空间数据动态更新的冲突自动检测处理方法

陈明辉，张新长

（1.东莞市地理信息与规划编制研究中心， 广东 东莞 523129；2.中山大学 地理科学与规划学院， 广东 广州 510275）

在空间数据更新的过程中，由于不同来源的采集数据其空间数据结构标准不一，采集精度、采集时态、语义结构等不同，数据间往往会产生空间冲突，表现为空间目标图形拓扑结构冲突、属性冲突和出现不符合空间数据库约束规则的错误空间关系等。

这种多源空间数据的空间冲突检测与处理是当前国内外GIS的前沿课题[1-2]，由于空间冲突的类型多样性、计算复杂性、语义相关性等造成其难以检测与处理，尤其在空间数据更新中面临很多难题[3-5]。国内外一些学者对此作了大量的研究，并得出一些理论研究成果，包括基于自定义约束规则的空间冲突检测与处理方法[6]，基于空间目标时空特性的空间冲突确认方法[7]，还有从自动制图综合出发的空间冲突检测模型[8]等。这些方法都有各自的局限性，通用性不强，很难应用于实际生产。

本文针对空间数据动态更新中冲突的检测与处理难题，分析了空间冲突的主要特征，提出空间冲突检测与处理的难点与解决思路，并建立了相应的空间冲突自动检测与处理模型，最后实例进行了验证。

1 间冲突表现形式

Worboys从数据库实现的角度提出了3种基本更新操作算子：建立、删除和更新，其他更新操作都可以通过这3种基本操作来实现[9]。数据库更新中这3个基本操作，都会对与之相关的其他空间目标的空间关系造成影响，从而表现出不同的空间冲突。下面以简单实例来分析其空间冲突表现：

1）增加空间目标。如对数据库中的居民地层进行更新，增加一个房屋，但新增的房屋与居民地层中原有房屋出现了相互叠置的情况。一般来说，房屋之间正确的空间关系有相离与相接（局部边界线重合）关系，而上述叠置关系属于违反现实世界实体规则的错误关系，产生空间冲突，如图1a所示。

2）删除空间目标。如对数据库中的道路层进行更新，删除了一条道路，但是被删除道路旁边的道路配套设施（路灯、交通灯等）没有同时删除。在现实世界中，路灯等道路配套设施是依赖于道路而存在的，不可能独立存在，因此上述的情况属于错误的空间关系，产生了空间冲突，如图1b所示。

3）修改空间目标。如采集了某道路被整改后的竣工测量数据，在数据库进行更新后，发现修改后的目标道路落入了旁边的水体，发生了不合理的空间关系，从而产生空间冲突，如图1 c所示。

图1 数据库更新中的3个基本操作产生的空间冲突表现

2 空间冲突检测与处理

2.1 空间冲突检测

现实世界地理实体的空间约束关系在GIS矢量数据库中表达为要素之间的空间约束关系[10]。这种映射关系决定了在空间数据库中空间目标的几何特征、形态结构、空间位置、方向、属性及其与其他空间目标的空间关系等与对应现实世界地理实体的相关特性间的一致性关系。

用Ai表示数据库中的空间目标，ai表示对应现实世界中的地理实体，则两者的映射关系可以表示为:

式中，fi表示制图、更新编辑入库一系列算子。

同时，数据库中空间目标之间的空间关系与现实世界中的地理实体之间的空间关系也存在一定的映射关系，假设数据库中的空间目标A,B之间的空间关系为T，即T(A,B)；对应现实世界中的地理实体a,b之间的空间关系为T′，即T′(a,b)。它们的映射关系为：

式中，F表示映射函数。将式(1)代入式(2)得：

现实世界地理实体间的空间关系是真实存在的，因此式(3)中的T′(a,b)总为真关系，而对应数据库中空间目标间的空间关系T(f(a),f(b))则取决于其映射关系F。当该映射关系表现为不合理时，T(f(a),f(b))就为伪关系，即产生了空间冲突。例如，现实世界中的某条道路a与某一建筑物b是相离关系T1，通过制图更新入库等抽象处理后，对应数据库中的道路线要素f(a)与建筑物面要素f(b)的空间关系变为线穿越面T2，出现不合理的映射关系F，造成空间冲突，如图2所示。

图2 不合理的空间映射关系造成空间冲突

现实世界地理实体跟数据库空间目标之间存在对应的映射关系，而空间冲突的产生正是由于出现了不合理的映射关系，可以将现实世界地理实体间的真实空间关系以及真实的几何语义特征作为判断规则，再计算数据库中更新空间目标间的空间关系以及几何语义特征，通过规则与计算结果的比对检测空间冲突。因此，空间冲突检测可以转化为地理实体间空间关系与对应数据库更新空间目标间空间关系的比对过程，包括4个主要步骤：

1）根据现实世界地理实体间实际存在的语义关系、几何特征和空间关系，明确实体与实体间的真关系与假关系集合，建立空间冲突的判断规则；

2）计算数据库中更新空间目标的几何、属性特征、拓扑特征以及空间关系；

3）将计算出的空间关系及其他特征与判断规则进行比对，判断有无空间冲突；

4）确认空间冲突类型。

图3 空间冲突检测模型

2.2 空间冲突处理

根据空间冲突目标数据类型的不同，可分为点与点、点与线、点与面、线与点、线与线、线与面、面与点、面与线、面与面9类空间冲突关系组合，本文对应地设计了6种基本更新冲突处理方式，如表1所示。

表1 空间冲突关系组合与基本处理方式

上述基本的处理方式并不能处理所有空间冲突的情况，本文根据不同的冲突类型，针对性地给出了解决方案：

1）数据采集几何精度与不确定性产生的空间冲突。如在采集精度范围内，出现房屋面之间的极小面积叠盖、居民地线轻微伸入房屋面内等情况。此类空间冲突可通过纠正精度误差以消除空间冲突。

2）采集时态不确定性产生的空间冲突。如新测的房屋面与数据库中旧房屋面相互叠置且叠置面积超过测量误差、新测道路穿过数据库中的湖泊等情况。此类空间冲突处理方式为更新冲突处理，以表1中的6种基本更新冲突处理方式为主。

3）增量采集造成的数据不完整性产生的空间冲突。如竣工测量采集的局部道路变更数据与原数据库完整道路的冲突、以图幅为单位采集的某一图幅不完整的边界数据与对应数据库中完整数据的冲突等情况。此类空间冲突处理方式为拓扑一致性处理，即为了保证数据的更新完整性，通过6种基本更新冲突处理方式处理后，对要素间的拓扑关系进行修正，如属于消除冲突后的多段线要素，由于实际上它们是同一条道路，因此还需要进行接边处理。

在实际工程操作中，很多的空间冲突都是上述几种类型冲突的随机组合，因此更新过程中必须要结合各种处理手段来综合处理。

3 更新应用实例

本实例在Windows环境下， 以Visual Studio 2008为开发工具，以Oracle大型数据库为支持，用C#语言开发并集成ArcEngine开发包，研制了空间数据动态更新系统，实现了空间数据的动态更新以及空间冲突的自动检测与处理等功能。本文对1∶1 000地形图中道路的竣工测量数据，包括道路线数据（共480个要素）以及附属绿地面数据（共44个要素）进行更新实验 (见图4 )。

图4 空间数据动态更新实验

针对新建设道路竣工后测量获得的更新数据由于采集几何精度与不确定性、采集时态不确定性、增量采集造成的数据不完整性造成各种空间冲突，系统应用本文提出的空间冲突检测与处理方法,通过相应的智能算法完成绝大部分的空间冲突检测处理工作,具体空间冲突检测处理实验结果如表2所示。

表2 空间冲突检测处理试验结果统计表

实验结果显示，空间冲突的正确检测率为94.1%,空间冲突处理率为96.3%,但由于ArcEngine开发包的算法精度局限性、系统开发的不成熟性以及数据质量等原因,会出现空间冲突的错检、漏检以及无法处理的情况,本次实验漏检率为5.9%，错检率为1.7%。

4 结 语

本文在分析空间数据更新中的空间冲突的表现形式的基础上，利用地理实体与数据库空间目标的映射关系，提出了空间冲突的检测步骤，并给出了空间冲突检测模型。同时，划分出不同的空间冲突关系组合，设计了相应的空间冲突基本处理手段，并考虑不同的冲突产生类型，针对性地给出了处理方案。最后通过自主开发的更新系统，以地形图中竣工道路矢量数据作为更新数据，进行了实例验证，证实了本文方法的有效性。虽然该方法有较好的应用效果，但由于开发应用的一些限制和数据质量影响，空间数据更新中并不能完全检测和处理所有的空间冲突，还需要结合人机交互确认才能得到较好的结果。

[1]张锦,董晓媛.多源数据更新地理空间数据库的理论与关键技术[J].科学导报,2005,23(8):71-74

[2]王家耀.地图制图学与地理信息工程学科发展趋势[J].测绘学报,2010,39(2):115-116

[3]詹陈胜,武芳.基于拓扑一致性的线目标空间冲突检测方法[J].测绘科学技术学报,2011,28(5):387-390

[4]刘万增,赵仁亮.水系要素更新中空间冲突的自动检测研究[C].中国地理信息系统协会第八届年会,2004

[5]刘万增,陈军.线目标空间冲突自动检测方法研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(6):767-771

[6]张新长,郭泰圣.一种自适应的矢量数据增量更新方法研究[J].测绘学报,2012,41(4):613-619

[7]刘万增,陈军.循环经济GIS数据库空间冲突的确认方法研究[J].地球信息科学,2007,9(1)：78-83

[8]宋振.自动制图综合中空间冲突检测研究[D].郑州:信息工程大学,2010

[9]Worboys M F. Spatial and Temporal Reasoning in Geographic Information Systems[M].New York:Oxford University Press,1998

[10]万增.GIS数据库更新中空间冲突自动检测方法[M]. 北京:测绘出版社,2011