Open Street Map數(shù)據(jù)在全球測圖項(xiàng)目中的應(yīng)用及程序化轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)研究

曹 鵬 孫睿英 李德元

（自然資源部第三地形測量隊(duì),黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新（以下簡稱”全球測圖”）是新時期國家在全球范圍內(nèi)開展的一次時空認(rèn)知新征程，它主要描述全球的地形地貌、地理環(huán)境和相關(guān)自然、人文信息，其主要成果數(shù)據(jù)涵蓋數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）及核心矢量要素（DLG）等；項(xiàng)目主要解決當(dāng)前國家全球多尺度地理數(shù)據(jù)匱乏和高精度自主服務(wù)能力不足的問題，并為其他全方面的研究和規(guī)劃提供基礎(chǔ)的地理信息資源，為全面掌握全球地理信息狀況，推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

全球測圖項(xiàng)目的開展離不開基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。當(dāng)前國內(nèi)外形勢及版圖數(shù)據(jù)的保密性，為眾源地理數(shù)據(jù)的使用提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。而Open Street Map數(shù)據(jù)作為典型的眾源地理數(shù)據(jù)代表，內(nèi)容涵蓋了交通、水系、建筑物等，且該數(shù)據(jù)主要由GPS軌跡數(shù)據(jù)和基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的用戶繪制而成，具有較強(qiáng)的可信度。

1.基本概念

Open Street Map（簡稱OSM，意為公開地圖）作為一個開放眾源地理信息數(shù)據(jù)平臺，由網(wǎng)絡(luò)大眾共同打造，顯著特點(diǎn)為免費(fèi)、開源及可編輯的地圖服務(wù)。OSM的測繪地圖由用戶充分利用GPS設(shè)備、航空攝影圖像、衛(wèi)星遙感影像、人工架站全站儀甚至地方政府基礎(chǔ)性測繪成果進(jìn)行繪制而成的，一些合作的商業(yè)公司也向OSM授權(quán)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)覆蓋全球多個國家，不同區(qū)域數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度不同，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞程度不一致，故對其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探索，會很大程度上幫助我們獲取更可信的地理信息大數(shù)據(jù)，為全球測圖項(xiàng)目數(shù)據(jù)的可靠性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性提供更好的支持。

核心矢量要素在以點(diǎn)、線、面形式表達(dá)地理信息要素的矢量數(shù)據(jù)中，根據(jù)需求、重要性和可操作性選取主要要素形成數(shù)據(jù)集。在全球測圖項(xiàng)目中，核心矢量要素主要包含鐵路（RAILN）、公路（ROALN）、交通頂層線（ROLEL）和水系線面（HYDLN/HYDPL）等五個要素層的數(shù)據(jù)集成果，它是通過將OSM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)規(guī)整、編輯整理、幾何配準(zhǔn)、地圖配圖等工序處理制作而成。其數(shù)據(jù)格式主要采用ESRI Geodatabase(*.gdb)，主要圖層命名（如表1所示）：

表1 數(shù)據(jù)圖層命名表

2.OSM數(shù)據(jù)特點(diǎn)

OSM數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)相比，具有更新頻繁、動態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，基本上每周發(fā)布一個版本。

OSM數(shù)據(jù)主要類型為Node、Way和Relation，分別代表各個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、路線和相互之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。通過點(diǎn)、線和數(shù)據(jù)關(guān)系，我們可以直接準(zhǔn)確描述新的GIS數(shù)據(jù)和其中各個節(jié)點(diǎn)、線和面要素。OSM數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式主要有兩種：一種是用文本形式存儲的xml文件(*.osm)，它查看起來比較方便，可直接用word等文本編輯器編輯查看；另一種是用二級制格式存儲的用戶自定義的pbf格式文件(*.pbf)，它的顯著特點(diǎn)為數(shù)據(jù)占用空間較少，數(shù)據(jù)量較小。兩種格式數(shù)據(jù)都可直接從osm官方網(wǎng)站上下載，在全球測圖項(xiàng)目中主要采用XML文件(*.osm)作為數(shù)據(jù)模型解析的主要數(shù)據(jù)源。

3.生產(chǎn)技術(shù)處理流程

3.1 主要技術(shù)路線及流程圖

通過下載近一個月內(nèi)的OSM為數(shù)據(jù)源，對其進(jìn)行整合處理，將其數(shù)據(jù)中的交通數(shù)據(jù)和水系數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、幾何配準(zhǔn)、編輯整理、地圖配圖等工序處理，制作該項(xiàng)目的核心矢量要素成果。在編輯整理過程中參考DOM和其他網(wǎng)絡(luò)地圖來補(bǔ)充、更新重要鐵路、公路、水庫及重大河流湖泊。道路、水系名稱需進(jìn)行翻譯（由中圖社負(fù)責(zé)），成果應(yīng)包括中文、英文，如果數(shù)據(jù)源中含當(dāng)?shù)匚淖?，?yīng)予以保留。具體流程（如圖1所示）：

圖1 生產(chǎn)流程圖

3.2 核心處理環(huán)節(jié)要求

3.2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

（1）傳統(tǒng)方式為通過格式轉(zhuǎn)換工具（如，F(xiàn)ME等）將OSM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為通用格式，如，ARCGIS File Geodatabase（*.gdb）、ARCGIS Shapefile（*.shp），再將屬性對應(yīng)轉(zhuǎn)換過去。該方式較為煩瑣，且容易丟失屬性。

（2）轉(zhuǎn)換完畢后，需對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢查，檢查轉(zhuǎn)換前后數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是否缺失、數(shù)據(jù)范圍是否一致、數(shù)據(jù)邏輯性是否合理等。

3.2.2 結(jié)構(gòu)規(guī)整

結(jié)構(gòu)規(guī)整是指把矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為《核心矢量要素數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)分析模型、對比方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換參數(shù)。本項(xiàng)目基于《核心矢量要素數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》創(chuàng)建鐵路、公路、交通頂層線和水系數(shù)據(jù)模板。將轉(zhuǎn)換的幾何要素數(shù)據(jù)railway_line導(dǎo)入RAILN，highway_line導(dǎo)入ROALN，waterways_lines導(dǎo)入HYDLN，landuse_polygon、natural_polygon和relation_multiplygon_polygon導(dǎo)入HYDPL要素類中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)示意圖（如圖2所示），進(jìn)而形成核心要素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。導(dǎo)入時注意目標(biāo)字段SRCID對應(yīng)匹配源字段的id[字符串]，其他目標(biāo)字段不對應(yīng)匹配源字段的任何屬性。

圖2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)示意圖

結(jié)構(gòu)規(guī)整是全球測圖項(xiàng)目應(yīng)用的轉(zhuǎn)換核心所在，項(xiàng)目所在國家、地區(qū)不同，數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)質(zhì)量及詳盡程度的不同，形成的轉(zhuǎn)換方案亦不同，因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)情、實(shí)際問題綜合考慮分析，從而制作出符合項(xiàng)目要求的對照方案設(shè)計(jì)表。

3.2.3 屬性及空間處理

依據(jù)《核心矢量要素數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》要求，由于國家、地區(qū)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，所以規(guī)整后的數(shù)據(jù)仍會出現(xiàn)屬性不合理及空間關(guān)系不合理的內(nèi)容項(xiàng)。

對于數(shù)據(jù)屬性處理，我們可以通過較大程度地維持原始數(shù)據(jù)的屬性信息，并結(jié)合項(xiàng)目其他資料甚至谷歌衛(wèi)星影像逐項(xiàng)檢查、核改完善相應(yīng)屬性項(xiàng)，確保最終轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)屬性的有效、信息的完全和覆蓋度的全面性。如，澳大利亞的國家語言為英語，由于數(shù)據(jù)屬性字段有英語名稱，因此給本地語言屬性賦值時，不再將英語名稱賦值給LOCALNAME1，僅將loc_name賦值給LOCALNAME1，LOCALNAME2不進(jìn)行賦值。

對于空間處理，主要是拓?fù)涮幚砗涂臻g關(guān)系處理。拓?fù)涮幚碇饕翘幚頂?shù)據(jù)中存在的不合理拓?fù)鋯栴}，主要包括重復(fù)線處理、相交線處理、懸掛點(diǎn)處理以及偽結(jié)點(diǎn)處理。重復(fù)線處理主要處理的是數(shù)據(jù)中的重復(fù)要素、數(shù)據(jù)的自相交、數(shù)據(jù)的立體不合理相交，按照相應(yīng)的技術(shù)要求刪除、協(xié)調(diào)即可。相交線處理主要處理的是數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系問題，如，道路應(yīng)打斷而未打斷問題。懸掛點(diǎn)處理主要處理的是一些重要要素的懸掛問題，如，重要交通和主要水系的懸掛問題，其他不相關(guān)懸掛問題不處理。一般要求懸掛距離不得超過實(shí)地0.1米。偽結(jié)點(diǎn)處理需要處理數(shù)據(jù)中的所有偽結(jié)情況?？臻g關(guān)系處理主要是參照DOM及其他資料改正數(shù)據(jù)中的不合理交叉和孤立要素。孤立鐵路、道路與周邊不聯(lián)通的，其ISNETWORK屬性賦值為“0”。

4.OSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 OSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序化設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序化設(shè)計(jì)關(guān)鍵是建立兩種數(shù)據(jù)間對應(yīng)層和對應(yīng)層字段屬性的轉(zhuǎn)換規(guī)則模型。對應(yīng)層間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即將OSM數(shù)據(jù)層中的Way和Relation幾何圖形和屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到全球測圖項(xiàng)目中核心矢量要素數(shù)據(jù)成果中對應(yīng)的RAILN、ROALN、ROLEL、HYDLN和HYDPL層中要素。以鐵路層數(shù)據(jù)為例，其具體對應(yīng)內(nèi)容規(guī)則（如表2所示）：

表2 核心矢量要素要素層和OSM數(shù)據(jù)對應(yīng)要素層規(guī)則表

建立了對應(yīng)層間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行對應(yīng)層字段屬性間轉(zhuǎn)換，經(jīng)綜合研究分析核心矢量要素和OSM數(shù)據(jù)的各自特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于OSM數(shù)據(jù)唯一ID和核心矢量要素數(shù)據(jù)的SRCID的一一對應(yīng)字段轉(zhuǎn)換規(guī)則模型。以鐵路層數(shù)據(jù)為例，其具體對應(yīng)字段屬性規(guī)則（如表3所示）。對應(yīng)轉(zhuǎn)換規(guī)則模型建立后，可看到核心矢量要素屬性字段中一些屬性項(xiàng)在OSM數(shù)據(jù)中仍是無對應(yīng)字段的，而這些無對應(yīng)的字段屬性正是該項(xiàng)目需要結(jié)合其他相關(guān)資料和DOM數(shù)據(jù)賦值填寫的。

表3 OSM數(shù)據(jù)和核心矢量要素數(shù)據(jù)鐵路屬性對應(yīng)賦值規(guī)則表

4.2 程序化實(shí)現(xiàn)

鑒于OSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且屬性項(xiàng)較多，程序采用C#語言，首先直接基于OSM數(shù)據(jù)唯一ID及核心矢量要素數(shù)據(jù)唯一SRCID完成多面體-環(huán)-線-點(diǎn)的多級ID-SRCID的關(guān)聯(lián)映射，其次依據(jù)項(xiàng)目技術(shù)規(guī)定建立的對應(yīng)層和對應(yīng)字段轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)據(jù)表解析讀取OSM數(shù)據(jù)，并通過調(diào)試FileGdbAPI開源庫實(shí)現(xiàn)對gdb數(shù)據(jù)的直接讀寫，從而實(shí)現(xiàn)OSM屬性數(shù)據(jù)和幾何要素向gdb數(shù)據(jù)要素的直接、快速賦值轉(zhuǎn)換。軟件界面及操作上簡單清晰，直接選用下載好的原始OSM文件格式數(shù)據(jù)，后選擇轉(zhuǎn)入到設(shè)計(jì)符合技術(shù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)格式空數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換GISOTAL FOR OSM應(yīng)用界面（如圖3所示）。處理完成后應(yīng)對屬性項(xiàng)進(jìn)行異常值檢查，確保每條矢量數(shù)據(jù)均匹配到對應(yīng)屬性信息。

圖3 GISOTAL FOR OSM應(yīng)用界面圖

4.3 軟件應(yīng)用效果及優(yōu)勢

軟件通過解決核心矢量要素數(shù)據(jù)預(yù)處理階段最為煩瑣和不確定的OSM預(yù)處理，解決了以往幾何圖形轉(zhuǎn)換和屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兩步操作帶來的檢查及不對應(yīng)問題，實(shí)現(xiàn)了最大程度的簡化；同時自動化操作避免了多次提取、關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的中間軟件字符串處理異常、數(shù)據(jù)丟失以及圖形異化等問題。

軟件已應(yīng)用于全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新項(xiàng)目澳大利亞、納米比亞等測區(qū)并取得了較好的效果。技術(shù)要求的逐步完善，將給OSM數(shù)據(jù)的處理提供更為完善的支持和解決方案。

5.結(jié)束語

OSM數(shù)據(jù)作為全球覆蓋的眾源數(shù)據(jù)源，有別于傳統(tǒng)測繪的新型地理數(shù)據(jù)源。本文通過對其數(shù)據(jù)特點(diǎn)的研究，結(jié)合全球測圖具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，建立OSM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式與現(xiàn)有常用數(shù)據(jù)格式一一對應(yīng)關(guān)系并實(shí)現(xiàn)程序自動化，為后期對該數(shù)據(jù)的研究及轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了思路，特別是在全球化的大背景下，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能高新技術(shù)不斷更新，國內(nèi)外生產(chǎn)項(xiàng)目必將更多涌現(xiàn)，對其深入研究顯得更為有意義。