空間數(shù)據(jù)庫更新模式、技術(shù)與方法

白立舜，李進(jìn)強

(1.北京清華山維新技術(shù)開發(fā)公司，北京 100086;2.閩江學(xué)院地理科學(xué)系，福建福州 350108)

由于現(xiàn)實世界空間實體及其相互關(guān)系隨時間不斷發(fā)生變化，使地理空間數(shù)據(jù)庫的持續(xù)更新既是一項長期艱巨任務(wù)，又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它不僅涉及空間信息管理體制、經(jīng)費來源等問題，而且還涉及一系列與初始建庫不同的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)問題，更新技術(shù)是目前公認(rèn)的一個普遍性的難題。

1 空間數(shù)據(jù)庫更新面臨的形勢和任務(wù)

1.1 空間數(shù)據(jù)庫更新面臨的形勢

據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球地形圖的更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其生產(chǎn)速度。就連美國這樣的超級大國，其測繪部門生產(chǎn)的5.5萬多幅地圖中也有不少地形圖的平均年齡為23年。

目前國內(nèi)空間信息在資源調(diào)查、城市規(guī)劃管理、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防治等各項工作中已發(fā)揮重要作用，并成為行政管理、業(yè)務(wù)管理與決策工作中不可或缺的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但空間信息產(chǎn)品的時效性滯后于現(xiàn)實發(fā)展變化的矛盾日益突出，即使在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份，也只有5年更新周期的1∶10000地形圖，一到兩年更新周期的城市大比例尺地形圖，顯然難以滿足資源調(diào)查、交通建設(shè)、災(zāi)害防治、城市建設(shè)與管理等方面應(yīng)用的要求。例如:只有準(zhǔn)實時更新的1∶500～1∶1000基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)才能滿足規(guī)劃審批、房產(chǎn)發(fā)證、宗地確權(quán)等業(yè)務(wù)要求。

以上表明:對空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持續(xù)更新、以保持空間數(shù)據(jù)庫中的信息與現(xiàn)實存在的一致性，已成為世界各國政府測繪部門的長期重要使命。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫更新的主要任務(wù)

空間數(shù)據(jù)庫更新的主要任務(wù)是:綜合地利用各種來源的現(xiàn)勢資料，如最新航空航天影像、專題調(diào)查數(shù)據(jù)、竣工實測數(shù)據(jù)等，確定和測定一定范圍內(nèi)基礎(chǔ)地理要素，如道路、水系、居民地、地形、地名、行政界線等的位置變化及屬性變化［1］，對原有數(shù)據(jù)庫要素進(jìn)行增刪、替換、關(guān)系協(xié)調(diào)等處理，生成新版數(shù)據(jù)體，并更新用戶數(shù)據(jù)庫。

2 國內(nèi)外空間數(shù)據(jù)庫更新技術(shù)發(fā)展動態(tài)

近幾年，一些發(fā)達(dá)國家的測繪部門已將工作重點從數(shù)據(jù)建庫轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)更新與應(yīng)用上，目前圍繞“更新”這一主題的研究已從初步的理論探索進(jìn)入到實踐階段。

美國地質(zhì)調(diào)查局測繪部從2001年開始計劃建立近實時數(shù)據(jù)更新機制，將數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性保持在幾天或數(shù)月之內(nèi)。英國軍械測量局根據(jù)其實際情況，建立了推掃式和散點式相結(jié)合的更新機制。日本采用基于柵格的更新方法，先更新1∶2.5萬地形圖，再用1∶2.5萬圖更新1∶5萬圖，城市地區(qū)每3年更新一次，郊區(qū)每5年更新一次，山區(qū)每10年更新一次。加拿大測繪署地形信息中心2001年啟動了一項利用Landsat－7影像更新1∶5萬地形數(shù)據(jù)的計劃，每年使用Landsat－7影像更新1000幅以上地形數(shù)據(jù)。

我國一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的省、市在建立更新機制、利用遙感影像獲取變化信息、歷史數(shù)據(jù)存取、增量更新、多尺度級聯(lián)更新等方面進(jìn)行了許多有益的嘗試，并取得一定成效。浙江省測繪局在2006年～2007年已完成1∶10000地形圖快速更新試驗，并已開始規(guī)模性試生產(chǎn)。北京市［2］、廣州市、上海市從2007年開始1∶500城市空間數(shù)據(jù)庫增量更新試驗，目前已逐步形成了各自地方特色的更新模式。2008年北京清華山維公司推出了基于時態(tài)的動態(tài)更新軟件EPSW 2008，上海市、重慶市、福州市［3］、宜昌等城市正在使用中。

3 空間數(shù)據(jù)庫更新模式分析

對于空間數(shù)據(jù)庫，一要進(jìn)行及時更新以保持其生命力，否則就是一個“死庫”;二是要進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，以充分挖掘它的價值。前者屬于數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門的工作范疇，十分看重采集更新工藝流程的連貫性，這個直接面向更新生產(chǎn)的空間數(shù)據(jù)庫稱之為“主數(shù)據(jù)庫”。

后者屬于管理和應(yīng)用部門的工作范疇，看重的是現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析與使用，他們一方面希望數(shù)據(jù)庫是最新的，另一方面要求保持一定的面對應(yīng)用的專用性與穩(wěn)定性。如果針對一個集中數(shù)據(jù)庫要求同時負(fù)擔(dān)完成更新與應(yīng)用兩個方面的工作，顯然是不盡合理，也沒必要。也就是實踐上必須將應(yīng)用數(shù)據(jù)庫與生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫相分離，這個面向應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)庫稱之為“用戶數(shù)據(jù)庫”。

3.1 主數(shù)據(jù)庫更新模式

(1)整體更新

目前的空間數(shù)據(jù)更新采用的主要方式是對空間數(shù)據(jù)庫有效范圍內(nèi)發(fā)生變化的某區(qū)域進(jìn)行的整體更新，更新區(qū)域可以是行政區(qū)單元，自然分割的網(wǎng)格區(qū)域或一個圖幅。這種方法，都是以分塊為單位進(jìn)行的新舊數(shù)據(jù)整體替換，忽略區(qū)域內(nèi)已變要素與未變要素的差異。

整體更新的主要優(yōu)點按一定區(qū)域(或大或小)將空間數(shù)據(jù)庫化整為零，生產(chǎn)組織與管理比較方便，技術(shù)工藝比較簡單容易掌握。但難以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新(特別是區(qū)域劃分較大時)，也不利于歷史數(shù)據(jù)保留，或者為保存歷史版本產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)冗余。

(2)增量更新

空間數(shù)據(jù)更新的實質(zhì)是空間實體狀態(tài)改變的過程，因此空間數(shù)據(jù)更新不是簡單區(qū)域替換。近年來業(yè)界提出“增量更新”［4］更新模式。它采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型存儲空間要素，空間實體相互獨立而完整(實體之間拓?fù)潢P(guān)系是隱含存在的，一般在分析時臨時建立)，原則上對單個實體增加、刪除、修改不影響其他要素實體，因此歷史數(shù)據(jù)只需要保留發(fā)生變化的要素(即增量信息)。

“增量更新”較好地解決了空間實體的動態(tài)更新和歷史信息存儲問題，是今后的發(fā)展方向，但技術(shù)比較復(fù)雜，存在一定的技術(shù)風(fēng)險。

(3)多尺度級聯(lián)更新

多尺度級聯(lián)更新技術(shù)是利用基礎(chǔ)大比例尺數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新次級比例尺數(shù)據(jù)，迅速建立不同比例的金字塔結(jié)構(gòu)。理想的境界是系統(tǒng)自動處理后直接使用，不需要任何人工干預(yù)。由于制圖綜合的復(fù)雜性，目前尚處于半自動化水平，完全自動化級聯(lián)更新技術(shù)存在許多技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究。

3.2 用戶數(shù)據(jù)庫更新模式

(1)同構(gòu)數(shù)據(jù)庫更新

由于技術(shù)和歷史的原因，一個城市(或區(qū)域)各應(yīng)用領(lǐng)域無法共享一個空間數(shù)據(jù)庫，往往是各部門為滿足各自的需要都有自己獨立運行的空間數(shù)據(jù)庫。同構(gòu)用戶數(shù)據(jù)庫可以看做是各應(yīng)用領(lǐng)域(規(guī)劃/國土/房地產(chǎn)/交通/市政等)同時使用多個空間數(shù)據(jù)庫副本，或者雖然數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)上有所不同，但邏輯上遵循統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

同構(gòu)數(shù)據(jù)庫更新，可在主數(shù)據(jù)庫更新完成后，用主數(shù)據(jù)庫整理好的更新信息對用戶數(shù)據(jù)庫副本的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行更新。如果主數(shù)據(jù)庫采用增量更新，則可以通過網(wǎng)絡(luò)、建立主數(shù)據(jù)庫和各用戶數(shù)據(jù)庫之間的增量更新管道，向各用戶數(shù)據(jù)庫發(fā)送增量更新信息(通?？蓺w納為:增加/刪除/修改三類)，用戶數(shù)據(jù)庫收到增量信息后啟動“同步程序”達(dá)成增量更新的同步，這種同步也可在非工作時間自動調(diào)度完成，不影響數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，這是本文建議的一種形式。

(2)異構(gòu)用戶數(shù)據(jù)庫

如果使各行業(yè)用戶數(shù)據(jù)庫都能夠保持同構(gòu)狀態(tài)，顯然用戶數(shù)據(jù)庫的更新問題將極大簡化，但實際上幾乎找不到這樣的城市，往往由于條塊分割、各自為政、GIS提供商激烈競爭等原因，使得異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫普遍存在(例如:DWG 庫、MapInfo、SupperMap、MapGIS、GeoStar等等)，即使使用相同GIS平臺軟件，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也常常不一樣。

如果用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)差異太大，通過數(shù)據(jù)的二次加工使之符合用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可能是主數(shù)據(jù)庫提供更新信息的唯一途徑。事實上，早期由于缺乏對空間信息更新的長期性與艱巨性的認(rèn)識，以前很多行業(yè)數(shù)據(jù)庫建庫就是這樣做的。

如果用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)在信息語義層面上能夠基本保持一致，則可望通過“信息映射”(EPS2008的跨要素類型轉(zhuǎn)換技術(shù))技術(shù)對主數(shù)據(jù)庫的更新信息進(jìn)行映射變換，達(dá)成同構(gòu)數(shù)據(jù)庫相同的效果，從而降低對用戶數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求，最大限度兼容已經(jīng)存在的歷史數(shù)據(jù)。

4 空間數(shù)據(jù)庫更新的關(guān)鍵技術(shù)與方法

(1)基于時態(tài)的增量更新技術(shù)

GIS所描述的現(xiàn)實世界是隨時間連續(xù)變化的，但當(dāng)空間對象隨時間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關(guān)緊要時，可以采用離散的“數(shù)據(jù)更新”方式來處理時間變化的影響。

EPS2008正是借鑒這一時態(tài)GIS思想，將時間屬性作為空間對象必須的基本屬性，在時間維上，將無序的更新業(yè)務(wù)，統(tǒng)一成先后有序的更新事件，妥善解決了更新沖突問題。同時采用增量方式管理歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)冗余小，信息記錄全，支持歷史回溯與動態(tài)回放。實現(xiàn)了基于時態(tài)的增量更新，允許離線狀態(tài)下的多個更新業(yè)務(wù)的相互獨立進(jìn)行［5］。

主要技術(shù)難點包括:時間參考系(更新平臺支持空間實體的時間屬性)、更新事件管理、沖突檢測與處理、歷史回溯等。

(2)信息映射技術(shù)

“信息映射機制”通過語義級自動映射，使分布異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫自動更新成為可能。EPS“信息映射技術(shù)”是國家自然科學(xué)基金項目研究成果，通過模板實現(xiàn)映射關(guān)系定制，即在模板中設(shè)置不同系統(tǒng)中基本信息單元的對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系可以是一對一，也可以是一對多。不同信息之間“信息映射”通過打散、拆分、過濾及重組等方式實現(xiàn)，最終實現(xiàn)跨平臺的、異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)對接。

(3)GIS環(huán)境下動態(tài)符號化

如何避免外業(yè)數(shù)據(jù)更新采集平臺與GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間差異，是消除異構(gòu)性危害的重要環(huán)節(jié)。

《理化檢驗-化學(xué)分冊》為國內(nèi)理化檢驗行業(yè)權(quán)威期刊，已被列為中文核心期刊、中國期刊方陣雙效期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫收錄期刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊、美國《CA》千種表收錄期刊、英國皇家化學(xué)學(xué)會《分析文摘》(AA)及《質(zhì)譜學(xué)通報(增補)》(MPBS)收錄期刊、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)和中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫收錄期刊。曾多次獲得上海市優(yōu)秀期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊和“百種中國杰出學(xué)術(shù)期刊”等稱號。

EPS2008系統(tǒng)采用了支持統(tǒng)一模版的GIS控件技術(shù)(ArcSym I)，使存儲為GIS數(shù)據(jù)的信息與圖形保持統(tǒng)一，從而建立了外業(yè)更新采集平臺與數(shù)據(jù)庫管理平臺的快速通道。與其他方案［6］(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等)相比，外業(yè)、內(nèi)業(yè)和地理信息系統(tǒng)不存在轉(zhuǎn)換，只存在轉(zhuǎn)儲，因此更加符合信息化思想。

(4)智能化地圖縮編技術(shù)

EPS智能縮編技術(shù):大量應(yīng)用了EPS信息映射技術(shù)，從而使復(fù)雜的工作簡化，自動化程度很高，目前效率已達(dá)同類產(chǎn)品的3倍左右。人工的工作基本局限在處理注記壓蓋等細(xì)節(jié)，因此有時，一些小比例數(shù)據(jù)，也可自動處理后直接入庫，不做任何人工工作，直接使用。

(5)更新管道技術(shù)

更新管道是連接主數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫的橋梁，包括主數(shù)據(jù)庫端“信息發(fā)送器”，用戶數(shù)據(jù)庫端“信息接收器”，“更新同步器”三個組成部分。在Windows消息隊列的驅(qū)動下，實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)庫同步更新的自動化。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，可以歸納如下結(jié)論:

(2)在難以共享一個集中式空間數(shù)據(jù)庫的情況下，在信息映射技術(shù)支持下通過更新管道同步更新用戶數(shù)據(jù)庫是比較現(xiàn)實的選擇。

(3)隨著各種空間信息共享水平和更新技術(shù)的不斷進(jìn)步以及GPS、數(shù)碼攝影測量方法的廣泛采用，必將大幅度改善或提高空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)現(xiàn)實性。

本文主要考慮當(dāng)前我國空間信息服務(wù)還處于獨立建庫的狀態(tài)下，如何有效構(gòu)建用戶空間數(shù)據(jù)庫更新服務(wù)體系的問題。但對于基于集中數(shù)據(jù)庫的共享模式、原則上可以將集中數(shù)據(jù)庫看作特殊的用戶數(shù)據(jù)庫，有關(guān)內(nèi)容有待進(jìn)一步研究。

［1］鄒進(jìn)貴，潘正風(fēng)，虞暉等.城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新方法的研究［J］.地理空間信息，2005(6):4～5

［2］羅曉燕，袁燕巖，郭金麗等.北京市數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)庫增量更新技術(shù)的應(yīng)用研究［A］.數(shù)字測繪與GIS技術(shù)應(yīng)用研討會論文集，2008

［3］范江.城市空間數(shù)據(jù)庫更新模式研究［J］.福建建設(shè)科技，2010(2)

［4］周曉光，陳軍，朱建軍.基于事件的時空數(shù)據(jù)庫增量更新［J］.中國圖像圖形學(xué)報，2006(10):1431～1438

［5］基于時態(tài)的城市空間數(shù)據(jù)庫多用戶并發(fā)更新系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.福建建設(shè)科技，2008(3)

［6］操震洲，李清泉.基于ArcSDE和ArcGIS Engine的版本管理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(1):76 ～78