面向地理實(shí)體的廣州市“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

毛海亞，何正國(guó)，程國(guó)榮，黃 鐸

（1. 廣州市規(guī)劃和自然資源自動(dòng)化中心，廣東 廣州 510030；2. 廣州邦城信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510640；3. 華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510641；4.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641）

“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)在城市細(xì)微空間粒度的地理實(shí)體，特別是個(gè)體人口的表達(dá)方面，是對(duì)傳統(tǒng)意義上城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一次創(chuàng)新，也是推動(dòng)城市精細(xì)化管理的重要基礎(chǔ)。本文從“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)應(yīng)用需求出發(fā)，著重分析了面向地理實(shí)體的“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、地理實(shí)體空間化、多尺度實(shí)體數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新等方面的內(nèi)容。基于制定“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)處理方法及規(guī)則，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)中的對(duì)象關(guān)系，設(shè)計(jì)“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，形成以地理實(shí)體為核心的多粒度數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一步“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用提供了規(guī)則與范例[1-3]。

1 需求分析

建設(shè)面向地理實(shí)體的“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)的前提，是基于具有獨(dú)立編碼的人、房等地理實(shí)體單元，構(gòu)建實(shí)體單元之間的規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，建立地理實(shí)體單元的數(shù)據(jù)質(zhì)量及清洗標(biāo)準(zhǔn)，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的多尺度建庫(kù)與“實(shí)有”數(shù)據(jù)更新規(guī)則。以此，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，人、房多實(shí)體關(guān)聯(lián)、多粒度數(shù)據(jù)集成以及定期更新的地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

由于地理實(shí)體單元的最小粒度劃分，其數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)精度控制在計(jì)算和成本上都有著較大的難度[4]。在廣州市“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，市域?qū)用嫣貏e是“實(shí)有人口”數(shù)據(jù)量巨大，且采集與處理過(guò)程中存在標(biāo)準(zhǔn)不一，數(shù)據(jù)錄入缺乏審核等導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問(wèn)題。同時(shí)，由于“實(shí)有人口”基于個(gè)體居民的數(shù)據(jù)采集，有別于傳統(tǒng)人口數(shù)據(jù)采集中以行政單元的人口統(tǒng)計(jì)為數(shù)據(jù)采集單元，其數(shù)據(jù)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化成為“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)采集與處理中需要首先解決的問(wèn)題。依據(jù)“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估所存在的問(wèn)題，主要從數(shù)據(jù)完整性、一致性、準(zhǔn)確性等方面構(gòu)建“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)地理實(shí)體單元的清洗標(biāo)準(zhǔn)，以提高“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)的可用性，如圖1 所示。

圖1 “實(shí)有”人房數(shù)據(jù)清洗標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

1.2 地理實(shí)體空間化

地理實(shí)體是能夠進(jìn)行編碼且有關(guān)聯(lián)位置和屬性信息的獨(dú)立實(shí)體[3]，其中獨(dú)立的編碼是“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)作為地理實(shí)體的前提，同時(shí)統(tǒng)一的實(shí)體編碼能夠作為“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)之間連接的橋梁。地理實(shí)體是由其幾何形態(tài)、語(yǔ)義特征和屬性信息加以描述的[1]，在“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)地理實(shí)體的構(gòu)建中對(duì)地理實(shí)體的描述（包括空間位置、幾何形態(tài)、屬性特征、要素關(guān)系及時(shí)態(tài)特征），從不同的角度來(lái)強(qiáng)化對(duì)地理實(shí)體的描述，如圖2 所示。

圖2 以人口實(shí)體單元為中心的數(shù)據(jù)處理與空間化

“實(shí)有”人房原始數(shù)據(jù)表達(dá)了每個(gè)地理實(shí)體單元的獨(dú)立編碼以及對(duì)應(yīng)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)屬性信息。基于這一關(guān)聯(lián)表構(gòu)建關(guān)系鏈與空間映射，“實(shí)有人口”通過(guò)“實(shí)有房屋”空間化來(lái)獲取空間屬性。其中“實(shí)有房屋”包括“實(shí)有房屋棟”和“實(shí)有房屋套”兩部分。“實(shí)有房屋”空間化的過(guò)程，是以地名地址引擎作為空間信息與其他非空間信息的橋梁[5]，首先將“實(shí)有房屋棟”的空間地址通過(guò)地名地址引擎產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)地址代碼，然后“實(shí)有房屋棟”通過(guò)地址代碼關(guān)聯(lián)到標(biāo)準(zhǔn)門(mén)牌地址庫(kù)獲取空間屬性，“實(shí)有房屋套”通過(guò)房屋棟和房屋套間的從屬關(guān)系間接獲取空間屬性，實(shí)現(xiàn)“實(shí)有房屋”的空間化并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“實(shí)有人口”的空間化。

1.3 多尺度實(shí)體數(shù)據(jù)管理

“傳統(tǒng)”測(cè)繪向“新型”測(cè)繪轉(zhuǎn)變的核心特征之一，是以地物類(lèi)型化到地理實(shí)體獨(dú)立化的轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程中需要處理海量數(shù)據(jù)的屬性表達(dá)與獨(dú)立實(shí)體可視化這一挑戰(zhàn)[6]。應(yīng)用實(shí)踐中，單一空間粒度與比例尺的地理實(shí)體表達(dá)不能滿(mǎn)足地理實(shí)體表達(dá)模式的需求，需要構(gòu)建多粒度的時(shí)空實(shí)體[7]。“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)中，特別是“實(shí)有人口”數(shù)據(jù)在廣州市數(shù)據(jù)量巨大，難以單一尺度處理，需要建立人口數(shù)據(jù)的多尺度的空間數(shù)據(jù)模型。

多尺度實(shí)體數(shù)據(jù)創(chuàng)建及管理是在“實(shí)有人口”實(shí)現(xiàn)空間化的基礎(chǔ)上開(kāi)展，首先聚合特定空間單元中的原始人口點(diǎn)數(shù)據(jù)作為聚合點(diǎn)的屬性信息（包括各性別人數(shù)、各人口類(lèi)型人數(shù)、各年齡階段人數(shù)、勞動(dòng)人口、育齡婦女人口等），實(shí)現(xiàn)原始尺度基礎(chǔ)上下一尺度的空間變換與屬性聚合。在新的尺度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以該尺度人口聚合點(diǎn)重新劃分規(guī)則格網(wǎng)生成更小比例尺聚合點(diǎn)圖層，以此規(guī)則在新的聚合點(diǎn)圖層中重復(fù)以上過(guò)程，生成從大到小比例尺下對(duì)應(yīng)的聚合點(diǎn)圖層，如圖3所示。

圖3 多尺度實(shí)體人口數(shù)據(jù)生成

形成不同尺度人口聚合點(diǎn)圖層是求解聚合點(diǎn)空間位置及屬性信息的過(guò)程，在每個(gè)格網(wǎng)單元中，聚合點(diǎn)的空間坐標(biāo)采用加權(quán)平均數(shù)的方式，權(quán)重為該點(diǎn)人口總數(shù)，聚合點(diǎn)的屬性字段為格網(wǎng)單元中所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)字段之和，計(jì)算公式如下:

式（1）、（2）中，X、Y表示聚合點(diǎn)的坐標(biāo)；xn、yn為一個(gè)抽稀單元中第n個(gè)點(diǎn)的原始點(diǎn)坐標(biāo)；mn為抽稀單元中第n個(gè)人口點(diǎn)人口總數(shù)；mi為當(dāng)前格網(wǎng)中所有點(diǎn)的總?cè)藬?shù)的算數(shù)平均數(shù)。（3）式中f為聚合點(diǎn)中字段f對(duì)應(yīng)的值，fi為該抽稀單元中第i個(gè)原始人口點(diǎn)對(duì)應(yīng)的f字段值，即聚合點(diǎn)f字段的值為格網(wǎng)單元中所有原始人口點(diǎn)f字段之和。依據(jù)不同比例尺將聚合每一層聚合點(diǎn)數(shù)據(jù)保存為庫(kù)中的空間表，每條空間表的中的記錄表示某一數(shù)據(jù)尺度下對(duì)應(yīng)規(guī)則格網(wǎng)中所有地理實(shí)體的統(tǒng)計(jì)信息。形成了多粒度的人口數(shù)據(jù)，能夠?yàn)椴煌叨认碌臄?shù)據(jù)訪問(wèn)提供快速的響應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)更新

在“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)中，“實(shí)有人口”處于流動(dòng)狀態(tài)，因而同時(shí)具有時(shí)態(tài)性。考慮數(shù)據(jù)特別是人口數(shù)據(jù)的海量規(guī)模，“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)更新模式為以一定周期為時(shí)間節(jié)點(diǎn)的定時(shí)增量更新策略。基于原始“實(shí)有”人房表單數(shù)據(jù)生成初始空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，以定時(shí)更新模式對(duì)“實(shí)有”人房空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增量更新。更新過(guò)程以更新腳本的方式運(yùn)行，按照數(shù)據(jù)處理規(guī)則，經(jīng)過(guò)更新數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)清洗、空間落地、更新地理實(shí)體及相關(guān)等步驟對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到空間化的“實(shí)有人口”及“實(shí)有房屋”數(shù)據(jù)，并更新到“實(shí)有”人房空間數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將當(dāng)前現(xiàn)勢(shì)庫(kù)通過(guò)更新時(shí)間標(biāo)簽存儲(chǔ)到歷史庫(kù)中。在具體的更新周期控制方面，依據(jù)數(shù)據(jù)本體的時(shí)態(tài)特征并考慮數(shù)據(jù)推送及采集的實(shí)際情況，確定“實(shí)有”人房應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)的更新周期為一周。

更新過(guò)程中，原始“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)著“實(shí)有人口”及“實(shí)有房屋”中所有時(shí)間序列的表單數(shù)據(jù)，當(dāng)原始“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)更新完成后，觸發(fā)“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)的更新程序。首先通過(guò)更新數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的更新時(shí)間戳對(duì)比當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)查找更新要素，將更新的地理實(shí)體寫(xiě)入到歷史庫(kù)中，并對(duì)提取的更新數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)清洗流程以及已更新的對(duì)象關(guān)系進(jìn)行空間化，最后進(jìn)行多尺度實(shí)體數(shù)據(jù)生成，完成數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)更新，如圖4 所示。

圖4 “實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)更新機(jī)制

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與建設(shè)

2.1 概念設(shè)計(jì)

廣州市“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)中地理實(shí)體的基礎(chǔ)屬性，主要包括實(shí)體標(biāo)識(shí)信息和屬性信息這兩部分，用來(lái)標(biāo)志地理實(shí)體和表示實(shí)體相關(guān)屬性，如在“實(shí)有人口”中，用人口ID 作為“實(shí)有人口”的唯一標(biāo)識(shí)，人口類(lèi)型、年齡、戶(hù)籍等信息表述人口實(shí)體的相關(guān)屬性，實(shí)體的空間屬性存儲(chǔ)著實(shí)體對(duì)象的空間幾何信息及位置信息，通過(guò)對(duì)象標(biāo)識(shí)信息映射到空間幾何信息上。表1列舉了廣州市“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)中的表單內(nèi)容，圖 5用ER 圖來(lái)表示數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)體及其關(guān)系。

圖5 “實(shí)有”人房實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)ER 模型

表1 “實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)表單內(nèi)容

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以廣州市“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)中人口信息表中“人口ID”作為主鍵，其他字段如人口類(lèi)型、年齡、性別等為屬性字段，同時(shí)包括空間屬性用來(lái)存儲(chǔ)人口的空間信息；關(guān)系信息表包括人房關(guān)系，在人房關(guān)系中使用人口ID 字段和房屋棟ID 字段的關(guān)聯(lián)來(lái)存儲(chǔ)人口與房屋之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)信息表包括基于門(mén)牌的人口統(tǒng)計(jì)信息表；空間信息表是在屬性信息表和統(tǒng)計(jì)信息表的基礎(chǔ)上通過(guò)添加空間字段，該字段存儲(chǔ)著地理實(shí)體的空間位置信息。在每個(gè)地理實(shí)體對(duì)應(yīng)的屬性表中保存著該地理實(shí)體的更新時(shí)間。

在空間信息表中存在不同粒度的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不同的比例尺對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)庫(kù)中不同的數(shù)據(jù)粒度的空間表，在該表中格網(wǎng)標(biāo)號(hào)為該數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識(shí)符，代表抽稀時(shí)的格網(wǎng)，表名表示某一數(shù)據(jù)粒度下相對(duì)應(yīng)的比例尺，除此之外的屬性為該粒度下人口的基本屬性。基于不同的行政邊界對(duì)人口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成不同等級(jí)行政區(qū)域的人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，提供基于行政邊界人口數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)，如圖6 所示。

圖6 “實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

在上述數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)據(jù)庫(kù)模型的支撐下，建立廣州市“實(shí)有”人房地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)整合了人口、房屋，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)一的實(shí)體編碼，實(shí)現(xiàn)廣州市以人、房為核心數(shù)據(jù)展示及分析平臺(tái)。如圖7、8 所示為人口信息熱力圖功能及建筑物查詢(xún)功能。

圖7 基于“實(shí)有人口”的人口熱力圖生成功能

1）實(shí)現(xiàn)快速查詢(xún)分析某個(gè)區(qū)域中的人口結(jié)構(gòu)及分布情況，支持通過(guò)行政區(qū)劃邊界、自定義空間范圍來(lái)快速生成人口的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2）實(shí)現(xiàn)快速查詢(xún)地理實(shí)體的空間位置，并通過(guò)統(tǒng)一的實(shí)體編碼實(shí)現(xiàn)以人查房、以房查人等關(guān)聯(lián)查詢(xún)。

3）實(shí)現(xiàn)建筑物查詢(xún)功能，通過(guò)房屋套與房屋棟之間的從屬關(guān)系來(lái)生成房屋套組成的樓盤(pán)表。

4）實(shí)現(xiàn)服務(wù)設(shè)施人口均等化分析功能，借助現(xiàn)有道路數(shù)據(jù)，快速生成服務(wù)設(shè)施服務(wù)范圍，并對(duì)服務(wù)設(shè)施覆蓋的人口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

5）實(shí)現(xiàn)多比例尺下人口信息熱力圖的顯示，并通過(guò)多粒度數(shù)據(jù)集成的方式提供快速的數(shù)據(jù)響應(yīng)與分析。

圖8 基于“實(shí)有房屋”的房屋棟查詢(xún)功能

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于廣州“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的研究，從數(shù)據(jù)質(zhì)量、地理實(shí)體空間化、多尺度實(shí)體數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新這4 個(gè)方面來(lái)闡述“實(shí)有”人房實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)需求，分析了數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理及更新方法，實(shí)現(xiàn)“實(shí)有人口”及“實(shí)有房屋”以個(gè)體為單位的空間落點(diǎn)。并基于此，闡述了“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)，建立了“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)的具體應(yīng)用支撐。在后續(xù)的研究工作中，針對(duì)應(yīng)用實(shí)踐中不斷增加的“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)需求，需要持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型并據(jù)此構(gòu)建創(chuàng)新應(yīng)用數(shù)據(jù)模型，為更好地發(fā)揮“實(shí)有”人房數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用實(shí)踐提供支撐。