城市矢量空間數據增量更新管理模式研究

林江偉 滕德貴

(重慶市勘測院, 重慶 401121)

0 引言

隨著城市建設的快速發展,支撐城市建設的城市矢量空間數據類型不斷增多,除大比例尺地形圖數據外,還包含城市地下管線、地下空間、市政部件等數據,這些矢量空間數據有著地物要素變化迅速,更新頻率高的特點,長期以來,這些海量的數據基于標準分幅或非標準格網分區的模式進行管理,數據生產與數據應用采用分開管理、定期更新的模式,隨著信息化時代的到來,傳統管理模式無法建立高效的數據應用體系,數據的時效性滯后于城市變化發展的矛盾日益突出,遠遠滿足不了城市規劃、管理工作的需要,嚴重制約著城市建設發展的步伐[1-2]。因此，建立一套數據生產與數據應用的一體化作業體系成為亟待解決問題。

1 傳統管理模式缺點

1.1 更新顆粒度粗糙

矢量空間數據更新方法有基于范圍的更新方法和基于要素的更新方法[3-4],傳統管理模式中采用按范圍整體替換的更新方法,更新對象面向范圍而不是面向要素,更新顆粒度粗糙,沒有體現數據的增量信息,不能準確反映要素的新增、變化與消亡,只能將某個時刻的數據作為歷史版本單獨存儲,不僅數據冗余量大,而且無法實現數據的多時態特性,在后期很難實現任意歷史時刻的數據重建、時空變化追蹤等。

1.2 協同作業難

傳統管理模式一般采用按圖幅或分區整體調出的數據調取方法,數據調出后,若有其他項目需要使用相同的圖幅或分區時,只能排隊進行數據更新,不能進行協同作業,用圖沖突的常用處理方法是以文件流轉的方式臨時拆借,對歸還數據的版本正確性較難進行判斷。

1.3 更新周期長

為對矢量空間數據進行挖掘利用,大都建立了城市矢量空間數據庫,而數據更新是維護矢量空間數據庫現勢性的主要手段[5],建庫后必須對其進行動態的維護和更新,才能滿足各行業的運用需求,然而生產與應用數據往往被視為兩套數據[6-7],從生產數據到應用數據需要進行大量加工、接邊處理,因此同步周期長,耗費工作量大[8],最終導致了數據生產與數據應用脫節的局面。

2 增量更新管理模式思路

本文對城市矢量空間數據庫增量更新管理模式進行了探索,建立了一套數據生產與數據應用的一體化作業體系。首先,建立城市矢量多專題空間數據庫,數據庫劃分為3個層級：基于更新區的緩存庫、面向管理分區地從庫、面向應用的主庫,三級數據庫結構相同,可在短時間內實現快速同步或更新,有效解決了數據生產與數據應用的時效性問題;其次,數據更新基于實際作業的范圍,通過建立矢量空間數據庫更新沖突處理機制,實現多人連庫協同更新,有效控制了數據版本;第三,建立了要素級的增量檢測策略,獲取了空間要素的變化信息,實現了數據多時態特性,有效降低數據冗余，如圖1所示。

圖1 增量更新管理模式思路

3 關鍵技術和方法

3.1 多專題空間數據建庫

隨著空間數據專題類型的增多,多專題數據的互相參考校核、多源數據混合采集等需求日益增長,因此數據建庫時進行矢量數據和柵格數據的同步建庫,在統一的地理空間框架下,各種矢量和柵格數據實現疊加顯示,使得信息表達更加豐富而形象生動,提高了數據的綜合利用率。

矢量數據建庫以圖層為基本單位,如圖2所示,圖層下根據地物的類型,劃分為點、線、面、注記四類,每個類別分別建立地物空間數據表和擴展屬性表,通過唯一的身份標識號(identity document,ID)標識,實現屬性與地物的關聯,地物按照類型分類建表可以極大地降低數據表冗余。專題則是一個邏輯單元,由若干個圖層組成。以圖層為基本單位的組織方式易于擴充,當需擴充數據專題時,在保證圖層唯一性的前提下,按圖層新建數據表即可。

圖2 數據庫組織結構

柵格數據建庫前需使用圖像金字塔模型進行預處理[9-10],構造一組L1～L8的柵格序列,按序列構建數據表,加載柵格數據時,將根據屏幕縮放的比例尺,動態確定并調用適合的柵格序列,實現了柵格數據由全貌到細節、由整體到局部,無縫的進行影像漫游、瀏覽和應用[11]。

3.3 多層級數據庫同步

數據更新往往涉及多個部門,部門又有多個作業人員參與,由于部門管理與作業人員水平的差異,如果都直接對唯一的數據總庫進行更新操作,勢必不能有效地進行數據質量管理,因此建立“緩存庫(基于更新區)+從庫(面向管理分區)+主庫(數據應用)”的三級數據庫模式,緩存庫面向作業人員,由從庫按照更新區域緩存形成,通過更新緩存庫提取相應的增量信息,并呈現更新從庫后的復刻版本,經過質檢合格后,根據提取的增量信息,緩存庫自動更新到從庫,從庫則依據某段時間的增量信息自動向主庫進行單向同步。多級數據庫的建立,使不同角色面對不同層級的數據庫,采用的金字塔式逐級同步的方式在有效保證數據質量的前提下可實現數據生產和數據應用在時效性上的快速統一，如圖3所示。

圖3 多級數據庫同步

3.4 更新沖突處理

從庫與緩存庫的更新面向多個用戶,假設多個用戶更新的區域不重合,也沒有對相同的要素進行更新,那么數據更新可各自獨立進行,但實際生產中,多個用戶的更新區域存在重合的情況,還有可能更新區域不重合但卻對同一要素進行更新,這樣就產生了更新沖突。更新沖突會造成前者的更新信息丟失,地物要素版本的錯誤,因此必須采用適當的沖突控制方法，如圖4所示。由于城市建設項目在某個時間點上一般都分散存在,所以先采用樂觀并發控制思想進行控制,假設對同一要素更新的沖突并不頻繁,在緩存庫先進性修改,在緩存庫提交時,再檢查相關的要素是否被修改過,如果沒有則提交,如果有則給出被更新后的數據版本進行確認。

圖4 更新沖突處理

但還需考慮另外一個問題,空間數據庫更新并非只是修改數據表,而是還需重建空間索引,如果修改表記錄后,索引還未重建,其他用戶同步進行了更新或下載,會由于空間索引與地物要素不匹配得到錯誤的結果,因此在數據提交時加入數據庫鎖避免這種極端情況,在數據更新提交數據庫前,先申請鎖定相應專題的數據表,當其他用戶申請鎖定專題數據表時,則進行警告并進行排隊等候。

3.4 增量檢測

增量檢測的目的是為了發現變化的要素信息[12-13],從矢量數據中獲取出新增、修改與刪除等變化信息,根據變化信息對矢量空間數據庫進行修改,由于修改只針對變化的地物,會顯著減少矢量空間數據庫冗余。增量檢測主要有基于空間特征的方法和基于ID標識的方法,使用緩存的離線數據進行更新時,使用基于空間特征的方法,對數據庫進行在線更新時,則使用更為簡單的基于ID標識的方法。

3.4.1基于空間特征的增量檢測

通過匹配空間要素空間特征實現增量檢測,匹配到空間特征一致的要素,判定為同一空間要素,然后進行屬性比對,屬性有差異的則判定為修改;空間特征未匹配成功的孤立要素,屬于更新數據要素的則判定為新增,屬于庫數據要素的則判定為刪除。

3.4.2基于ID標識的增量檢測

首先為離線數據與數據庫數據劃分ID標識范圍,數據建庫時庫數據ID從10n(n由單個離線文件承載量決定)開始計算,每個離線數據文件ID則從1開始計算。增量檢測時,更新數據要素ID標識小于10n的,則判定為新增,庫數據要素ID在更新數據中查找不到的,則判定為刪除,有ID標識對應,則進行空間特征與屬性的比對,存在差異的則判定為修改。

3.5 增量更新及接邊策略

得到增量檢測結果后便可進行增量更新,對于新增要素,直接對地物進行入庫,并標記創建和更新時間;對于修改要素,克隆原記錄后更新要素的圖形和屬性信息,標記更新時間,同時將原有紀錄標記刪除時間;對于刪除的要素,并不是對記錄真的擦除,而是標記上刪除的時間。通過基態修正模型[14],記錄要素創建、更新、刪除時間,構建了矢量空間數據庫的時間維度T,時間維度密集程度取決于地物要素更新的頻率,當進行數據瀏覽、下載時,若給定任意的時刻T(m)進行歷史重演,則首先過濾T(m) 前已被刪除或修改的要素,其次過濾T(m)時刻后新增和修改的要素,顯示T(m)后刪除和修改的要素。

在進行增量更新時,還要考慮要素的接邊問題,對象化的數據存在較多長帶狀要素,但作業人員往往只關注要素在更新區域內的空間特征變化,這會導致區域外的空間特征很可能存在誤刪、誤改而不被發現的情況,同時還有上述沖突處理中提到的,要素可能已被其他用戶修改更新,因此對要素按更新區域進行接邊,而非整體替換,如圖5所示,使用右側數據按相應更新區域進行更新,對于與更新區域相交的要素,首先提取庫數據中更新區外的部分,其次提取更新數據區域內的部分,然后進行拼接,這樣使得空間特征質量影響限定在更新區域內,同時也大大降低了沖突處理的復雜程度[15]。

圖5 數據接邊策略

進行圖形接邊處理后,還涉及屬性的匹配與融合,如果有重要的屬性值不匹配,也不能進行自動接邊,例如，左側道路名為“L1路”,修測后屬性值變為了“L2路”,這個時候就不能自動屬性進行取舍與融合,需要進行人工確認處理。

4 結束語

通過建立數據生產與數據應用一體化的多層級矢量空間數據庫,采用多人協同更新數據庫與多級數據庫同步的方法,提高了數據流轉效率,控制了數據版本,方式更為靈活,更新周期更短,使得城市矢量空間數據變化信息可以快速地反映到生產與應用數據庫,采用的要素級增量檢測與更新方法,使城市空間的變更信息得以保留,構建了矢量空間數據的時間維度,可進行任何歷史時刻數據重演,有利于進一步提高矢量空間數據的精細化管理,更能滿足今后數據庫更新的發展方向。