基礎(chǔ)地理信息質(zhì)量檢查軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

趙 裴，趙劉飛，吳芳華，張龍星，王 磊，康 棟

（1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，西安 710199；2.西安測繪研究所，西安 710054）

當(dāng)前越來越多的行業(yè)采用基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)作為行業(yè)決策制定的依據(jù)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接決定著決策的正確性與可靠性[1]。20 世紀國內(nèi)多采用人工檢查的方式對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行檢查，這種檢查方法費時費力且對作業(yè)員經(jīng)驗要求較高，無法保證檢查標(biāo)準(zhǔn)的一致性和準(zhǔn)確性[2]。21 世紀初期，中國解放軍信息工程大學(xué)率先開發(fā)出國內(nèi)首款基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件MapCheck，該軟件針對矢量地圖數(shù)據(jù)進行了包括控制精度檢查、幾何精度檢查及文件形式檢查等11 類檢查項，開辟了基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)計算機自動檢查的先河[3]。地理信息產(chǎn)業(yè)近二十年的蓬勃發(fā)展涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀質(zhì)檢軟件，但這些軟件多基于數(shù)據(jù)庫集成化設(shè)計[4-5]，每次更改都需要修改底層代碼，這使得軟件更新極為不便，嚴重制約了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件的更新與發(fā)展。本文提出了一種全新的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，將基礎(chǔ)地理信息質(zhì)量檢查軟件數(shù)據(jù)庫拆分為算法庫、模型庫、模板庫及規(guī)則庫，各數(shù)據(jù)庫中基本單元遵循國家標(biāo)準(zhǔn)[6-11]，在進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查時，各數(shù)據(jù)庫之間以并行插件的形式統(tǒng)一調(diào)用但互不影響，極大地增加了數(shù)據(jù)庫的可維護性與擴展性。

1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.1 模型庫設(shè)計

模型被用來以數(shù)據(jù)化的方式來表達各類質(zhì)量缺陷，模型的作用就是表達各類質(zhì)量缺陷識別概念性質(zhì)，對研究對象進行必要時的建模，并用適當(dāng)?shù)囊?guī)則把它的主要特征描述出來。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模型主要是用數(shù)學(xué)語言描述的一類模型，定性或者定量的描述缺陷識別的概念、規(guī)則和方法；面對矢量地圖、DEM 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量特征，通過各種質(zhì)量元素、缺陷類型、檢查要求共同作用形成的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價模型，主要有缺陷扣分模型和圖幅評分模型2 種[12]。

1.1.1 缺陷扣分模型

以幅為單位對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行缺陷扣分評價，扣分表見表1。

表1 缺陷扣分表

根據(jù)缺陷值、缺陷個數(shù)、帶權(quán)求和的計算公式統(tǒng)計產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)，公式如下

式中：M 為單位產(chǎn)品質(zhì)量得分；P1為重缺陷質(zhì)量特性權(quán)；P2為次重缺陷質(zhì)量特性權(quán)；P3為輕缺陷質(zhì)量特性權(quán)；n1為單位產(chǎn)品中重缺陷個數(shù)；n2為單位產(chǎn)品中次重缺陷個數(shù)；n3為單位產(chǎn)品中輕缺陷個數(shù)。

產(chǎn)品質(zhì)量實行優(yōu)級品、良級品、合格品和不合格品四級評定制。優(yōu)級品：M=90～100 分；良級品：M=75～89分；合格品：M=60～74 分；不合格品：M=0～59 分。

1.1.2 圖幅評分模型

將圖幅錯誤類型分為A 類錯漏、B 類錯漏和C 類錯漏3 個等級，圖幅質(zhì)量滿分為100 分，按照質(zhì)量子元素缺陷分類的對應(yīng)分值采取減分計分制計分，減分累計不能超過該檢查項的分值，即得分最低為0 分，不能為負數(shù)。圖幅缺陷以人工抽樣驗收確認結(jié)果為準(zhǔn)，以目標(biāo)數(shù)作為區(qū)分圖幅難易程度的標(biāo)準(zhǔn)，單位成果質(zhì)量得分按式（2）計算。其中嚴重缺陷作為數(shù)據(jù)質(zhì)量因素的固定指標(biāo)，與圖幅難易程度無關(guān)。

式中：S 為單位成果質(zhì)量得分；a1為A 類錯漏個數(shù)；a2為B 類錯漏個數(shù)；a3為C 類錯漏個數(shù)；r2為B 類錯漏合格錯誤率，通常取0.2%；r3為C 類錯漏合格錯誤率，通常取0.8%；t 為比例尺調(diào)整系數(shù)；N 為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)要素總數(shù)，以實際要素總數(shù)計算。

1.2 規(guī)則庫設(shè)計

基礎(chǔ)規(guī)則一般是指數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征，是通過沉淀、抽象和總結(jié)多類型、多格式、多尺度數(shù)據(jù)的內(nèi)在邏輯關(guān)系而形成的。規(guī)則庫包括空間關(guān)系規(guī)則、拓撲關(guān)系規(guī)則及沖突關(guān)系規(guī)則等。內(nèi)容覆蓋矢量地圖數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢查所需的全部規(guī)則。

1.2.1 完整性檢查規(guī)則

數(shù)據(jù)完整性是指地理數(shù)據(jù)在范圍、內(nèi)容及結(jié)構(gòu)等方面的完整度，完整性檢查規(guī)則的檢查內(nèi)容有：①圖幅文件完整性檢查，檢查圖幅文件是否有缺失、重復(fù)或名稱錯誤；②圖層完整性檢查，圖層目錄是否符合國家規(guī)范，圖層是否有缺失或重復(fù)；③文件內(nèi)容完整性檢查；④文件屬性記錄項完整性檢查。

1.2.2 邏輯一致性規(guī)則

邏輯一致性規(guī)則包括屬性值與屬性項的檢查，其檢查內(nèi)容主要有：①檢查居民地層、交通層要素的行政區(qū)劃代碼與境界層的一致性；②國道編號檢查，國道編號與國道名稱不符；③省道編號檢查，省道編號與省道名稱不符；④車站編號檢查，車站編號與車站名稱不符；⑤交通層地名相同屬性不同檢查，交通層名稱相同，只檢查連貫性、主編號；⑥交通層道路編號首位與編碼匹配檢查，建通層道路編號首位與編碼匹配檢查，G、S、X 對應(yīng)相應(yīng)編碼；⑦檢查居民地層、交通層要素的行政區(qū)劃代碼與境界層的一致性；⑧前六位河流代碼檢查，只檢查注記一致但河流代碼前六位不一致的部分；⑨深度值與危險值一致性檢查，深度值與危險級別不一致則報錯。

1.2.3 屬性規(guī)則

屬性檢查是指對矢量地圖數(shù)據(jù)要素的屬性信息進行的檢查，多項要素自身屬性信息的檢查，具體檢查內(nèi)容有：①鐵路名稱代碼檢查，用模板檢查鐵路名稱的正確性；②國省道代碼檢查，與國省道模板比對檢查合理性，具體要用人機交互檢查；③公路里程檢查，屬性里程和實際要素長度的差超出檢查指標(biāo)的則報錯；④橋梁屬性檢查，檢查橋梁屬性是否輸入全面，如橋長、橋?qū)挕⑤d重噸數(shù)等屬性；⑤橋長差檢查，線狀橋梁實際橋長與屬性橋長超過檢查指標(biāo)，實際橋長超出檢查閾值范圍則報錯；⑥居民地行政區(qū)劃代碼檢查，全國1∶10000地形圖改化工程作業(yè)細則對檢查要素的補充完善；⑦屬性缺省值格式檢查，交換格式缺省的字符屬性項不為NULL，如果為其他缺省值或無缺省值則報錯；⑧街道名稱檢查，街道名稱含有“-”或高速等字符；⑨地名相同檢查，檢查注記文件中相同的注記并列出相同注記個數(shù)；⑩線要素圖形特征代碼不為LS，除等高線以外，線要素的圖形特征代碼要求為LS；?線要素誤輸入高程檢查，不應(yīng)輸入高程值的線狀要素例如高程，輸入則報錯；?高程缺省值為0 檢查，高程缺省為NULL或-32767 報錯；?公路寬度為0 檢查，公路寬度屬性為0 則報錯；?水深數(shù)值小數(shù)位數(shù)正確性檢查，水深數(shù)值小數(shù)位數(shù)超限則不合理，以31 m 為界限；?國道與省道編號檢查，檢查國道與省道編號是否為空，首字母是否符合規(guī)范，不符合規(guī)范則報錯；?橋梁、隧道編號檢查，國道省道上橋梁、隧道編號與所在道路編號一致，不一致則報錯；?測控點理論坐標(biāo)檢查，檢查測量控制點理論坐標(biāo)是否為空，如果測控坐標(biāo)為空則報錯；?深水區(qū)水深值超限檢查，深度區(qū)水深值不在閾值范圍內(nèi)則報錯；?通航性質(zhì)檢查，水域陸地層要素通航性質(zhì)不為缺省值（0 或NULL）且不在編碼模板中則報錯。

1.2.4 表征質(zhì)量規(guī)則

表征質(zhì)量檢查是指對矢量地圖數(shù)據(jù)要素的實際合理信息進行的檢查，多指要素屬性信息顯示符合實際情況的檢查。具體檢查內(nèi)容有：①公路互相交檢查，端點限差在0.1 mm 內(nèi)認為合理；②線目標(biāo)長度檢查，線目標(biāo)表示的圖上實際長度是否達到標(biāo)準(zhǔn)；③等高線自動檢查，用網(wǎng)格法檢查等高線的正確性；④偽節(jié)點檢查，檢查節(jié)點是否為偽節(jié)點；⑤最小山頭檢查，檢查山頭的最小面積是否小于規(guī)定限差；⑥最小面積檢查，檢查面要素的最小面積是否小于規(guī)定限定差；⑦居民地指針檢查，不掛指針則報錯；⑧面邊線指針檢查，要查的邊線掛指針報錯；⑨等高線連貫性檢查，檢查等高線是否連續(xù)且編碼與高程相同；⑩等深線連貫性檢查，等深線首末點的距離坐標(biāo)是否在范圍內(nèi)；?曲線兩點距離過大檢查，曲線目標(biāo)兩點間距超出檢查指標(biāo)則報錯；?指針對應(yīng)文字說明檢查，檢查指針對應(yīng)的注記文件；?角度異常檢測，線目標(biāo)坐標(biāo)間不應(yīng)出現(xiàn)尖角；?等深線互相交，斷電限差在0.1 mm 內(nèi)認為合理；?要素重復(fù)檢查，檢查點、線、面目標(biāo)是否重復(fù)；?圖邊強制閉合線的檢查，線要素到圖邊距離應(yīng)在限差范圍內(nèi)且閉環(huán)；?注記重復(fù)檢查，檢查兩注記名稱、編碼、定位坐標(biāo)是否完全相同。

1.2.5 空間關(guān)系規(guī)則

空間關(guān)系規(guī)則檢查是指對矢量地圖數(shù)據(jù)要素的幾何空間關(guān)系信息進行的檢查，多項要素自身空間信息和相鄰要素幾何空間關(guān)系信息的檢查。具體檢查內(nèi)容有：①要素落水檢查，檢查要素是否在水中；②水域面入植被面檢查，水域不能入植被面；③線要素非法進入面區(qū)域，公路進入面居民地超過限差則報錯；④線狀橋落水檢查，線狀橋梁有一端點在水中則報錯；⑤點與線相交檢查，點狀目標(biāo)是否落在線目標(biāo)上，如：公路橋應(yīng)位于公路線上；⑥工農(nóng)業(yè)層面要素落于居民地層面要素檢查，限制工農(nóng)業(yè)要素落入居民地，落入則報錯；⑦河寬水深點檢查，河寬水深點不在單線河上則報錯。

1.2.6 拓撲關(guān)系規(guī)則

拓撲關(guān)系檢查實質(zhì)上是檢查點、線、面目標(biāo)與其組成弧段、節(jié)點、坐標(biāo)之間的相交、鏈接、連通和包含關(guān)系，具體包括線拓撲關(guān)系檢查和面拓撲關(guān)系檢查。拓撲關(guān)系檢查是空間分析和網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。拓撲質(zhì)量檢查項主要包括自相交、打折、懸掛點、拓撲面、懸掛線、地物重疊和兩線相交。

①自相交檢查，檢查折線或曲線自身存在交點的情況；②打折檢查，檢查線要素是否存在2 個連續(xù)的銳角或直角且線段節(jié)點數(shù)大于等于6 個；③懸掛點檢查，當(dāng)一條線的端點（起點或重點）位置上沒有其他線對象的節(jié)點時，該端點就為懸掛點；④拓撲面檢查，在矢量化過程中所產(chǎn)生的小的閉合多邊形，而在拓撲關(guān)系的構(gòu)建過程中構(gòu)成不合法的面；⑤懸掛線檢查，檢查在數(shù)據(jù)采集過程中是否存在由于主觀或客觀的原因所產(chǎn)生的孤立的線；⑥地物重疊檢查，地物重疊是指點、線、面、注記等實體在某容差范圍內(nèi)重疊；⑦線相交檢查，對不合理的線相交情況進行檢查，如等高線相交等。

1.2.7 沖突關(guān)系規(guī)則

①交通重線檢查，交通層中有關(guān)目標(biāo)坐標(biāo)重合；②隧道橋梁重復(fù)檢查，隧道和橋梁坐標(biāo)完全重合的檢查；③點要素重合檢查，檢查同層點要素是否重合；④微短線檢查，檢查是否存在小于等于最小長度限差的線要素；⑤單一地名對應(yīng)多實體檢查，檢查單一地名是否對應(yīng)多個實體。

1.3 模板庫設(shè)計

模板匹配法是借助模板文件來識別數(shù)據(jù)缺陷的方法。模板是由各種質(zhì)檢規(guī)則的集合，是為了處理特定種類地理信息空間質(zhì)量數(shù)據(jù)的質(zhì)檢人為制定的方案，具體檢查模板如下：①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢查模板，是對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)文件的整體結(jié)構(gòu)進行動態(tài)檢查；②屬性檢查模板，一般包括單屬性類型檢查和多屬性類型檢查，檢查數(shù)據(jù)文件中所有要素的屬性項是否符合規(guī)范且完整準(zhǔn)確；③圖形檢查模板，檢查不同數(shù)據(jù)圖層質(zhì)檢的圖形相關(guān)性是否合理，包括單一圖層檢查和多圖層檢查，單一圖層檢查較為簡單，只需檢查各要素之間是否存在重疊關(guān)系，而多圖層檢查較為復(fù)雜，需要檢查不同圖層之間是否存在圖形不合理；④屬性圖形約束檢查模板，圖形之間不僅存在空間拓撲關(guān)系，由于特殊地物的存在導(dǎo)致圖形之間的屬性亦有可能存在特殊關(guān)系，比如懸掛點只能存在與線要素為鐵路網(wǎng)格，其他道路屬性不可存在單一懸掛點。

1.4 算法庫設(shè)計

按照基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢查算法進行分類歸納形成算法庫。具體分為拓撲關(guān)系檢查、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、屬性數(shù)據(jù)檢查、接邊檢查和空間關(guān)系合理性檢查等5 類。基本算子是各種地圖數(shù)據(jù)缺陷，尤其是空間關(guān)系缺陷識別算法建立的基礎(chǔ)。具體算子分類如下。

1.4.1 拓撲關(guān)系檢查算子

①線段自相交檢查算子，讀入線要素并判斷該要素是否存在重疊現(xiàn)象；②線段打折檢查算子，讀入線要素并依次選擇3 個相鄰的節(jié)點計算夾角，若角度值為銳角則存在打折錯誤；③兩線相交檢查算子，依次讀入2 個線要素，并計算其外接矩形范圍，將線要素兩兩對比判斷是否存在兩線相交；④公共邊重復(fù)檢查算子，按屬性代碼依次讀入每條面邊線要素，將要素范圍進行兩兩對比，如存在范圍重疊且端點一致則存在公共邊重復(fù)。

1.4.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)檢查算子

①坐標(biāo)系統(tǒng)檢查算子，檢查數(shù)據(jù)文件坐標(biāo)系統(tǒng)是否存在于數(shù)據(jù)庫中且合理。②圖幅范圍檢查算子，檢查數(shù)據(jù)文件地理范圍是否符合規(guī)范。③投影參數(shù)檢查算子，通過對圖廓點坐標(biāo)進行校驗實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)正確性的檢查。④平面精度檢查算子，以固定點為基礎(chǔ)檢查圖幅與實際地物的平面精度，是否偏移過大。

1.4.3 屬性數(shù)據(jù)檢查算子

①屬性項檢查算子，檢查基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的屬性項是否正確，包括屬性字符數(shù)、屬性類型與屬性合理性。②屬性值檢查算子，屬性值檢查算子是檢查圖層各要素屬性值是否正確，是否存在空值、超限值或非法字符等。

1.4.4 數(shù)字高程模型精度評估算子

數(shù)字高程模型的精度一般是指數(shù)字高程模型柵格數(shù)據(jù)高程值與實際高程值的差異，具體如下。

1）誤差均值

2）標(biāo)準(zhǔn)差

3）均方根誤差

N 為柵格數(shù)量，Hi為第i 個柵格的高程數(shù)值，Href為第i 個柵格所在位置的實際高程數(shù)值。

2 4 種數(shù)據(jù)庫互聯(lián)關(guān)系

算法庫是各種地圖數(shù)據(jù)缺陷尤其是空間關(guān)系缺陷識別算法建立的基礎(chǔ)，是基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢查基本算子的集成。規(guī)則庫是對各類基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的完整性、一致性、空間關(guān)系與屬性信息的正確性進行檢查的邏輯規(guī)則。規(guī)則庫的構(gòu)建需要對各類地理信息產(chǎn)品的質(zhì)量要求進行充分調(diào)研并抽象為相應(yīng)的檢查規(guī)則，建立正確的、完備的、可靈活擴展的規(guī)則庫。模板庫是根據(jù)作業(yè)細則、圖示規(guī)范、數(shù)據(jù)模型、地理信息要素編碼和制圖規(guī)則等確立的質(zhì)量檢查流程，是對規(guī)則庫的有機集成，其中涉及對算法庫中基礎(chǔ)算子的調(diào)用。模板庫可以輔助空間關(guān)系缺陷、數(shù)據(jù)形式缺陷等的自動識別，達到靈活的自動識別各類基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品缺陷和應(yīng)用的目的。模型庫是針對各類缺陷識別和各類基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量特征進行定性或定量描述的模型集合，4 種數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)關(guān)系圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫互聯(lián)關(guān)系圖

以多幅矢量地圖數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)庫調(diào)用方法如圖2 所示，根據(jù)質(zhì)檢任務(wù)選擇待檢圖層及質(zhì)檢方案，質(zhì)檢方案由4 種數(shù)據(jù)庫共同確定，模型庫根據(jù)任務(wù)需求配置相應(yīng)的評價模型并設(shè)定模型評價因子及各因子權(quán)重。規(guī)則庫按照質(zhì)檢任務(wù)配置質(zhì)檢規(guī)則，選擇空間關(guān)系檢查規(guī)則（要素落水檢查、水域面進入植被面檢查和街道出街區(qū)等）和拓撲關(guān)系檢查規(guī)則（懸掛點檢查、拓撲面檢查、懸掛線檢查和地物重疊檢查等），模板庫依照質(zhì)檢任務(wù)配置相應(yīng)模板，選擇屬性檢查模板（屬性值域檢查、屬性內(nèi)容一致性檢查和屬性值唯一性檢查等），然后算法庫匹配相應(yīng)算子，4 種數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成質(zhì)檢方案與流程。最后經(jīng)過計算機自動檢查和人工檢查后輸出質(zhì)檢結(jié)果。

圖2 矢量地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)庫聯(lián)動流程

3 結(jié)束語

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的質(zhì)量是行業(yè)應(yīng)用的基石，面對目前爆炸式增長的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)量，如何利用自動化檢查軟件對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)高效地進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查是當(dāng)前面臨的難點問題[13]。本文對傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件數(shù)據(jù)庫進行重新設(shè)計，提出了模型庫、模板庫、算法庫和規(guī)則庫并行的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案，該設(shè)計使得基礎(chǔ)地理信息質(zhì)量檢查軟件可以靈活應(yīng)對不同種類數(shù)據(jù)的復(fù)雜質(zhì)檢任務(wù)，極大地增加了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件的質(zhì)檢效率、擴展性與可維護性，該數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案可為后續(xù)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件提供參考。