OpenStreetMap數(shù)據(jù)下的空間數(shù)據(jù)更新方法

丁建勛，劉亞楠，張新長(zhǎng)，楊文杰

(1. 珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015； 2. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；3. 廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

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OpenStreetMap數(shù)據(jù)下的空間數(shù)據(jù)更新方法

丁建勛1，劉亞楠1，張新長(zhǎng)2，楊文杰3

(1. 珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015； 2. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；3. 廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

摘要：針對(duì)利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新中存在的現(xiàn)勢(shì)性問(wèn)題，提出了利用OpenStreetMaps數(shù)據(jù)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新的方法。闡述了基于OpenStreetMap數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)更新方法的關(guān)鍵理論與技術(shù)，特別是OpenStreetMap數(shù)據(jù)與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的變化要素檢測(cè)算法:基于格網(wǎng)的匹配檢測(cè)算法和基于幾何量算的變化要素檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，利用珠海市的專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)與相應(yīng)區(qū)域的OpenStreetMap數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，編程實(shí)現(xiàn)了基于OpenStreetMap的空間數(shù)據(jù)更新。

關(guān)鍵詞：OpenStreetMap；空間數(shù)據(jù)；變化要素檢測(cè)；數(shù)據(jù)更新

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS技術(shù)的快速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)地理數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性要求越來(lái)越高[1]。如何保持空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性已經(jīng)成為目前GIS界面臨的重要課題，新興的自發(fā)地理信息(volunteeredgeographicinformation,VGI)為這個(gè)重要的課題提供了一個(gè)全新的解決思路。

VGI是地理信息數(shù)據(jù)獲取的一種全新方式，該數(shù)據(jù)由用戶(hù)進(jìn)行編輯提供，用戶(hù)既是數(shù)據(jù)的使用者，又是數(shù)據(jù)的提供者，即充分發(fā)揮公眾的參與性，填補(bǔ)了當(dāng)前地理數(shù)據(jù)采集的不足，同時(shí)其現(xiàn)實(shí)性高、細(xì)節(jié)豐富、獲取免費(fèi)。目前比較成功的VGI平臺(tái)有OpenStreetMap(OSM)、GoogleMapMarker、維基地圖[2]，本文主要結(jié)合OSM數(shù)據(jù)進(jìn)行更新方法的研究。

一、關(guān)鍵技術(shù)分析

1. OSM數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了使OSM數(shù)據(jù)與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的匹配最優(yōu)化，在進(jìn)行更新操作之前需要對(duì)OSM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)分析OSM數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)其具有以下特點(diǎn)：

1)OSM數(shù)據(jù)中道路數(shù)據(jù)比較豐富，其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息量并不豐富。

2) 道路數(shù)據(jù)分為不同的等級(jí)，包括一級(jí)道路、二級(jí)道路、居民地道路、高速公路、人行道等。

3)OSM數(shù)據(jù)中道路線(xiàn)不僅用單線(xiàn)表示，部分道路線(xiàn)還會(huì)用雙線(xiàn)表示。

4)OSM數(shù)據(jù)中通常一個(gè)要素代表一條道路，與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中差別比較大。

鑒于以上的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，OSM數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括以下4個(gè)部分：①根據(jù)需要提取OSM中的有效數(shù)據(jù)；②提取雙線(xiàn)道路數(shù)據(jù)的中心線(xiàn)；③減少OSM數(shù)據(jù)和專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)之間的幾何誤差；④對(duì)OSM數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分割，使OSM數(shù)據(jù)和專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的匹配盡可能達(dá)到1∶1[3]。

2. 變化要素檢測(cè)

OSM數(shù)據(jù)與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的變化要素檢測(cè)是整個(gè)更新流程的核心部分，變化要素檢測(cè)算法要求能精確、快速地查找出OSM數(shù)據(jù)相對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的變化部分。

本節(jié)基于自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)更新的特點(diǎn)提出了適用于自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)更新的變化要素檢測(cè)方法，分別介紹了格網(wǎng)的劃分方法、利用線(xiàn)要素經(jīng)過(guò)的格網(wǎng)面積計(jì)算重疊度，以及根據(jù)重疊度的數(shù)值判斷要素的變化情況[4]。

(1) 格網(wǎng)的劃分

首先需要建立完全覆蓋OSM數(shù)據(jù)與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的格網(wǎng)，建立格網(wǎng)的步驟如下：

1) 對(duì)比要進(jìn)行變化要素檢測(cè)的OSM數(shù)據(jù)與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的邊界范圍，選取范圍的標(biāo)準(zhǔn)如下

(1)

式中，c表示專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)；p表示OSM數(shù)據(jù)。

2) 選定格網(wǎng)的范圍后，對(duì)數(shù)據(jù)范圍區(qū)域進(jìn)行劃分?？紤]到區(qū)域連續(xù)性、一致性和完整性，根據(jù)OSM數(shù)據(jù)和專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的大小將整個(gè)區(qū)域等分成若干相鄰的等正方形[5]，等分成的小正方形的數(shù)量可用下式表示

(2)

式中，Xmax、Xmin分別表示數(shù)據(jù)范圍的X坐標(biāo)的最大值和最小值；Ymax、Ymin表示數(shù)據(jù)范圍Y坐標(biāo)的最大值和最小值；numX表示X軸方向格網(wǎng)的列數(shù)；numY表示Y軸方向格網(wǎng)的行數(shù)；width表示格網(wǎng)的寬度；height表示格網(wǎng)的高度。

(2) 線(xiàn)目標(biāo)格網(wǎng)索引幾何確定

本文采用的線(xiàn)要素經(jīng)過(guò)格網(wǎng)的集合與線(xiàn)要素的緩沖區(qū)具有圖形上的相似性，可以將格網(wǎng)面要素的集合當(dāng)作線(xiàn)要素的變異緩沖區(qū)，而線(xiàn)要素經(jīng)過(guò)的格網(wǎng)的集合是與線(xiàn)要素相交的格網(wǎng)的集合，不需要重新建立線(xiàn)要素的緩沖區(qū)[6]。

設(shè)線(xiàn)要素的可用節(jié)點(diǎn)的幾何表示為{node1,node2,…,noden}，與線(xiàn)要素相交的格網(wǎng)索引可表示為{Grid1,Grid2,…,Gridm}，如圖1所示。

圖1　線(xiàn)要素相交格網(wǎng)集合

利用相交格網(wǎng)的方法比利用緩沖區(qū)的方法更適用于自發(fā)地理信息與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的變化檢測(cè)匹配，該方法能夠過(guò)濾變化較小的要素，因?yàn)楫?dāng)格網(wǎng)的邊長(zhǎng)設(shè)置一個(gè)合理的值時(shí)，即使要素發(fā)生較小的變化，相交的格網(wǎng)仍然相同或僅有很小部分的差別。可以發(fā)現(xiàn)，由于道路數(shù)據(jù)發(fā)生了微小的改變，但OSM數(shù)據(jù)的相交格網(wǎng)僅發(fā)生了一個(gè)格網(wǎng)的變化，深色框中的格網(wǎng)消失，新增了淺色框中的格網(wǎng)，如圖2所示。

圖2　較小變化的線(xiàn)要素相交格網(wǎng)集合

(3) 重疊度計(jì)算

變化區(qū)域的專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)要素集合為A{a1,a2,…,an}，變化區(qū)域的OSM數(shù)據(jù)要素集合為B{b1,b2,…,bn}。本文利用雙向匹配檢測(cè)法對(duì)變化要素進(jìn)行匹配檢測(cè)，首先利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)對(duì)OSM數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，檢測(cè)出專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)相對(duì)于OSM數(shù)據(jù)中刪除的變化類(lèi)型要素；然后利用OSM數(shù)據(jù)對(duì)專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，檢測(cè)出OSM數(shù)據(jù)相對(duì)于專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)要素新增、移動(dòng)、合并、分割等變化類(lèi)型[7]，見(jiàn)表1。

表1　搜索類(lèi)型表

本文將要素的變化類(lèi)型歸為兩類(lèi)：新增和刪除。

進(jìn)行搜索匹配前，需建立一個(gè)臨時(shí)庫(kù)并新建一個(gè)要素類(lèi)，變化檢測(cè)中變化的要素將存儲(chǔ)在臨時(shí)庫(kù)的變化要素類(lèi)中，此變化要素類(lèi)保留了專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)和OSM數(shù)據(jù)中的屬性字段，同時(shí)新建了兩個(gè)屬性字段，分別用來(lái)存放變化要素在專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)和OSM數(shù)據(jù)中的ID及要素變化類(lèi)型。

利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)線(xiàn)要素的相交格網(wǎng)集合{Grid1,Grid2,…,Gridm}與OSM數(shù)據(jù)線(xiàn)要素的相交格網(wǎng)集合{grid1,grid2,…,gridn}作為操作對(duì)象。

首先利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)對(duì)OSM數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索匹配，即遍歷專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的線(xiàn)要素，判斷OSM數(shù)據(jù)中是否有要素的相交格網(wǎng)集合與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的相交格網(wǎng)集合相交。如果專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的某個(gè)要素的相交格網(wǎng)集合與OSM數(shù)據(jù)中的所有要素的相交格網(wǎng)集合均沒(méi)有相交，則判定參考數(shù)據(jù)中的該要素已經(jīng)在匹配數(shù)據(jù)中刪除，將該要素存入臨時(shí)庫(kù)中并將該要素的操作類(lèi)型賦值為“刪除”。

遍歷OSM數(shù)據(jù)中的線(xiàn)要素，獲得線(xiàn)要素的相交格網(wǎng)集合，判斷專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中是否有要素的格網(wǎng)集合與其相交，如果專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中不存在，則此要素為新增要素，將該要素存入臨時(shí)庫(kù)并將其操作類(lèi)型賦值為“新增”；如果專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中存在要素的格網(wǎng)集合與OSM數(shù)據(jù)中的要素的格網(wǎng)集合相交的要素，則需要計(jì)算數(shù)據(jù)之間要素的重疊度，重疊度的計(jì)算公式如下

S=Area[Grid(Ai)∩Grid(Bi)]/

Area[Grid(Ai)∪Grid(Bi)]

(3)

式中，S表示重疊度；Ai表示專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的要素；Bi表示OSM數(shù)據(jù)中的要素，此要素的格網(wǎng)集合與Ai的格網(wǎng)集合相交；Grid(Ai)表示專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中要素Ai的相交格網(wǎng)集合；Grid(Bi)表示OSM數(shù)據(jù)中的要素Bi的相交格網(wǎng)索引；Area[Grid(Ai)∩Grid(Bi)]表示相交格網(wǎng)集合Grid(Ai)與Grid(Bi)的交集面積；Area[Grid(Ai)∪Grid(Bi)]表示相交格網(wǎng)集合Grid(Ai)與Grid(Bi)的并集面積。

在理想情況下，若專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的要素和OSM數(shù)據(jù)中的要素相比沒(méi)有發(fā)生變化或發(fā)生較微小變化時(shí)，重疊度S應(yīng)等于1[8]。如果專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的要素相對(duì)于OSM數(shù)據(jù)中的要素中發(fā)生了小范圍的移動(dòng)，則S的范圍在0～1之間(不包括0和1)，但在實(shí)際工作中，由于數(shù)據(jù)精度等的原因，通常會(huì)有上下閾值。

重疊度S根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)可以分為以下的情況：

1) 重疊度S=0，說(shuō)明OSM數(shù)據(jù)中的要素為新增的要素。

2) 重疊度0

3) 重疊度Q1

4) 重疊度Q2

5) 重疊度S=1，說(shuō)明OSM數(shù)據(jù)中的要素與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的要素完全匹配，并沒(méi)有發(fā)生任何變化。

當(dāng)檢測(cè)到要素發(fā)生變化時(shí)，將專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)中的要素存入臨時(shí)庫(kù)，將操作類(lèi)型賦值為“刪除”，然后將OSM數(shù)據(jù)中的要素存入臨時(shí)庫(kù)，在操作類(lèi)型中標(biāo)注為“新增”。

3. 空間沖突檢測(cè)

在利用OSM數(shù)據(jù)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新時(shí)，需要對(duì)更新后的道路線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間沖突的檢測(cè)與處理，使最終的數(shù)據(jù)結(jié)果符合現(xiàn)實(shí)地理實(shí)體的表達(dá)。

(1) 沖突約束規(guī)則表達(dá)式

本文在研究空間沖突檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合空間完整性約束表達(dá)式，增加幾何約束規(guī)則和屬性約束規(guī)則，用約束集合的形式表示沖突規(guī)則的約束[9]。

rule={ID，F(xiàn)eaTureClass1，F(xiàn)eatureClass2，

TopoRule，GeoRule，AttriRule}

(4)

式中，ID表示沖突規(guī)則的編號(hào)；FeaTureClass1和FeatureClass2表示規(guī)則約束的要素類(lèi)；TopoRule表示拓?fù)錄_突約束規(guī)則；GeoRule表示幾何度量沖突約束規(guī)則；AttriRule表示屬性沖突約束規(guī)則。

(2) 沖突約束規(guī)則

根據(jù)數(shù)據(jù)間的特點(diǎn)，制定了道路網(wǎng)常用的沖突規(guī)則約束。設(shè)更新后的道路線(xiàn)要素類(lèi)為A，沖突檢查要素類(lèi)為B，A中的要素集合可表示為{a1,a2,…,an}，B的要素集合可表示為{b1,b2,…,bm}。

規(guī)則一：當(dāng)更新后的道路要素類(lèi)中兩個(gè)道路線(xiàn)要素的交點(diǎn)多于閾值時(shí)，判定為發(fā)生沖突的要素。

規(guī)則二：當(dāng)更新后的道路線(xiàn)要素類(lèi)中兩個(gè)道路線(xiàn)的相鄰交點(diǎn)間的距離小于閾值時(shí)，則判定為發(fā)生沖突的要素。

規(guī)則三：當(dāng)沖突檢測(cè)要素類(lèi)為居民地面數(shù)據(jù)時(shí)，若存在道路線(xiàn)要素穿過(guò)居民地要素，則判定為發(fā)生沖突的要素。

規(guī)則四：當(dāng)沖突檢測(cè)要素類(lèi)為河流線(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)，若存在道路線(xiàn)要素與河流線(xiàn)要素的夾角小于某個(gè)角度，則判定為發(fā)生沖突的要素[10]。

二、試驗(yàn)分析

本文選取珠海市某區(qū)域作為研究對(duì)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為珠海小比例尺專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)和從網(wǎng)上獲取的OSM數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3

可以發(fā)現(xiàn)，OSM數(shù)據(jù)相對(duì)于專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)有要素發(fā)生了變化：①道路線(xiàn)消失；②新增了若干條道路線(xiàn)；③部分OSM道路線(xiàn)形狀和專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)大致相同，但發(fā)生了少量偏移；④部分OSM數(shù)據(jù)相對(duì)于專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)形狀大致相同，部分細(xì)節(jié)有所差別。其中①、②屬于道路線(xiàn)新增和刪除，③、④屬于OSM中“偽更新”的要素?cái)?shù)據(jù)；①、②屬于需要更新的變化要素，③、④屬于不需要更新的變化要素。

1. 基于格網(wǎng)的變化要素檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)中首先利用基于緩沖區(qū)的變化要素檢測(cè)對(duì)要素進(jìn)行變化要素的檢測(cè)匹配，經(jīng)過(guò)處理的OSM數(shù)據(jù)仍然在細(xì)節(jié)方面與專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)有很大差別。而利用基于格網(wǎng)的變化要素檢測(cè)，通過(guò)設(shè)置合適的格網(wǎng)大小，能去除變化檢測(cè)中較小變化的影響，去除結(jié)果如圖4所示。

圖4　基于格網(wǎng)的變化要素檢測(cè)

2. 基于幾何信息量的變化要素檢測(cè)結(jié)果

基于格網(wǎng)的初次匹配檢測(cè)能去除一部分細(xì)小變化影響，但不能去除所有的“偽更新”要素，通過(guò)幾何信息量算對(duì)初次匹配檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行再次匹配檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5　去除“偽更新”要素后的新增要素

三、結(jié)束語(yǔ)

本文在基于自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)更新方面進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，提出了一些實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了技術(shù)路線(xiàn)，并在自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)和專(zhuān)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)變化檢測(cè)匹配中提出了相應(yīng)的方法，作了一些利用自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)作為更新數(shù)據(jù)源更新空間數(shù)據(jù)庫(kù)的嘗試。然而，基于自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)更新仍然處于剛剛起步的階段，現(xiàn)階段的研究相對(duì)較少，因此，本文提出的方法難免出現(xiàn)一些問(wèn)題，需要深入研究和進(jìn)一步完善。

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Research on Updating Spatial Data Combined with Open Street Map

DING Jianxun,LIU Yanan,ZHANG Xinchang,YANG Wenjie

收稿日期：2016-03-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41431178)

作者簡(jiǎn)介：丁建勛(1973—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槌鞘袦y(cè)量新技術(shù)應(yīng)用與管理。E-mail：djxrr@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0094-04

引文格式： 丁建勛，劉亞楠，張新長(zhǎng)，等.OpenStreetMap數(shù)據(jù)下的空間數(shù)據(jù)更新方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(6)：94-97.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0199.