矢量地理信息更新增量的傳播

引文格式： 張保鋼，楊伯鋼，張偉松. 矢量地理信息更新增量的傳播[J].測繪通報，2015(4)：53-56.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0110

矢量地理信息更新增量的傳播

張保鋼，楊伯鋼，張偉松

(北京市測繪設計研究院，北京 100038)

IncrementalPropagationofVectorGeographicInformationUpdating

ZHANGBaogang，YANGBogang，ZHANGWeisong

摘要：矢量地理信息更新增量的傳播在客戶數(shù)據(jù)庫更新中起著至關重要的作用。本文從矢量地理信息更新增量傳播的必要條件、傳播過程、特殊性、傳播內容，以及最終客戶數(shù)據(jù)庫的更新幾個方面系統(tǒng)研究了矢量地理信息更新增量的傳播，完善了地理信息更新增量傳播理論；歸納了客戶數(shù)據(jù)庫更新的4種情況，并給出了解決方案。

關鍵詞：矢量地理信息；更新增量；傳播；主數(shù)據(jù)庫；客戶數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：P208

收稿日期：2014-02-13

基金項目：國家科技支撐計劃(2011BAK07B02-03);地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(201135)

作者簡介：張保鋼(1965—)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)方面的理論研究與開發(fā)。E-mail：bg_zhang65@163.com

一、引言

隨著地理數(shù)據(jù)“原始積累”的逐步完成和共享應用，數(shù)據(jù)更新已成為廣大用戶關注的熱點問題[1]。更新方式包括版本式更新和增量式更新。由于客戶數(shù)據(jù)庫在主數(shù)據(jù)庫基礎上新加了專題屬性，主數(shù)據(jù)庫的新版數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)規(guī)格上存在差異。版本式更新客戶數(shù)據(jù)庫將為用戶后續(xù)的使用帶來相當大的工作量及數(shù)據(jù)冗余；而增量式更新可以避免這些不足，還可以對歷史地理信息進行回溯[2-3]。文獻[4—6]對地理信息變化的描述、種類、建模進行了研究；文獻[7]采用目標差、被差和交的三元組對目標快照進行了分類，給出了正差、負差的計算及其在增量采集與變化信息發(fā)布中的應用方法；文獻[8]提出了基于快照—增量的時空索引機制；文獻[9]從拓撲更新的角度，提出了5種更新操作；文獻[10—12]分析了空間數(shù)據(jù)庫增量更新的實施方法、信息提取與集成及增量更新制圖。矢量地理信息更新增量的傳播[13]在客戶數(shù)據(jù)庫更新中起著至關重要的作用。文獻[13]分析了模式匹配、變化提取、實體識別、更新集成4種更新傳播的操作。本文從矢量地理信息更新增量傳播的必要條件、傳播過程及其特殊性、最終客戶數(shù)據(jù)庫的更新幾個方面系統(tǒng)研究了矢量地理信息更新增量的傳播。

二、矢量地理信息更新增量傳播的必要條件

傳播的基本要素包括傳者、受者、信息[14]。傳者是傳播之源；受者是傳播的目的地；信息是從傳者當中挖掘出來、受者需要但沒有的內容，是傳播的對象。另外，傳播介質是信息從傳者到受者間連接的通路或橋梁。矢量地理信息更新增量傳播是從主數(shù)據(jù)庫傳播到客戶數(shù)據(jù)庫，傳者是主數(shù)據(jù)庫，受者是客戶數(shù)據(jù)庫，傳播的內容即信息是矢量地理信息增量文件，傳播的介質是各種網(wǎng)絡或移動設備、光盤、磁盤等數(shù)據(jù)存儲介質。主、客戶數(shù)據(jù)庫間的關系一般應滿足下列條件。

1. 主、客戶數(shù)據(jù)庫覆蓋的空間范圍

主數(shù)據(jù)庫覆蓋的空間范圍{(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)}(i≥2)應包含客戶數(shù)據(jù)庫的空間范圍{(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)}(j≥2)的全部或一部分，即：{(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)}∩{(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)} ≠ Φ。其中，(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)和(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)分別是主、客戶數(shù)據(jù)庫空間覆蓋范圍邊界坐標串，Φ表示空集。

2. 主、客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集語義分類

主數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)語義分類集合為{Class主1，Class主2，…，Class主i，…，Class主n}(n≥i≥2)。

首先主數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集語義分類S主={Class主1，Class主2，…，Class主n}(n≥2)中的某些元素NClass主1、NClass主2、…、NClass主i與客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集語義分類S客={Class客1，Class客2，…，Class客m}(m≥2)中的某些元素NClass客1、NClass客2、…、NClass客j存在對應關系。

其次，客戶數(shù)據(jù)庫的語義分類的類級不低于主數(shù)據(jù)庫或通過組合某些主數(shù)據(jù)庫分類得到。如果客戶數(shù)據(jù)庫的語義分類高于主數(shù)據(jù)庫分類，可以通過合并或組合主數(shù)據(jù)庫信息的方法更新客戶數(shù)據(jù)庫；然而如果客戶數(shù)據(jù)庫的語義分類低于主數(shù)據(jù)庫分類，則無法通過主數(shù)據(jù)庫更新客戶數(shù)據(jù)庫。如以教育人口空間數(shù)據(jù)庫(主數(shù)據(jù)庫)更新人口空間數(shù)據(jù)庫(客戶數(shù)據(jù)庫)時，前者存儲了研究生以上文化程度、大學文化程度、中學文化程度、小學文化程度和文盲空間分布數(shù)據(jù)，后者存儲的是該地區(qū)人口空間分布數(shù)據(jù)。若前者的現(xiàn)勢性高于后者，可以采用組合前者的5類較低級別語義數(shù)據(jù)的方法更新后者1類較高級別語義數(shù)據(jù)；但無法通過較高級別的人口數(shù)據(jù)更新較低級別的按教育程度劃分的人口數(shù)據(jù)。

3. 主、客戶數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性

主數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性應比客戶數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性強。客戶獲取地理信息更新增量的目的是進行客戶數(shù)據(jù)庫更新，如果主數(shù)據(jù)庫與客戶數(shù)據(jù)庫相比沒有更高的現(xiàn)勢性，那么從時間或時態(tài)的角度來說，主數(shù)據(jù)庫就失去了客戶的應用價值。

三、矢量地理信息更新增量的傳播過程

傳播過程的一般特征是：誰—說了什么—通過什么渠道—對誰—取得了什么效果[14]。由此矢量地理信息更新增量的傳播過程可描述為：主數(shù)據(jù)庫—矢量地理信息更新增量文件—各種網(wǎng)絡或移動設備、光盤、磁盤等數(shù)據(jù)存儲介質—客戶數(shù)據(jù)庫—實現(xiàn)矢量地理信息的更新。傳播過程的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1　矢量地理信息更新增量的傳播過程

與其他形式信息的傳播相比，矢量地理信息更新增量傳播的特殊性是：①傳播的數(shù)據(jù)量小，只傳播發(fā)生變化的地理信息；②信息構成復雜，除了傳統(tǒng)意義的文字信息外，還包括空間、圖形等信息，其中最顯著的特征是空間信息可定位；③信息傳播過程復雜，信息的解譯需要專門的地理信息系統(tǒng)軟件；④傳播介質特殊，必須是網(wǎng)絡或其他存儲數(shù)字信息的媒介；⑤信息的表現(xiàn)形式直觀活潑，表現(xiàn)為各種地物實體的空間圖形信息；⑥信息的使用需借助客戶數(shù)據(jù)庫，由于更新增量是一個差值，因此只有在用其更新客戶數(shù)據(jù)庫后才更有使用價值。表1是矢量地理信息更新增量與傳統(tǒng)信息、軟件更新增量傳播的對比。

表1　矢量地理信息更新增量與傳統(tǒng)的信息、軟件更新增量傳播的對比

根據(jù)文獻[8],矢量地理信息更新增量包括線目標差、面目標差，以及點目標差。點目標差應包括目標正差和目標負差；線目標差包括目標正差、目標負差、偏離正負差、延長正差、縮短負差、延長縮短差；面目標差包括目標正差、目標負差、偏離正負差、擴張正差、收縮負差、擴張收縮差。矢量地理信息更新增量信息的提取實質上就是給定時間區(qū)間，從主數(shù)據(jù)庫中得到時間區(qū)間兩個端點的時間快照，建立快照差分類描述的目標差、被差和交的三元組，從主數(shù)據(jù)庫的各層空間數(shù)據(jù)層中提取時間快照的點目標差、線目標差和面目標差。這3類目標差集合即用戶所需的增量信息。

四、傳播內容

矢量地理信息更新增量傳播的內容是其增量本身。地理信息更新增量又稱地理信息變化量，描述某個時間段內指定空間區(qū)域地理信息的變化情況，也就是地理目標增、刪、改的情況。如果把修改看成是對同一地理目標先刪除后增加，那么地理信息的變化可只歸類為地理目標的增加和刪除。為便于增量信息與客戶數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的集成或融合，地理信息的增量文件還應包括主數(shù)據(jù)庫地理信息增量的元數(shù)據(jù)信息。地理信息增量的內容可歸納如下：

1) 主數(shù)據(jù)庫地理信息元數(shù)據(jù)信息：如地理信息的坐標單位、坐標系、投影類型、比例尺、空間覆蓋范圍、有效數(shù)據(jù)時間(增量時間區(qū)間)等參數(shù)。

2) 刪除的地理目標文件：與主數(shù)據(jù)庫結構一致，且在增量時間區(qū)間內被刪除的地理目標。

3) 增加的地理目標文件：與主數(shù)據(jù)庫結構一致，且在增量時間區(qū)間內增加的地理目標。

五、最終客戶數(shù)據(jù)庫的更新

最終客戶數(shù)據(jù)庫的更新如圖2所示。首先對增量文件進行幾何糾正，使增量數(shù)據(jù)的數(shù)學基礎與客戶數(shù)據(jù)庫數(shù)學基礎相一致；然后依據(jù)增量數(shù)據(jù)與客戶數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)圖層之間的對應關系，在客戶數(shù)據(jù)庫中提取并刪除增量文件中刪除的地理目標，增加增量文件中新增的地理目標，并使其屬性信息完善，實現(xiàn)客戶數(shù)據(jù)庫的更新。

1. 增量文件幾何糾正

1) 人工選取增量文件中刪除目標的特征點及客戶數(shù)據(jù)庫中對應目標特征點。

2) 依據(jù)精度需要，確定增量文件到客戶數(shù)據(jù)庫空間坐標變換多項式，用最小二乘法解算多項式系數(shù)。

3) 對原增量文件進行整體仿射變換，得到客戶數(shù)據(jù)庫數(shù)學基礎下的增量文件。

2. 增量文件的圖層與結構重組

通過幾何更新，增量文件與客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)學基礎達到了一致。為保證主客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性，首先按客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分層方法，將增量文件的刪除部分和增加部分重新進行數(shù)據(jù)分層組織，使增量文件的數(shù)據(jù)分層、數(shù)據(jù)結構與客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分層及數(shù)據(jù)結構相一致。

圖2　最終客戶數(shù)據(jù)庫的更新

3. 對客戶數(shù)據(jù)庫中應刪除地理目標的提取與刪除

逐層提取增量文件中需刪除的目標，以客戶數(shù)據(jù)庫的精度為緩沖區(qū)半徑，建立需刪除目標的緩沖區(qū)，客戶數(shù)據(jù)庫對應圖層與上述緩沖區(qū)作疊加分析，完全落在緩沖區(qū)內的目標為客戶數(shù)據(jù)庫該層應刪除目標，刪除這些目標；與緩沖區(qū)有交叉的目標需通過人機交互和借助其他資料判斷其是否需要刪除，完成對增量文件中刪除部分的操作。

4. 對客戶數(shù)據(jù)庫中應增加地理目標的插入

逐層提取增量文件中待插入目標，在客戶數(shù)據(jù)庫相應圖層中插入這些目標，根據(jù)相關補充資料，完善插入目標的屬性。

5. 對客戶數(shù)據(jù)庫中發(fā)生變化圖層拓撲關系的維護

逐層處理客戶數(shù)據(jù)庫中有過增刪操作的地理信息圖層，重建拓撲關系，如由于地理目標的增刪而引起的合并、分割等。

六、試驗與結論

基于上述思想，本文開發(fā)了矢量地理信息更新增量傳播程序。圖3是以房屋圖層為例的一個程序運行試驗。主、客戶數(shù)據(jù)庫間具有相同的數(shù)學基礎和語義分類。試驗表明，程序可在一定程度上實現(xiàn)矢量地理信息更新增量傳播和客戶數(shù)據(jù)庫更新。

圖3　矢量地理信息更新增量傳播

客戶數(shù)據(jù)庫的更新可分為下述4種情況：①當主、客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)學基礎、語義分類、數(shù)據(jù)結構等完全一致時，直接使用更新增量對客戶數(shù)據(jù)庫進行相應的目標刪除、增加和拓撲關系維護等操作；②當主、客戶數(shù)據(jù)庫之間除數(shù)據(jù)結構外，其他屬性相同時，首先修改增量文件結構，使增量文件的數(shù)據(jù)結構與客戶數(shù)據(jù)庫完全一致，然后執(zhí)行步驟①的操作；③當主、客戶數(shù)據(jù)庫之間只有數(shù)學基礎相同時，按客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分層方法，將增量文件的刪除部分和增加部分重新進行數(shù)據(jù)分層組織，使增量文件與客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分層相一致，然后執(zhí)行步驟②的操作；④當主、客戶數(shù)據(jù)庫之間數(shù)學基礎不同時，應對增量文件首先進行幾何糾正，使增量文件與客戶數(shù)據(jù)庫的數(shù)學基礎一致，然后執(zhí)行步驟③的操作。實際工作中前3種情況較多，第4種情況操作復雜，不建議使用；但當更新資料匱乏時，步驟④也可選擇使用。

本試驗是在主、客戶數(shù)據(jù)庫間具有相同的數(shù)學基礎和語義分類條件下展開的，未涉及主、客戶數(shù)據(jù)庫間數(shù)學基礎、語義分類、數(shù)據(jù)結構均不一致時增量更新的情況。今后的研究包括客戶數(shù)據(jù)庫快速增量更新算子、增量文件的語義轉換及與客戶數(shù)據(jù)庫實體的匹配等。

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