地形图更新要素的检测及提取算法研究

张西军 ，陈乐然，石勇

(1.沈阳市勘察测绘研究院，辽宁 沈阳 110004; 2.重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引 言

随着数字城市地理空间框架的推广建设，目前很多城市建立了地理框架数据库，数据库的主要数据源为大比例尺数字线划图，如何及时将更新的线划图数据更新到地理框架数据库中，是框架运维工作人员必须考虑的问题。相对于数字线划图数据库的批量式更新来说，增量式更新仅提供给用户变化的要素而不是整个新数据集［1］，近年来逐步成为国际GIS 学术界和应用部门的研究与应用课题。现阶段的研究一般集中在增量更新信息的分类、表达、提取、发布与集成方面［2～4］，而增量更新制图方面的研究则很少。文献［5］提出基于时空数据库增量更新方法，以地理事件、空间实体变化类型及时空数据库动态操作算子间关系为基础，通过地理空间变化事件确定变化的地物要素，实现时空数据库的自动化或半自动化更新。

本文深入研究了时空数据库间的空间位置关系，辅以对应的地物类型，动态、自动的确定出更新线划图要素与前期版本线划图数据库之间的映射关系，通过设置位置阈值进行位置对比，充分考虑到要素几何图形的匹配相关性，对于位置相关性高并且与属性相匹配的地物进行删除，剩下的要素即为需要更新的要素。本文编写了更新要素检查提取的程序模块，有效解决了更新要素检查提取困难的问题，提高了更新要素检查提取的准确性。

2 更新要素检测

2.1 建立线划图时空数据库

不同格式、不同软件生成的线划图数据，由于数据生产方法不同，由此造成相同线划图要素相差很大。本文考虑到同单位生产的数据使用相同的软件，线划图的空间参考、数据的精度、属性信息的种类及格式、语义表达方式、要素地物的组织格式基本相同，所以不需要对线划图进行预处理和数据整合，只需要将两个时间段的线划图数据分别进行合并入库，建立时空数据库。

2.2 更新要素检测标准

时空数据库的图层分类、要素代码完全相同。检测更新要素主要遵从3 个原则:

(1)如果两个地物的位置完全重合并且地物属性相同，则为不需要更新要素;

(2)两个地物属性相同但位置不完全重合，如果历史地物边界包含更新地物，则为不需要更新要素。

(3)剩余要素均为需要更新要素。

不需要更新要素判断情况如表1所示，在属性相同的前提下，以下位置关系为不需要更新的情况。

表1 不需要更新要素判断方法

对于要素重合的情况比较好理解，要素完全重合并且属性相同，说明该地物并没有变化，目标要素不需要进行更新;对于要素包含的情况，目标地物包含在原地物中，并且目标地物边界与原地物边界重合，该种情况主要存在于目标地物在后来图幅变化之后被打断，或者原地物被切割造成的，根据作业习惯，很少有目标地物相较于原地物增量变化的情况，这在后面处理中得到了证实。并且以上两种判断方法便于统一算法，有利于建模处理。

3 更新要素检测方法

3.1 更新要素检测主要技术

在建立时空数据库的基础上，建立同名地物检测的工作流程，该流程的关键在于提高要素搜索的效率和搜索的准确率，由此本文研究出要素检测的关键技术包括:小区域要素选择技术、地物分类分区检测技术、不需要更新地物判断剔除技术等。

线划图数据库中各层要素数量庞大，例如沈阳市线划图数据库房屋层要素达到500 余万条，如果全图层检测更新要素，会耗费大量的内存和运算量，利用小区域要素选择技术，按照更新数据库的要素范围，设定搜索步长，按照正方形区域进行搜索，可以有效减少要素检测的时间。利用ArcGIS Engine 提供的ISpatialFilter 接口进行选择:

地物分类分区检测技术，是在该搜索区域内，将更新数据库某图层的所有地物要素，根据属性进行分类，然后按照属性分类要素与历史数据库的该类要素进行搜索，可以有效地提高搜索效率。

不需要更新地物判断剔除技术的主要思想是:如果更新数据库某要素的所有节点坐标都可以在历史数据库同类要素中某个要素的距离在一定阈值范围内，则可以认为该要素在历史数据库中也存在，不需要对它进行更新。如果该要素与所有搜索范围内的同类要素都超出阈值，则认为该要素需要更新，予以保留。判断点与线段之间的距离主要有经典算法:求取垂足，然后计算点到垂足距离;面积算法主要是先判断投影点是否在线段上，投影点在线段延长线上时，最短距离长度为点到端点的线段长度，当投影点在线段上时，先使用海伦公式计算三角形面积，再计算出三角形的高，即为最短距离;矢量算法计算点向量在线段向量上的投影，该方法数学原理复杂，但是便于编程，并且效率很高，该算法:

3.2 更新要素检测提取流程

在时空数据库中，更新数据库通过最新的线划图合并后生成的，历史数据库是上一期更新完成的框架数据库，更新要素检测提取流程的目的是剔除位置没有变化的要素，剩下的即为需要更新入库的要素。更新数据库按照搜索区域以及要素属性逐一提取要素的坐标串，然后从历史数据库的对应区域中按照相应属性逐要素提取线段的坐标串，利用不需要更新地物判断剔除技术判断更新数据库要素与历史数据库中要素位置是否重合或位置相关，如果位置重合或相关，删除更新数据库中该要素，并判断下一条记录;如果遍历完历史数据库中要素仍需要更新，则可以判断更新数据库中该要素需要更新。具体更新要素检测提取流程为:

(1)选择数据库需要更新的区域，根据地物的复杂程度选择搜索步长，对该区域进行网格化处理;

(2)在第i(i=0)个搜素区域内，选择更新数据库的k(k=0)图层，将图层内要素按照属性进行分类提取坐标串，存放到数组listuik中;

(3)同(2)步方法在该区域内提取历史数据库对应图层对应要素的线段坐标串，存放到数组listhik中;

(4)从listuik中提取一个要素listuik［m］(m =0)的坐标串，与历史数据库对应listhik中的不同要素坐标串进行位置比较，如果listuik［m］的所有坐标都与某线段串listhik［n］的某段线段距离在阈值范围内，说明listuik［m］在历史数据库已经存在，删除该要素;判断listuik的下一条记录，最后剩下的即为更新数据库与历史数据库中不能重合的要素，即需要更新的要素;

(5)继续判断该图层中其他属性的要素，判断方法同(4)步;

(6)k 图层判断完成后，继续判断更新数据库下一图层，判断方法同(2)、(3)、(4)、(5)步;

(7)该区域判断完成后，按照步长判断下一区域更新数据库的所有图层、所有要素的与历史数据库要素之间位置关系，方法同(2)～(7)步;

(8)所有区域判断完成后，更新数据库中剩下的要素即为需要更新的数据。

4 更新要素检测提取方法实现

4.1 实验区描述

数字沈阳地理空间框架项目于2012年3月开始建设，2013年底完成竣工验收，期间根据航空影像数据对道路及重点建筑进行了更新。根据《数字沈阳地理空间框架项目管理办法》，每年对矢量数据进行更新。2014年矢量数据更新工作自3月份启动以来，累计完成了2 500 km21∶ 5 000线划图数据的增量更新和近5 000 km21∶ 500线划图数据的增量更新工作。在数据更新中，基于ArcGIS Engine 10.1 开发了“框架数据更新管理程序V1.0”，实现了更新要素的自动获取以及从基础数据库向框架数据库自动转换，并实现了点、线、面要素的实体化构造技术，有效减轻了工作量，提高了矢量数据的更新质量。

由于框架数据库的矢量数据主要来源于2012年7月份的线划图，因此本文选取了2012年7月份的线划图数据作为历史数据库，选取2014年3月份的线划图数据作为更新数据库，首先对其进行了预处理，主要工作包括:

(1)利用“框架数据更新管理程序V1.0”将分幅线划图数据合并成Geodatabase GDB 数据库;

(2)对Geodatabase GDB 数据进行数据检查，删除重合要素、冗余要素以及属性错误的要素;

(3)构造地理实体，主要工作为面状要素进行接边处理，将同属性、具有空间关系的现状要素合并，同时对点线面要素进行了属性配赋。

4.2 试验结果分析

对沈阳市2012年7月份的历史数据库与2014年3月份的线划图数据库进行更新要素检查对比，为了软件便于自动匹配对应图层，在线划图数据库的图层前面加“new”字符，更新要素检查程序基于ArcGIS Engine 10.1 软件开发，界面如图1所示:

图1 更新要素检测提取程序

系统测试环境为Win7 32 位系统，英特尔酷睿i7处理器，4 G内存。检测完沈阳市域范围1∶ 500DLG数据，合计411 万个点要素、917 万个线要素，共用时间32 h，中间没有出现错误中断。经检查，更新要素提取的准确率100%;遗漏的要素在1%以下，经检核，遗漏的要素的主要原因是由于历史数据库数据组织结构与更新数据库不一致造成的。

检查需要更新的要素如图2所示，最新线划图数据库在历史数据库数据的基础上，对小区内的植被以及建筑等进行了补测，通过程序检查，补测的要素如图3所示。

图2 地形图数据前后对比图

图3 检查出的更新要素

更新要素程序通过区域索引算法，可以自定义检查对比区域的网格大小，用户根据地物复杂程度可以自由测试选择，提高了检查的速度。

5 结 语

框架数据库是数字城市地理空间框架的基础与核心，如何进行框架数据库的更新是当前面临的一个难题，地形图更新要素的检测及提取算法解决了更新要素提取的方法，代替了以往人工判读方法，提高了工作效率与更新要素判读的准确性，地形图更新方法在此解决了一半的工作量。

更新要素检测及提取算法从底层进行编程开发，通用性强，并且设置了用户交互菜单，用户可以根据实际需求设置搜索步长及地物要素重合精度，提高了 该算法的实用性及搜索准确率，对沈阳市1 000 多平方千米的1∶ 500线划图进行处理，只用了一天多时间便将全部更新要素提取出来，极大地减少了人力成本。

该算法从地物的形状着手，判断两个地物之间坐标重合关系，并且考虑到地形图更新过程中可能对原地物进行的合并、打断等操作，不是简单地根据长度、面积等进行判断，这是该算法的主要创新点。

该算法只是解决了更新要素的检测与提取，如何将检测与提取的更新要素直接替换框架数据库的要素，是接下来的一个重要工作，希望本文能够对同行有一定的启发作用。

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