空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)不一致的表現(xiàn)與成因分析

朱 蕊，胡英男，周 濱，嚴(yán) 薇

(1. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450052； 2. 61512部隊(duì)，北京 100088； 3. 61363部隊(duì)，陜西 西安 710054)

一、引 言

在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新和應(yīng)用時(shí)，為了充分了解地理要素及其周邊區(qū)域的具體情況，需要廣泛搜集各種最新的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、紙質(zhì)地圖資料、遙感影像、相關(guān)專題數(shù)據(jù)，以及各種文字資料等，既有軍用的，也有民用的，既有國(guó)內(nèi)的，也有國(guó)外的，其形式主要有地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、文字資料等[1]。因此，空間數(shù)據(jù)更新中，對(duì)于同一個(gè)地理實(shí)體可以得到多種不同的數(shù)據(jù)源；同時(shí)，由于空間數(shù)據(jù)的分析和可視化等方面的需要，當(dāng)以不同的描述方式和不同的描述詳細(xì)程度來表達(dá)同一地理實(shí)體時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生不一致，即對(duì)數(shù)據(jù)一致性限制條件的違背所導(dǎo)致的不確定行為[2]。

空間數(shù)據(jù)的不一致現(xiàn)象會(huì)大大影響空間數(shù)據(jù)的更新質(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數(shù)據(jù)資源，給不同層次的管理、分析、規(guī)劃和決策提供內(nèi)容逐步詳盡和精度不斷提高的空間數(shù)據(jù)，迫切需要行之有效的技術(shù)和方法來對(duì)多源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性處理。要研究空間數(shù)據(jù)更新中的多源數(shù)據(jù)一致性處理，就必須分析空間數(shù)據(jù)更新中涉及的多源數(shù)據(jù)不一致表現(xiàn)，并對(duì)造成空間表達(dá)不一致性的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，這對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的多源數(shù)據(jù)一致性處理有著重要意義。

二、空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)的不一致表現(xiàn)

空間數(shù)據(jù)表示的是空間實(shí)體的位置、形狀、大小、分布特征等多方面信息，具有定位、定性、時(shí)間和空間關(guān)系等特征。其中，定位是指在一個(gè)已知的坐標(biāo)系里空間實(shí)體都具有唯一的幾何位置；定性是指空間實(shí)體的屬性特征；時(shí)間是指空間實(shí)體具有隨著時(shí)間變化的特征；空間關(guān)系通常是指空間實(shí)體之間存在的一些具有空間特性的關(guān)系。因此本文認(rèn)為從空間數(shù)據(jù)本身的特征來看，多源空間矢量數(shù)據(jù)處理中的不一致主要體現(xiàn)在幾何位置、屬性特征和要素關(guān)系3個(gè)方面。

1. 幾何位置不一致

由于遙感影像獲取手段先進(jìn)、現(xiàn)勢(shì)性較好且能提供更為準(zhǔn)確的幾何位置信息，一直以來空間數(shù)據(jù)更新中都是基于影像更新矢量數(shù)據(jù)中同名要素的幾何位置，然而這兩者在很多方面都有區(qū)別。就投影性質(zhì)而言，空間數(shù)據(jù)更新中獲取的遙感影像多是中心投影，而獲得的矢量數(shù)據(jù)多是高斯投影；就表示方法而言，遙感影像僅以影像特征體現(xiàn)，而矢量數(shù)據(jù)則通過地圖語(yǔ)言如地圖符號(hào)、顏色和文字等多種特征體現(xiàn)；從時(shí)間性來說，遙感影像是在固定時(shí)間獲得的成果，而矢量數(shù)據(jù)則是一定時(shí)間段的信息編輯成果。因此，兩者上述的差異必然造成空間數(shù)據(jù)更新中的影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)中同名要素的幾何位置不一致(如圖1所示)。

圖1 影像與矢量數(shù)據(jù)中道路幾何位置的不一致

2. 屬性特征不一致

許多行業(yè)和部門對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求日趨強(qiáng)烈且多樣化，并紛紛建立具有各自特點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)。由于各自在建庫(kù)過程中采用不同的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，且對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體采用各自的理解和表達(dá)方式，使得它們?cè)谡Z(yǔ)義表達(dá)上不一致，這種不一致主要表現(xiàn)在屬性特征方面。概括起來，多源空間數(shù)據(jù)屬性特征的不一致主要有以下幾方面內(nèi)容：

1) 要素的分類分級(jí)不同。通常情況下空間數(shù)據(jù)按照地理要素類別分層組織，但是不同專業(yè)用途的多源空間數(shù)據(jù)可能會(huì)有不同的地理要素劃分標(biāo)準(zhǔn)。如在地形數(shù)據(jù)中，水系要素基本被抽象為點(diǎn)、線、面3個(gè)基本要素類別；而在水利數(shù)據(jù)庫(kù)中，則將水系要素如河流、湖泊、水庫(kù)等分別作為一種獨(dú)立的要素類別。在地形數(shù)據(jù)中，道路歸為一類，并通過分類區(qū)分為國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)道及其他公路；而在交通部門的公路數(shù)據(jù)庫(kù)中，道路劃分為國(guó)道、省道和縣道3類。這導(dǎo)致不同空間數(shù)據(jù)中同名要素在要素類別上不完全是一對(duì)一的關(guān)系，有可能是一對(duì)多的關(guān)系。

2) 屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)的多樣性。不同數(shù)據(jù)對(duì)同一要素的屬性描述不同，不僅屬性項(xiàng)的數(shù)量不同，具體的描述內(nèi)容及方式也不相同，即采用不同的屬性字段描述相同的地理實(shí)體。這導(dǎo)致不同數(shù)據(jù)庫(kù)在描述同名實(shí)體上可能存在：① 屬性字段在數(shù)目上不同；② 相同含義的屬性在屬性字段描述符上不同；③ 相同屬性字段描述符的屬性在屬性值的類型上不同等。

3. 要素關(guān)系不一致

(1) 要素關(guān)系沖突

多源空間矢量數(shù)據(jù)在處理過程中，同名實(shí)體在要素關(guān)系上往往存在許多沖突。如基于大比例尺數(shù)據(jù)更新小比例尺數(shù)據(jù)時(shí)，隨著比例尺的縮小，圖形符號(hào)之間的間隔越來越小，甚至互相壓蓋，要素關(guān)系的沖突也更為集中。如圖2所示，基于1∶10萬(wàn)數(shù)據(jù)更新1∶20萬(wàn)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的居民地、道路與河流關(guān)系存在沖突。

圖2 居民地、道路與河流關(guān)系的沖突

另外，空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新過程中，如果點(diǎn)狀要素和線狀要素來源于不同的數(shù)據(jù)，必然導(dǎo)致兩者的關(guān)系不協(xié)調(diào)、不匹配。如在1∶50萬(wàn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程中，一個(gè)比較典型的例子是：點(diǎn)狀居民地來源于1∶25萬(wàn)數(shù)據(jù)，而道路數(shù)據(jù)來源于GPS數(shù)據(jù)，由于這兩種數(shù)據(jù)的獲取手段不同，再加上對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的綜合操作，必然會(huì)導(dǎo)致部分點(diǎn)狀居民地與線狀道路之間的關(guān)系出現(xiàn)異常，如圖3所示。

圖3 居民地與道路關(guān)系的沖突

(2) 數(shù)據(jù)更新導(dǎo)致的要素關(guān)系不一致

在空間數(shù)據(jù)更新中，當(dāng)空間目標(biāo)的幾何位置發(fā)生變化時(shí)，地理要素之間的要素關(guān)系也有可能發(fā)生變化。如圖4所示，道路與居民地在更新前的要素關(guān)系表現(xiàn)為相切，基于影像更新矢量道路位置信息后，道路與居民地的要素關(guān)系表現(xiàn)為相離，這說明數(shù)據(jù)更新導(dǎo)致矢量信息的要素關(guān)系發(fā)生了改變，即數(shù)據(jù)的要素關(guān)系不一致。

圖4 數(shù)據(jù)更新前后要素關(guān)系的不一致

除此之外，空間數(shù)據(jù)更新信息在數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性、元數(shù)據(jù)描述等諸多方面都存在著不一致。本文不再贅述。

三、空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)不一致的成因分析

隨著信息獲取技術(shù)的飛速發(fā)展，人類獲取空間數(shù)據(jù)的能力顯著增強(qiáng)，各部門往往基于不同應(yīng)用目的，對(duì)同一地區(qū)重復(fù)生產(chǎn)出大量的空間數(shù)據(jù)。不同空間數(shù)據(jù)在描述同一地理實(shí)體時(shí)必然存在諸多不一致，而造成不一致的原因則是多方面的。

1. 坐標(biāo)系的差異

不同地區(qū)和國(guó)家都根據(jù)自身情況，選擇適合本國(guó)的坐標(biāo)系統(tǒng)。不同的國(guó)家和地區(qū)為使地球橢球體表面與本國(guó)范圍內(nèi)的大地水準(zhǔn)面達(dá)到最佳吻合，會(huì)根據(jù)自身情況選擇一定元素的參考橢球，并對(duì)參考橢球進(jìn)行定位和定向，獲得大地原點(diǎn)的大地起算數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)面，建立適合本國(guó)的國(guó)家坐標(biāo)系[3]。

我國(guó)境內(nèi)常用的坐標(biāo)系有：1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、新1954北京坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和WGS-84坐標(biāo)系，其中利用GPS得到的數(shù)據(jù)成果為WGS-84坐標(biāo)系，屬于地心坐標(biāo)系，其他坐標(biāo)系屬于參心坐標(biāo)系。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)和周邊國(guó)家的坐標(biāo)系情況見表1。

另外，空間基準(zhǔn)是隨時(shí)間變化而變化的。如WGS-84坐標(biāo)系的主要參數(shù)，每隔一段時(shí)間就會(huì)重新測(cè)定一次，這就意味著空間數(shù)據(jù)即使使用了同樣的大地坐標(biāo)系，可由于使用了不同的參數(shù)(由時(shí)間引起的)，也會(huì)造成空間數(shù)據(jù)不一致的問題。同樣的問題還會(huì)出現(xiàn)在海岸帶的定義，以及高程基準(zhǔn)(如1956黃海高程基準(zhǔn)、1985國(guó)家高程基準(zhǔn))等，因此不能忽略時(shí)間對(duì)空間數(shù)據(jù)的影響。

表1 部分國(guó)家所采用的大地坐標(biāo)系

2. 地圖投影的差異

地圖投影是空間數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，起著骨架的作用，是空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)框架，是實(shí)現(xiàn)信息定位和信息可視化的基礎(chǔ)。地圖投影的實(shí)質(zhì)是建立地球面上點(diǎn)的坐標(biāo)(B，L)與地圖平面上點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y)之間一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[4]。我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)字地圖及其空間數(shù)據(jù)中，中、大比例尺多采用高斯-克呂格投影，小比例尺則選用等角圓錐投影。境外地區(qū)采用的投影與我國(guó)存在較大差別，部分國(guó)家和地區(qū)所采用的投影種類見表2。

表2 部分國(guó)家所采用的投影種類

3. 資料應(yīng)用情況的差異

根據(jù)各種資料在空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)和更新中的應(yīng)用程度，一般分為基本資料、補(bǔ)充資料和參考資料。各種資料應(yīng)用程度的不同也會(huì)導(dǎo)致多源空間數(shù)據(jù)的不一致，資料的應(yīng)用程度由資料的可靠性、現(xiàn)勢(shì)性和完備性等評(píng)價(jià)元素決定。多源空間數(shù)據(jù)中資料應(yīng)用程度的評(píng)價(jià)因素眾多，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)說明，本文不再贅述。不同的空間數(shù)據(jù)由于資料應(yīng)用情況的差異導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)的表達(dá)不一致，如圖5所示。

圖5 資料應(yīng)用情況的差異導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)不一致(林地的存在與消失)

4. 空間數(shù)據(jù)誤差

空間數(shù)據(jù)誤差是不可避免的，其來源于空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新的各個(gè)過程，是伴隨空間數(shù)據(jù)的采集、處理與應(yīng)用過程而產(chǎn)生并表現(xiàn)出來的，主要分為源誤差和數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差。源誤差是指數(shù)據(jù)源本身的固有誤差，主要包括直接獲取數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差、遙感數(shù)據(jù)獲取產(chǎn)生的誤差、攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取產(chǎn)生的誤差和紙質(zhì)地圖數(shù)字化產(chǎn)生的誤差；數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差和數(shù)據(jù)編輯產(chǎn)生的誤差。

在空間表達(dá)上，空間數(shù)據(jù)的源誤差主要表現(xiàn)為同名實(shí)體在空間位置上不重合，會(huì)產(chǎn)生一定的偏移甚至變形；另外，由于空間位置誤差，同樣也會(huì)導(dǎo)致同名實(shí)體在大小、形狀、方向等方面的不一致；而數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用過程中產(chǎn)生的誤差不但會(huì)導(dǎo)致同名實(shí)體的地理位置、面積和方向的表示有差異，還會(huì)導(dǎo)致屬性特征整合處理時(shí)產(chǎn)生誤差，這些都是產(chǎn)生多源空間數(shù)據(jù)不一致的重要原因。

四、結(jié)束語(yǔ)

空間數(shù)據(jù)更新過程中涉及的各種空間數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中存在尺度、時(shí)相、應(yīng)用目的等諸多方面的不同，使得不同數(shù)據(jù)源在空間表達(dá)上出現(xiàn)了不一致性，要研究空間數(shù)據(jù)更新中的多源數(shù)據(jù)一致性處理，就必須首先分析空間數(shù)據(jù)更新中涉及的多源數(shù)據(jù)不一致表現(xiàn)。通過對(duì)空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)的不一致表現(xiàn)和成因進(jìn)行詳細(xì)分析，有利于構(gòu)建面向動(dòng)態(tài)、異構(gòu)、開放的海量信息環(huán)境下快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行多源目標(biāo)數(shù)據(jù)一致性處理的應(yīng)用需求，這對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的多源數(shù)據(jù)一致性處理有著重要意義。

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