空间数据库更新模式、技术与方法

白立舜，李进强

(1.北京清华山维新技术开发公司，北京 100086;2.闽江学院地理科学系，福建福州 350108)

由于现实世界空间实体及其相互关系随时间不断发生变化，使地理空间数据库的持续更新既是一项长期艰巨任务，又是一个复杂的系统工程。它不仅涉及空间信息管理体制、经费来源等问题，而且还涉及一系列与初始建库不同的理论、方法和关键技术问题，更新技术是目前公认的一个普遍性的难题。

1 空间数据库更新面临的形势和任务

1.1 空间数据库更新面临的形势

据联合国的统计数据表明，全球地形图的更新速度远远落后于其生产速度。就连美国这样的超级大国，其测绘部门生产的5.5万多幅地图中也有不少地形图的平均年龄为23年。

目前国内空间信息在资源调查、城市规划管理、环境保护、灾害防治等各项工作中已发挥重要作用，并成为行政管理、业务管理与决策工作中不可或缺的重要基础数据，但空间信息产品的时效性滞后于现实发展变化的矛盾日益突出，即使在经济发达的省份，也只有5年更新周期的1∶10000地形图，一到两年更新周期的城市大比例尺地形图，显然难以满足资源调查、交通建设、灾害防治、城市建设与管理等方面应用的要求。例如:只有准实时更新的1∶500～1∶1000基础空间数据才能满足规划审批、房产发证、宗地确权等业务要求。

以上表明:对空间数据库进行持续更新、以保持空间数据库中的信息与现实存在的一致性，已成为世界各国政府测绘部门的长期重要使命。

1.2 空间数据库更新的主要任务

空间数据库更新的主要任务是:综合地利用各种来源的现势资料，如最新航空航天影像、专题调查数据、竣工实测数据等，确定和测定一定范围内基础地理要素，如道路、水系、居民地、地形、地名、行政界线等的位置变化及属性变化［1］，对原有数据库要素进行增删、替换、关系协调等处理，生成新版数据体，并更新用户数据库。

2 国内外空间数据库更新技术发展动态

近几年，一些发达国家的测绘部门已将工作重点从数据建库转移到数据更新与应用上，目前围绕“更新”这一主题的研究已从初步的理论探索进入到实践阶段。

美国地质调查局测绘部从2001年开始计划建立近实时数据更新机制，将数据的现势性保持在几天或数月之内。英国军械测量局根据其实际情况，建立了推扫式和散点式相结合的更新机制。日本采用基于栅格的更新方法，先更新1∶2.5万地形图，再用1∶2.5万图更新1∶5万图，城市地区每3年更新一次，郊区每5年更新一次，山区每10年更新一次。加拿大测绘署地形信息中心2001年启动了一项利用Landsat－7影像更新1∶5万地形数据的计划，每年使用Landsat－7影像更新1000幅以上地形数据。

我国一些经济发展较快的省、市在建立更新机制、利用遥感影像获取变化信息、历史数据存取、增量更新、多尺度级联更新等方面进行了许多有益的尝试，并取得一定成效。浙江省测绘局在2006年～2007年已完成1∶10000地形图快速更新试验，并已开始规模性试生产。北京市［2］、广州市、上海市从2007年开始1∶500城市空间数据库增量更新试验，目前已逐步形成了各自地方特色的更新模式。2008年北京清华山维公司推出了基于时态的动态更新软件EPSW 2008，上海市、重庆市、福州市［3］、宜昌等城市正在使用中。

3 空间数据库更新模式分析

对于空间数据库，一要进行及时更新以保持其生命力，否则就是一个“死库”;二是要进行应用开发，以充分挖掘它的价值。前者属于数据生产部门的工作范畴，十分看重采集更新工艺流程的连贯性，这个直接面向更新生产的空间数据库称之为“主数据库”。

后者属于管理和应用部门的工作范畴，看重的是现有数据的分析与使用，他们一方面希望数据库是最新的，另一方面要求保持一定的面对应用的专用性与稳定性。如果针对一个集中数据库要求同时负担完成更新与应用两个方面的工作，显然是不尽合理，也没必要。也就是实践上必须将应用数据库与生产数据库相分离，这个面向应用的空间数据库称之为“用户数据库”。

3.1 主数据库更新模式

(1)整体更新

目前的空间数据更新采用的主要方式是对空间数据库有效范围内发生变化的某区域进行的整体更新，更新区域可以是行政区单元，自然分割的网格区域或一个图幅。这种方法，都是以分块为单位进行的新旧数据整体替换，忽略区域内已变要素与未变要素的差异。

整体更新的主要优点按一定区域(或大或小)将空间数据库化整为零，生产组织与管理比较方便，技术工艺比较简单容易掌握。但难以实现空间数据库的动态更新(特别是区域划分较大时)，也不利于历史数据保留，或者为保存历史版本产生大量数据冗余。

(2)增量更新

空间数据更新的实质是空间实体状态改变的过程，因此空间数据更新不是简单区域替换。近年来业界提出“增量更新”［4］更新模式。它采用面向对象数据模型存储空间要素，空间实体相互独立而完整(实体之间拓扑关系是隐含存在的，一般在分析时临时建立)，原则上对单个实体增加、删除、修改不影响其他要素实体，因此历史数据只需要保留发生变化的要素(即增量信息)。

“增量更新”较好地解决了空间实体的动态更新和历史信息存储问题，是今后的发展方向，但技术比较复杂，存在一定的技术风险。

(3)多尺度级联更新

多尺度级联更新技术是利用基础大比例尺数据生产、更新次级比例尺数据，迅速建立不同比例的金字塔结构。理想的境界是系统自动处理后直接使用，不需要任何人工干预。由于制图综合的复杂性，目前尚处于半自动化水平，完全自动化级联更新技术存在许多技术问题有待进一步研究。

3.2 用户数据库更新模式

(1)同构数据库更新

由于技术和历史的原因，一个城市(或区域)各应用领域无法共享一个空间数据库，往往是各部门为满足各自的需要都有自己独立运行的空间数据库。同构用户数据库可以看做是各应用领域(规划/国土/房地产/交通/市政等)同时使用多个空间数据库副本，或者虽然数据库实现上有所不同，但逻辑上遵循统一的空间数据标准。

同构数据库更新，可在主数据库更新完成后，用主数据库整理好的更新信息对用户数据库副本的相应内容进行更新。如果主数据库采用增量更新，则可以通过网络、建立主数据库和各用户数据库之间的增量更新管道，向各用户数据库发送增量更新信息(通常可归纳为:增加/删除/修改三类)，用户数据库收到增量信息后启动“同步程序”达成增量更新的同步，这种同步也可在非工作时间自动调度完成，不影响数据库应用，这是本文建议的一种形式。

(2)异构用户数据库

如果使各行业用户数据库都能够保持同构状态，显然用户数据库的更新问题将极大简化，但实际上几乎找不到这样的城市，往往由于条块分割、各自为政、GIS提供商激烈竞争等原因，使得异构空间数据库普遍存在(例如:DWG 库、MapInfo、SupperMap、MapGIS、GeoStar等等)，即使使用相同GIS平台软件，数据标准也常常不一样。

如果用户数据库结构差异太大，通过数据的二次加工使之符合用户数据库结构可能是主数据库提供更新信息的唯一途径。事实上，早期由于缺乏对空间信息更新的长期性与艰巨性的认识，以前很多行业数据库建库就是这样做的。

如果用户数据库结构在信息语义层面上能够基本保持一致，则可望通过“信息映射”(EPS2008的跨要素类型转换技术)技术对主数据库的更新信息进行映射变换，达成同构数据库相同的效果，从而降低对用户数据库设计要求，最大限度兼容已经存在的历史数据。

4 空间数据库更新的关键技术与方法

(1)基于时态的增量更新技术

GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的，但当空间对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以采用离散的“数据更新”方式来处理时间变化的影响。

EPS2008正是借鉴这一时态GIS思想，将时间属性作为空间对象必须的基本属性，在时间维上，将无序的更新业务，统一成先后有序的更新事件，妥善解决了更新冲突问题。同时采用增量方式管理历史数据，数据冗余小，信息记录全，支持历史回溯与动态回放。实现了基于时态的增量更新，允许离线状态下的多个更新业务的相互独立进行［5］。

主要技术难点包括:时间参考系(更新平台支持空间实体的时间属性)、更新事件管理、冲突检测与处理、历史回溯等。

(2)信息映射技术

“信息映射机制”通过语义级自动映射，使分布异构空间数据库自动更新成为可能。EPS“信息映射技术”是国家自然科学基金项目研究成果，通过模板实现映射关系定制，即在模板中设置不同系统中基本信息单元的对应关系，这种关系可以是一对一，也可以是一对多。不同信息之间“信息映射”通过打散、拆分、过滤及重组等方式实现，最终实现跨平台的、异构系统之间的数据对接。

(3)GIS环境下动态符号化

如何避免外业数据更新采集平台与GIS数据结构之间差异，是消除异构性危害的重要环节。

《理化检验-化学分册》为国内理化检验行业权威期刊，已被列为中文核心期刊、中国期刊方阵双效期刊、中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库收录期刊、RCCSE中国核心学术期刊、美国《CA》千种表收录期刊、英国皇家化学学会《分析文摘》(AA)及《质谱学通报(增补)》(MPBS)收录期刊、中国学术期刊(光盘版)和中国期刊网全文数据库收录期刊。曾多次获得上海市优秀期刊、华东地区优秀期刊和“百种中国杰出学术期刊”等称号。

EPS2008系统采用了支持统一模版的GIS控件技术(ArcSym I)，使存储为GIS数据的信息与图形保持统一，从而建立了外业更新采集平台与数据库管理平台的快速通道。与其他方案［6］(数据转换等)相比，外业、内业和地理信息系统不存在转换，只存在转储，因此更加符合信息化思想。

(4)智能化地图缩编技术

EPS智能缩编技术:大量应用了EPS信息映射技术，从而使复杂的工作简化，自动化程度很高，目前效率已达同类产品的3倍左右。人工的工作基本局限在处理注记压盖等细节，因此有时，一些小比例数据，也可自动处理后直接入库，不做任何人工工作，直接使用。

(5)更新管道技术

更新管道是连接主数据库和用户数据库的桥梁，包括主数据库端“信息发送器”，用户数据库端“信息接收器”，“更新同步器”三个组成部分。在Windows消息队列的驱动下，实现了用户数据库同步更新的自动化。

5 结论与展望

综上所述，可以归纳如下结论:

(2)在难以共享一个集中式空间数据库的情况下，在信息映射技术支持下通过更新管道同步更新用户数据库是比较现实的选择。

(3)随着各种空间信息共享水平和更新技术的不断进步以及GPS、数码摄影测量方法的广泛采用，必将大幅度改善或提高空间数据库系统现实性。

本文主要考虑当前我国空间信息服务还处于独立建库的状态下，如何有效构建用户空间数据库更新服务体系的问题。但对于基于集中数据库的共享模式、原则上可以将集中数据库看作特殊的用户数据库，有关内容有待进一步研究。

［1］邹进贵，潘正风，虞晖等.城市基础地理信息系统数据更新方法的研究［J］.地理空间信息，2005(6):4～5

［2］罗晓燕，袁燕岩，郭金丽等.北京市数字线划图数据库增量更新技术的应用研究［A］.数字测绘与GIS技术应用研讨会论文集，2008

［3］范江.城市空间数据库更新模式研究［J］.福建建设科技，2010(2)

［4］周晓光，陈军，朱建军.基于事件的时空数据库增量更新［J］.中国图像图形学报，2006(10):1431～1438

［5］基于时态的城市空间数据库多用户并发更新系统的研究与实现［J］.福建建设科技，2008(3)

［6］操震洲，李清泉.基于ArcSDE和ArcGIS Engine的版本管理系统的设计和实现［J］.测绘与空间地理信息，2006，29(1):76 ～78