顧及地理要素變化過(guò)程的數(shù)據(jù)增量更新方法*

羅國(guó)瑋，張新長(zhǎng)，齊立新

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院∥廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510275；2.廣西師范學(xué)院，廣西 南寧530001)

數(shù)據(jù)更新是保持空間數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性的主要方法，為節(jié)省數(shù)據(jù)采集和更新的時(shí)間，目前大多矢量數(shù)據(jù)更新采用增量更新方法，只更新發(fā)生變化了的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[1]提出了基于拓?fù)渎?lián)動(dòng)的更新方法，該方法比較適合地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的增量更新。文獻(xiàn)[2]提出了一種自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法，通過(guò)范圍內(nèi)要素的替換，并進(jìn)行接邊操作，實(shí)現(xiàn)增量更新；文獻(xiàn)[3]提出基態(tài)修正的GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)增量更新方法，設(shè)計(jì)了增量信息的存儲(chǔ)模型，但這些方法沒(méi)有對(duì)地理要素的變化信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。另外還有基于事件及面向時(shí)空過(guò)程的更新方法[4-6]，對(duì)觸發(fā)地物發(fā)生變化的事件進(jìn)行了記錄存儲(chǔ)，但這類(lèi)方法面向業(yè)務(wù)主體構(gòu)建，且對(duì)地理事件信息的完整性要求高。目前對(duì)矢量空間數(shù)據(jù)庫(kù)增量更新技術(shù)的研究包括增量信息的存儲(chǔ)模型、增量信息發(fā)現(xiàn)和歷史數(shù)據(jù)的組織問(wèn)題，以及版本生成與時(shí)空信息檢索等[2]，但很少有對(duì)變化信息的表達(dá)及存儲(chǔ)模型進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)更新操作改變了空間數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，增量更新只對(duì)變化了的空間信息進(jìn)行操作[7]，更新后的地理要素與更新前相比會(huì)發(fā)生變化，這些要素的變化過(guò)程對(duì)了解地物的生命周期及發(fā)展趨勢(shì)有重要的意義[8]。目前的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法大多只是將被替換數(shù)據(jù)存入歷史庫(kù)，并沒(méi)有記錄由于更新導(dǎo)致的地理要素變化信息，多次更新導(dǎo)致要素發(fā)生變化后，很難識(shí)別新舊數(shù)據(jù)之間的要素關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文提出了在矢量數(shù)據(jù)增量更新中加入變化過(guò)程庫(kù)對(duì)地理要素的變化過(guò)程進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)了通用的地理要素的變化信息存儲(chǔ)模型，并對(duì)地理要素變化過(guò)程庫(kù)的應(yīng)用做了示例說(shuō)明。

1 增量更新方法

1.1 更新流程

本文研究的增量更新方法是針對(duì)同級(jí)比例尺的矢量空間數(shù)據(jù)。目前，常用的空間數(shù)據(jù)增量更新有基于范圍的更新方法和基于要素的更新方法[9]?；诜秶母路椒ㄊ菍⑴f數(shù)據(jù)按相應(yīng)的范圍挖空后將新數(shù)據(jù)填入，然后進(jìn)行要素接邊操作?；谝氐母率菍?duì)新舊數(shù)據(jù)的要素進(jìn)行變化檢測(cè)，只更新變化了的要素。為便于在數(shù)據(jù)更新的同時(shí)能記錄地物的變化過(guò)程，本文采用基于要素的更新方法。更新流程如圖1所示。更新工作主要在臨時(shí)庫(kù)中進(jìn)行，首先要對(duì)新舊數(shù)據(jù)做要素匹配及變化檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到變化信息后，再對(duì)舊數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除及修改操作，進(jìn)行相應(yīng)的沖突檢測(cè)后，將要素的變化信息存入變化過(guò)程庫(kù)，被修改和刪除的舊要素存入歷史庫(kù)。

圖1 矢量數(shù)據(jù)更新流程Fig.1 The process vector data update

1.2 變化信息檢測(cè)

變化信息檢測(cè)的目的是為了發(fā)現(xiàn)增量信息，將新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)進(jìn)行要素匹配。對(duì)于不同類(lèi)型要素的變化檢測(cè)采用不同的方法進(jìn)行，點(diǎn)狀要素采用歐式距離及屬性信息[10]進(jìn)行匹配，線狀要素的匹配與變化檢測(cè)[11]從幾何上采用緩沖區(qū)分析、交叉面、hausdorff距離[12]、概率統(tǒng)計(jì)[13-14]等方法結(jié)合屬性信息進(jìn)行，面狀要素的匹配與變化檢測(cè)可以通過(guò)重心距離、重疊面積結(jié)合屬性信息進(jìn)行。本文以面要素為例，采用空間關(guān)聯(lián)度結(jié)合屬性語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度進(jìn)行要素變化檢測(cè)。設(shè)Ai(i=0,1,2…m)為新要素，Bj(j=0,1,2…n)為舊要素。先以新要素Ai生成緩沖區(qū)，獲取與Ai緩沖區(qū)相交的候選要素Bj，空間關(guān)聯(lián)度P(Ai,Bj) 通過(guò)計(jì)算Ai、Bj要素緩沖區(qū)的交集與并集的面積比得到，計(jì)算方法如公式(1)所示。

(1)

E(Ai,Bj)=S(Ai,Bj)ω1+P(Ai,Bj)ω2

(2)

新舊要素的關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法如公式(2)所示。E(Ai,Bj)為新舊要素的關(guān)聯(lián)度，S(Ai,Bj)為新舊要素的屬性信息語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度，由新舊要素的屬性字段內(nèi)容對(duì)比得到[15]，P(Ai,Bj)為新舊要素空間關(guān)聯(lián)度，ω1,ω2分別為空間關(guān)聯(lián)度及語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度的權(quán)重，且ω1+ω2=1，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)取ω1=ω2=0.5時(shí)，檢測(cè)的效果比較理想。如E(Ai,Bj)高于給定閾值，說(shuō)明新舊要素之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，新要素為舊要素變化而來(lái)；否則，說(shuō)明新舊要素間不存在關(guān)聯(lián)，新要素是在舊要素消失后產(chǎn)生。

通過(guò)變化檢測(cè)得到地理要素的變化類(lèi)型有新增(新舊要素0∶1)、刪除(新舊要素1∶0)、合并(新舊要素n∶1)、分裂(新舊要素1∶n)、聚合(新舊要素m∶n)、幾何形狀與位置變化(新舊要素1∶1)、屬性變化(新舊要素1∶1)幾種。

1.3 更新方法

基于要素的矢量數(shù)據(jù)更新是在數(shù)據(jù)庫(kù)中將新要素替換舊要素，更新信息的表達(dá)式為：

Updateinfo={OID，Spatialinfo，Attributeinfo，MeasuredTime，Updatetime}

其中OID為要素的唯一標(biāo)識(shí)，OID可以是按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編碼，也可以是系統(tǒng)自動(dòng)生成的Objectid或GUID。Spatialinfo是空間信息，Attributeinfo為屬性信息，MeasuredTime是測(cè)量時(shí)間，Updatetime是更新時(shí)間。由于測(cè)量時(shí)間與更新時(shí)間存在時(shí)間差，測(cè)量時(shí)間作為更接近于地物的實(shí)際變化時(shí)間。

更新操作對(duì)于新增和刪除要素，直接在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入和刪除信息，對(duì)于空間信息與屬性信息發(fā)生改變的要素，先將舊要素刪除，再插入新要素。更新過(guò)程中需要將變化信息存入變化過(guò)程庫(kù)，同時(shí)將刪除的要素存入歷史庫(kù)。

1.4 變化信息存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)更新引起矢量數(shù)據(jù)的變化信息需要存儲(chǔ)到變化過(guò)程庫(kù)，變化信息的表達(dá)式為：

ChangeInfo={ChangeID，Old(O1、O2…Om)，ChangeType，New(O1、O2…On)，ChangeTime}

ChangeID為變化信息編號(hào), Old(O1、O2…Om)為變化前舊要素的集合，New(O1、O2…On)為變化后新要素的集合。ChangeType為變化類(lèi)型，變化過(guò)程庫(kù)中記錄的要素變化類(lèi)型如表1所示， ChangeTime為變化時(shí)間。

表1 要素變化類(lèi)型Table 1 Changes of type

為方便數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)，變化過(guò)程數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)為：

ChangeIDOldOIDChangeTypeNewOIDChangeTime

OldOID為舊要素的標(biāo)識(shí)(與更新時(shí)存入歷史庫(kù)的要素標(biāo)識(shí)一致)，NewOID為新要素的標(biāo)識(shí)。由于數(shù)據(jù)更新會(huì)引起空間信息和屬性信息的變化，因此，一組新舊要素可以同時(shí)產(chǎn)生多條變化信息記錄。

因要素發(fā)生合并、分裂、聚合等變化時(shí)，新要素ID會(huì)發(fā)生變化，變化信息表可以起到現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、不同階段歷史數(shù)據(jù)之間的要素關(guān)聯(lián)作用。

為了解要素的變化過(guò)程，不僅需要了解要素發(fā)生了哪些變化，還需要了解要素變化了多少，如地物長(zhǎng)度變化的大小，面積變化的大小，哪些屬性發(fā)生了變化等。地物長(zhǎng)度及面積的變化可以通過(guò)與歷史庫(kù)中的要素長(zhǎng)度及面積字段的對(duì)比方便的獲取，但對(duì)于屬性信息的變化，由于各圖層屬性字段個(gè)數(shù)不一致，通過(guò)與歷史庫(kù)要素信息進(jìn)行比較需要遍歷所有字段，開(kāi)銷(xiāo)較大，而且屬性信息變化表達(dá)不夠直觀。本文設(shè)計(jì)了屬性信息變化存儲(chǔ)方式：

Attributeinfo={ChangeID,Changefields(field1,field2,…,fieldn), Ovalues(value1,values2,…,valuen), Nvalues(value1,values2,…,valuen)}

其中，Changefields (field1,field2,…,fieldn)為變化屬性字段的集合，Ovalues(value1,values2,…,valuen)為要素變化前屬性字段值的集合，Nvalues(value1,values2,…,valuen)為變化后要素屬性字段值的集合。為方便數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)，屬性信息變化數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)為：

IDChangeIDChangefieldOldvalueNewvalue

其中ChangeID與變化過(guò)程數(shù)據(jù)表中的ChangeID關(guān)聯(lián)，Changefield為發(fā)生變化的屬性字段名，Oldvalue為變化前屬性字段的值，Newvalue為變化后屬性字段的值。

1.5 歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

更新過(guò)程中被刪除和修改的數(shù)據(jù)將存入歷史庫(kù)，為方便歷史數(shù)據(jù)的檢索，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建參考了時(shí)空數(shù)據(jù)模型，歷史信息表達(dá)式為：

HistoryInfo={OID，Spatialinfo，Attributeinfo，StartTime，EndTime，UpdateTime}

其中Spatialinfo為空間信息，Attributeinfo為屬性信息，StartTime，EndTime代表該歷史數(shù)據(jù)存在的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，UpdateTime為被更新時(shí)間。

變化過(guò)程庫(kù)、現(xiàn)勢(shì)庫(kù)、歷史庫(kù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 變化過(guò)程庫(kù)、現(xiàn)勢(shì)庫(kù)、歷史庫(kù)之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between change process database, current database and history database

2 要素變化過(guò)程信息的應(yīng)用

2.1 地物生命周期查詢

通過(guò)變化過(guò)程庫(kù)的查詢，可以了解地理要素在一段時(shí)期內(nèi)的變化情況，包括地理要素發(fā)生了哪些變化，變化前后地理要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如要了解現(xiàn)狀庫(kù)中某地理要素的變化情況，可對(duì)通過(guò)要素編號(hào)OID對(duì)變化過(guò)程表進(jìn)行查詢，能夠查詢到要素的變化類(lèi)型，由哪一個(gè)要素變化而來(lái)，通過(guò)遞歸查詢，將上一個(gè)狀態(tài)的要素編號(hào)(OLDOID)作為新要素變化(NewOID)進(jìn)行查詢，可以得到地理要素的全部變化信息。查詢算法偽代碼如下：

SelectFeatureInfo(string FeatureID)// FeatureID為地理要素的ID號(hào)

{

Featureclass tb= Searchchangeinfo(FeatureID)//查詢變化信息庫(kù)中NewOID= FeatureID的要素信息

IF (tb !=null)//判斷查詢結(jié)果是否為空

{

for (i=0; i

{

Saveinfo(tb.row);//將變化信息存入查詢結(jié)果隊(duì)列

SelectFeatureInfo(tb[OldID]);//遞歸調(diào)用，將下一狀態(tài)的OldID作為上一狀態(tài)的NewID傳入函數(shù)

}

}

Else

Outputinfo()；//完成查詢后輸出結(jié)果。

}

下面以一面要素A的變化過(guò)程為例說(shuō)明。在2008年10月至2010年9月兩年時(shí)間內(nèi)，面要素A發(fā)生了面積擴(kuò)大、名稱改名、與其它要素合并3次變化。

序號(hào)變化類(lèi)型變化時(shí)間變化語(yǔ)義描述1面積擴(kuò)大20081009A面積擴(kuò)大2屬性變化20090105A名稱改變3合并20100908A與B合并形成素C

2.2 線要素長(zhǎng)度變化信息

弧段長(zhǎng)度是線要素比較關(guān)心的信息，如道路、水系在一段時(shí)期內(nèi)的長(zhǎng)度變化。由于變化過(guò)程庫(kù)記錄了變化前后的要素對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此很容易對(duì)單個(gè)要素或多個(gè)要素的長(zhǎng)度變化進(jìn)行計(jì)算。

單個(gè)線要素長(zhǎng)度變化為新要素與舊要素的長(zhǎng)度差。 多個(gè)線要素的長(zhǎng)度變化計(jì)算公式(3)所示，m為要素變化前的數(shù)目，n為要素變化后的數(shù)目。

(3)

L能夠反映線狀地物在一段時(shí)間內(nèi)的總體變化趨勢(shì)，當(dāng)L>0，說(shuō)明總體變化趨勢(shì)為延長(zhǎng)，L<0，說(shuō)明線總體變化趨勢(shì)為縮短。

2.3 面要素面積變化信息

面積變化是面要素比較更新的變化因素，如居民地、植被覆蓋面在一段時(shí)期內(nèi)的面積變化大小。通過(guò)變化過(guò)程庫(kù)中的新舊地理要素對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以方便的對(duì)單個(gè)或多個(gè)面要素的面積變化進(jìn)行計(jì)算。

單個(gè)面要素面積變化為新要素與舊要素的面積差。多個(gè)面要素的面積變化計(jì)算公式(4)所示，m為變化前要素的數(shù)目，n為變化后要素的數(shù)目。

(4)

如在T1到T2時(shí)間內(nèi)(T1

當(dāng)ΔS>0，說(shuō)明面要素的總體變化趨勢(shì)為擴(kuò)張，ΔS<0，說(shuō)明面要素的總體發(fā)展變化為縮小。

3 試驗(yàn)案例

本文采用Visual Studio 2010結(jié)合ArcGis Engine 10開(kāi)發(fā)了一套矢量數(shù)據(jù)增量更新系統(tǒng)，以某市地形圖更新為例來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的應(yīng)用效果。當(dāng)采用1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)時(shí)，在居民地的更新過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)新圖層中495個(gè)要素與舊圖層的進(jìn)行了正反向變化信息檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)新增要素6個(gè)，消失要素4個(gè)，分裂要素2個(gè)，合并要素1個(gè)，擴(kuò)大3個(gè)，縮小2個(gè)，屬性變化16個(gè)。要素的變化信息及新舊要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系都保存到了變化過(guò)程庫(kù)里的變化過(guò)程表，如表2所示。

表2 變化過(guò)程記錄表Table 2 Change process records

如圖3所示，在地形圖增量更新試驗(yàn)中，以新要素替換了發(fā)生變化的舊要素，并對(duì)地物的變化信息進(jìn)行了存儲(chǔ)。如圖4所示，通過(guò)對(duì)變化信息庫(kù)進(jìn)行遞歸查詢，直觀準(zhǔn)確的了解到編號(hào)為5230的要素在2011年5到2013年3月這段時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷了新增、縮小、分裂3次變化。

圖3 數(shù)據(jù)更新實(shí)驗(yàn)Fig.3 An experiment Vector data updating

試驗(yàn)案例顯示，對(duì)比以往的矢量數(shù)據(jù)更新方法[2,7]，本文提出的方法對(duì)更新要素的變化信息進(jìn)行了識(shí)別與存儲(chǔ)，有利于歷史數(shù)據(jù)的回溯及地物生命周期的跟蹤，還能為地物的變化趨預(yù)測(cè)提供參考。

4 結(jié) 論

本文采用基于要素的矢量數(shù)據(jù)更新方式，通過(guò)對(duì)要素的變化信息進(jìn)行檢測(cè)，只更新變化了的要素，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的增量更新；為顧及地理要素的變化過(guò)程，在增量更新的設(shè)計(jì)中加入了變化過(guò)程庫(kù)，通過(guò)變化過(guò)程庫(kù)對(duì)更新前后地理要素的變化信息進(jìn)行了記錄，能夠建立新舊要素及歷史要素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，減輕了歷史數(shù)據(jù)回溯計(jì)算量，方便空間數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)。

本文設(shè)計(jì)的更新方法目前只能用于同級(jí)比例尺的矢量數(shù)據(jù)更新，在接下來(lái)的工作中將研究多尺度的顧及要素變化過(guò)程的增量更新方法。進(jìn)一步研究包括：多尺度矢量數(shù)據(jù)的變化信息匹配;多尺度要素變化信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

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