基于規則及工作流的空間數據質量檢查

陳建偉，陳繼山

（1.蘇州盛景信息科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州市規劃編制信息中心，江蘇 蘇州 215006）

空間數據的質量是多種因素共同影響的結果，高質量的空間數據是地理信息系統成功應用的基礎之一。隨著地理信息系統應用的日益廣泛，如何保障空間數據質量也愈受重視?？臻g數據加工的多元性導致數據質量參差不齊，新技術的不斷發展也使得空間數據的規模不斷擴大。采用傳統的人機結合或集中式數據檢查已不能滿足時代發展的需要，基于數據規則的檢查正逢其時。

如何集成空間數據的質量檢查規則并將其動態集成至現有的GIS 服務中，完成用戶特定的任務目標成為研究的熱點。OGC 和ISO/TC211 提出了服務鏈的基本概念，其中的流程管理鏈就是利用工作流技術進行GIS 服務聚合操作。空間數據質量檢查中使用工作流技術，具有實時性、高效性，提升空間數據的服務品質，提高數據檢查的速度和可及性，使得傳統集中匯總式的業務流程向分布式并行處理方式的改變成為可能。

1 空間數據質量檢查規則

空間數據的質量檢查就是依據數據標準，采用一定的方法，直接或間接地對數據做出評價?？臻g數據質量檢查可采用“規則-檢查項-方案-質量檢查-評價”的體系結構（如圖1）。提煉規則是工作的第一步。規則是空間數據的內在聯系及準則，是質量檢查的依據，檢查項則是規則的具體實現。檢查方案是多個檢查項的集合，體現了用戶對空間數據的要求。用戶選擇方案對空間數據進行質量檢查并做出評價。

1.1 規則的表示

傳統的空間數據的質量檢查側重于幾何表達。但實際應用中，要素幾何特性與要素間的邏輯聯系是并重的，甚至要素間的邏輯聯系超越了幾何特性。比如，控制性詳細規劃指標應符合總體規劃，土地利用規劃紅線不能交叉，高架鐵路與地面道路只能虛相交而不能實相交等。從提交成果方面而言，地理信息數據一般以圖形、屬性文件、關聯文檔等來表達。于是，空間數據質量檢查規則由可以分成幾何規則和屬性規則，前者表現為空間拓撲，后者為屬性合法性驗證。通過規則解析，將空間數據幾何規則與屬性規則的組合起來，解析為可執行的空間數據規則。空間數據質量檢查可使用產生式規則。產生式規則的基本形式為：

P 是產生式（即規則）的前提，也稱為前件，它給出產生式可否使用的先決條件，由邏輯組合來構成。Q 是結論或操作，也稱為產生式的后件，它指出當P滿足時，應該推出的結論或執行的動作。

例如，對土地利用規劃紅線，相互間檢查規則如下：

IF Geometry1 intersect Geometry2 THEN OUTPUT_Geo

產生式系統中滿足前提條件的規則被激活后，不一定被立即執行，能否執行將取決于沖突消解策略。在土地利用規劃紅線質量檢查中，如果沒有過濾到相交的紅線，交操作檢查要素輸出將被停止。

圖1 空間數據質量檢查邏輯圖

1.2 檢查規則的制定

從內容方面看，空間數據包括空間位置、屬性特征、時域特征及元數據。從生產方面看，空間數據的生產具有影響因素多、因素模糊性強和一定的主觀性的特點。制定完善的規則是質量檢查的關鍵。空間數據的錯誤一般可分為幾何錯誤、語法錯誤、語義錯誤和邏輯錯誤。

空間要素的幾何錯誤包括打拆線錯誤、線或面自相交、面裂隙、微小面、微短線等，這類錯誤常根據要素的坐標點串間的關系進行計算判斷。空間要素的語法錯誤是一類比較明顯的錯誤。比如，建筑的層高、地塊的容積率、地下管線的埋設年代等總是有一定的范圍，要素類的編碼長度總是固定值。而空間要素的語義錯誤則比較難發現，此類錯誤與要素填寫的屬性值與空間屬性是關聯的。比如，管線連接的附屬物為三通時，其連接的管段不可能超過三條。對邏輯錯誤的判斷，則需要知識和經驗的歸納。比如，在同一個空間范圍，不能同時存在2 幢不同的建筑，給水管線不可能與污水管線相連通等。為此，質量檢查規則可以按以下幾類進行劃分：

1）引用完整性規則。定義要素屬性值與外部引用表關鍵字之間的關系，它不允許屬性值引用不存在的關鍵值。

2）數值規則。它包含兩部分：一部分是與要素的空間位置相關聯。比如地籍數據中的地下室標高應該為負值。一部分是填寫規范。比如屬性值的字符長度、空值的填寫方式等。

3）審核規則。要素間以及不同要素間在空間分布（相連、包含、相鄰、相交等）是有一定規則的。比如對地下管線，已存在或設計的管線需要進行最小水平間距、最小垂直間距、最小覆土深度等分析，審核是否符合國家管線設計標準。

4）復合規則。當多類空間數據進行整體檢查時，需要檢查多個要素類之間的關系，常使用復合規則。比如檢查修建性詳規紅線數據，首先要檢查是否滿足總規各項指標；其次要檢查專項規劃數據，其是否與專項規劃不相符合；再次要檢查管線數據，檢查其是否與國家或省級管線線位有沖突；最后還要檢查紅線與綠線、紫線、灰線的關系是否滿足要求，復合規則常是多種規則的結合。

2 空間數據檢查工作流

工作流技術可以實現業務過程建模、業務過程優化及過程管理與集成，從而實現業務過程的自動化。與普通數據的檢查相比，空間數據檢查具有計算密集和數據密集的特點。數據越多元，規則越多，流程會越復雜。數據質量檢查中的任何異常和錯誤都可以造成服務流程的失敗，從而造成計算的中斷和資源的浪費。

2.1 工作流模型

傳統空間數據質量檢查一般會采用集中式處理系統（如圖2），一個任務失敗常會導致整個檢查方案的失敗，甚至會危及系統的正常運行。整體而言，空間數據的質量檢查策略相對穩定，因此基于工作流的空間數據檢查采用分布式體系，可以將任務分散化。各個任務對應于不同的規則實現不同的目標，并通過過程定義進行固定。過程定義完成后即可發布出來，實現檢查規則的實例化。最后用戶確定順序，形成一條按次序可執行的服務鏈并提供使用。由于各任務是獨立的，單個任務發生異常并不會影響另一任務的執行，從而保證一次檢查均能將所有任務按順序執行一次，系統的容錯和穩定性得到很大的提高。

空間數據具有多元性，目前廣泛應用的空間數據格式有DWG、Shape、ArcSDE、Oracle Spatial、SDB等，使用工作流技術，可以將應用邏輯和過程邏輯相分離，解決不同數據格式互操作的問題，實現驗證加載數據與數據分析的互不干擾。

圖2 檢查規則及服務實現圖

2.2 質量檢查工作流的實現

工作流的優勢是對流程的控制，工作流本身不能操作空間數據。質量檢查是以數據為中心的數據密集型應用，檢查邏輯直接決定了工作流的形式（如圖3）。空間數據質量檢查中使用工作流，主要側重于不同格式數據的讀取、數據分發、數據存儲、版本管理等方面，以解決傳統的集中式處理帶來的性能瓶頸和復雜性，其中的過程模型是核心。

考慮到空間數據的特點，可將復雜的質量檢查分成多個簡單的事務，各個事務相互獨立，按流水線的方式執行，只有上一事務完成后才開始執行下一事務。

圖3 一個簡單流程處理圖

2.3 微工作流的應用

要提高空間數據質量檢查系統的穩定性，首先要做好業務邏輯與應用邏輯的分離，發揮單個檢查事務松耦合特性，單個事務即可視為一個獨立的微工作流（如圖4）。微工作流是一種輕量級的工作流，數據質量檢查中使用微工作流，可以高效代替或替換現在模塊，實現即插即用。

由于空間數據檢查的多樣性，使用微工作流可以很好地實現檢查項的獨立，增加服務的可及性及復用性，大幅降低系統的復雜度。

圖4 工作流與微工作流

3 應用實例

地下管線數據是城市基礎地理信息數據的重要組成部分，在蘇州市地下管線數據質量檢查中應用了基于規則及工作流的檢查方法。蘇州市地下管線數據分成兩種形式：mdb 格式和dwg 格式。mdb 格式對應管線的屬性數據，dwg 格式是管線的圖形數據，均為1∶500 的分幅數據，且圖形數據與屬性數據一一對應。接管理要求，地下管線數據按月提交。對提交的數據，第三方需要及時進行質量檢查，檢查結果返回給探測單位。檢查合格后的數據更新至SDE 管線數據庫。據此將地下管線質量檢查規則分成22 個檢查子項，如表1 所示。

表1 地下管線檢查項子項

檢查子項確定后，將其發布成REST 服務，用戶自行選擇發布的服務組合形成方案供調用。具體使用過程如圖5 所示。

1）用戶通過瀏覽器完成地下管線數據（DWG 圖形數據、MDB 屬性數據）上傳。

2）用戶選擇發布的檢查服務，確定流程，形成聚合方案。

3）待檢數據空間化，并連接已有數據庫。

4）根據確定的方案進行數據質量檢查。檢查結果以DWG 圖、Access 報表、Excel 統計表形式反饋給探測單位。

整個過程使用的服務有數據上傳下載服務、檢查規則服務、任務調度服務等。

圖5 服務聚合方案

4 結 語

從使用方面看，基于規則及工作流的空間數據質量檢查賦予用戶自助服務的權利。從軟件角度看，簡化了代碼維護，用戶只需更新或增加相應的服務即可實現功能的變化，提高了系統的應變能力。工作流的應用使用戶的操作流程一目了然。自2015 年以來，蘇州市地形圖、地下管線、規劃圖等的質量檢查均采用以上方法，取得了很好的效果，產生了良好的經濟效益和社會效益。