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 背景與現狀分析

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

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

現有的地理實體數據構建方法主要是在設計的圖元數據和地理實體數據庫標準上，由圖元數據依賴于軟件平臺人工手動構建或基于FME半自動構建加部分人工的方式生產[7]。現行方案具有較強的人工依賴性，導致生產效率低下。一方面，在現行圖元和地理實體數據庫標準上，作業人員從圖元數據構建地理實體數據時，不可避免人工參與，導致效率低下；另一方面，對于FME半自動構建的方式，在更改或優化地理實體數據庫設計的標準后，須反復修改FME的方案，也會造成地理實體數據生產的效率低下。

因此，本文重點研究從地理要素，自動化生產地理實體的方法，使得在地理實體標準發生變化，或者需要針對不同需求生產不同地理實體時，能夠快速高效地生產數據。

2 自動化生產地理實體方法

2.1 由圖元生產地理實體

在《新型基礎測繪與實景三維中國建設技術文件(1-4)》中，地理實體被定義為現實世界中占據一定且連續空間位置和范圍、單獨具有同一屬性或完整功能的地理對象[8]。而圖元數據則是地理實體的構成部分[9]，是構建地理實體的基本數據，是地理實體數據生產的必要數據，其包括根圖元(構建地理實體數據必要數據)、主體圖元、構件圖元[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系。

圖1 地理實體與圖元的組成關系

需要注意的是，在不同的標準規范下，或者在不同的應用需求下，單地理實體、組合/聚合地理實體的組成關系并不唯一，即在不同的需要下，同一份圖元數據，可能需要生產出不同的單地理實體數據和組合/聚合地理實體數據，這也增加了從圖元生產地理實體的復雜性。

2.2 自動化生產方案

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

圖2 從圖元構建地理實體的方式

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

圖3 圖元自動生產地理實體流程圖

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

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

(3)組合/聚合地理實體構建。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建組合/聚合地理實體。根據子實體構建方案，以能夠包絡地理實體范圍的輪廓線為單位，依據組成關系約束規則，得到其組成部分的子實體，添加到實體組成關系中，實現組合/聚合地理實體的構建工作。

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

2.3 組成關系約束規則

從上述圖元數據自動化構建地理實體的流程中可看出，組成關系約束規則起到了關鍵作用，不同的組成關系約束規則，可構建出不同的地理實體數據。

組成關系約束規則，即在給定的范圍內，按照規定的查找方式和過濾條件，尋找到需要的數據部分。

其中，過濾方式即地理實體允許的組成部分，可依據地理實體和圖元的標準規范，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按照哪種方法查找需要的組成部分。從存量數據生產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地理實體的自動構建工作。

存量數據生產地理實體，一般是從存量數據的要素批量轉換為圖元，因此這過程中無法給圖元指定關系。此時可以通過能夠包絡根圖元的范圍線，給予一定的緩沖區，在范圍內搜索全部圖元，之后進行組成關系過濾。這種方式完全無須人工干預，效率極高，但對于圖元非常密集的區域，可能會出現多余的組成關系。

全息采集生產地理實體，一般是從傾斜模型、激光點云等數據上直接繪制圖元數據，在繪制圖元的過程中，即可指定包含關系，例如將繪制出來的屋頂圖元和陽臺圖元標記為一組，這樣在自動化生產地理實體時，可在規定的范圍內，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，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數據工廠軟件以及其提供的ETL工具SME模塊上[10]，按照數據流的形式實現了從圖元數據到地理實體的自動化生產SME方案，并應用在國家新型基礎測繪武漢試點中。

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

圖4 圖元自動生產地理實體的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系約束配置截圖，圖中最左側分類列出了各類地理實體，中間和右側分別表達了左側地理實體允許被選中的子實體、圖元來組成，以此配置組成關系約束。

圖5 圖元自動生產地理實體的SME方案截圖

圖6 地理實體和圖元的組成關系約束配置截圖

在iData數據工廠軟件中執行該方案，即可得到需要的地理實體數據。圖7展示了一個自動構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團體用地的父實體(即機關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分鐘即可構建大約10萬條地理實體數據。

4 總 結

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

該方法可以在地理實體組成規則發生變化時，快速地構建出符合新規則要求的地理實體數據，因此也適合地理實體數據的按需組裝。當需要按需組裝時，僅需修改組成規則，之后執行SME方案，即可快速得到新的地理實體數據。

可見，該方法既能夠應用于從圖元數據構建地理實體并建庫，也能夠應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。