基于地圖信息量的地形圖更新技術(shù)

莫中夏，張新長(zhǎng)，何顯錦

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

基于地圖信息量的地形圖更新技術(shù)

莫中夏，張新長(zhǎng)，何顯錦

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)的管理與自動(dòng)化更新得到國(guó)土規(guī)劃部門的高度重視。基于范圍(圖幅)的更新方法易于實(shí)現(xiàn)、效率高，但因重復(fù)更新無變化要素，容易導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)庫(kù)冗余。而基于要素的更新方法雖然只更新變化要素，但復(fù)雜的變化信息檢測(cè)使其不適用于變化量較大的更新。針對(duì)當(dāng)前更新技術(shù)無法自適應(yīng)選擇更新方法的問題，本文提出了基于地圖信息變化量的地形圖更新方法，即在選取更新方法前計(jì)算地圖信息量變化率，以此作為更新方法的選取依據(jù)。以多組1∶2000的居民地面數(shù)據(jù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證了本方法能有效地提高數(shù)據(jù)更新效率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變化率小于20%時(shí)采用基于要素的更新方法，大于55%時(shí)采用基于范圍的更新方法具有更高的更新效率，而處于20%～55%時(shí)，兩種方法的更新效率沒有顯著差異。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)地形圖更新方案的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

范圍更新；要素更新；地圖信息量；地形圖

隨著各大中城市系列比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的完成，數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性問題逐漸成為用戶關(guān)注的熱點(diǎn)，并對(duì)大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)提出了“持續(xù)更新”的要求[1]。動(dòng)態(tài)更新技術(shù)是維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)勢(shì)性的主要手段[2]，學(xué)者們先后提出了基于版本的更新[3]和基態(tài)修正的增量更新模型[4]。從更新范圍來看,也可劃分為基于范圍(圖幅)的更新和基于要素的更新[5]。前者按圖幅或自定義的范圍進(jìn)行更新，通過挖空更新范圍內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，填充最新數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，且運(yùn)行效率較版本更新高[6]，但由于所選定更新范圍內(nèi)的無變化數(shù)據(jù)也被存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此容易造成歷史數(shù)據(jù)冗余，降低歷史回溯效率；后者則主要通過遍歷要素的方式進(jìn)行變化檢測(cè)，只需對(duì)變化對(duì)象進(jìn)行更新[7]，能有效地提高數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)效率，但在待更新數(shù)據(jù)量大、變化要素多的情況下更新速度相對(duì)較慢。上述兩種更新方法各具優(yōu)勢(shì)，如何在實(shí)際更新工作中充分發(fā)揮其作用，避免方法選擇上的盲目性，是本文的研究重點(diǎn)。另外，居民地作為城市空間變化的主要要素[8]，其數(shù)量多、更新快，在更新過程中占有很大比重[9]，關(guān)注其變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將在介紹地圖信息量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出基于地圖信息變化量的地形圖更新方法，為實(shí)際的更新應(yīng)用提供參考。

1 常規(guī)的更新方法及其流程

1.1 基于范圍(圖幅)的更新方法

基于范圍(圖幅)的更新方法由5個(gè)步驟完成(如圖1所示)[6],分別是：①提取數(shù)據(jù)到臨時(shí)庫(kù)；②挖空范圍內(nèi)的舊數(shù)據(jù)；③填充新數(shù)據(jù)；④接邊處理；⑤更新數(shù)據(jù)入庫(kù)。其中，在進(jìn)行接邊處理時(shí)，需要綜合考慮空間距離、語(yǔ)義相似度及空間關(guān)系從而確定接邊對(duì)象[7]。

圖1 基于范圍(圖幅)更新方法過程示意圖

1.2 基于要素的更新方法

基于要素的更新方法主要包含兩部分：變化信息檢測(cè)和更新數(shù)據(jù)入庫(kù)[10]。該方法以要素為處理對(duì)象，通過要素匹配、變化檢測(cè)發(fā)生變化的要素，并對(duì)其進(jìn)行更新操作，能夠有效剔除無變化要素，從而減少歷史數(shù)據(jù)庫(kù)冗余。因此，該方法在變化量較少的更新中具有極高的使用價(jià)值。變化對(duì)象的確定與空間距離、語(yǔ)義相似度及空間關(guān)系等因素有關(guān)，其計(jì)算模型可以表示為

M(A,B)=d(A,B)ω1+s(A,B)ω2+r(A,B)ω3

(1)

2 基于地圖信息變化量的地形圖更新方法

2.1 基于地圖信息變化量的地形圖更新策略

在實(shí)際更新應(yīng)用中，更新效率主要受兩個(gè)因素的影響，即待更新要素?cái)?shù)量和所采用的更新方法。在不同的場(chǎng)景下，地理要素的數(shù)量、變化程度、變化范圍等都存在較大差異。對(duì)于地理要素?cái)?shù)據(jù)量大且變化要素較多的圖幅，在進(jìn)行更新時(shí)可以優(yōu)先考慮基于范圍(圖幅)的更新方法。反之，選擇基于要素的更新方法更為合適。盡管不少更新系統(tǒng)提供了多種更新方法供用戶選擇，但對(duì)用戶而言，選擇何種方法存在一定的盲目性。本文將地圖信息量變化率作為選取更新方法的判斷準(zhǔn)則，并在更新流程中增加了自適應(yīng)方法選取的環(huán)節(jié)，其具體流程如圖2所示。在該流程中，通過分析地圖信息變化率F是否超過變化率閾值來確定選擇哪種更新方法。

圖2 基于信息變化量的更新策略

2.2 地圖信息變化量及其計(jì)算

國(guó)外很早就開展信息量計(jì)算的相關(guān)研究，最具影響力的是Shannon提出的信息熵[11]。隨著地理信息領(lǐng)域的快速發(fā)展，不少學(xué)者開始對(duì)地圖信息量進(jìn)行研究，取得了一定的研究成果[12- 15]。目前，地圖信息量的計(jì)算方法主要有概率統(tǒng)計(jì)法、組合法、綜合特征值法幾大類。本文以文獻(xiàn)[13]提出的地圖信息量計(jì)算模型為原型，探討基于地圖信息變化量的地形圖更新方法。由于本文關(guān)注的是面狀數(shù)據(jù)，因此主要計(jì)算地圖的幾何信息量。

2.2.1 地圖幾何信息熵計(jì)算模型

假設(shè)地圖上有N個(gè)面狀居民地，S是地圖上所有面狀居民地面積的總和，Si是第i個(gè)面狀居民地(1≤i≤N)的面積，則第i個(gè)面狀居民地所占的面狀居民地總面積的比率為

(2)

通過各個(gè)面狀居民地所占面積比率可求得地圖的總體幾何信息熵(式(3)、式(4))，其中，X表示隨機(jī)變量。

HGM(X)=H(P1,P2,…,PN)

(4)

2.2.2 地圖信息量變化程度的確定

(5)

(6)

3 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本文所述方法的可行性，本文在Windows環(huán)境下，以Visual Studio 2010為開發(fā)工具，集成ArcGIS Engine10.0開發(fā)包研制了更新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于地圖信息量變化率的最優(yōu)更新方法選取。試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自某市比例尺為1∶2000的居民地矢量面數(shù)據(jù)，分別選取了15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如圖3所示)，每組數(shù)據(jù)均取自不同區(qū)域，且變化程度不同，依照式(2)—式(6)計(jì)算了相應(yīng)的地圖信息變化率，同時(shí)獲取每組數(shù)據(jù)基于要素更新和基于范圍更新兩種方法的更新時(shí)耗見表1。

表1 兩種更新方法時(shí)間記錄結(jié)果

注：F為地圖信息量變化率；Te為要素更新耗費(fèi)時(shí)間；Tmap為范圍(圖幅)更新耗費(fèi)時(shí)間。

分析表1、圖4可知，當(dāng)?shù)貓D信息量變化率不超20%時(shí)，采用基于要素更新的方法耗時(shí)少，當(dāng)?shù)貓D信息量變化率大于55%時(shí)，選取基于范圍(圖幅)更新的方法在提高更新效率上較為有利，而處于20%～55%，兩種更新方法的效率沒有顯著區(qū)別。因此，地圖信息量變化率F>55%時(shí)，表明待更新要素的數(shù)量較多，宜對(duì)該范圍內(nèi)要素全部進(jìn)行更新，采用基于范圍(圖幅)的更新方法；當(dāng)F<20%時(shí)，表明待更新要素的數(shù)量較少，僅需更新發(fā)生變化部分的要素，此時(shí)宜選擇基于要素的更新方法。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為地圖信息變化程度大于35%時(shí)全圖需要更新，處于20%～35%需更新一部分，小于20%無需更新。由此可見，依據(jù)地圖信息量變化率選擇相應(yīng)的更新方法，可以為使用者提供一個(gè)合理的更新方法選擇策略，有效地將變化部分實(shí)現(xiàn)更新入庫(kù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于地圖信息變化量的地形圖更新策略能夠有效地避免實(shí)際更新工作中對(duì)更新方法選擇的盲目性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖4 不同更新方法更新時(shí)間比較

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)正處在快速城市化發(fā)展的時(shí)期，城市變化日新月異?！皵?shù)字城市地理空間框架”和“地理國(guó)情監(jiān)測(cè)”工程建設(shè)需要現(xiàn)勢(shì)性好、適用性強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)作為支撐。動(dòng)態(tài)更新技術(shù)無疑在保持?jǐn)?shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于用戶在選擇更新方法上存在一定的盲目性，致使實(shí)際工作中無法快速、高效地更新數(shù)據(jù)。本文通過求取不同時(shí)期地圖幾何信息熵的變化率，以此作為更新方法選取的判斷準(zhǔn)則，通過更新試驗(yàn)和比較分析，得出如下結(jié)論：當(dāng)變化率在F小于20%時(shí)，采用基于要素的更新方法比較合適，而當(dāng)變化率大于55%時(shí)，基于范圍(圖幅)更新的方法更具優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)表明，本文提出的更新方法選取策略具有一定的實(shí)用價(jià)值。存在的不足主要有：①計(jì)算地圖信息量時(shí)僅考慮了空間信息，未顧及要素的屬性信息；②變化率閾值的劃分僅在面狀居民地?cái)?shù)據(jù)更新上適用，對(duì)于非面狀數(shù)據(jù)是否適用需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] 蔣捷，陳軍.基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)更新的若干思考[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2000(5): 1- 3.

[2] BRIAT M，MONNOT J，KRESSMANN T. Incremental Update of Cartographic Data in a Versioned Environment[C]∥Proceedings of 22nd ICA Conference.Corua. Spain：[s.n.]，2005： 1- 9.

[3] COOPER A K, PELED A. Incremental Updating and Versioning[C]∥20th International Cartographic Conference. Beijing: Sinomap Press，2001：2806- 2809.

[4] 林艷, 劉萬(wàn)增, 韓剛. 基態(tài)修正的 GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)增量更新建模[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2012, 37(4): 199- 201.

[5] 李宗華. 城市地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)更新方法研究[J]. 城市勘測(cè), 2006(1): 6- 8.

[6] 梁史進(jìn), 張新長(zhǎng), 郭泰圣. 基于圖幅的地形圖數(shù)據(jù)自適應(yīng)更新實(shí)現(xiàn)[J]. 地理信息世界, 2014, 21(6): 77- 81.

[7] 張新長(zhǎng),郭泰圣,唐鐵. 一種自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(4): 613- 619.

[8] 黃智森，錢海忠，郭敏，等.面狀居民地匹配骨架線傅里葉變化方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013，42(6)：913- 921,928.

[9] 許俊奎，武芳，錢海忠. 多比例尺地圖中居民地要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其在空間數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013,42(6)：898- 905，912.

[10] 楊文杰,張新長(zhǎng),羅國(guó)瑋，等. 基于要素的地形圖數(shù)據(jù)更新方法研究[J].地理信息世界,2014,21(6):12- 16.

[11] SHANNON C E. A Mathematical Theory of Communication[J]. ACM Sigmobile Mobile Computing and Communications Review, 2001, 5(1): 3- 55.

[12] 何宗宜. 地圖數(shù)據(jù)處理模型的原理與方法[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社, 2004.

[13] 劉慧敏,鄧敏,樊子德,等. 地圖上居民地空間信息的特征度量法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(10): 1092- 1098.

[14] 何宗宜,白亭穎. 用信息方法確定地圖的變化信息量[J]. 武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 21(1): 64- 68.

[15] 王紅. 基礎(chǔ)地理信息地形數(shù)據(jù)庫(kù)信息量度量方法研究[D]. 阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2010.

Technology of Topographic Map Updating Based on Map Information Volume

MO Zhongxia，ZHANG Xinchang，HE Xianjin

(Department of Geography and Planning, Sun Yat- Sen University, Guangzhou 510275, China)

With the rapid development of urban construction, the management of vector topographic map data and automatic updating have been attached great importance to the land planning department. On one hand, the region- based updating method is easy to implement and of high efficiency, but it may cause the redundancy of historical database because of repeated updating of non- changing elements. On the other hand, the element- based updating method which is not suitable for large changes in the amount of updates because it merely updates the changed elements and needs complex change detections. In order to solve the problem that the updating method cannot be adaptively selected during the process of updating, a map updating method based on map information variation is proposed. Based on the updating cases of 1∶2000 topographic maps of residential areas, we found that the proposed method can effectively improve the data updating efficiency. We can also draw the following three conclusions. ①When the rate of change is less than 20%, the element- based updating method is adopted. ②If the rate of change is more than 55%, the region- based updating method can produce higher update efficiency. ③The update efficiency is not significant when the rate is between 20% and 55%. The experimental results have important reference value for the design of the updating scheme of topographic maps.

region updating; element renew; map information volume; topographic map

2016- 06- 16；

2017- 01- 25

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41431178)；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2016A030311016)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41671453)

莫中夏(1992—)，女，碩士生，主要研究方向?yàn)槌鞘械乩硇畔⑾到y(tǒng)。E- mail：1763660763@qq.com

莫中夏，張新長(zhǎng)，何顯錦.基于地圖信息量的地形圖更新技術(shù)[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：58- 61.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0084.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0058- 04