(shí)體的地圖表達(dá)信息更新，避免了重新全圖符號(hào)化、重新調(diào)整已調(diào)整好的符號(hào)關(guān)系，有效解決了DLG數(shù)據(jù)和地圖的聯(lián)動(dòng)更新難題。原型系統(tǒng)試驗(yàn)表明了地理實(shí)體幾何和屬性信息發(fā)生變化后，只需對(duì)涉及變化的地理實(shí)體的符號(hào)圖形進(jìn)行更新并協(xié)調(diào)處理，便可實(shí)現(xiàn)地圖的聯(lián)動(dòng)更新，確保了DLG數(shù)據(jù)與地圖的一致性，極大地提高了地圖更新的效率。下一步工作主要研究地理實(shí)體符號(hào)圖形新建和刪除后的圖形關(guān)系自動(dòng)探測(cè)與協(xié)調(diào)處理，為實(shí)現(xiàn)地圖一鍵聯(lián)動(dòng)更新奠定基礎(chǔ)。