二维地理实体质量特性分析

张 号 王 虹 王 炜 王 程

(自然资源部陕西测绘产品质量监督检验站, 陕西 西安 710054)

0 引言

2021年8月自然资源部发布了实景三维中国建设技术大纲,其中明确了地理实体的定义和类型,地理实体的生产两种路径和方法,为后续试点及大范围实施提供了技术路线和指明了工作方向[1-3]。上海新型基础测绘试点项目工作已在2020年9月完成了验收,上海试点探索了以全新的技术手段进行地理实体的全息地理时空数据获取、处理、建库、管理和服务等研究,创新性地建立了基于地理实体的“智能化全息测绘”技术体系[4-5]。武汉市新型基础测绘项目试点工作于2021年5月通过中期评估,武汉试点利用现有基础测绘数据转换加工或通过(补充)采集的方式进行地理实体数据生产,通过改造现有数据,经过数据抽取、数据映射、属性编辑、图元关联等流程进行地理实体获取[6-7]。宁夏新型基础测绘项目试点于2021年6月完成了实施方案评审及取得了阶段性成果。宁夏试点探索了地理实体的多级表达,构建了以面向管理、应用需求等为目标的地理实体分类体系,完成了二维矢量的非城市区域地理实体生产。

目前，西安、山东、北京、阳泉、嘉兴市(含嘉善县)等地都在如火如荼地进行试点生产,试点工作技术路线和研究重点不尽相同,都在地理实体分级、分类、粒度、精度等指标进行研究探索,为不同的城市级别、区域范围、服务对象、行业应用探索了新路子,为建设新型基础测绘体系、实景三维中国等工作目标任务打下了坚实的基础,为更好地服务于自然资源管理、服务社会经济发展奠定了技术基础。本文通过介绍两种方式生产的地理实体技术路径,分析实体数据的要素构成和特点,总结归纳二维实体化后数据的质量特征及检查要点,为后续地理实体成果质量控制和评价奠定技术基础。

1 已有DLG数据制作地理实体

地理实体生产的路径之一是基于现有基础地理信息数据,进行几何信息补偿、语义信息转换、重构与整合、实体间关系处理等过程,获取地理实体数据。本文以武汉试点为例,该项目以现存1∶500数字线划地图(digital line graphic,DLG)为数据基础,通过相关专题数据信息支撑,进行实体化改造,具体技术流程如图1所示[6,8-9]。

图1 DLG转换地理实体技术流程

1.1 数据源收集分析

收集整理用于转换作业的生产数据源及各类辅助参考数据,并综合分析各类数据集的特性,规划好每一类数据最适宜的用途。具体数据源用途分析如表1所示。

表1 不同类型数据源功能分析

1.2 数据预处理

数据预处理主要目的是建立生产作业的数据集,具体工作包括：源数据质量检查,主要进行拓扑检查,统一数据的数学基础,统一坐标系,对不同来源数据进行格式转换和坐标转换,形成一套规范、规整的待转数据集。

1.3 地理实体方案配置

按地理实体数据规范数据规定,配置地理实体库体结构、转换地理实体对照表及数据质量检查方案等。采用地理实体生产工具内置的地理实体标准模板,或者进行自定义和修改模板,使之符合数据规定要求。

1.4 地理实体转换编辑

地理实体转换编辑是地理实体矢量数据的生产作业的核心环节。根据数据采集要求,自动/半自动化提取图元信息,根据图元信息,对照实体相关属性进行编辑,对地理实体数据进行质量检查,主要包括完整性、逻辑一致性、属性精度、拓扑关系等进行检查,合格后进行入库,获得地理实体数据库。

2 地理场景生产地理实体

地理实体生产的路径之二是基于倾斜摄影三维(three-dimensional,3D)模型、激光点云、手工模型(3D max模型)、影像等地理场景数据生产[1-3,9],进行数预处理、图元信息采集、图元属性赋值、质量检查、实体构建等处理等过程,获取地理实体数据。本文以西安试点为例,以倾斜模型和激光点云为数据源进行地理实体获取,具体技术流程如图2所示。

2.1 数据采集和预处理

激光点云经过去噪、分类、滤波、抽稀等过程与倾斜摄影模型进行配准、融合处理[10],获得初始作业数据源。

2.2 图元采集

按照数据规定要求,按照数据库配准方案,进行点、线、面等根图元、主体图元、构建图元逐个采集,按图层数据存放、属性赋值。

2.3 数据检查

对图元信息进行属性、完整性、拓扑关系、逻辑一致性等方面进行检查,比对倾斜摄影模型数据检查图元相关信息采集的准确、完整性。

2.4 实体构建

图元是地理实体的管理单元,在转化地理实体前,进行构件图元、主体图元与对应的根图元的关系构建,并通过全局唯一标识符(globally unique identifier,GUID)进行根图元与主体或构件图元的编组关联。以每个编组关系下根据图元的最小外包计算地理实体标识码,并填入图元属性,把地理实体标识码相同的图元转化成一条地理实体记录,形成地理实体数据库。

3 地理实体要素构成、质量特征及检查内容

3.1 地理实体要素构成

地理实体主要由图元(空间信息)、属性(几何信息、关系信息、时间信息)、编码(标识信息)三个要素构成[11-15]。空间信息主要描述地理实体的空间特征,如位置、大小、形状、范围、分布、走向、高度、深度等,通常抽象为具体的几何图形来表示,可以是点、线、面、体;属性信息主要描述地理实体本体的特征、特点,是实体之间个体差异的本质区别,如长度、面积、类型、材质、用途、状态、等级、权属等;关系信息主要包括描述地理实体逻辑构成关系的组成关系、依存关系、层次关系,描述地理实体之间空间特征关系的拓扑关系、距离关系、方位关系;时间信息主要描述地理实体的产生、存续、消亡的时间。产生时间指地理实体首次发现、记录的时间或发布的时间,存续时间指地理实体在存续期间不同状态的记录时间,消亡时间指地理实体的灭失、消亡的时间;标识信息主要指用于区分个体之间身份的信息,包括地理实体的身份编码、名称、地址、编号等,身份编码是地理实体身份标识的主要方式,是按照一定规则,由程序自动生成,并赋予特定地理实体。身份编码具有唯一性,是区别地理实体的重要属性,地理实体的名称、地址、编号是地理实体身份标识的有效补充,是实现社会、经济、人文等不同行业之间地理信息链接、融合的重要依据。

图2 地理场景生产地理实体技术流程

3.2 地理实体质量表现特征

地理实体应结合应用需求确定合适的精度、粒度,真实、准确地表达实体的特征信息,地理实体在不同的情况下有不同的可视化表现形式,可以是点、线、面、体,或者照片、影像、点云、文字等,根据实际需求采用的一种对实体的表现形式。地理实体采集应保证分类正确、几何类型和拓扑关系正确,属性、时间和关系信息准确、完整。地理实体在采集、编辑过程中,不得错漏、重复、移位、变形,同一中类地理实体之间不应存在重叠、压盖,不同中类实体空间范围有重叠时,不得平移避让、综合取舍;同一地理实体的身份编码应唯一。

采用已有数据转换和地理场景两种方式生产二维地理实体关键步骤均包括以下几个方面：图形(图元)绘制,属性赋值,跨图层合并,线切割,按线构面、提取中心线、线续采、构建外包面、实体关系构建、处理等过程[6]。

根据地理实体上述生产流程及实体要素构成,对成果产生的质量的影响因素分析,总结归纳以下几方面质量特征表现形式,其质量检查要点应包括以下内容：数学精度(空间参考系、平面精度、高程精度)、完整性(所有图元应贴合倾斜模型采集,确保采集过程做到无错漏、不变形、不移位,应保证数据的完整性、正确性,要素采集齐全性、准确性)、逻辑一致性(图元、图层、符号应表达正确,地物、地貌各图元,应主次分明、线条清晰、位置准确、交接清楚)、拓扑关系(采集的数据进行编辑,应保证线条光滑,严格相接,不得有多余悬挂点和伪节点;不存在面线不符、重复线、重复点(坐标重复)等逻辑拓扑问题,面层全图应无缝覆盖,部分图层面图元可以合理重叠、空间关系(无意义的线条、符号均不采集,确保矢量数据能正确的映射到实际存在的地物实体上)、属性正确性(属性项、属性内容、属性值赋值、填写正确性)、关联关系(实体间依存关系、层次关系正确合理)。

3.3 地理实体质量检查内容

根据地理实体质量表现特征,成果质量检查应包括以下主要内容：

(1)数学精度。检查实体数据的坐标系与设计要求是否一致,已有数据转换过程中地理实体的平面、高程精度是否有损失,新采集的图形(图元)角点、拐点采集是否准确合理,房屋实体边线是否移位等。

(2)完整性。地理实体数据分层应正确,无遗漏层、多余层或重复层的现象;实体基本属性项、专有属性项应无多余、遗漏现象,实体数据无多余、遗漏现象,如道路、河流未构面,表示不完整等。

(3)逻辑一致性。检查地理实体分类码与实体数据是否一致;检查图元编码、图元名称与实体数据是否一致;检查数据的产生时间是否合理,产生时间不晚于存续时间、生产时间不晚于消亡时间,存续时间不晚于消亡时间。

(4)拓扑关系。检查除水系、交通、院落图层外,其他同一图层间数据不能存在重叠、相交的情况; 检查线图层,不能存在悬挂点、伪节点、自重叠、自相交等情况,线节点距离必须大于聚合阈值;检查面图形,不能存在复杂面、自相交、空洞等情况,面、线节点距离必须大于聚合阈值;检查单图层与多图层间的拓扑关系是否合理,包括点和面的覆盖、线和面的重叠相交、面与其他面重叠、面之间存在空隙。

(5)表征质量。检查房屋实体空间图形合并是否合理;实体中线、面类要素对象的边界应由直线、折线、圆弧等基本图形要素组成,线状实体应表示光滑、自然、节点密度适中,应无折刺、回头线、粘连、抖动、变形扭曲等现象,检查院落实体空间范围是否合理;检查城市道路实体空间范围、空间立体关系是否合理。

(6)属性精度。检查图层名称、图层中属性字段的数量和属性字段名称、类型、长度、约束条件、小数位数是否符合数据规定要求;检查属性字段的值是否符合规定的值域范围;地理实体分类码、地理实体标识码、产生(测取)时间、存续时间、字段不能为空;地理实体标识码不能重复等。

(7)关联关系。检查地理实体组成的包含、依存、附属关系是否正确。 如实体关系记录中的下级实体和上级实体是否存在;实体关系表是否存在重复的记录;道路实体中包含路段与路口实体关系是否正确。

4 结束语

本文主要从二维地理实体两种方式生产的技术路径,只对小区域试验数据总结归纳了地理实体的要素构成和生产主要环节影响成果的质量因素,提出了二维地理实体成果质量控制的几个要点,在后续实践中应对提出的质量元素是否能完整、准确地评价地理实体成果质量还有待大量试验和验证,未来也应对三维地理实体、二维三维地理实体关联、二维实体转换三维实体、地理实体数据更新等方面进行研究,后续也需扩大不同比例尺地理信息数据实体化改造范围和多源数据融合制作地理实体数据的试验探索,可为今后地理实体数据成果质量评定、过程质量控制相关技术标准制定及测绘地理信息事业转型升级发挥积极的作用。