基礎(chǔ)地理信息疊加更新模型研究

王英謀

摘 要：該文以基礎(chǔ)地理信息更新為研究對(duì)象，研究提出了點(diǎn)、線、面三種矢量要素的疊加更新模型，論文首先分析了地理信息中的數(shù)據(jù)類型和變化特點(diǎn)，進(jìn)而總結(jié)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的變化形式，在此基礎(chǔ)上，探討了更新中的空間分析與圖形操作的內(nèi)容，最后，分別提出了針對(duì)點(diǎn)、線、面三個(gè)不同地形要素的更新模型。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)地理信息 疊加 更新 模型

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0015-02

在GIS中地理事物或地理現(xiàn)象被抽象為點(diǎn)、線、面及其組合的表達(dá)，地理信息的更新實(shí)際上是對(duì)點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的修改。該 文在分析基礎(chǔ)地理信息的變化特點(diǎn)及點(diǎn)線面數(shù)據(jù)的變化形式的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的變化模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)地理信息更新方式。

1 地理信息的數(shù)據(jù)類型及變化特點(diǎn)

1.1 地理信息中的數(shù)據(jù)類型

地理事物或地理現(xiàn)象在地理信息系統(tǒng)（GIS）中被高度抽象為點(diǎn)、線、面要素，復(fù)雜地物可通過(guò)其組合進(jìn)行表達(dá)。點(diǎn)、線、面是GIS中最基本的數(shù)據(jù)類型，在GIS中分層管理。下面是對(duì)各類要素的描述。

1.1.1 面狀地形要素

凡是在特定比例尺下（如1：10000）地形圖中以多邊形表示的地形要素均稱為面狀地形要素，如居民地類中依比例尺表現(xiàn)的獨(dú)立房屋、普通房屋等；水系及附屬設(shè)施類中，圖上寬0.4以上依比例尺表示的河流，圖上面積大于0.5～2的湖泊，小于0.5～2但有重要意義的湖泊（如位于國(guó)界附近的或作為河源的小湖及干早地區(qū)的淡水湖等）等都是面狀形要素。在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)更新過(guò)程中，面狀要素是重要的操作對(duì)象，在對(duì)面狀要素進(jìn)行更新的時(shí)候既要注意面狀要素間的拓?fù)潢P(guān)系，又要注意面狀要素與點(diǎn)狀要素及線狀要素之間的拓?fù)潢P(guān)系，面狀要素也是更新過(guò)程中較難處理的對(duì)象。

1.1.2 線狀地形要素

線狀地形要素是指有一定長(zhǎng)度而沒有面積的對(duì)象，或者是在給定的地圖比例尺（如1：10000）下形狀非常狹窄的地形要素。

在1：1萬(wàn)地形圖中線狀地形要素包括幾何線狀地形要素和權(quán)屬線狀地形要素。幾何線狀地物是指具有一定面積與寬度的線狀地物，主要包括交通及附屬設(shè)施類中的鐵路、不依比例尺的公路、其他道路；水系及附屬設(shè)施類中的圖上寬0.4mm以下的河、渠等。權(quán)屬線狀地形要素主要指境界線等。

1.1.3 點(diǎn)狀地形要素

點(diǎn)狀地形要素是指沒有面積和長(zhǎng)度的地理特征，或是相對(duì)于給定的比例尺來(lái)說(shuō)邊界太小以至于無(wú)法顯示。在1：1萬(wàn)地形圖中點(diǎn)狀地形要素主要是指測(cè)量控制點(diǎn)，基礎(chǔ)地理信息更新方法研究居民地類中的不依比例尺的普通房屋，工礦建（構(gòu)）筑物及其他設(shè)施類中的開采的礦井中的豎井、斜井、小礦井等及其他一些以點(diǎn)形式表現(xiàn)的地形要素。

1.2 地理信息變化的特點(diǎn)

基礎(chǔ)地理信息變化的特點(diǎn)在土地利用/覆被變化的規(guī)律中有具體的體現(xiàn)，科研人員對(duì)此做了大量研究，盡管由于區(qū)域差異性原因，除了自然地理因素外，人文因素作用顯著，包括國(guó)家和地方政策的調(diào)控、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等的影響無(wú)論在變化程度、變化格局和土地利用轉(zhuǎn)移方向上都存在顯著的區(qū)域差異性，總的來(lái)看表現(xiàn)在，城鎮(zhèn)建設(shè)用地通過(guò)大量占用耕地而擴(kuò)展，非城鎮(zhèn)建設(shè)用地間結(jié)構(gòu)變化明顯，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展主要集中于老城區(qū)外圍的城市邊緣區(qū)，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)最高的區(qū)域多位于主城區(qū)的邊緣區(qū)即城鄉(xiāng)交替地帶。這個(gè)現(xiàn)象在規(guī)模相對(duì)小的人類聚居區(qū)也有類似的表現(xiàn)，如村鎮(zhèn)的內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定在外圍的區(qū)域則是建設(shè)的活躍地帶，與城市相比而言特點(diǎn)類似只是規(guī)模大小有別。

2 地理信息變更模式

基礎(chǔ)地理信息變化的原因多種多樣，變化形式的豐富多彩，在以矢量模型抽象表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的地理信息中則表現(xiàn)為：代表客觀實(shí)體的地理信息中的各種點(diǎn)、線、面要素的變化或是其各種要素變化的組合。

客觀世界中各種不同的地理實(shí)體有著自己的發(fā)展變化規(guī)律，如：居民地，水系，道路等，從變化快慢上來(lái)說(shuō)，由于我們國(guó)家目前處于高速發(fā)展時(shí)期，居民地，道路短時(shí)間內(nèi)可能變化較大，而水體一般來(lái)說(shuō)自然發(fā)展則相對(duì)緩慢；從GIS數(shù)據(jù)的變化方式上來(lái)看，又有所不相同，如居民地可能被拆遷改造從而使得記錄它的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)都發(fā)生變化。地理信息變化可分為空間數(shù)據(jù)變化與非空間數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）變化，它們不是截然分開，有時(shí)空間數(shù)據(jù)改變和屬性數(shù)據(jù)的改變又是相互影響的，如，上面提到的，屬性改變導(dǎo)致圖層轉(zhuǎn)移，其中也包含空間數(shù)據(jù)的改變，同樣空間數(shù)據(jù)的改變也會(huì)造成地形要素分類的改變，其屬性信息也就會(huì)改變。

2.1 空間數(shù)據(jù)變化形式

矢量表達(dá)的空間數(shù)據(jù)類型包括，面狀要素、線狀要素及點(diǎn)狀要素，對(duì)它們的變化模型分別總結(jié)如下。

2.1.1 面狀地形要素主要變化模型

（1）面狀地形要素分割，即一個(gè)面狀地形要素分割成兩個(gè)或兩個(gè)以上相同或不同類型的面狀地形要素。（2）面狀地形要素合并，指由兩個(gè)或兩個(gè)以上相同類型面狀地形要素合并為一。（3）面狀地形要素?cái)U(kuò)大，面狀地形要素所表示的類型不變，而其邊界變化，導(dǎo)致其范圍變大，從而使面狀地形要素面積增加。（4）面狀地形要素縮小，面狀地形要素所表示的類型不變，其邊界變化，從而使面狀地形要素所圍面積減少。如面積減小到一定程度則使得其所屬類別發(fā)生變化，這又會(huì)使得其屬性發(fā)生變化。面狀地形要素變窄使其向線狀地物方向變化，或者面狀地形要素面積減少而使其變?yōu)辄c(diǎn)狀地形要素。反之點(diǎn)狀要素、線狀要素也會(huì)向面狀要素發(fā)展。（5）面狀地形要素的新增及消亡。

2.1.2 線狀地形要素主要變化模型

（1）線狀地形要素新增或消亡。（2）線狀地形要素的延伸或收縮。

2.1.3 點(diǎn)狀地形要素主要變化模型

點(diǎn)狀地形要素增加或消亡。

2.2 屬性數(shù)據(jù)變化

屬性信息變化分為以下幾種類型：（1）僅僅是其一個(gè)或幾個(gè)屬性信息發(fā)生變化，但其空間數(shù)據(jù)和所屬分類沒有發(fā)生改變，對(duì)此類改變僅僅需要修改其變化的屬性信息即可。（2）幾何形狀沒有太大變化，但其屬性發(fā)生改變，使得其分類發(fā)生改變，這使得該要素不再屬于某一圖層，需要改變圖層。如道路有一般道路改造后變?yōu)榈燃?jí)公路。（3）由于其幾何數(shù)據(jù)變化而導(dǎo)致其表達(dá)形式發(fā)生變化，從而使得其所屬分類改變導(dǎo)致圖層轉(zhuǎn)移。如溝渠變窄后，由以前的面狀要素表達(dá)轉(zhuǎn)為用線狀要素表達(dá)使得其所屬圖層發(fā)生改變。

地理信息的變化情況在實(shí)踐中非常復(fù)雜，上述的變化形式在更新過(guò)程中可能只是簡(jiǎn)單圖形變化，也有可能同時(shí)發(fā)生，但是在數(shù)據(jù)更新實(shí)現(xiàn)中又不能同時(shí)操作所有的變化地類，只能對(duì)變化類型進(jìn)行綜合分析與分步處理，按一定的設(shè)計(jì)流程完成數(shù)據(jù)更新。在實(shí)際更新過(guò)程中，一種地理信息的變化必然導(dǎo)致其它地理信息在空間上發(fā)生相應(yīng)的變化，因此通過(guò)對(duì)地理信息空間對(duì)象的變化特征的標(biāo)識(shí)、聚集或復(fù)合，把地理信息的變更模式抽象地歸并為擴(kuò)展、收縮、消亡和新生四種模式，并在幾何數(shù)據(jù)類型變化模型基礎(chǔ)之上的建立相應(yīng)的屬性信息變化模型。涉及到兩個(gè)及兩個(gè)圖層互動(dòng)更新的，屬性數(shù)據(jù)一般會(huì)有改變，因此把它們統(tǒng)一到屬性數(shù)據(jù)更新中。地理信息更新過(guò)程中的屬性變化和空間數(shù)據(jù)變化之間不是相互孤立的，而常常是相互摻雜在一起的，通過(guò)對(duì)地理信息變更模式的分析，制定數(shù)據(jù)更新的策略，設(shè)計(jì)更新流程與更新模型以有效方便的進(jìn)行更新。在進(jìn)行更新處理時(shí)，要求綜合考慮引起變化的地物特征，采用各自分層和綜合分析的方法，使得地理信息變化的相互影響及其復(fù)雜性在更新處理時(shí)得以有效解決。

3 更新中的空間分析與圖形操作

地理信息更新是以空間分析為基礎(chǔ)的，在空間分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間圖形操作。在單個(gè)實(shí)體更新過(guò)程中通過(guò)基本實(shí)體和比較實(shí)體的空間邏輯關(guān)系的比較實(shí)現(xiàn)空間幾何圖形的基本操作。空間實(shí)體之間的空間邏輯關(guān)系主要有：等價(jià)（Equal），包含（Contain），內(nèi)含（Within），相交（Cross），相離（Disjoint），覆蓋（Overlap），切觸（Touch）。

基礎(chǔ)地理信息更新中，空間分析判斷新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，還要靠幾何圖形操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，幾種基本的空間操作實(shí)現(xiàn)幾何圖形的基本操作，包括：切割、差分、交集、并集。

3.1 切割（Cut）

指定一條切割曲線和一個(gè)幾何圖形，經(jīng)過(guò)切割運(yùn)算后，沿切割曲線方向把幾何圖形分成左右兩部分；點(diǎn)與多點(diǎn)不能被切割，而面與線只有與切割曲線相交是才能進(jìn)行切割運(yùn)算。

3.2 差分（Difference）

確定參考幾何圖形和比較幾何圖形，經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算后，返回那些用參考幾何圖形中的點(diǎn)減去比較幾何圖形中的點(diǎn)后剩下的部分。

3.3 交集（Intersect）

確定參考幾何圖形和比較結(jié)合圖形，經(jīng)過(guò)交集運(yùn)算后，返回同時(shí)落在參考幾何圖形和比較幾何圖形中的部分，交集運(yùn)算必須在同維之間進(jìn)行。

3.4 并集（Union）

確定參考幾何圖形和比較幾何圖形，經(jīng)過(guò)并集運(yùn)算后，返回那些屬于參考幾何圖形和屬于比較幾何圖形的部分，并集運(yùn)算必須在同維之間進(jìn)行。

在地理信息更新過(guò)程中，一個(gè)地形要素的變化會(huì)導(dǎo)致到其他地形要素也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，他們之間相互影響的復(fù)雜關(guān)系。

明確地理實(shí)體之間的邏輯關(guān)系，及拓?fù)洳僮?，變更操作中空間實(shí)體之間的相互關(guān)系，為我們順利進(jìn)行基礎(chǔ)地理信息更新奠定基礎(chǔ)。

4 基礎(chǔ)地理信息疊加更新模型

更新應(yīng)用了GIS的空間分析功能，用第二章和第三章敘述方法獲得新數(shù)據(jù)圖層，先對(duì)新要素設(shè)定緩沖距離，與現(xiàn)狀圖層進(jìn)行空間查詢分析，得到與變化數(shù)據(jù)相關(guān)的點(diǎn)、線、面各層要素。新數(shù)據(jù)分別與相關(guān)點(diǎn)、線、面各層要素按變更模式作空間疊加更新，見圖1。

在進(jìn)行更新處理時(shí)，關(guān)鍵要考慮引起變化的地形要素特征及其空間相互關(guān)系，以滿足基礎(chǔ)地理信息更新需要為目標(biāo)，更新過(guò)程中采用更新數(shù)據(jù)各自分層和綜合分析的技術(shù)，使得地形要素變化的相互影響在更新處理時(shí)能很好解決，確保數(shù)據(jù)的一致性，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

基礎(chǔ)地理信息更新主要的內(nèi)容為：幾何數(shù)據(jù)更新和屬性數(shù)據(jù)更新。幾何數(shù)據(jù)更新一般只是在某一層內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增、減，合并，分割等操作，屬性數(shù)據(jù)更新要復(fù)雜一些，因?yàn)閷傩宰兓婕暗侥骋坏乩硪厥欠襁€屬于某一層的問題，如果屬性變化導(dǎo)致地理要素不再屬于某個(gè)層，那么就要在不同層之間互動(dòng)更新，這包含著空間數(shù)據(jù)操作。這時(shí)的數(shù)據(jù)更新可通過(guò)在幾個(gè)圖層之間應(yīng)用空間數(shù)據(jù)更新操作實(shí)現(xiàn)。

4.1 矢量數(shù)據(jù)更新模型設(shè)計(jì)

以矢量方式表達(dá)基礎(chǔ)地理信息更新模型是通過(guò)分別對(duì)面狀要素、線狀要素和點(diǎn)狀要素更新實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)地理信息系統(tǒng)中空間實(shí)體的關(guān)系給出地形要素的更新模型，見圖2矢量數(shù)據(jù)疊加更新模型。

面狀要素疊加更新是針對(duì)面而狀地物發(fā)生變化的處理方法，以舊版基礎(chǔ)地理信息為基礎(chǔ)，與經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的變化面狀要素及線狀地形要素進(jìn)行空間疊加處理和更新，生成新基礎(chǔ)地理信息。

疊加處理過(guò)程如圖3所示。在對(duì)面狀要素更新時(shí)會(huì)對(duì)與之相關(guān)的點(diǎn)、線、面要素有影響。包括舊圖中點(diǎn)要素刪除（消亡），線要素的刪除（消亡）、變短（收縮）等，對(duì)面要素也會(huì)有類似的影響。在面狀要素疊加處理時(shí)，要確保變化圖層的屬性字段與舊版現(xiàn)狀圖的屬性字段完全一致，才能做到空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的同時(shí)更新，避免數(shù)據(jù)操作出錯(cuò)。

4.2 屬性信息更新模型

屬性數(shù)據(jù)變化分為幾種情況：（1）僅有屬性數(shù)據(jù)變化的情況，如某某道路改名，某建筑物用途改變等，此時(shí)的空間數(shù)據(jù)沒有變化，相應(yīng)的分類也沒有改變，此時(shí)數(shù)據(jù)更新操作就僅僅是修改屬性數(shù)據(jù)中的某一個(gè)或幾個(gè)字段值就可以了。（2）由于屬性值的變化，而使其分類改變。更新中需要在不同的圖層中聯(lián)合刪除和新建操作，即原圖層刪除（消亡模式）改地形要素，目標(biāo)圖層新增（新增模式）該要素。（3）由于其空間幾何數(shù)據(jù)變化而導(dǎo)致其表達(dá)形式發(fā)生變化，從而使得其所屬圖層改變。

更新中除了有消亡模式和新增模式，外還要考慮使用增長(zhǎng)或收縮模式，以適應(yīng)表達(dá)形式的改變。

5 結(jié)語(yǔ)

基礎(chǔ)地理信息的更新主要涉及矢量數(shù)據(jù)更新，以及與之關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)的更新，在矢量數(shù)據(jù)更新中，針對(duì)不同的空間操作，如切割、差分、交集和并集，對(duì)點(diǎn)、線、面三種不同要素有不同的處理方法。另外，屬性數(shù)據(jù)更新和空間數(shù)據(jù)更新不是相對(duì)獨(dú)立的，他們常?；ハ鄵诫s在一起，相互影響，屬性數(shù)據(jù)更新是以空間數(shù)據(jù)更新為基礎(chǔ)的，在更新過(guò)程中要綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭黎.空間矢量數(shù)據(jù)融合問題的研究[D].鄭州：中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)，2003.

[2] 郭慶勝.地圖自動(dòng)綜合理論與方法[M].北京：測(cè)繪出版社，2002：10-20.

[3] 韓鵬，徐占華，褚海峰，等.地理信息系統(tǒng)開發(fā)——Arcobjects方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：16-22.