多源數(shù)據(jù)更新空間框架地理信息技術(shù)

張小波，李新雙，張俊，陳凱，石吉寶

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

多源數(shù)據(jù)更新空間框架地理信息技術(shù)

張小波*，李新雙，張俊，陳凱，石吉寶

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

結(jié)合數(shù)字成都地理空間框架數(shù)據(jù)更新項目，著重探討了利用地形圖、規(guī)劃竣工成果和遙感影像等多種不同數(shù)據(jù)源實現(xiàn)對地理信息的更新技術(shù)，并研究更新過程中的變化發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增量更新及協(xié)同作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)。

數(shù)字城市；地理信息數(shù)據(jù)庫；多源數(shù)據(jù)；增量更新；ArcSDE

1 引 言

當前，我國已基本全面建成全國地理空間框架數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)了國家、省、市三級節(jié)點地理信息資源的互聯(lián)互通，為政府部門、企業(yè)和公眾提供便捷高效的網(wǎng)絡(luò)化地理信息服務(wù)。但隨著我國城市化進程的加快，城市建設(shè)日新月異，使得地形地物變化較快，日益呈現(xiàn)出地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性與應(yīng)用需求之間的矛盾。地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性是GIS的靈魂，它遠遠高于幾何精確性[1]。地理信息數(shù)據(jù)作為“數(shù)字城市”的核心和基礎(chǔ)，直接為政府或公眾提供地理信息服務(wù)，如何實現(xiàn)其快速更新，使其與快速變化的社會環(huán)境相適應(yīng)，保持現(xiàn)勢性和準確性，是當前“數(shù)字城市”建設(shè)噬待解決的問題[2]。

基于遙感影像可以進行地理信息的變化檢測，通過不同時相影像的對比，采用自動或人工檢測的方式發(fā)現(xiàn)變化信息[1～3]。利用竣工測量成果的新增地物信息來更新基礎(chǔ)地理信息，在數(shù)學(xué)精度、地理要素表達方面均能滿足要求[4]，可以很好解決城市建設(shè)區(qū)域地物的現(xiàn)勢性問題。此外，基于不同比例尺數(shù)據(jù)的自動縮編、實地調(diào)查以及基于網(wǎng)絡(luò)或行業(yè)專題信息的變化更新，也是常用來更新基礎(chǔ)地理信息的途徑[5]。

自2013年建成“數(shù)字成都”地理空間框架后，近幾年一直采用定期更新和動態(tài)更新相結(jié)合的更新模式，綜合利用新測DLG成果、竣工測量成果、遙感正射影像、行業(yè)專題數(shù)據(jù)、實地調(diào)查等多源數(shù)據(jù)對地理空間框架庫的電子地圖、地理實體等地理信息數(shù)據(jù)進行了持續(xù)的更新。

2 地理信息的變化分析

地理信息的變化，從變化類型上主要分空間幾何和屬性的變化，空間幾何變化主要包括原有要素消失或新增要素，屬性變化主要指空間圖形還存在但狀態(tài)發(fā)生了改變。根據(jù)地理信息的更新范圍主要分為全面更新和局部更新。從更新要素上分全要素更新和重要要素更新。從更新頻率分析，更新周期與經(jīng)濟發(fā)展程度、要素類別等息息相關(guān)。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，建設(shè)工程量大，該區(qū)域的變化量大、變化周期短，對地理信息需求旺盛，需要綜合采取多種方式加大該區(qū)域地理信息的更新頻率。此外，不同類型的要素根據(jù)不同的重要性及應(yīng)用需求，其更新頻率也不相同，如對公路、鐵路等交通路網(wǎng)的現(xiàn)勢性需求遠遠大于對房屋、植被的現(xiàn)勢性需求，可采用快速獲取地理信息的手段如無人機、移動攝影測量等加快對重要地理信息要素的更新。

3 不同數(shù)據(jù)源比較分析

在進行地理信息更新時，針對不同的數(shù)據(jù)源，分別從更新內(nèi)容、成本和工作量等因素簡要分析如下。

3.1 新測地形圖

由于以提供地理信息應(yīng)用服務(wù)為目的的電子地圖、地理實體等是以基本地形圖為基礎(chǔ)，經(jīng)過進一步提取、過濾和重組形成的數(shù)據(jù)，故利用航空攝影測量或?qū)嵉販y量方式獲取的現(xiàn)勢性好的地形圖不僅能很好滿足幾何精度要求，而且能實現(xiàn)對原有數(shù)據(jù)庫的全要素更新。不論以航測方式還是以外業(yè)實測方式獲取地形圖的過程都比較耗時耗力，且資金投入較大，故該更新方式可與本地基礎(chǔ)測繪實施情況相結(jié)合進行。

3.2 竣工測量成果

利用竣工測量成果進行更新，就是在建設(shè)項目完成后，及時進行項目竣工測量，并用竣工測量成果來更新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。雖然由于施測目的和取舍的不同，竣工測量成果與地形圖數(shù)據(jù)之間存在一定的差別，但主要表達的要素和內(nèi)容、幾何精度方面差異不大，可通過對竣工測量成果的后期處理，可實現(xiàn)對有竣工建設(shè)區(qū)域的高精度、全要素、動態(tài)更新。該更新方式適合城市建設(shè)比較快的區(qū)域，投入成本小，可納入按需日常更新。

3.3 高分辨率遙感影像

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，獲取的衛(wèi)星影像空間分辨率和時間分辨率都越來越高，如WorldView-3、GeoEye-1的地面分辨率可達到 0.5 m，能解決中小比例尺地形圖及重要地理信息的現(xiàn)勢性問題。定期獲取現(xiàn)勢性好的高分辨率遙感影像對交通、水系、居民地等重要的、容易判讀的地理信息要素進行更新，可實現(xiàn)對大區(qū)域的快速、低成本、粗放式更新。

3.4 行業(yè)專題數(shù)據(jù)

在地理信息中，存在大量的行業(yè)專題信息，如教育、城管、房管、公安、醫(yī)遼等信息。擁有該類信息的專業(yè)管理部門，往往擁有更加完整、更準確、更權(quán)威和現(xiàn)勢性更好的專題信息?！皵?shù)字成都”地理空間框架按照“共建共享”和“權(quán)威部門發(fā)布和維護權(quán)威數(shù)據(jù)”的原則，利用各行業(yè)發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)，及時對各類專題地理信息進行更新維護。該更新方式比較依賴于部門與部門之間的合作，建立協(xié)同共享機制尤為重要。

3.5 其他數(shù)據(jù)

無人機、移動攝影測量以其直觀、便捷、快速的優(yōu)點，日益成為地理信息更新的重要數(shù)據(jù)源。該方式不僅極大地豐富了地理信息服務(wù)產(chǎn)品形式，且獲取快速及時可滿足應(yīng)急救災(zāi)，是對傳統(tǒng)方式的極大補充。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)地圖的普及，網(wǎng)絡(luò)信息也成為發(fā)現(xiàn)地理信息變化的重要手段，通過地理信息公共服務(wù)平臺廣泛收集社會大眾對地理信息變化的發(fā)現(xiàn)結(jié)果，經(jīng)核實后實現(xiàn)在線更新。

4 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 更新技術(shù)流程

根據(jù)更新目的和現(xiàn)有數(shù)據(jù)源情況，確定更新范圍和策略，采用程序或人工方式通過與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫進行對比分析發(fā)現(xiàn)變化，進而對變化信息進行更新，質(zhì)檢后進行成果的提供與發(fā)布。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 更新技術(shù)流程

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

地理信息矢量數(shù)據(jù)更新重點需要解決變化信息發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、要素級增量更新及協(xié)同更新等關(guān)鍵技術(shù)。

(1)變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)

地理信息更新的前提是發(fā)現(xiàn)地物的變化，可歸結(jié)為地物目標的變化檢測問題?；谶b感影像的更新，可采用自動識別方式，如將不同時相的遙感影像進行分割、分類，從而發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域和目標[3]，也可采用人工逐屏對比方式，疊加最新遙感影像和矢量數(shù)據(jù)進行對比更新。基于地形圖或者竣工測量成果進行更新時，利用更新區(qū)域邊界擦除舊數(shù)據(jù)庫要素，將增量要素數(shù)據(jù)入庫[6]，亦可編制程序判斷更新區(qū)域內(nèi)新舊數(shù)據(jù)的幾何或?qū)傩宰兓?，實現(xiàn)增量要素的更新。亦可通過劃分單元網(wǎng)格，通過人工巡視或者眾包的方式發(fā)現(xiàn)變化[7]。

(2)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化

數(shù)字地理空間框架數(shù)據(jù)庫包括電子地圖和地理實體數(shù)據(jù)等多個庫，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)增量更新和不同數(shù)據(jù)庫的同步更新，需要對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在進行數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在國家標準的基礎(chǔ)上，按照面向?qū)ο蠓绞綄崿F(xiàn)要素圖形和屬性的一體化存儲，從而實現(xiàn)電子地圖基于屬性的自動制圖技術(shù)。不同數(shù)據(jù)庫中相同要素最好采用相同庫體結(jié)構(gòu)，并增加“初始時間”、“消失時間”字段，用于記錄要素生命周期，實現(xiàn)對歷史庫和現(xiàn)勢庫的管理。并增加“數(shù)據(jù)源”字段，用于記錄更新采用的不同數(shù)據(jù)源。

(3)增量更新技術(shù)

地理信息數(shù)據(jù)更新，采取的是數(shù)據(jù)庫變化要素的局部更新。需創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫標識、要素更新狀態(tài)標識和版本標識分別進行記錄。數(shù)據(jù)庫標識是實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫更新的關(guān)鍵，在更新過程中不對其進行編輯修改；要素更新狀態(tài)標識是實現(xiàn)基于增量要素更新的關(guān)鍵，在更新時需對所有更新的要素重新進行定義；版本標識是對數(shù)據(jù)庫版本管理的關(guān)鍵，需要在更新時對更新版本進行標識[8]。

更新過程中，主要分新增要素、刪除要素、圖形修改、屬性修改四種類型。新增要素需在狀態(tài)標識字段中記錄“新增”，并在初始時間字段填寫更新該要素時間；刪除要素暫不做物理刪除，在狀態(tài)標識字段中填寫“刪除”并在刪除時間中填寫時間后，將其移至歷史庫后在現(xiàn)勢庫中可將其物理刪除；修改要素；圖形修改指要素圖形發(fā)生變化，如形狀發(fā)生局部變化、一變多、多變一情況，局部變化的在狀態(tài)標志字段中填寫“變化”，起始時間填更新時間；一邊多的，原來的單個要素標識狀態(tài)為“刪除”，新增的多個要素標識狀態(tài)為“新增”，并分別修改其相應(yīng)的消失時間和起始時間；多變一的，原來的多個要素標識狀態(tài)改為“刪除”，新增的單個要素標識狀態(tài)為“新增”，并分別修改其相應(yīng)的消失時間和起始時間。對于圖形未變、僅有屬性改變的要素，其更新狀態(tài)標識字段填寫“屬性”，并填寫起始時間。

(4)ArcSDE協(xié)同更新技術(shù)

ArcSDE是Esri公司推出的基于SDE的空間數(shù)據(jù)存儲、管理解決方案，很好地解決了地理數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲、訪問和管理模式與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用之間的問題[9]。ArcSDE通過注冊基本庫版本和多用戶版本，允許多個用戶同步訪問并編輯數(shù)據(jù)庫，進行不同版本間要素沖突檢測協(xié)調(diào)后，解決增量要素的多用戶協(xié)同更新，節(jié)省了傳統(tǒng)的裁剪分圖接邊時間，提高了工作效率。

5 結(jié) 論

目前數(shù)字城市已進入更新維護階段，主要面臨如何解決地理信息現(xiàn)勢性的問題。本文緊密結(jié)合“數(shù)字成都”地理空間框架數(shù)據(jù)庫更新項目，利用地形圖、規(guī)劃竣工成果、遙感影像等多種手段實現(xiàn)對地理信息數(shù)據(jù)的更新，并闡述了更新維護數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)。可結(jié)合本地基礎(chǔ)規(guī)劃實施計劃制定全域和重點區(qū)域相結(jié)合、定期和動態(tài)更新相結(jié)合、多源數(shù)據(jù)相結(jié)合的更新維護機制，滿足國民經(jīng)濟建設(shè)各行業(yè)及社會大眾對地理信息的旺盛需求，及時向平臺提供現(xiàn)勢性最優(yōu)的地理信息服務(wù)。

[1] 李德仁. 利用遙感影像進行變化監(jiān)測[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2003，28(S1)：12～17.

[2] 周安發(fā)，邵軍，王華等. “數(shù)字城市”建設(shè)中的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新[J]. 地理空間信息，2013(S1)：23～25.

[3] 陳衛(wèi)平，王海燕，趙敏等. 基于多源遙感影像快速更新基礎(chǔ)地理信息技術(shù)的研究[J]. 測繪與空間地理信息，2012(35)：28～35.

[4] 羅和平，葉乘鸞，溫振興. 竣工測量成果應(yīng)用于地形圖更新的分析探討[J]. 城市勘測，2010(5)：131～134.

[5] 崔洪波，周再強，李井杰. 幾種基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新方法的比較[J]. 測繪與空間地理信息，2012(35)：56～58.

[6] 張西軍，張志文，石勇. 地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)更新技術(shù)——以數(shù)字沈陽地理空間框架為例[J]. 測繪工程，2015(24)：76～80.

[7] 張海濤. 城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新策略探討[J]. 北京測繪，2015(5)：1～5.

[8] 林良彬，鐘遠軍，楊文杰. 面向電子地圖應(yīng)用的地理信息快速更新方法研究[J]. 地理信息世界，2016(23)：129～135.

[9] 孫朝犇，馬學(xué)民，路軒軒等. ArcSDE在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新中的應(yīng)用[J]. 測繪與空間地理信息，2016(39)：79～81.

Multi Source Data Updating Geographic Information Technology

Zhang Xiaobo，Li Xinshuang，Zhang Jun，Chen Kai，Shi Jibao

(Chengdu Institute of Survey and Investigation，Chengdu 610081，China)

Based on the project of Chengdu platform for geoinformation common services data update，this paper establishes the method using variety data sources，such as topographic maps，final survey results，remote sensing images etc. Some key updating technologies are pointed out such as the change discovery，the database structure optimization，the incremental updating and the cooperative work etc.

digital city；geographic information database；multi-source data；incremental updating

1672-8262(2016)06-57-03

P208.1

A

2016—08—19

張小波(1980—)，男，高級工程師、注冊測繪師，主要從事大地測量、工程測量、地理信息系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)工程和研究工作。

數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(DM2016SC08)。