地圖數(shù)據(jù)多比例尺級(jí)聯(lián)更新方式研究

藍(lán)秋萍，李 嘉

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098）

一、引 言

保持地圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性就是能夠及時(shí)地對(duì)地圖及其數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，而隨著社會(huì)發(fā)展的日新月異，地圖數(shù)據(jù)的更新變成了一項(xiàng)長(zhǎng)期而繁雜的任務(wù)。長(zhǎng)期以來，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新都是通過手工來完成的，自動(dòng)化程度都很低，人工干預(yù)仍然是主要的過程，全自動(dòng)化的地理數(shù)據(jù)更新依然是一件很困難的事情［1］。另外，地圖數(shù)據(jù)更新不僅要解決某個(gè)比例尺下的數(shù)據(jù)更新問題，而且還要解決多個(gè)比例尺數(shù)據(jù)之間的級(jí)聯(lián)更新問題，以保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性［2］。因此，本文地圖數(shù)據(jù)多尺度級(jí)聯(lián)更新的目的是在某個(gè)相對(duì)較大比例尺地圖數(shù)據(jù)更新的情況下，實(shí)現(xiàn)各級(jí)較小比例尺地圖數(shù)據(jù)的自動(dòng)級(jí)聯(lián)更新。

在實(shí)際生產(chǎn)中常見的更新方法有:實(shí)地測(cè)量、攝影測(cè)量、航片測(cè)圖和地形圖縮編法。其中，實(shí)地測(cè)量、航片測(cè)圖或遙感影像測(cè)圖均可以更新大、中比例尺數(shù)據(jù)，但每種比例尺數(shù)據(jù)都如此更新，顯然成本太高?？s編更新是基于地圖自動(dòng)綜合的理論技術(shù)，用新的大比例尺數(shù)據(jù)更新舊的大比例尺及各級(jí)較小比例尺數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)縮編更新不僅節(jié)省人力物力，而且可縮短更新周期，并使各比例尺數(shù)據(jù)具有一致性。特別是我國(guó)經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)基本建成或正在建設(shè)具有系列比例尺的多尺度空間數(shù)據(jù)庫(kù)，縮編更新小比例尺數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢(shì)［3-5］。

本文提出了針對(duì)我國(guó)中小比例尺地圖數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)更新的方式:增量式縮編級(jí)聯(lián)更新方式，即在原有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上只對(duì)發(fā)生變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)更新，并將這些變化更新傳遞到下一級(jí)小比例尺數(shù)據(jù)上，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)比例尺數(shù)據(jù)的級(jí)聯(lián)更新。

二、地圖數(shù)據(jù)增量式縮編級(jí)聯(lián)更新的工作過程

增量式縮編更新方式的具體工作流程如圖1所示。這個(gè)流程主要包括5個(gè)環(huán)節(jié):數(shù)據(jù)整合、變化檢測(cè)、數(shù)據(jù)刪替、關(guān)系協(xié)調(diào)和級(jí)聯(lián)判斷。

圖1 增量式地圖數(shù)據(jù)多尺度級(jí)聯(lián)更新流程圖

1)數(shù)據(jù)整合:由于更新來源數(shù)據(jù)各異，在空間參考、數(shù)據(jù)精度、屬性信息詳細(xì)程度、語(yǔ)義表達(dá)等方面都不盡相同，因此要利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)匹配，就需要對(duì)它們預(yù)先進(jìn)行整合處理，以使它們具有統(tǒng)一的空間地理坐標(biāo)系，同時(shí)整合屬性信息到數(shù)據(jù)庫(kù)中相似的字段中，以便進(jìn)行語(yǔ)義和幾何兩個(gè)方面的匹配。

2)變化檢測(cè):比較新舊比例尺地圖數(shù)據(jù)，自動(dòng)尋找變化要素，獲取綜合要素集和刪除要素集。其中，綜合要素集中包含了新大比例尺地圖數(shù)據(jù)上新增的要素和部分變化的要素;刪除要素集中包含了消失的要素和部分變化的要素，刪除要素集的獲取應(yīng)根據(jù)變化檢測(cè)數(shù)據(jù)源尺度的不同需要進(jìn)行不同的處理。采用這種處理方式是因?yàn)楣P者希望對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的操作僅僅是增加和刪除，以降低數(shù)據(jù)刪替環(huán)節(jié)的復(fù)雜度。對(duì)于發(fā)生部分變化的要素來說，首先從較小比例尺數(shù)據(jù)庫(kù)中將這些要素全部刪除，然后把經(jīng)過地圖綜合更新后的要素再全部加入較小比例尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3)數(shù)據(jù)刪替:對(duì)于刪除要素集進(jìn)行跨尺度匹配操作，在舊較小比例尺上刪除這些要素，然后與綜合要素集中的要素合并后進(jìn)行基于增量信息的綜合縮編操作，得到初步更新的地圖數(shù)據(jù)與新增要素集兩個(gè)數(shù)據(jù)。其中，新增要素集中存放的是新增加的部分變化與新增的較小比例尺數(shù)據(jù)，方便歷史數(shù)據(jù)的回溯分析及作為下一級(jí)比例尺數(shù)據(jù)更新的輸入。

4)關(guān)系協(xié)調(diào):進(jìn)行拓?fù)渲亟ㄅc關(guān)系協(xié)調(diào)，從而獲取較小比例尺地圖數(shù)據(jù)的更新。

5)級(jí)聯(lián)準(zhǔn)備:此時(shí)完成一個(gè)比例尺的地圖數(shù)據(jù)更新，若還有下一級(jí)小比例尺數(shù)據(jù)需要更新，則無需進(jìn)行變化檢測(cè)，只需要清空綜合要素集的記錄，然后把新增要素集中的記錄復(fù)制到綜合要素集中，再一次進(jìn)行跨尺度匹配和綜合縮編操作，直到?jīng)]有更小比例尺需要更新為止。

顯然，利用這種更新方式實(shí)現(xiàn)多尺度地圖數(shù)據(jù)的級(jí)聯(lián)更新，在待更新的地圖數(shù)據(jù)大于兩個(gè)尺度的情況下，用于更新的變化要素僅需要檢測(cè)一次即可，在保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性和一致性的前提下，節(jié)省了變化的多次判讀過程，大大節(jié)約了數(shù)據(jù)更新的人力和物力。

三、增量式數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)更新關(guān)鍵技術(shù)

1.多尺度空間目標(biāo)匹配技術(shù)

多尺度空間目標(biāo)匹配的目的是通過一系列的空間實(shí)體相似度指標(biāo)，識(shí)別出同一地區(qū)不同時(shí)相、不同尺度地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的同名實(shí)體，從而建立兩個(gè)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)之間同名實(shí)體之間的連結(jié)。本文研究空間目標(biāo)匹配的目的是為了數(shù)據(jù)更新的需要，在變化檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理階段都需要使用到。

空間目標(biāo)多尺度匹配過程實(shí)際上包含了3個(gè)步驟:基于語(yǔ)義的預(yù)匹配、基于空間拓?fù)潢P(guān)系的粗匹配和線目標(biāo)與面目標(biāo)的精確匹配。其中，語(yǔ)義匹配是使兩個(gè)待匹配的區(qū)域表示統(tǒng)一的專題內(nèi)容，以減少候選匹配集的數(shù)量;粗匹配主要利用源目標(biāo)和匹配目標(biāo)的空間拓?fù)潢P(guān)系形成候選匹配集，建立源目標(biāo)與匹配目標(biāo)的映射關(guān)系。多尺度空間目標(biāo)的匹配關(guān)系除了1∶1以外，還普遍存在1∶N或N∶M的情況，因而這個(gè)與源目標(biāo)匹配的候選集里就可能包含多個(gè)匹配目標(biāo)。因此，為了獲取候選集中與源目標(biāo)最佳的匹配目標(biāo)，還需要進(jìn)行精確匹配。所謂的精確匹配指的是不同地圖上目標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于發(fā)生了變化的目標(biāo)也可以建立這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，需要引進(jìn)匹配相似度概念，用來確定空間目標(biāo)是否發(fā)生了變化。匹配相似度指的是不同地圖上兩實(shí)體各種指標(biāo)的相似程度(如線要素通過長(zhǎng)度、角度、首尾連通度幾個(gè)指標(biāo)確定相似度;面要素通過面積、周長(zhǎng)和形狀幾個(gè)指標(biāo)確定相似度)，匹配相似度越接近1，表明兩目標(biāo)越匹配，發(fā)生變化的可能性越小;匹配值遠(yuǎn)離1，則表明兩目標(biāo)匹配程度不高，發(fā)生變化的可能性大。為了能夠根據(jù)匹配相似度值確定地物是否發(fā)生變化，需要設(shè)置匹配閾值范圍，在范圍內(nèi)的就認(rèn)為沒有發(fā)生變化，而匹配相似度在閾值范圍外的則認(rèn)為發(fā)生了變化。

為了便于在多尺度空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立后進(jìn)行快速查詢、分析和更新，可在相鄰比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行要素匹配時(shí)，在其所屬數(shù)據(jù)庫(kù)中分別建立匹配關(guān)聯(lián)表(見表1)，用來存儲(chǔ)大小比例尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 匹配關(guān)聯(lián)表結(jié)構(gòu)

這種關(guān)聯(lián)關(guān)系通過在相鄰兩個(gè)比例尺數(shù)據(jù)庫(kù)中建立匹配關(guān)聯(lián)表來實(shí)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)表的設(shè)計(jì)完全按照數(shù)據(jù)庫(kù)建表要求。表1為關(guān)聯(lián)表的字段結(jié)構(gòu)，該表中記錄了當(dāng)前目標(biāo)的ID號(hào)LoDSID、在相鄰的大比例尺中關(guān)聯(lián)目標(biāo)的ID號(hào)LoDBID，以及它們的匹配相似度MatchNum。通過在每?jī)蓚€(gè)相鄰比例尺中建立該關(guān)聯(lián)表，即可以查詢當(dāng)前目標(biāo)在相鄰大比例尺中對(duì)應(yīng)的目標(biāo)和匹配相似度。同時(shí)，若知道相鄰大比例尺中的目標(biāo)ID號(hào)，根據(jù)本關(guān)聯(lián)表還可以查詢出其相鄰小比例尺中的對(duì)應(yīng)目標(biāo)。如查詢大比例尺中ID為QueryID的目標(biāo)在相鄰小比例尺中的對(duì)應(yīng)目標(biāo)，通過執(zhí)行如下查詢語(yǔ)句即可

SELECT LoDSID FROM ［InfoTable］ WHERE LoDBID=QueryID

SELECT DISTINCT LoDBID FROM［InfoTable］WHERE LoDSID IN(SELECT LoDSID FROM ［InfoTable］ WHERE LoDBID=QueryID)

SELECT MatchNum FROM ［InfoTable］WHERE LoDBID=QueryID

2.多尺度空間變化檢測(cè)技術(shù)

變化檢測(cè)的目的是為了檢測(cè)地表的真正變化，但是這種真正變化的檢測(cè)卻受多方面因素影響，如數(shù)據(jù)源及環(huán)境、用于表達(dá)真實(shí)地表的數(shù)字介質(zhì)對(duì)地形的表現(xiàn)手段、變化檢測(cè)的技術(shù)、地圖綜合技術(shù)等因素。對(duì)于不同比例尺下的幾何變化檢測(cè)來說，地圖綜合技術(shù)的影響將會(huì)被重點(diǎn)考慮。

本文變化檢測(cè)有兩種情形:同比例尺輔助下的變化檢測(cè)和跨比例尺變化檢測(cè)。顧名思義，前一種檢測(cè)的數(shù)據(jù)源是相同比例尺，因而變化的判讀相對(duì)簡(jiǎn)單，而后一種的數(shù)據(jù)源是一大一小兩個(gè)比例尺，變化檢測(cè)面臨著地圖綜合這一難題，變化的判讀受到地圖綜合的影響，使得變化有“真”和“偽”之分。所幸的是對(duì)于本文來說，變化檢測(cè)只是為了輔助檢測(cè)出那些“可能發(fā)生的變化”，而對(duì)于這種變化應(yīng)先盡可能地排除諸如地圖綜合帶來的影響，從而減少對(duì)這些變化的后期處理工作。而且本文工作的前提是寧可多檢測(cè)出變化地物，而不能漏掉其中的任意一個(gè)，盡管這會(huì)增加候選的工作量，但是對(duì)于質(zhì)量保證是安全的。因此，要做的工作是首先排除完全沒有發(fā)生變化的地物，然后判斷地物是新增還是消失。對(duì)于新增和消失的處理方式是完全不一樣的，一個(gè)是地圖綜合操作;一個(gè)是刪除操作，而剩余的地物都將作為發(fā)生了部分變化的地物，對(duì)于這些地物，既要在對(duì)應(yīng)小比例尺中刪除，又要與新增地物一起參加地圖綜合以用于小比例尺地圖的更新。對(duì)于某個(gè)地物來說，它應(yīng)該是消失的還是部分變化的，或者應(yīng)該是新增的還是部分變化的，可以不用去深入追究，只需要將這種地物看成是刪除要素或者綜合要素即可。

四、實(shí) 例

試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是某地區(qū)4幅更新過的1∶1萬地圖、1幅1∶5萬舊地圖和1幅1∶10萬舊地圖，如圖2所示。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在舊的1∶1萬地圖，因而這次數(shù)據(jù)更新中變化檢測(cè)是跨尺度的，試驗(yàn)中涉及的變化參數(shù)，即匹配相似值的閾值范圍要相對(duì)同比例尺變化檢測(cè)范圍要寬一些，因?yàn)榈貓D綜合會(huì)對(duì)地物的幾何形狀帶來影響，采用的閾值范圍為(0.85～1.15)。試驗(yàn)流程如圖1所示，首先更新1∶5萬地圖，通過多尺度空間目標(biāo)匹配與變化檢測(cè)技術(shù)得到圖3(a)需要在1∶5萬地圖中刪除的要素集S和圖3(c)的1∶1萬綜合要素集;然后進(jìn)行基于增量信息的地圖綜合及關(guān)系協(xié)調(diào)后，得到圖4(a)的新1∶5萬地圖數(shù)據(jù)，同時(shí)得到圖3(d)1∶5萬新增要素集，以用于后一個(gè)比例尺數(shù)據(jù)的更新;此后進(jìn)一步更新1∶10萬地圖，根據(jù)圖1級(jí)聯(lián)判斷環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)過多尺度空間目標(biāo)匹配技術(shù)得到需要在1∶10萬地圖中刪除的要素集S(如圖3(b)所示)，以及經(jīng)過處理后得到圖3(e)的1∶5萬綜合要素集;最后進(jìn)行基于增量信息的地圖綜合及關(guān)系協(xié)調(diào)后，得到圖4(b)的新1∶10萬地圖數(shù)據(jù)，同時(shí)得到圖3(f)的1∶10萬新增要素集，以用于后一個(gè)比例尺數(shù)據(jù)的更新。若數(shù)據(jù)庫(kù)中還有1∶25萬、1∶50萬等地圖等待更新，可以依次用此方法繼續(xù)。

圖2 3個(gè)比例尺地形圖

圖3 居民地更新過程臨時(shí)數(shù)據(jù)

圖4 更新后兩個(gè)比例尺居民地

五、結(jié)束語(yǔ)

本文為地圖數(shù)據(jù)多比例尺級(jí)聯(lián)式更新應(yīng)用提出了一種切實(shí)可行的方法:增量式縮編級(jí)聯(lián)更新方法，并對(duì)該方法中的多尺度空間目標(biāo)匹配技術(shù)、多尺度空間變化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了剖析。本方法正確率和效率較高，已在某市1∶2.5 萬、1∶5 萬、1∶10 萬和1∶25萬地圖數(shù)據(jù)更新中應(yīng)用。但本方法也存在一些有待進(jìn)一步研究的問題，如在地圖數(shù)據(jù)變化率大且范圍廣的情況下可能導(dǎo)致這種增量更新方式的速度變慢，而應(yīng)該考慮其他的更新方式如基于幅面的更新方法;對(duì)地物變化與不變化的判斷主要取決于匹配相似表中的匹配相似度，并通過一個(gè)閾值范圍來確定變化與否，若閾值范圍小則會(huì)造成變化地物量增加，若偏大則會(huì)造成變化地物的缺失，如何確定該范圍或者換一種方法判斷地物是否發(fā)生變化需要作進(jìn)一步研究。

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