一種基于要素自動生成地理實體的方法

鄒磊，高健，曹文濤

(1.廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東 廣州 510665； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 背景與現(xiàn)狀分析

按照自然資源部《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015-2030年)》文件的要求，到2030年需全面建成新型基礎(chǔ)測繪體系[1]。目前，我國多個城市和地區(qū)都在探索新型基礎(chǔ)測繪相關(guān)工作，積極申報試點，從各個方面探索新型基礎(chǔ)測繪系統(tǒng)的工作[2，3]。雖然各地試點內(nèi)容不盡相同，所采取的方法與技術(shù)手段也有差異，但地理實體產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，都是整個試點工作的重要組成部分，也是新型基礎(chǔ)測繪工作中的重點內(nèi)容[4，5]。

目前已有的研究工作顯示，當前地理實體產(chǎn)品生產(chǎn)方法，主要分為存量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和全息采集兩個大類[6]。存量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是利用現(xiàn)存的滿足精度要求并且現(xiàn)勢性較好的數(shù)據(jù)，進行提取和轉(zhuǎn)換為圖元數(shù)據(jù)，再由此生產(chǎn)地理實體；全息采集則是利用傾斜攝影、激光點云等現(xiàn)代化的手段，測量并采集繪制圖元數(shù)據(jù)，之后再生產(chǎn)地理實體?？梢?，無論是哪種地理實體生產(chǎn)方法，其邏輯都是先得到圖元數(shù)據(jù)，之后在圖元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建地理實體。

現(xiàn)有的地理實體數(shù)據(jù)構(gòu)建方法主要是在設(shè)計的圖元數(shù)據(jù)和地理實體數(shù)據(jù)庫標準上，由圖元數(shù)據(jù)依賴于軟件平臺人工手動構(gòu)建或基于FME半自動構(gòu)建加部分人工的方式生產(chǎn)[7]?，F(xiàn)行方案具有較強的人工依賴性，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。一方面，在現(xiàn)行圖元和地理實體數(shù)據(jù)庫標準上，作業(yè)人員從圖元數(shù)據(jù)構(gòu)建地理實體數(shù)據(jù)時，不可避免人工參與，導(dǎo)致效率低下；另一方面，對于FME半自動構(gòu)建的方式，在更改或優(yōu)化地理實體數(shù)據(jù)庫設(shè)計的標準后，須反復(fù)修改FME的方案，也會造成地理實體數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率低下。

因此，本文重點研究從地理要素，自動化生產(chǎn)地理實體的方法，使得在地理實體標準發(fā)生變化，或者需要針對不同需求生產(chǎn)不同地理實體時，能夠快速高效地生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2 自動化生產(chǎn)地理實體方法

2.1 由圖元生產(chǎn)地理實體

在《新型基礎(chǔ)測繪與實景三維中國建設(shè)技術(shù)文件(1-4)》中，地理實體被定義為現(xiàn)實世界中占據(jù)一定且連續(xù)空間位置和范圍、單獨具有同一屬性或完整功能的地理對象[8]。而圖元數(shù)據(jù)則是地理實體的構(gòu)成部分[9]，是構(gòu)建地理實體的基本數(shù)據(jù)，是地理實體數(shù)據(jù)生產(chǎn)的必要數(shù)據(jù)，其包括根圖元(構(gòu)建地理實體數(shù)據(jù)必要數(shù)據(jù))、主體圖元、構(gòu)件圖元[6]。按照組成分類，地理實體可以分為單地理實體、組合/聚合地理實體。單地理實體由一個根圖元，或者一個根圖元加若干個主體圖元、構(gòu)件圖元組成，組合/聚合地理實體除擁有和單地理實體相同的組成部分以外，還有其子級關(guān)系的地理實體(以下稱子實體)組成。圖1展示了地理實體與圖元之間的組成關(guān)系。

圖1 地理實體與圖元的組成關(guān)系

需要注意的是，在不同的標準規(guī)范下，或者在不同的應(yīng)用需求下，單地理實體、組合/聚合地理實體的組成關(guān)系并不唯一，即在不同的需要下，同一份圖元數(shù)據(jù)，可能需要生產(chǎn)出不同的單地理實體數(shù)據(jù)和組合/聚合地理實體數(shù)據(jù)，這也增加了從圖元生產(chǎn)地理實體的復(fù)雜性。

2.2 自動化生產(chǎn)方案

從上文描述的地理實體與圖元數(shù)據(jù)的關(guān)系可以看出，根圖元與地理實體存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此在自動化構(gòu)建地理實體時，可以以根圖元為單位，依次構(gòu)建單地理實體，進而構(gòu)建出組合/聚合地理實體，形成完整的地理實體產(chǎn)品數(shù)據(jù)。此過程的邏輯如圖2所示。

圖2 從圖元構(gòu)建地理實體的方式

實現(xiàn)從圖元數(shù)據(jù)構(gòu)建地理實體的自動化，需要讓上面的流程批量化自動執(zhí)行，因此可以借助于ETL(Extract Transform Load，ETL)工具，以根圖元為單位，按照數(shù)據(jù)流的形式執(zhí)行。需要執(zhí)行的流程如圖3所示，主要步驟如下：

圖3 圖元自動生產(chǎn)地理實體流程圖

(1)依據(jù)地理實體和圖元的設(shè)計標準，自動化生成單圖元的構(gòu)建方案、子實體的構(gòu)建方案以及組成關(guān)系約束規(guī)則。其中，單圖元構(gòu)建方案負責構(gòu)建地理實體的圖元組成部分，子實體構(gòu)建方案負責地理實體的子實體組成部分，組成關(guān)系約束規(guī)則負責對地理實體構(gòu)建過程進行約束，使其符合標準規(guī)范要求。

(2)單地理實體構(gòu)建。單地理實體構(gòu)建又分兩種情況，一種是僅有根圖元的情況，另一種是有根圖元和主體圖元、構(gòu)件圖元的情況。僅有根圖元的情況，僅需要根據(jù)根圖元與實體的對應(yīng)關(guān)系，進行一對一的單元構(gòu)建，之后賦值地理實體唯一標識碼，即可實現(xiàn)單地理實體的構(gòu)建；有根圖元和主體圖元、構(gòu)件圖元的情況，需要采用范圍線構(gòu)建的方式，即以根圖元為單位，按照能夠包絡(luò)圖元范圍的輪廓線，依據(jù)組成關(guān)系約束規(guī)則，得到其組成部分的主體圖元和構(gòu)件圖元，與根圖元一起賦值地理實體唯一標識碼，實現(xiàn)地理實體的構(gòu)建工作。

(3)組合/聚合地理實體構(gòu)建。在得到單地理實體后，可以對單地理實體進行添加子實體的方式構(gòu)建組合/聚合地理實體。根據(jù)子實體構(gòu)建方案，以能夠包絡(luò)地理實體范圍的輪廓線為單位，依據(jù)組成關(guān)系約束規(guī)則，得到其組成部分的子實體，添加到實體組成關(guān)系中，實現(xiàn)組合/聚合地理實體的構(gòu)建工作。

需要注意的是，有些情況下，單地理也可能是最后的產(chǎn)品，因此第三步組合/聚合地理實體的構(gòu)建步驟，需要按照具體的需要執(zhí)行。

2.3 組成關(guān)系約束規(guī)則

從上述圖元數(shù)據(jù)自動化構(gòu)建地理實體的流程中可看出，組成關(guān)系約束規(guī)則起到了關(guān)鍵作用，不同的組成關(guān)系約束規(guī)則，可構(gòu)建出不同的地理實體數(shù)據(jù)。

組成關(guān)系約束規(guī)則，即在給定的范圍內(nèi)，按照規(guī)定的查找方式和過濾條件，尋找到需要的數(shù)據(jù)部分。

其中，過濾方式即地理實體允許的組成部分，可依據(jù)地理實體和圖元的標準規(guī)范，自動生成。比如房屋可以由屋頂面、陽臺組成，但不能由河流組成，當在給定的范圍內(nèi)查找到不允許的組成部分，比如河流，需要將其過濾掉。

查找方式即在指定的范圍內(nèi)按照哪種方法查找需要的組成部分。從存量數(shù)據(jù)生產(chǎn)地理實體和全息采集地理實體可以采用不同的查找方式實現(xiàn)地理實體的自動構(gòu)建工作。

存量數(shù)據(jù)生產(chǎn)地理實體，一般是從存量數(shù)據(jù)的要素批量轉(zhuǎn)換為圖元，因此這過程中無法給圖元指定關(guān)系。此時可以通過能夠包絡(luò)根圖元的范圍線，給予一定的緩沖區(qū)，在范圍內(nèi)搜索全部圖元，之后進行組成關(guān)系過濾。這種方式完全無須人工干預(yù)，效率極高，但對于圖元非常密集的區(qū)域，可能會出現(xiàn)多余的組成關(guān)系。

全息采集生產(chǎn)地理實體，一般是從傾斜模型、激光點云等數(shù)據(jù)上直接繪制圖元數(shù)據(jù)，在繪制圖元的過程中，即可指定包含關(guān)系，例如將繪制出來的屋頂圖元和陽臺圖元標記為一組，這樣在自動化生產(chǎn)地理實體時，可在規(guī)定的范圍內(nèi)，直接搜索與根圖元同在一組的圖元，即得到地理實體的組成部分。這種方式在圖元的繪制過程中，需要少量的人工干預(yù)，但后期處理效率和精確程度都非常的高。

3 實踐案例

本文作者在iData數(shù)據(jù)工廠軟件以及其提供的ETL工具SME模塊上[10]，按照數(shù)據(jù)流的形式實現(xiàn)了從圖元數(shù)據(jù)到地理實體的自動化生產(chǎn)SME方案，并應(yīng)用在國家新型基礎(chǔ)測繪武漢試點中。

方案的流程圖如圖4所示，首先由項目中設(shè)計的地理實體標準，自動生成地理實體的構(gòu)建方案(包括單元構(gòu)建和范圍線構(gòu)建)以及地理實體的組成關(guān)系約束(圖元、地理實體的關(guān)系和地理實體之間的關(guān)系)，之后在全部數(shù)據(jù)中，逐個選取根圖元，在組成關(guān)系約束條件下，構(gòu)建單地理實體，最后再給單地理實體搭建子實體關(guān)系，賦值標識碼并保存關(guān)系，得到地理實體數(shù)據(jù)。當?shù)乩韺嶓w的規(guī)則發(fā)生變化時，則可以快速地重新執(zhí)行該流程，得到新的地理實體數(shù)據(jù)。

圖4 圖元自動生產(chǎn)地理實體的SME方案流程圖

圖5是自動化生成的SME方案的部分截圖，圖6是地理實體和圖元的組成關(guān)系約束配置截圖，圖中最左側(cè)分類列出了各類地理實體，中間和右側(cè)分別表達了左側(cè)地理實體允許被選中的子實體、圖元來組成，以此配置組成關(guān)系約束。

圖5 圖元自動生產(chǎn)地理實體的SME方案截圖

圖6 地理實體和圖元的組成關(guān)系約束配置截圖

在iData數(shù)據(jù)工廠軟件中執(zhí)行該方案，即可得到需要的地理實體數(shù)據(jù)。圖7展示了一個自動構(gòu)建的房屋地理實體的示例，示例房屋是一個由5個圖元組成的單地理實體，2個屋頂面、2個雨罩和1個表達自然幢的房屋面共同組成一個房屋地理實體，同時示例房屋還有一個機關(guān)團體用地的父實體(即機關(guān)團體用地實體是包含了這個房屋實體的聚合實體)。

圖7 自動生成的房屋地理實體示例

在國家新型基礎(chǔ)測繪武漢試點項目中，該SME方案運行效率較高，主流配置的筆記本電腦上，3分鐘即可構(gòu)建大約10萬條地理實體數(shù)據(jù)。

4 總 結(jié)

依據(jù)本文的分析和實踐，從要素到圖元，再自動化生成地理實體數(shù)據(jù)的過程可以通過ETL工具自動化實現(xiàn)，根據(jù)此流程設(shè)計的基于iData數(shù)據(jù)工廠的SME方案在國家新型基礎(chǔ)測繪武漢試點中，快速完成了地理實體構(gòu)建和建庫工作。

該方法可以在地理實體組成規(guī)則發(fā)生變化時，快速地構(gòu)建出符合新規(guī)則要求的地理實體數(shù)據(jù)，因此也適合地理實體數(shù)據(jù)的按需組裝。當需要按需組裝時，僅需修改組成規(guī)則，之后執(zhí)行SME方案，即可快速得到新的地理實體數(shù)據(jù)。

可見，該方法既能夠應(yīng)用于從圖元數(shù)據(jù)構(gòu)建地理實體并建庫，也能夠應(yīng)用與不同需求場合下獲得不同的地理實體庫，具有較強的實用價值。