空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新的沖突自動檢測處理方法

陳明輝，張新長

（1.東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心， 廣東 東莞 523129；2.中山大學 地理科學與規(guī)劃學院， 廣東 廣州 510275）

在空間數(shù)據(jù)更新的過程中，由于不同來源的采集數(shù)據(jù)其空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準不一，采集精度、采集時態(tài)、語義結(jié)構(gòu)等不同，數(shù)據(jù)間往往會產(chǎn)生空間沖突，表現(xiàn)為空間目標圖形拓撲結(jié)構(gòu)沖突、屬性沖突和出現(xiàn)不符合空間數(shù)據(jù)庫約束規(guī)則的錯誤空間關系等。

這種多源空間數(shù)據(jù)的空間沖突檢測與處理是當前國內(nèi)外GIS的前沿課題[1-2]，由于空間沖突的類型多樣性、計算復雜性、語義相關性等造成其難以檢測與處理，尤其在空間數(shù)據(jù)更新中面臨很多難題[3-5]。國內(nèi)外一些學者對此作了大量的研究，并得出一些理論研究成果，包括基于自定義約束規(guī)則的空間沖突檢測與處理方法[6]，基于空間目標時空特性的空間沖突確認方法[7]，還有從自動制圖綜合出發(fā)的空間沖突檢測模型[8]等。這些方法都有各自的局限性，通用性不強，很難應用于實際生產(chǎn)。

本文針對空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新中沖突的檢測與處理難題，分析了空間沖突的主要特征，提出空間沖突檢測與處理的難點與解決思路，并建立了相應的空間沖突自動檢測與處理模型，最后實例進行了驗證。

1 間沖突表現(xiàn)形式

Worboys從數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的角度提出了3種基本更新操作算子：建立、刪除和更新，其他更新操作都可以通過這3種基本操作來實現(xiàn)[9]。數(shù)據(jù)庫更新中這3個基本操作，都會對與之相關的其他空間目標的空間關系造成影響，從而表現(xiàn)出不同的空間沖突。下面以簡單實例來分析其空間沖突表現(xiàn)：

1）增加空間目標。如對數(shù)據(jù)庫中的居民地層進行更新，增加一個房屋，但新增的房屋與居民地層中原有房屋出現(xiàn)了相互疊置的情況。一般來說，房屋之間正確的空間關系有相離與相接（局部邊界線重合）關系，而上述疊置關系屬于違反現(xiàn)實世界實體規(guī)則的錯誤關系，產(chǎn)生空間沖突，如圖1a所示。

2）刪除空間目標。如對數(shù)據(jù)庫中的道路層進行更新，刪除了一條道路，但是被刪除道路旁邊的道路配套設施（路燈、交通燈等）沒有同時刪除。在現(xiàn)實世界中，路燈等道路配套設施是依賴于道路而存在的，不可能獨立存在，因此上述的情況屬于錯誤的空間關系，產(chǎn)生了空間沖突，如圖1b所示。

3）修改空間目標。如采集了某道路被整改后的竣工測量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫進行更新后，發(fā)現(xiàn)修改后的目標道路落入了旁邊的水體，發(fā)生了不合理的空間關系，從而產(chǎn)生空間沖突，如圖1 c所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫更新中的3個基本操作產(chǎn)生的空間沖突表現(xiàn)

2 空間沖突檢測與處理

2.1 空間沖突檢測

現(xiàn)實世界地理實體的空間約束關系在GIS矢量數(shù)據(jù)庫中表達為要素之間的空間約束關系[10]。這種映射關系決定了在空間數(shù)據(jù)庫中空間目標的幾何特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間位置、方向、屬性及其與其他空間目標的空間關系等與對應現(xiàn)實世界地理實體的相關特性間的一致性關系。

用Ai表示數(shù)據(jù)庫中的空間目標，ai表示對應現(xiàn)實世界中的地理實體，則兩者的映射關系可以表示為:

式中，fi表示制圖、更新編輯入庫一系列算子。

同時，數(shù)據(jù)庫中空間目標之間的空間關系與現(xiàn)實世界中的地理實體之間的空間關系也存在一定的映射關系，假設數(shù)據(jù)庫中的空間目標A,B之間的空間關系為T，即T(A,B)；對應現(xiàn)實世界中的地理實體a,b之間的空間關系為T′，即T′(a,b)。它們的映射關系為：

式中，F(xiàn)表示映射函數(shù)。將式(1)代入式(2)得：

現(xiàn)實世界地理實體間的空間關系是真實存在的，因此式(3)中的T′(a,b)總為真關系，而對應數(shù)據(jù)庫中空間目標間的空間關系T(f(a),f(b))則取決于其映射關系F。當該映射關系表現(xiàn)為不合理時，T(f(a),f(b))就為偽關系，即產(chǎn)生了空間沖突。例如，現(xiàn)實世界中的某條道路a與某一建筑物b是相離關系T1，通過制圖更新入庫等抽象處理后，對應數(shù)據(jù)庫中的道路線要素f(a)與建筑物面要素f(b)的空間關系變?yōu)榫€穿越面T2，出現(xiàn)不合理的映射關系F，造成空間沖突，如圖2所示。

圖2 不合理的空間映射關系造成空間沖突

現(xiàn)實世界地理實體跟數(shù)據(jù)庫空間目標之間存在對應的映射關系，而空間沖突的產(chǎn)生正是由于出現(xiàn)了不合理的映射關系，可以將現(xiàn)實世界地理實體間的真實空間關系以及真實的幾何語義特征作為判斷規(guī)則，再計算數(shù)據(jù)庫中更新空間目標間的空間關系以及幾何語義特征，通過規(guī)則與計算結(jié)果的比對檢測空間沖突。因此，空間沖突檢測可以轉(zhuǎn)化為地理實體間空間關系與對應數(shù)據(jù)庫更新空間目標間空間關系的比對過程，包括4個主要步驟：

1）根據(jù)現(xiàn)實世界地理實體間實際存在的語義關系、幾何特征和空間關系，明確實體與實體間的真關系與假關系集合，建立空間沖突的判斷規(guī)則；

2）計算數(shù)據(jù)庫中更新空間目標的幾何、屬性特征、拓撲特征以及空間關系；

3）將計算出的空間關系及其他特征與判斷規(guī)則進行比對，判斷有無空間沖突；

4）確認空間沖突類型。

圖3 空間沖突檢測模型

2.2 空間沖突處理

根據(jù)空間沖突目標數(shù)據(jù)類型的不同，可分為點與點、點與線、點與面、線與點、線與線、線與面、面與點、面與線、面與面9類空間沖突關系組合，本文對應地設計了6種基本更新沖突處理方式，如表1所示。

表1 空間沖突關系組合與基本處理方式

上述基本的處理方式并不能處理所有空間沖突的情況，本文根據(jù)不同的沖突類型，針對性地給出了解決方案：

1）數(shù)據(jù)采集幾何精度與不確定性產(chǎn)生的空間沖突。如在采集精度范圍內(nèi)，出現(xiàn)房屋面之間的極小面積疊蓋、居民地線輕微伸入房屋面內(nèi)等情況。此類空間沖突可通過糾正精度誤差以消除空間沖突。

2）采集時態(tài)不確定性產(chǎn)生的空間沖突。如新測的房屋面與數(shù)據(jù)庫中舊房屋面相互疊置且疊置面積超過測量誤差、新測道路穿過數(shù)據(jù)庫中的湖泊等情況。此類空間沖突處理方式為更新沖突處理，以表1中的6種基本更新沖突處理方式為主。

3）增量采集造成的數(shù)據(jù)不完整性產(chǎn)生的空間沖突。如竣工測量采集的局部道路變更數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)庫完整道路的沖突、以圖幅為單位采集的某一圖幅不完整的邊界數(shù)據(jù)與對應數(shù)據(jù)庫中完整數(shù)據(jù)的沖突等情況。此類空間沖突處理方式為拓撲一致性處理，即為了保證數(shù)據(jù)的更新完整性，通過6種基本更新沖突處理方式處理后，對要素間的拓撲關系進行修正，如屬于消除沖突后的多段線要素，由于實際上它們是同一條道路，因此還需要進行接邊處理。

在實際工程操作中，很多的空間沖突都是上述幾種類型沖突的隨機組合，因此更新過程中必須要結(jié)合各種處理手段來綜合處理。

3 更新應用實例

本實例在Windows環(huán)境下， 以Visual Studio 2008為開發(fā)工具，以Oracle大型數(shù)據(jù)庫為支持，用C#語言開發(fā)并集成ArcEngine開發(fā)包，研制了空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新系統(tǒng)，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的動態(tài)更新以及空間沖突的自動檢測與處理等功能。本文對1∶1 000地形圖中道路的竣工測量數(shù)據(jù)，包括道路線數(shù)據(jù)（共480個要素）以及附屬綠地面數(shù)據(jù)（共44個要素）進行更新實驗 (見圖4 )。

圖4 空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新實驗

針對新建設道路竣工后測量獲得的更新數(shù)據(jù)由于采集幾何精度與不確定性、采集時態(tài)不確定性、增量采集造成的數(shù)據(jù)不完整性造成各種空間沖突，系統(tǒng)應用本文提出的空間沖突檢測與處理方法,通過相應的智能算法完成絕大部分的空間沖突檢測處理工作,具體空間沖突檢測處理實驗結(jié)果如表2所示。

表2 空間沖突檢測處理試驗結(jié)果統(tǒng)計表

實驗結(jié)果顯示，空間沖突的正確檢測率為94.1%,空間沖突處理率為96.3%,但由于ArcEngine開發(fā)包的算法精度局限性、系統(tǒng)開發(fā)的不成熟性以及數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因,會出現(xiàn)空間沖突的錯檢、漏檢以及無法處理的情況,本次實驗漏檢率為5.9%，錯檢率為1.7%。

4 結(jié) 語

本文在分析空間數(shù)據(jù)更新中的空間沖突的表現(xiàn)形式的基礎上，利用地理實體與數(shù)據(jù)庫空間目標的映射關系，提出了空間沖突的檢測步驟，并給出了空間沖突檢測模型。同時，劃分出不同的空間沖突關系組合，設計了相應的空間沖突基本處理手段，并考慮不同的沖突產(chǎn)生類型，針對性地給出了處理方案。最后通過自主開發(fā)的更新系統(tǒng)，以地形圖中竣工道路矢量數(shù)據(jù)作為更新數(shù)據(jù)，進行了實例驗證，證實了本文方法的有效性。雖然該方法有較好的應用效果，但由于開發(fā)應用的一些限制和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響，空間數(shù)據(jù)更新中并不能完全檢測和處理所有的空間沖突，還需要結(jié)合人機交互確認才能得到較好的結(jié)果。

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