基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统设计及实现

袁胜古，阳柯，熊国清，盛光晓，邓曾，米素娟，3，徐昊

(1.中国交通通信信息中心，北京 100011； 2.国交空间信息技术(北京)有限公司，北京 100011；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

1 引 言

农村公路是党中央、国务院实施社会主义新农村建设的重要基础，对农村经济发展、农业产业结构调整、人民群众安全便捷出行有重要影响，在经济社会发展全局中具有至关重要的作用。为准确掌握农村公路的发展情况、建设需求和建设进程，交通运输部于2005年组织开展了全国农村公路通达情况专项调查工作，统一采用GPS技术手段分别获取了全国范围内所有乡(镇)、建制村的公路通达情况和所有农村公路的空间数据与属性数据。2007年交通运输部建立了农村公路基础数据和电子地图的更新制度。农村公路基础数据库的建立和应用，为农村公路的规划、建设、管理和养护提供了强有力的信息支撑[1，2]。

农村公路基础空间数据是农村公路基础数据库的重要内容之一，农村公路基础空间数据质量是农村公路基础数据质量的重要保障[3]。传统的农村公路基础空间数据质检采取单机版方式，导入导出数据烦琐，其质检方法效率不高，且缺乏自动修复的功能。随着地理信息技术的发展，分布式处理越来越普及[4～8]。本文采取BS架构，设计并实现了基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统，此系统应用于省级农村公路基础空间数据的质检，显著提高了数据质检的效率。

2 系统设计

2.1 系统目标

本系统的建设目标以提高农村公路基础空间数据质量为出发点，按交通运输部下发的《全国农村公路基础数据和电子地图更新方案》[1]中规定的报部农村公路电子地图审核要求的具体规定，设计相关审核规则，形成集快速审核、审核问题快速一键修复于一体的空间数据质检系统。

2.2 系统流程

基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统流程如图1所示，首先基于规则库选择需要质检的具体规则，然后设置质检规则相应阈值参数，接着提交质检任务，最后根据质检结果对公路基础数据库进行修改，最终形成高质量的公路基础空间数据。

图1 基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统流程图

2.3 系统结构

基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统结构图如图2所示，主要分为规则配置子系统、审核调度子系统和数据修改子系统。规则配置子系统包括规则显示配置模块和规则阈值配置模块；审核调度子系统包括审核任务排序模块和审核任务监视模块；数据修改子系统包括审核问题定位模块和审核问题一键修复模块。

图2 系统结构图

(1)规则显示配置模块

对规则库进行配置，即调整具体规则是否显示(即此条规则是否起作用)，调整配置规则的显示顺序，修改规则的基本说明等信息。

(2)规则阈值配置模块

对规则库中每条规则需要使用到的阈值进行灵活配置，方便不同用户的特定需求。

(3)审核任务排序模块

由于审核任务的提交一般比较集中，特别是当系统处于区县一级编辑阶段，对于中等大小的省份，区县一级用户一般有300多，高峰时一天的审核任务可能达上千次，鉴于审核比较耗时且需频繁的读写数据库，需要对审核任务做一个排序。限制同时运行的审核任务数量，按照审核任务的提交时间和重要优先级对审核任务进行排序，且支持管理员临时按需调整具体审核任务的优先级，满足特殊需求。

(4)审核任务监视模块

对审核任务进行监控，方便管理员随时掌握审核的全部情况，对于失败的任务，自动启动审核任务提交程序，给予一次重试机会。

(5)审核问题定位模块

根据审核结果，结合不同的审核规则审核出的问题，提供方便的问题定位接口，方便快速定位问题，便于数据的高效修改。

(6)审核问题一键修复模块

对具备一键修复的审核问题，使用人机交互的方式，用户只需要确认此问题是否需要修改，若是需要修改，直接点击一键修复按钮完成数据的修改，提高用户修改数据的效率。

2.4 规则库设计

规则库的设计按交通运输部下发的《全国农村公路基础数据和电子地图更新方案》[1]中规定的报部农村公路电子地图审核要求的具体规定。一共设计4大类共13条规则，具体规则及基本解释如表1所示：

空间数据质检规则分类及基本解释 表1

(1)空间数据与属性数据一致性检查

由于农村公路基础数据库中矢量数据和属性数据存放于不同的字段，需要保证两者信息的一致性，空间数据与属性数据一致性检查主要检查空间数据与属性数据的一致性，包括空图形检查、地图与属性一致性检查、地图实际位置与填报位置一致性检查和路段填报长度与地图长度一致性检查。

空图形检查主要检查数据中空间字段(如：SQL Server中的SHAPE)是否为空；地图与属性一致性检查主要检查所有图层中空间对象的实际位置与数据库中属性字段记录的点或者起止点位置是否一致，距离大于阈值的标记为错误；地图实际位置与填报位置一致性检查检查所有图层中点状图层的实际位置与数据库中属性字段记录的点的位置，差值大于阈值为错误；路段填报长度与地图长度一致性检查由路段图层直接基于路段实际轨迹计算路段的实际长度并与数据库中属性值(LDLC)记录的路段里程进行比较，大于一定阈值的标记为错误。

(2)点状地物与线状地物关系检查

农村公路基础数据中，点状地物(公路附属设施数据、乡镇数据以及建制村数据)与线状地物(主要是公路矢量数据)必须满足一定的关系。点状地物与线状地物关系检查主要是检查这些关系是否满足相应条件，包括附属设施与路段关系检查、乡镇、建制村通达路线合理性检查、附属设施桩号合理性检查和附属设施顺序审核。

附属设施与路段关系检查根据附属设施所对应路段，找不到对应路段的标记为未找到相应路段；对于相应路段存在，但是附属设施距离此路段距离大于阈值的标记为附属设施不在所属路段上；乡镇、建制村通达路线合理性检查通过检查乡镇、建制村的优选通达路线与乡镇、建制村实际位置的距离进行判断是否合理，分为优选通达路线不存在和与优选通达路线距离过远两种错误；附属设施桩号合理性检查计算路段上实际附属设施的桩号，并与附属设施所填报桩号进行比较，大于一定阈值标记为不合理；附属设施顺序审核将相同路线编码下的附属设施按照路线编码、路段序列号以及附属设施编码进行联合排序，然后检查同一路线中附属设施的桩号是否是从小到大排列的，将不是从小到大排列的附属设施标记为附属设施顺序错误。

(3)线状地物自身质量检查

线状地物自身质量检查主要是检查公路矢量数据自身线形数据是否满足相应要求，包括路线线形检查和路线连续性检查。

路线线形检查包括飞点检查和长直线检查，飞点检测即依次处理每个路段连续的3个节点，3个节点组成一个角度，若是此角度小于一个固定的值，即为飞点，如图3所示，点D即为飞点。公路基础数据是使用全球定位导航系统采集，由于实际地形及导航卫星分布情况，不可避免地存在一些点误差比较大，会偏离出实际轨迹的情况，飞点检查就是将这些误差比较大的点检查出。

图3 公路路线轨迹中飞点示意图

长直线检测即依次处理每个路段连续的两个节点，若是两个节点的长度超过一定的阈值，即为长直线，长直线检查主要是检测出路线采集中采集过稀的点，保证采集路线实际轨迹与真实的路线一致。

路线连续性检查对于同一条路线，两个相邻路段，前一段路段的止点与后一路段的起点在一定范围又没有接上的都为未衔接；后一段止点与上一段止点衔接的为上一段路反向；后一段止点与上一段起点衔接上的为两者都反向。路线连续性检查主要是找出路线中路段之间拓扑关系及方向的问题，为进一步的数据处理打下基础。

(4)线状地物之间关系检查

线状地物之间也需要满足特定关系，线状地物之间关系检查主要是检查线状地物之间是否满足特定的关系，包括重复路段检查、路线衔接检查和非重复路段疑似重复检查。

重复路段检查根据路段图层中标记为重复路段的所有路段，求其路段与所对应重复路段的长度差值绝对值，大于阈值即标记为“重复路段长度不相同”。当长度差值绝对值小于此阈值时，再比较重复路段和被重复路段起止点的距离差，小于一定阈值标记为“重复路段起讫点位置不同”。

路线衔接检查主要检查路线的起点或者止点与其他路线的最短距离在一定范围之间的判断为两个路线未衔接。公路路网的一个重要属性就是公路网络的连通性，路线衔接就是检查公路路网的连通性。

非重复路段疑似重复检查对于属性信息中标记为非重复路段的路线，使用空间重叠分析和相交分析，空间上重叠距离大于阈值的标记为非重复路段疑似重复。实际工作中，对于非重复路段疑似重复，一般存在如下几种情况：①实际为重复路段，但是未标记为重复路段；②实际为两条路，这种情况在湖区比较多，一般是两条平行的公路位于沟渠两边。第一种情况为数据质量问题，需要修改；第二种情况为正常情况，不需要处理。非重复路段疑似重复检查原理示意图如图4所示，其中黑线为被重复路段，红色矩形为被重复路段左右一定距离的缓冲区，黄线为重复线，设黄线部分进入缓冲区的路段长度记为L1，若L1大于一定阈值，即认为黑线和黄线为疑似重复路线。

图4 非重复路段疑似重复检查原理示意图

3 系统实现与应用

系统使用BS架构实现，数据库使用SQL Server 2014，农村基础空间数据通过ArcSDE以Geometry格式存储在SHAPE字段中，其他的属性信息存储在相应的属性字段中；ArcGIS服务器使用ArcGIS Server 2015；数据质检算法采取Python语言进行实现，最终以ArcGIS Geoprocessing服务的形式部署于ArcGIS服务器。

审核规则中涉及很多相关阈值设置，为了便于参数调整，建立相应的参数表，存储各个规则中需要使用的阈值参数，并提供相应的界面接口对参数进行修改，如图5所示。提交审核任务时可以根据需要对需要提交的审核进行选择，默认情况是勾选全部审核规则，如图6所示。审核以任务的形式在后台执行，审核算法根据任务进度及时将审核进度写入数据库，监控程序每隔5秒会自动监测审核任务进度，并将审核进度显示在任务界面，如图7所示。审核任务结束后，可以点击“审核结果”进入审核结果界面，查看具体审核结果并提供属性查看和地图定位的接口，方便用户对审核问题进行定位和修改，如图8所示。对于部分规则，提供一键修复的接口，提高数据修改的效率。

图5质检系统阈值参数设置界面示意图

图6 质检系统质检规则选择界面

图7 质检系统审核任务界面

图8 质检系统审核结果界面

由于农村公路基础数据的量非常巨大，质检过程非常耗时，质检时间是一个非常重要的指标，质检时间统计如表2所示，对于省一级应用，本文设计实现的系统只需要不到5个小时，极大地提高了审核效率。

本文设计及设计的质检系统各规则审核时间统计表 表2

4 结论与展望

综上所述，基于规则库的农村公路基础空间数据质检系统设计及实现，首先选择需要质检的具体规则，然后设置质检规则相应阈值参数，并提交质检任务，最后根据质检结果对公路基础数据库进行修改，最终形成高质量的公路基础空间数据。本系统应用于省级农村公路基础空间数据，实际应用证明其能有效提高质检工作效率。本文系统只是将检查结果查出并记录在数据库中，并只是对部分审核规则提供接口进行一键批量修复处理，下一步需要研究如何针对所有规则提供一键修复接口，更进一步提高农村公路基础空间数据的质量检查与修复的效率。