村鎮(zhèn)空間信息獲取、集成與更新關(guān)鍵技術(shù)研究

王育紅，張合兵，趙凱歌

（河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作 454000）

一、引 言

近年來，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息化浪潮席卷全球，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，成為提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長、增強(qiáng)國家綜合實(shí)力的最重要手段。在村鎮(zhèn)規(guī)劃、建設(shè)與管理領(lǐng)域，越來越多的國家和地區(qū)已經(jīng)開始注重對(duì)信息技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，以此來建立城鄉(xiāng)之間平等互動(dòng)的信息傳遞與交換關(guān)系；提升農(nóng)村發(fā)展速度，縮短城鄉(xiāng)差距；改善村鎮(zhèn)管理和服務(wù)水平，促進(jìn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的協(xié)調(diào)發(fā)展；引導(dǎo)農(nóng)民改變傳統(tǒng)生產(chǎn)生活方式，促進(jìn)農(nóng)民享受現(xiàn)代社會(huì)文明成果，推動(dòng)科技、文化、社會(huì)事業(yè)的全面可持續(xù)發(fā)展。

村鎮(zhèn)空間信息是村鎮(zhèn)信息化的前提和基礎(chǔ)，直接關(guān)系著村鎮(zhèn)信息化建設(shè)的進(jìn)度與成敗。這是因?yàn)榇彐?zhèn)空間信息能為村鎮(zhèn)的各項(xiàng)規(guī)劃、建設(shè)與管理工作提供直觀、精確、充分、科學(xué)的圖形資料和決策依據(jù)，能為基于地理對(duì)象的多源村鎮(zhèn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與專題信息的空間可視化表達(dá)提供框架支撐，能為各種村鎮(zhèn)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于地理位置的信息應(yīng)用與共享提供服務(wù)保障［1］。

長期以來，我國空間信息獲取與處理工作的重點(diǎn)是為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、區(qū)域建設(shè)規(guī)劃和城市建設(shè)發(fā)展提供保障服務(wù)，而針對(duì)廣大農(nóng)村村鎮(zhèn)地區(qū)的工作則十分薄弱［2］。目前，村鎮(zhèn)空間信息建設(shè)與應(yīng)用整體水平仍普遍較低，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)差、覆蓋不均衡、比例尺度小、現(xiàn)勢(shì)性差、更新周期長、共享程度低、集成整合難等問題依然比較突出。

針對(duì)日益迫切的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求及當(dāng)前面臨的現(xiàn)狀困境，本文在總結(jié)借鑒相關(guān)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)向，緊密圍繞村鎮(zhèn)空間信息技術(shù)發(fā)展“低成本、講效率、重實(shí)效”的基本要求，分別設(shè)計(jì)提出了適用于不同數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件的村鎮(zhèn)空間信息獲取、集成及更新技術(shù)，以提高村鎮(zhèn)空間信息的覆蓋度、利用率和現(xiàn)勢(shì)性，切實(shí)發(fā)揮空間信息在村鎮(zhèn)信息化建設(shè)中的基礎(chǔ)性作用。

二、RTK與全站儀協(xié)同的獲取技術(shù)

RTK是英文real time kinematic（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）的縮寫［3］，是GPS載波相位差分定位技術(shù)的別稱，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。GPS RTK系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、電臺(tái)（數(shù)據(jù)鏈）、流動(dòng)站及數(shù)據(jù)處理軟件4個(gè)主要部分組成。其定位的基本原理是:在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過無線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地將測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位觀測(cè)值或改正數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給流動(dòng)站；流動(dòng)站一方面通過接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)還通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)載波相位相對(duì)定位的原理，通過差分處理解求載波相位整周模糊度，得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的坐標(biāo)差值ΔX、ΔY、ΔZ；坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)就可以得到流動(dòng)站點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動(dòng)站每個(gè)站點(diǎn)的平面坐標(biāo)x、y和海拔高h(yuǎn)。

與目前常用的全站儀相比，利用RTK采集要素特征點(diǎn)坐標(biāo)具有靈活、高效、高精度的作業(yè)特點(diǎn)。不過RTK也有其局限性，易受多路徑效應(yīng)、電磁波干擾、高大建筑物及樹木對(duì)接收機(jī)視野的限制等不利因素的影響，因此其不能完全取代全站儀。兩種儀器協(xié)調(diào)配合作業(yè)，才能快速全面地采集測(cè)量各種要素的空間位置和形狀信息。針對(duì)這種情況，本文提出了RTK與全站儀協(xié)同聯(lián)合的村鎮(zhèn)空間信息獲取方法，其具體流程如圖1所示。

圖1 RTK與全站儀協(xié)同的獲取技術(shù)流程

1.前期準(zhǔn)備工作

采集前必須認(rèn)真做好準(zhǔn)備工作，這是決定能否多快好省地完成任務(wù)的第一關(guān)。準(zhǔn)備工作包括作業(yè)依據(jù)和測(cè)量資料的收集、測(cè)量儀器和工具的檢查和校正、接收機(jī)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件的熟悉，以及在分析現(xiàn)有測(cè)量資料和測(cè)區(qū)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制定出適合GPS RTK測(cè)量特點(diǎn)的操作規(guī)程、技術(shù)方案和實(shí)施計(jì)劃，并組建作業(yè)隊(duì)伍等。

2.GPS控制測(cè)量

利用RTK技術(shù)采集空間信息，測(cè)區(qū)內(nèi)必須有一定數(shù)量的GPS已知控制點(diǎn)。如果測(cè)區(qū)內(nèi)沒有控制點(diǎn)，或數(shù)量不足、分布不均，則不利于RTK基準(zhǔn)站的布設(shè)、流動(dòng)站的初始化，以及測(cè)量結(jié)果的檢核和校正。此時(shí)，必須采用精度較高的GPS靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行引點(diǎn)或加密。

3.RTK特征點(diǎn)采集

在農(nóng)田、曬場(chǎng)等上空開闊區(qū)域，可以直接采用RTK測(cè)量采集要素特征點(diǎn)信息。具體步驟如下:

1）在已知點(diǎn)上架設(shè)好GPS接收機(jī)和天線，按照要求連接好一切連線后，打開GPS接收機(jī)。

2）利用控制器手簿建立新任務(wù)，輸入已知基準(zhǔn)站地方坐標(biāo)、高程、GPS天線高等信息，并啟動(dòng)基準(zhǔn)站。

3）當(dāng)接收機(jī)及電臺(tái)均正常工作，控制器提示斷開控制器與接收機(jī)電纜時(shí)，斷開電纜，將控制器手簿與流動(dòng)站GPS接收機(jī)相連，通過控制器選擇RTK測(cè)量方式，啟動(dòng)流動(dòng)站。

4）當(dāng)流動(dòng)站初始化后，首先檢驗(yàn)基準(zhǔn)站坐標(biāo)及高程，誤差在允許范圍內(nèi)即可開始要素特征點(diǎn)的采集工作。

4.全站儀特征點(diǎn)采集

在大片樹林區(qū)域、高大建筑拐角處、無線電信號(hào)發(fā)射塔周圍200 m的范圍內(nèi)、高壓線下等遮擋或信號(hào)干擾區(qū)域，一般不宜使用RTK進(jìn)行采點(diǎn)，而應(yīng)使用全站儀采集特征點(diǎn)，如圖2所示。全站儀采集特征點(diǎn)的基本原理和具體步驟如下:

圖2 全站儀特征點(diǎn)采集原理

1）在RTK已測(cè)的圖根控制點(diǎn)A上設(shè)站，后視已知點(diǎn)B，用已知點(diǎn)C作檢核，無誤后開始觀測(cè)。

2）觀測(cè)已知點(diǎn)A到未知要素特征點(diǎn)K的距離DAK。

3）觀測(cè)已知方向AB與未知方向AK的夾角βK。

4）觀測(cè)未知點(diǎn)K的垂直角αK。

5）根據(jù)已知點(diǎn)A的坐標(biāo)（xA，yA，hA）、AB的方位角αAB、儀器高VA和棱鏡高VK，按如下公式解算未知點(diǎn)K的坐標(biāo)（xK，yK，hK），并記錄在全站儀中。

5.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和編輯

當(dāng)利用GPS RTK或全站儀將村鎮(zhèn)空間要素特征點(diǎn)測(cè)量完成后，要及時(shí)把所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯與處理工作，以派生形成所測(cè)的村鎮(zhèn)要素。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯與處理通常有編碼法及草圖法兩種。編碼法要求在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，同時(shí)記錄點(diǎn)的定位信息、連接信息及屬性編碼信息，根據(jù)連接信息內(nèi)業(yè)自動(dòng)連接特征點(diǎn)生成要素圖形信息，該方法自動(dòng)化程度高，但現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間長；草圖法則是在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，只記錄特征點(diǎn)的名稱和坐標(biāo)信息，而把測(cè)點(diǎn)的連接和屬性信息反映在草圖上，內(nèi)業(yè)對(duì)照草圖調(diào)用通過人際交互編輯生成要素圖形及屬性信息，該方法簡(jiǎn)單便捷，外業(yè)時(shí)間短，是目前內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯與處理普遍采用的方法。

三、顧及語義差異的集成技術(shù)

隨著村鎮(zhèn)信息化建設(shè)進(jìn)程的不斷發(fā)展及空間信息技術(shù)的日益普及，越來越多的部門開始建立和使用基于空間信息的各種村鎮(zhèn)業(yè)務(wù)專題信息系統(tǒng)，這樣勢(shì)必將累積形成較為豐富的村鎮(zhèn)空間信息資源及圖形圖件資料。因此，很有必要研究這些已有數(shù)據(jù)的高效集成與整合問題，以提高數(shù)據(jù)利用率，避免重復(fù)采集，降低數(shù)據(jù)成本，為新系統(tǒng)的建立或綜合性應(yīng)用提供性能適宜、價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)源。

由于應(yīng)用目的和專業(yè)背景的不同，參與集成的各種源數(shù)據(jù)大多是基于不同的數(shù)據(jù)模型獨(dú)立設(shè)計(jì)建設(shè)的，即使是對(duì)相同地理現(xiàn)象的模擬和表達(dá)，在抽象機(jī)制、建模方法等方面也可能存在多種不同類型的差別，甚至沖突［4］。為了保證集成結(jié)果的正確性、一致性、完整性和最小性，必須提出相應(yīng)的方法和措施以發(fā)現(xiàn)、屏蔽和消除這些差異和沖突，以更好地對(duì)原有分散數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換、合并和關(guān)系協(xié)調(diào)。

相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、坐標(biāo)參考系統(tǒng)、數(shù)據(jù)文件格式等類型的差異而言，目前語義差異的識(shí)別和處理則更加困難和繁瑣，相關(guān)研究也比較薄弱。基于這種情況，本研究設(shè)計(jì)提出了顧及語義差異的多源村鎮(zhèn)空間信息集成技術(shù)，其具體實(shí)施流程如圖3所示。

圖3 顧及語義差異的集成技術(shù)流程

1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)集成過程中，首先應(yīng)該選擇設(shè)計(jì)一種合適的結(jié)構(gòu)和方式來統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理來自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)副本。目前，空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理主要有基于文件和基于數(shù)據(jù)庫兩種常見方式?；谖募姆绞揭话銈?cè)重于圖形的存儲(chǔ)，不便于屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及以后的擴(kuò)展，在進(jìn)行空間分析等高級(jí)應(yīng)用時(shí)存在著先天的不足，不利于數(shù)據(jù)的共享重用，以及高效、安全、快捷的管理，而基于數(shù)據(jù)庫的方式則完全克服了這些缺點(diǎn)。

基于以上分析，筆者選擇了當(dāng)前比較流行的、功能強(qiáng)大的Geodatabase數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和管理集成結(jié)果。Geodatabase數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基本步驟是根據(jù)集成的目的和數(shù)據(jù)的用途，首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)以確定各種實(shí)體、聯(lián)系及其屬性特征，然后將其轉(zhuǎn)化為Geodatabase中相應(yīng)的要素類（俗稱圖層）、表、關(guān)系類、屬性字段等模式元素，在整體上確定集成結(jié)果的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和邏輯框架［5］。

2）模式匹配。模式匹配的目的是識(shí)別和發(fā)現(xiàn)源數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)庫之間語義相同或相關(guān)的模式元素，并顯式聲明彼此間的具體映射關(guān)系。

例如，對(duì)于圖4中所示的兩個(gè)相關(guān)要素類及其相關(guān)屬性，可以根據(jù)集成結(jié)果的模式結(jié)構(gòu)和表達(dá)要求，聲明如下形式的映射關(guān)系:

要素類映射:LineRivers=（Select* from PolygonWaters where Type=“河流”）；

幾何型映射:LineRivers.Geometry=Centerline（PolygonWaters.Shape）；

屬性字段映射:LineRivers.Name=PolygonWa–ters.ENNM；LineRivers.Length=PolygonWaters.le-n/1000等。

圖4 模式匹配示例圖

3）要素提取、轉(zhuǎn)換與上載。根據(jù)模式匹配所確定的映射關(guān)系，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)源中篩選提取所需要素的相關(guān)信息，并調(diào)用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理函數(shù)對(duì)其中部分信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，以使其符合集成結(jié)果的表達(dá)要求，然后將其存放在結(jié)果要素類中的對(duì)應(yīng)位置。

4）冗余要素發(fā)現(xiàn)與消除。由于多個(gè)彼此相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源中可能同時(shí)記錄了同一現(xiàn)實(shí)實(shí)體的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此，經(jīng)過提取、上載之后的結(jié)果要素類中往往包含著同一要素的多個(gè)重復(fù)冗余記錄。為保證集成結(jié)果的最小性，必須采取一定的措施和手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除這些冗余要素。其中，冗余要素的發(fā)現(xiàn)可以通過比較要素記錄在空間位置、幾何形狀、屬性特征等方面的相似性加以實(shí)現(xiàn)，如果兩個(gè)要素記錄的相似值小于給定的閾值，則認(rèn)為其是冗余要素［6-7］。冗余要素的消除可以采取“保留一個(gè)，刪除其他”、“取平均值，合并生成一個(gè)新要素”等多種方式加以實(shí)現(xiàn)。

四、基于遙感影像的更新技術(shù)

當(dāng)前我國村鎮(zhèn)建設(shè)已進(jìn)入關(guān)鍵階段和快速發(fā)展時(shí)期，村鎮(zhèn)區(qū)域地表及其附屬物正發(fā)生著日新月異的變化，一些現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息或圖紙圖件資料的現(xiàn)勢(shì)性正逐年下降，有些甚至是面目全非，不能很好地描述反映現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)狀況。因此，必須及時(shí)快速地對(duì)其進(jìn)行更新，以確保已有數(shù)據(jù)信息、圖紙資料的現(xiàn)勢(shì)性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為克服傳統(tǒng)野外實(shí)測(cè)更新方法周期長、人力多、成本高的不足，筆者設(shè)計(jì)提出了基于遙感影像的村鎮(zhèn)空間數(shù)據(jù)更新技術(shù)，其基本流程如5所示。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括遙感影像的預(yù)處理和待更新圖件資料的預(yù)處理。其中，影像預(yù)處理包括輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)、噪聲消除、圖像鑲嵌或裁剪等內(nèi)容；而圖件預(yù)處理主要應(yīng)用于以傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖形式存在的空間數(shù)據(jù)，為保持更新工作的便利及可持續(xù)性，將其掃描轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的矢量數(shù)據(jù)。

圖5 基于遙感影像的更新技術(shù)流程

2）影像與數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。所謂影像與數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是指依據(jù)一些相似性度量決定二者間的變換參數(shù)，將描述同一區(qū)域場(chǎng)景的、不同時(shí)期的影像與村鎮(zhèn)空間信息轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，使得二者在空間位置上最佳地套合起來，即同一坐標(biāo)位置上對(duì)應(yīng)的地物一致，從而具有可比性。實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)的基本方式是先依次從影像與待更新數(shù)據(jù)上選擇若干對(duì)不同的同名控制點(diǎn)；然后將其代入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型（如相似變換模型、仿射變換模型等），利用最小二乘原理反求出模型中的待定參數(shù)；最后根據(jù)模型對(duì)影像像素坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以與待更新數(shù)據(jù)坐標(biāo)相吻合。

3）變化要素檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。將顯示比例調(diào)至適中數(shù)值，通過目視判讀比較的方式，從疊置在一起的影像和信息數(shù)據(jù)上逐屏檢查發(fā)現(xiàn)諸如新增、消失、分解、合并、聚集等各種類型的變化要素［8］，并統(tǒng)計(jì)計(jì)算待更新信息的變化率。如果變化較大，超出規(guī)定的閾值指標(biāo)［9］，則應(yīng)該采取重測(cè)的方法更新現(xiàn)有村鎮(zhèn)空間數(shù)據(jù)；如果變化相對(duì)較小，則進(jìn)入下一步的處理。

4）變化要素提取與更新。在影像上提取和勾繪變化要素的屬性、位置、邊界、中心線等信息，并據(jù)此對(duì)原有信息數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的變化要素執(zhí)行修改、添加及刪除等操作。

5）更新沖突檢測(cè)與處理。由于空間要素的高度相關(guān)性，要素的創(chuàng)建、刪除和修改等操作將會(huì)對(duì)與之相關(guān)的其他要素的幾何圖形、屬性特征產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起地物關(guān)系的重新調(diào)整，甚至?xí)a(chǎn)生多邊形不閉合、碎屑多邊形、壓蓋等不同類型的沖突矛盾現(xiàn)象。因此，在信息更新后還應(yīng)該及時(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的這些矛盾沖突，并作出進(jìn)一步的修改調(diào)整和協(xié)調(diào)處理［10］。

五、結(jié)束語

目前，上述技術(shù)已在鶴壁、焦作、濟(jì)源3個(gè)市級(jí)國土部門轄區(qū)內(nèi)的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、10個(gè)街道辦事處得到了推廣應(yīng)用，有效提高了村鎮(zhèn)空間信息及相關(guān)圖紙資料的覆蓋度、重用率和現(xiàn)勢(shì)性，大大縮短了村鎮(zhèn)空間信息建設(shè)工程工期，降低了應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)資金成本，為土地利用規(guī)劃和管理提供了直觀、準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)資料。依據(jù)這些信息數(shù)據(jù)資料，現(xiàn)已完成近10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的合理規(guī)劃，通過規(guī)劃使農(nóng)田耕地更加集中連片、村鎮(zhèn)體系布局更加合理、人文和自然景觀更加美觀、人居生態(tài)環(huán)境更加優(yōu)越。

但是，考慮到中原地區(qū)國土面積廣、村鎮(zhèn)數(shù)量多、地域差別大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的實(shí)際情況，仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證和完善工作，以確保其具有更加廣泛的適用性和良好的整體協(xié)同性。

［1］ 盧衛(wèi)華，蔣捷，黃蔚，等.村鎮(zhèn)地理空間數(shù)據(jù)框架實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地理信息世界，2010，8（2）:12-16.

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