地理信息图库一体更新方法

周校东，孟妮娜，谢 鹏，何列松

(1. 西安测绘研究所，陕西 西安 710054； 2. 地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安 710054； 3. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

地理信息智能化服务的新时代即将到来[1-2]，人们对数据的现势性与内容的丰富性提出了更高的要求[3]，地理信息的现势性一直是关注的热点。

近年来，基于数字景观模型(DLM)的DLG数据更新方面已取得了丰富的研究成果，主要集中在地理目标匹配、变化发现、尺度变换、冲突处理、增量建模和更新发布等方面。文献[4]提出了一种基于目标差、被差和交的目标快照差三元组，为时空目标差异部分的分类描述提供了形式化方法；文献[5]研究了增量更新过程中目标间的空间冲突检测与处理方法，提出了一种自适应的对象接边算法；文献[6]提出的最优组合匹配法解决了非一对一的要素匹配问题；文献[7]以多边形叠置运算为基础提出了一种跨比例尺新旧居民地数据变化发现与更新方法；文献[8]设计了一种包含变化对象的空间位置和类型信息的地表覆盖矢量数据增量更新方法；文献[9]提出了一种能够适应不同比例尺下道路网络的Stroke部分匹配算法。

DLG数据更新后其对应地图的更新目前存在两种方式：一是基于更新后的DLG数据再次全图符号化、制图编辑，完成地图制作；二是基于地理数据库驱动的地图制图模式实现地图的增量更新。前者显然存在大量的重复工作，不是最佳选择。人们希望制图过程既不脱离地理数据库的支持，又能制作出达到地图规范的地图产品。文献[10]研究了地图制图与空间数据生产一体化的理论和核心技术，实现了生产过程中的图库一体；文献[11—12]研究了地图与DLG数据库的一体化生产与管理方法，提出了图库一体化产品——Digital Line Graphs and Map；文献[13]研究了以地理数据库驱动的地图增量更新机制，从基态继承、增量数据模型扩展、图形(注记)输出控制、地理处理工具、增量表达分类预处理、图形冲突检测与处理等6个方面进行了探讨,并给出了基于Geodatabase数据模型的具体实现途径；文献[14]设计了一种基于单个地理要素的制图表达模型，并在此基础上给出了制图信息的增量更新方法。

笔者认为，地图更新必须与DLG数据更新相结合，与当前地理数据库驱动的地图制图模式相一致，这种方式是地图数据增量更新的根本途径。

1 图库一体更新方法

1.1 基于地理实体的图库一体模型

基于地理实体的图库一体模型既存储了DLG数据，又存储了地图表达数据，如图1所示。DLG数据包括空间信息及属性信息，主要用于GIS空间分析；地图表达数据包括符合制图规范和人类视觉要求的地图表达信息，主要用于地理信息的表达。

图1 基于地理实体的图库一体模型

地理实体表达具有地理意义的地理空间物体，地理实体数据由几何信息、属性信息和地图表达信息3部分组成，具有确定的位置和形状特征、规定的属性项及属性值、满足制图规范的符号图形。地理实体数据中，几何信息和属性信息的集合构成DLG数据，地图表达信息的集合构成完整的地图。地理实体分为基本实体和组合实体两类，基本实体是最小的地理实体单位，组合实体是由多个基本实体或其他组合实体通过集合、聚合、从属等方式构造而成的复杂实体。当地理实体的几何信息或属性信息更新时，不必重新进行地图符号化和编辑处理已经调整好的符号关系，只需更新发生变化的地理实体的符号即可。

地理信息以地理实体为单位按矢量图层进行数据组织并存储到地理空间数据库中，基于地理实体的图库一体数据库存储模型如图2所示。

矢量图层是相同类别地理实体的集合，每个矢量图层都有一个唯一的图层识别号(global layer ID，GLID)，同一矢量图层中的地理实体版本可不相同，但具有相同的比例尺。矢量图层包含空间参考关系信息、属性字段信息、图层元数据信息和图层版本信息。地理实体包含几何信息、属性信息、图形信息和版本信息。增量更新包含地理实体版本号、地理实体GFID、更新类型等信息。每一次增量更新操作，将生成一个新的版本号，更新类型为新增、删除和修改3种。

图2 基于地理实体的图库一体数据库存储模型

1.2 图库一体联动更新过程

图库一体联动更新过程如图3所示，具体步骤如下：

图3 图库一体联动更新过程

1.2.1 数据集成处理

地理空间数据库更新数据来源很多，如现势性矢量数据、OpenStreetMap数据、GPS道路修测数据、野外实测数据及其他行业部门数据等。利用数据集成处理功能实现对多种来源更新数据源进行坐标系、数据结构、拓扑关系等的检查与修正处理，得到标准更新数据。

1.2.2 变化发现与变化信息提取

针对道路、居民地、水系等典型地理要素，根据变化信息类型选择相应的检测提取方法，并设计对应的目标匹配算法提取变化信息。利用变化发现与变化信息提取自动或交互方式获取地理实体几何和属性变化信息。

1.2.3 空间冲突检测与协调处理

地理实体几何和属性数据发生变化后，从要素层次、属性定义、属性结构、拓扑关系和上下文联系等方面进行正确性、精度、逻辑一致性和完整性检查处理。利用空间冲突检测与协调处理自动或交互方式获取空间上下文影响的地理实体空间变化信息，从而得到以地理实体为单位组织的几何和属性增量信息，利用该增量信息可实现DLG数据的增量更新。

1.2.4 地理实体地图表达信息更新

利用地理实体的几何和属性增量信息，联动更新地理实体地图表达信息，从而得到地理实体的几何、属性和地图表达增量信息，如图4所示，主要包括以下4个方面：

(1) 地理实体增加后，自动生成地理实体符号图形，依据制图规范自动或交互方式协调处理该地理实体及与其上下文相关的地理实体的符号图形，更新符号图形发生变化的地理实体地图表达信息，如图4(a)、(b)、(c)所示。

图4 地理实体地图表达信息联动更新

(2) 地理实体删除后，由于该地理实体符号图形删除后势必引起其上下文相关的地理实体的符号图形的变化，依据制图规范自动或交互方式协调处理这些上下文相关的地理实体的符号图形，并更新符号图形发生变化的地理实体地图表达信息，如图4(d)、(e)所示。

(3) 地理实体空间位置变化后，通常情况自动更新地理实体符号图形，依据制图规范自动或交互方式协调处理该地理实体及与其上下文相关的地理实体的符号图形，更新符号图形发生变化的地理实体地图表达信息；若地理实体空间位置变化不大，依据制图规范不需调整符号图形位置时，地理实体地图表达信息不变，如图4(f)、(g)所示。

(4) 地理实体属性值变化后，若属性值作为注记内容，自动更新注记符号，依据制图规范自动或交互方式调整注记符号位置，并更新地理实体地图表达信息，如图4(h)、(i)所示；若属性值作为符号参数，自动更新符号图形，依据制图规范自动或交互方式协调处理该地理实体及与其上下文相关的地理实体的符号图形，更新符号图形发生变化的地理实体地图表达信息。

1.2.5 地理空间数据库更新

有效的数据更新机制是地理空间数据库现势性的根本保证，建立多版本机制，在跨越一定版本之间设置一个基态，基态存储全部基础数据，同时计算该基态与上一基态间的数据差(称为基态距)，如图5所示。利用地理实体的几何、属性和地图表达增量信息，以批处理方式自动更新地理空间数据库。

图5 多版本机制

2 试验与评价

为了验证本文方法，课题组基于ArcGIS平台，利用Microsoft Visual Studio 2010和ArcObjects .NET SDK，采用Visual C#语言搭建了地理信息图库一体更新试验原型系统。试验数据为江苏省某城区1∶10 000地形图数据，采用Geodatabase关系数据库一体化存储地理实体的几何信息、属性信息和地图表达信息。本文首先利用1∶10 000现势性强的局部实地修测数据，经过数据集成处理、变化发现与变化信息提取、空间冲突检测与协调处理等过程，提取并得到地理实体的几何与属性增量信息；然后基于地理实体的几何与属性增量信息，经过图形符号更新、冲突处理等过程，得到更新后地理实体的地图表达增量信息。

图6显示了1∶10 000局部区域地理信息图库一体更新的中间数据与最终结果，其中：图6(a)为更新前1∶10 000旧DLG数据；图6(b)为更新前1∶10 000旧地图；图6(c)为利用现势性强的实地修测数据发现并提取的地理实体的几何与属性增量信息；图6(d)为增量信息融合更新后1∶10 000新DLG数据；图6(e)为地理实体的几何与属性增量对应的符号图形变化信息；图6(f)为基于几何和属性增量信息对地理实体符号图形进行更新后的1∶10 000新地图。

如图6(e)、(f)所示，直接利用地理实体的几何和属性增量信息更新地理实体的符号图形，并通过自动或人工交互方式对更新后的符号图形进行局部关系调整，可得到满足地图出版要求的新地图，极大提高了地图更新工作效率。

图6 地理信息图库一体更新试验数据更新结果

3 结 语

采用地理信息图库一体更新方法，当DLG数据更新时，基于地理实体的几何和属性增量信息，通过局部删除、新增或修改符号图形，实现了变化地理实体的地图表达信息更新，避免了重新全图符号化、重新调整已调整好的符号关系，有效解决了DLG数据和地图的联动更新难题。原型系统试验表明了地理实体几何和属性信息发生变化后，只需对涉及变化的地理实体的符号图形进行更新并协调处理，便可实现地图的联动更新，确保了DLG数据与地图的一致性，极大地提高了地图更新的效率。下一步工作主要研究地理实体符号图形新建和删除后的图形关系自动探测与协调处理，为实现地图一键联动更新奠定基础。