地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查平臺的設計與應用

段明旭 李玉冬 閆 寧 李 楊 龍家恒

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

地理空間數(shù)據(jù)是地理信息的一種抽象表達,也是真實世界與虛擬世界互相傳遞信息的一種有效媒介[1-2]。因此,其質(zhì)量的好壞與優(yōu)劣對能否實現(xiàn)準確的空間分析與精準的空間決策有著至關重要的影響。如何精準把控數(shù)據(jù)質(zhì)量,并建立一套有效的、便捷的質(zhì)量控制產(chǎn)品,已經(jīng)成為當前新形勢下地理信息產(chǎn)業(yè)的一個熱門話題。

目前為止,我國地理信息產(chǎn)業(yè)已初步建立集調(diào)查、研究、保護、評價與監(jiān)督等于一體的新型產(chǎn)業(yè)模式[3-5],地理空間數(shù)據(jù)的成果質(zhì)量控制平臺也由單一管理平臺[6-8]逐步向系統(tǒng)性的全流程的成果質(zhì)量控制平臺[9-11]邁出了堅實的一步。全流程的成果質(zhì)量控制平臺覆蓋了地理空間數(shù)據(jù)檢查的全部流程,不僅能夠在最大限度上滿足各級別的檢查人員的需要,更能自如地適應各類別、各量級的成果數(shù)據(jù),具有易操作、使用靈活方便等特點。

依據(jù)《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 18316—2008)和《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)兩項國家標準,并根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的主要特點和相關技術手段,為滿足本單位對產(chǎn)品質(zhì)量的總要求,以標準化、自動化、數(shù)字化為重要技術手段和主要途徑,研發(fā)了“地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查平臺”。該平臺軟件是全流程的成果質(zhì)量控制平臺,遵循模塊化的開發(fā)思想,支持檢查算子[12-14]、規(guī)則和方案的自由組合與靈活配置,制定了統(tǒng)一標準的輸入與輸出模板,建立了合理的評分和篩選機制,實現(xiàn)了自動化檢查成果輸出,簡化了質(zhì)量檢驗的工藝流程,在最大限度上提高了地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查效率,縮短了質(zhì)量檢查工期,降低了產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗成本。

1 設計方案

軟件平臺在設計過程中始終貫穿領域驅(qū)動設計[15]思想,采用洋蔥架構模式構建平臺模型,由里向外逐層擴展平臺更多層次功能。如圖1所示,該平臺設計主要包括4個層次,由里向外依次為內(nèi)核層、核心層、業(yè)務層和應用層。

圖1 平臺設計方案

內(nèi)核層是該平臺最重要的結構層次,類似于生物學中的中樞神經(jīng)系統(tǒng),是驅(qū)動整個平臺運行的核心領域。該領域?qū)哟沃饕稍S多核心模型(核心驅(qū)動)共同構建而成,是貫穿于軟件與硬件之間的重要橋梁,能夠完成內(nèi)存管理、進程控制、權限認證、日志管理與共享等操作。內(nèi)核層是平臺獨立運行的底層邏輯結構,具有跨平臺、易擴展以及易搭建等特性,既是平臺結構的邏輯抽象,也是抽象的具體表達。核心模型是該領域?qū)哟蔚闹匾M成部分,各模型相互交織并彼此獨立,它們猶如一個又一個獨立的信號源,向其他領域?qū)哟蝹鬟f和交互信息,驅(qū)動著整個平臺的有機的、協(xié)調(diào)的運行。

核心層是該平臺設計的另一個重要的領域?qū)哟?是平臺運行的大腦,主要由檢查算子、檢查規(guī)則與檢查參數(shù)3個部分構成。其中,檢查算子是質(zhì)檢平臺的最基本單元,是對成果質(zhì)量評價體系各要素的概括與抽象,是實現(xiàn)各項技術指標的具體量化與算法實現(xiàn);檢查參數(shù)是指導檢查規(guī)則運行的重要因子,也是算子規(guī)范化的一種具體約束,它是工作實踐與工作經(jīng)驗相互結晶而產(chǎn)生的一個科學的、經(jīng)驗性的集合,具有先驗性、指導性、規(guī)范性等特點;檢查規(guī)則可以概括為2個部分,一部分是由檢查算子和檢查參數(shù)共同構建的有參規(guī)則,另一部分則是無參規(guī)則。前者是可以被量化的規(guī)則,具有先驗指導,而后者則獨立存在于空間邏輯之中,需要去挖掘和擴展。如圖2所示,算子、規(guī)則和參數(shù)共同構成了平臺的檢驗因子,三者是有機結合的統(tǒng)一體,不同規(guī)則、不同算子以及不同參數(shù)既可以疊加,也可以自由組合,以滿足不同項目、不同層次以及不同規(guī)模的檢驗任務。

圖2 檢驗因子結構圖

業(yè)務層是平臺從抽象到表達的具體實現(xiàn),處于平臺的主干地位,總體上由6大模塊組成,即質(zhì)量檢查模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、質(zhì)量評定模塊、空間分析模塊、成果輸出模塊以及服務管理模塊。

(1)質(zhì)量檢查模塊是6大模塊中的核心模塊,也是其他模塊的基礎,它是平臺檢驗因子的具體實現(xiàn)過程,由“任務+方案”共同組成。不同的質(zhì)檢任務決定了不同的質(zhì)檢方案,不同方案的有序疊加構成了不同的質(zhì)量檢查模塊,不同質(zhì)量檢查模塊的有機結合最大限度地保證了檢查的科學性與規(guī)范性。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊、質(zhì)量評定模塊以及成果輸出模塊是質(zhì)量檢查模塊的子模塊,前者定義了數(shù)據(jù)處理方案與規(guī)則,后者完成質(zhì)量評定與成果輸出。

(3)空間分析模塊是有關地理信息方法的具體實現(xiàn),包括地圖投影、空間拓撲分析、空間幾何分析等內(nèi)容。

(4)服務管理模塊主要用于對外提供服務接口,實現(xiàn)了對外擴展與外接設備注入的算法。

應用層是平臺的具體表現(xiàn)形式,是對各業(yè)務領域的展示與封裝,主要由用戶界面、外部服務、數(shù)據(jù)庫以及工具集合等因素組成。用戶界面是平臺的集中表現(xiàn)形式,通過圖形化定制將各功能對用戶展現(xiàn),方便用戶實現(xiàn)軟件的操作與控制;外部服務是服務管理接口的具體表現(xiàn),方便用戶進行軟件擴展與外接設備注入;數(shù)據(jù)庫操作是軟件運行的支撐平臺,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、存儲與共享;工具集合是提供給用戶進行其他操作的工具集,可以進行文件瀏覽、文檔整理、任務分發(fā)等工作。

2 關鍵技術

為滿足當前多種地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的基本要求,平臺采用了輕便靈活的架構模式,配置了靈活多變的檢驗因子,提供了規(guī)范化的輸出模式,以任務和方案為運行導向,簡化了質(zhì)量檢驗的工藝流程,在最大限度上提高了地理空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查效率。

2.1 靈活多變的檢驗因子

檢查算子、檢查參數(shù)以及檢查規(guī)則相互間有機地結合與串聯(lián),構成了靈活多變的檢驗因子。三者是有機的整體,不同規(guī)則、不同算子以及不同參數(shù)既可以疊加,也可以自由組合,以滿足不同項目、不同層次以及不同規(guī)模的檢驗任務。

當前地理空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大,具有復雜的空間拓撲和時空關系,層次也比較復雜,對檢驗方法的自由度和靈活度提出了巨大挑戰(zhàn)。面對復雜的地理空間數(shù)據(jù)形式,質(zhì)檢規(guī)則也不是一成不變的,就需要根據(jù)不同項目、不同方案不斷調(diào)整與調(diào)和。靈活多變的檢驗因子提高了程序的穩(wěn)定性與靈活性,擴展了平臺的適用性,加大了平臺的使用范圍。有參規(guī)則與無參規(guī)則相互配合,即解決了規(guī)則的量化程度,也滿足了規(guī)則的靈活擴展,同時可以配合人工智能手段進行有參或無參的模型訓練,可以進一步提高檢驗因子的智能化程度。

2.2 任務與方案的導向作用

質(zhì)量檢查模塊在從抽象到具體實現(xiàn)過程中,遵循著“任務+方案”為根本指導原則。不同的質(zhì)檢任務決定了不同的質(zhì)檢方案,不同方案的有序疊加構成了不同的質(zhì)量檢查模塊,不同質(zhì)量檢查模塊的有機結合最大限度地保證了檢查的科學性與規(guī)范性。任務是質(zhì)量檢查的最基本導向,它驅(qū)動著不同質(zhì)檢方案的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一;質(zhì)檢方案是質(zhì)量檢查的最終表現(xiàn)形式,它推動著平臺的有序工作和各工序間的有效銜接。

如圖3所示,檢查任務和檢查方案具有較高的自由度,不同任務的自由組合構成了每一個檢查方案,所有的方案匯總為一套完整的、科學的評價方案,其主要由質(zhì)量子元素、檢查項以及評價方法組合而成。檢查任務與檢查方案是相輔相成的關系,其構建模式具有很強的方向性,保證了質(zhì)量檢查模塊構建的統(tǒng)一性。

圖3 任務和方案關系圖

2.3 檢查規(guī)則的模式與內(nèi)容

檢查結果數(shù)據(jù)是質(zhì)量檢查的重要成果,它是評價體系的最終表現(xiàn)形式,也是提供用戶用于成果評估的重要依據(jù)。檢查規(guī)則在制定過程中,主要涉及數(shù)據(jù)的空間參考、屬性特征、拓撲關系以及數(shù)據(jù)完整性等方面,具體規(guī)則與內(nèi)容如表1所示。

表1 檢查規(guī)則與內(nèi)容表

2.4 輕便的架構模式

平臺在設計過程中,參考了領域驅(qū)動設計的眾多思想,摒棄了傳統(tǒng)的層架構模式,采用更為輕巧、靈活的洋蔥架構模式,降低了平臺各業(yè)務領域間的耦合程度,其層次更加清晰,也易于拆分和維護,實現(xiàn)平臺的快速擴充或精簡。

平臺在架構過程中的另一個優(yōu)勢是將內(nèi)核層從結構中剝離出來,它獨立運行于平臺內(nèi)部,具有跨平臺、易擴展以及易搭建等特性,提高了平臺的運行效率。

如圖4所示,平臺的主要功能設計到4個領域,包括檢查模板制定模塊、檢查規(guī)則制定模塊、樣本質(zhì)量統(tǒng)計模塊以及質(zhì)量報告輸出模塊。

圖4 平臺主要功能簡圖

3 平臺應用

海淀區(qū)管理基礎數(shù)據(jù)維護更新項目是我院承接的重點項目,主要負責全區(qū)市政部件采集、加工與分析工作,并提供相關專題地圖。本期項目需對13個街道,涉及57 000多個圖斑進行質(zhì)量檢查。

按照本次任務要求,以矢量圖形文件(Shapefile,SHP)文件數(shù)據(jù)作為組織單元和檢查對象,配置了由坐標系統(tǒng)、幾何位移、分類代碼值、要素遺漏等數(shù)十項檢查項目組成的檢查方案,平臺實現(xiàn)自動化批量檢查并輸出樣本質(zhì)量統(tǒng)計表(表2所示。相比人工檢查而言,降低了人工的工作成本,提高了質(zhì)檢質(zhì)量與速度。

表2 樣本質(zhì)量統(tǒng)計表

4 結束語

本文所述平臺是一款全流程的成果質(zhì)量檢查平臺,可根據(jù)不同任務、不同項目自由定制檢驗規(guī)則,具有規(guī)范化的輸出模式,易于擴展和配置,簡化了質(zhì)量檢驗的工藝流程,在最大限度上提高了地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查效率。

目前為止,本平臺還處于不斷完善的階段,雖然可以應用于生產(chǎn)過程中,但還存在諸多問題有待解決。第一,平臺缺乏智能化管理模塊,還不能實現(xiàn)智能化的質(zhì)量檢查。第二,目前平臺只能制定針對一般性規(guī)則進行檢查,不能對特殊或不常見的規(guī)則進行制定,還需要進一步地擴充規(guī)則。第三,目前平臺功能比較單一,還需要進一步細化功能,提高檢查時效。