面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 蕊，邱 茂，胡英男

（1.信息工程大學(xué)，鄭州 450052；2.61512部隊(duì)，北京 100088；3.78138部隊(duì)，成都 610066）

隨著當(dāng)前空間數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，空間數(shù)據(jù)更新中的多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類型雜、來源廣、尺度多、信息量大等特點(diǎn)，因此，多源數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、空間基準(zhǔn)、尺度、現(xiàn)勢性、編碼和格式等方面存在著不一致、不協(xié)調(diào)、不統(tǒng)一等問題，這些問題會(huì)影響空間數(shù)據(jù)更新的質(zhì)量，并可能進(jìn)一步影響基于空間數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用。為了充分利用好這些豐富的信息資源，迫切需要將不同來源不同尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，目的是合理利用更多信息源，獲取質(zhì)量更高的信息［1］。本文認(rèn)為，面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合，它不是各種源數(shù)據(jù)集的簡單疊加，而是要保證多源數(shù)據(jù)在空間特征、屬性特征、時(shí)間特征和尺度特征上等各方面的一致，根據(jù)應(yīng)用需求，抽取不同來源地理信息數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)因子，經(jīng)過一致性處理，集成、派生出有應(yīng)用價(jià)值的地理信息數(shù)據(jù)。

1 存在問題

數(shù)據(jù)融合作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，實(shí)際上是許多學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用。文獻(xiàn)［2－6］闡述了關(guān)于多源數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用研究，為多源信息的管理、分析和成果應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)方法，但是面向空間更新的多源數(shù)據(jù)融合目前還存在以下問題：

1.1 多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)還需完善

由于理論和技術(shù)不夠成熟等原因，在實(shí)際多源數(shù)據(jù)融合過程中，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用很少，仍然停留在單機(jī)作業(yè)，而且數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式仍采用文件方式，數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)布仍是利用光盤等介質(zhì)，沒有充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢?？臻g數(shù)據(jù)更新中，多源數(shù)據(jù)融合需要提供數(shù)字地圖以及基于此的多種信息系統(tǒng)，這具有顯著的服務(wù)多向性特征。因此，多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)管理應(yīng)當(dāng)以信息存儲(chǔ)、組織、處理、服務(wù)的一體化為前提，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)資源共享，以提供信息綜合服務(wù)為最終目的。

1.2 多源異構(gòu)信息的集成功能薄弱

多源數(shù)據(jù)由于受獲取途徑和制作技術(shù)等多方面的影響，存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同、語義定義不同、幾何表達(dá)不同、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同等問題，這給多源數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用帶來重重困難。如何充分利用豐富的多源異構(gòu)信息，就迫切需要在模型建立、幾何結(jié)構(gòu)、語義表達(dá)和編碼解釋等層面上適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換處理，將不同來源不同尺度的多源數(shù)據(jù)集成起來進(jìn)行分析對比，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)目標(biāo)信息的集成，使多源數(shù)據(jù)得到更好的應(yīng)用。

1.3 多源數(shù)據(jù)融合成果的表達(dá)方式還有待研究

當(dāng)前多源數(shù)據(jù)融合成果的表達(dá)局限在靜態(tài)可視化，應(yīng)用的數(shù)據(jù)主要有影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和一些文檔數(shù)據(jù)，多源數(shù)據(jù)融合成果也主要是數(shù)字地圖。由于多種信息技術(shù)的介入，使得信息具備了較強(qiáng)的時(shí)態(tài)性，面對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源源不斷地到來，需要深入研究多源數(shù)據(jù)融合成果的表達(dá)方式，才能將復(fù)雜的、不可見的、變化的環(huán)境及態(tài)勢信息形象、直觀地表現(xiàn)出來，以提高用戶對環(huán)境和態(tài)勢的感知能力，方便用戶通過視覺快速理解復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信息。

綜合上述情況，空間數(shù)據(jù)更新中常常面臨著諸如究竟哪種數(shù)據(jù)可靠？怎樣進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)更新？如何進(jìn)行相應(yīng)融合處理等一系列亟待解決的問題。因此，研究多源數(shù)據(jù)融合的相關(guān)技術(shù)和處理方法，探索出一條科學(xué)、實(shí)用、適合空間數(shù)據(jù)更新的技術(shù)路線，就顯得十分的重要。

2 關(guān)鍵技術(shù)

面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合是一個(gè)涉及面很廣的課題，所面臨的挑戰(zhàn)眾多。限于研究條件和應(yīng)用需求，本文重點(diǎn)針對關(guān)鍵技術(shù)展開研究，解決多源數(shù)據(jù)融合過程中資料分析與評價(jià)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、語義匹配與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)定位精度和數(shù)據(jù)多模式表達(dá)等方面存在的問題，為多源數(shù)據(jù)融合提供技術(shù)支撐。

2.1 資料的分析與評價(jià)

空間數(shù)據(jù)更新中涉及的資料種類繁多，數(shù)據(jù)格式各異，現(xiàn)勢性差，存在多種比例尺、多種空間參考系和多種投影類型。因此，需要對資料進(jìn)行認(rèn)真分析，確定各類資料使用原則，提出資料的質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，保證原始數(shù)據(jù)源的正確選擇，這是空間數(shù)據(jù)更新中進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的前提。資料的分析與評價(jià)主要涉及以下方面：

1）資料內(nèi)容的完備性。分析數(shù)據(jù)中源數(shù)據(jù)內(nèi)容的分類、分級是否和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，各要素表達(dá)的數(shù)量和詳細(xì)程度是否滿足應(yīng)用要求，圖形概括程度是否滿足相關(guān)指標(biāo)要求。

2）資料內(nèi)容的適應(yīng)性。分析目標(biāo)要素表示是否與實(shí)地相符，各要素的圖形能否反映地區(qū)的類型特征和典型特點(diǎn)，各地區(qū)之間的密度對比是否正確等。

3）資料內(nèi)容的現(xiàn)勢性。分析數(shù)據(jù)內(nèi)容的現(xiàn)勢性，采用多種數(shù)據(jù)進(jìn)行相互佐證，以現(xiàn)勢性較好的影像數(shù)據(jù)來佐證其他數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

4）數(shù)據(jù)的精確性。主要從數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析。通過多種資料對比，分析哪一種資料較為準(zhǔn)確和詳細(xì)。

5）信息評價(jià)體系研究。確定各類資料使用原則，提出資料的質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

就柵格數(shù)據(jù)分析而言，需要分析掃描地圖圖像和影像數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、分辨率、生產(chǎn)單位和制作技術(shù)，選擇現(xiàn)勢性好、來源可靠的柵格數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)分析需要在分析矢量數(shù)據(jù)來源、生產(chǎn)單位、數(shù)據(jù)可靠性、精度和內(nèi)容詳細(xì)程度等基本情況基礎(chǔ)上，對不同要素層分別進(jìn)行比較，選擇和確定現(xiàn)勢性較好的要素層，同時(shí)分析該數(shù)據(jù)在融合處理中所要進(jìn)行的工作。文獻(xiàn)［7］對此做了相關(guān)研究與分析，本文不再贅述。

2.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一致性處理技術(shù)

平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)、參考橢球模型和地圖投影系統(tǒng)等所有與地理位置有關(guān)的信息提供著時(shí)空定位基準(zhǔn)，是多源數(shù)據(jù)的無縫無邊連接或融合的重要保障。這是進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)條件，用于保證矢量/柵格數(shù)據(jù)空間幾何精度以及位置的配準(zhǔn)。

1）空間大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。研究和解決大地坐標(biāo)系統(tǒng)一問題，將多源數(shù)據(jù)融合中多個(gè)大地坐標(biāo)系下的地圖資料及地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到CGCS2000大地坐標(biāo)系中。

2）矢量數(shù)據(jù)投影變換。研究多源矢量數(shù)據(jù)的地圖投影不一致問題，提出并實(shí)現(xiàn)多種常用地圖投影的正反解變換。

3）建立Google Earth影像的投影與目標(biāo)體系現(xiàn)行投影的解析轉(zhuǎn)換模型，并在轉(zhuǎn)換過程中改進(jìn)像素的重采樣方法以提高轉(zhuǎn)換的精度。

4）高精度幾何糾正模型。在不能正確了解坐標(biāo)系和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的前提下，利用數(shù)值方法建立高精度幾何糾正模型。

2.3 矢量數(shù)據(jù)的語義匹配與轉(zhuǎn)換

矢量數(shù)據(jù)由于各自對現(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體采用不同的理解和語義表達(dá)方式，使得地理實(shí)體的屬性特征表達(dá)方式種類繁多、情況復(fù)雜，這給數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來很多困難。因此，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)屬性特征的匹配、轉(zhuǎn)換、合并與更新，才能最大限度地將矢量數(shù)據(jù)應(yīng)用在更多領(lǐng)域，這也是多源數(shù)據(jù)融合的核心任務(wù)之一。

1）語義差異性分析。主要包括多源數(shù)據(jù)的分類分級和編碼體系的差異分析。通過研究空間數(shù)據(jù)更新中各種矢量數(shù)據(jù)對地理實(shí)體的語義表達(dá)，對比分析矢量數(shù)據(jù)在屬性特征描述方面的差異，為數(shù)據(jù)更新處理研究提供理論基礎(chǔ)，使數(shù)據(jù)更新處理前的準(zhǔn)備工作更加明確，提高數(shù)據(jù)更新的工作效率。

2）語義轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法。面對多源數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜的分類分級和屬性特征項(xiàng)描述的差異，參考目標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)說明和數(shù)據(jù)字典，在對相關(guān)技術(shù)文檔進(jìn)行深入了解和對比的基礎(chǔ)上，將原始數(shù)據(jù)中要素的屬性信息最大程度地保留，通過在規(guī)則文件中定義要素分類分級和屬性特征項(xiàng)的映射關(guān)系，列出相同或相似的屬性特征，經(jīng)過整理表達(dá)，建立屬性特征轉(zhuǎn)換文件，然后基于外部控制文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，消除不同分類分級標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致的屬性特征差異，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在屬性特征表達(dá)上的一致。

2.4 多源數(shù)據(jù)的組織與管理

空間數(shù)據(jù)更新中需要存儲(chǔ)和管理多時(shí)相、多分辨率、多尺度數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類多、時(shí)空分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且由于數(shù)據(jù)龐雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散，面對如此復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)，多源數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)需要按照總攬全局的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為空間數(shù)據(jù)更新的處理流程自動(dòng)實(shí)施和生成、高效數(shù)據(jù)訪問和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面提供保障。

1）數(shù)據(jù)體系的組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。解決數(shù)據(jù)的組織和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)采用的主要途徑是：按照多角度、多特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和屬性描述，確保數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有強(qiáng)完備性和一致性，能夠基本充分描述所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屬性特征，具有十分清晰的邏輯結(jié)構(gòu)。因此，對數(shù)據(jù)的分類不局限于反映某一方面特性，而采取多種特征角度的實(shí)體分類原則，例如類型、地理范圍或區(qū)域、資源的樣式、時(shí)間等。在設(shè)計(jì)過程中，不同數(shù)據(jù)屬性實(shí)體按照關(guān)鍵字和不同的標(biāo)識(shí)（碼）、指針進(jìn)行互相聯(lián)合、相關(guān)等。

2）海量數(shù)據(jù)高效的空間索引與檢索機(jī)制。對于空間數(shù)據(jù)更新信息管理系統(tǒng)這樣一個(gè)大的系統(tǒng)，存貯和管理多尺度數(shù)據(jù)，要快速顯示和瀏覽信息，建立數(shù)據(jù)索引非常重要。在海量空間數(shù)據(jù)庫空間索引和檢索機(jī)制的研究中，主要是建立的方式和保證滿足性能需求，例如影像數(shù)據(jù)建立幾級金字塔索引，矢量數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)引擎中存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)塊大小、多要素一體化存儲(chǔ)還是區(qū)分要素存儲(chǔ)等。在海量空間數(shù)據(jù)獲取和訪問過程中，數(shù)據(jù)獲取能滿足用戶的技術(shù)性能指標(biāo)。在網(wǎng)絡(luò)資源充足狀況下，最大限度滿足用戶網(wǎng)絡(luò)并發(fā)訪問數(shù)據(jù)的能力。為解決海量空間數(shù)據(jù)的索引與快速檢索問題，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如Oracle）管理系統(tǒng)和相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫引擎管理海量目標(biāo)數(shù)據(jù)，并針對不同的應(yīng)用建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化機(jī)制。

2.5 數(shù)據(jù)定位精度提高與檢驗(yàn)

多源數(shù)據(jù)融合的可靠性直接影響著空間數(shù)據(jù)更新的精確性，多源數(shù)據(jù)融合中需要不斷吸收不同精度的新數(shù)據(jù)源來提高數(shù)據(jù)定位精度。因此，需要對多源數(shù)據(jù)融合的結(jié)果提出合適的檢驗(yàn)方法，以確保數(shù)據(jù)坐標(biāo)輸出結(jié)果的正確性，控制數(shù)據(jù)的幾何特征定位精度?？臻g數(shù)據(jù)更新中需要實(shí)現(xiàn)對來自不同矢量數(shù)據(jù)集中同名點(diǎn)特征匹配結(jié)果的檢驗(yàn)方法，以確保同名點(diǎn)匹配和坐標(biāo)輸出結(jié)果的正確性，控制和判別數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)質(zhì)量。

面向空間數(shù)據(jù)更新中，針對數(shù)據(jù)定位精度提高的技術(shù)流程通常是：首先利用屬性匹配識(shí)別空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)的同名點(diǎn)；采取基于疊置方法進(jìn)行特征點(diǎn)匹配可靠性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)定位精度；利用最優(yōu)插值方法對不同數(shù)據(jù)集中的同名點(diǎn)坐標(biāo)最優(yōu)估計(jì)，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)定位精度。

2.6 面向應(yīng)用需求的多模式表達(dá)

空間數(shù)據(jù)更新中的信息分為空間信息和非空間信息?？臻g信息的表達(dá)主要是通過地圖、影像、影像與矢量信息疊加的影像地圖、三維模型等方式實(shí)現(xiàn)的；非空間信息可以使用文本、聲音、圖形、圖像、動(dòng)畫和活動(dòng)影像等表現(xiàn)形式來對信息進(jìn)行說明性描述，使用戶獲得感性認(rèn)識(shí)，如表1所述。

表1 空間數(shù)據(jù)的主要表達(dá)方式

面向空間數(shù)據(jù)更新中，面向不同的用戶，需要針對信息表達(dá)模式方法和模式組合進(jìn)行研究，建立面向應(yīng)用需求的多模式表達(dá)模板庫。將高分辨率影像、衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)控以及效果評估等信息表達(dá)方式，與傳統(tǒng)數(shù)字地圖、影像圖一起，按照應(yīng)用需求以單一模式表達(dá)或多模式表達(dá)，采用合理有效的形式展現(xiàn)以數(shù)字形式存在的信息。

3 結(jié)束語

隨著空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期的縮短及空間探測技術(shù)、信息獲取技術(shù)的發(fā)展，如何高效、科學(xué)、快速地應(yīng)用多源空間數(shù)據(jù)資料并生產(chǎn)或更新滿足要求的空間數(shù)據(jù)成為一個(gè)亟待解決的問題。如何根據(jù)現(xiàn)有多源空間數(shù)據(jù)資料的情況，制定出一整套切實(shí)可行的多源數(shù)據(jù)融合處理方案，并研究出相關(guān)技術(shù)方法，對于提高空間矢量數(shù)據(jù)更新的數(shù)字化、自動(dòng)化水平，加快地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)步伐，推進(jìn)多源空間矢量數(shù)據(jù)的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。本文只是在面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合方面進(jìn)行了初步的探索，有些觀點(diǎn)和工作尚有不完善之處，有待進(jìn)一步提升和改進(jìn)。

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