空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則庫研究
——以道路數(shù)據(jù)為例

溫博格，何　津，陳　真，李曉飛，賈超衛(wèi)

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062； 2. 珠海市規(guī)劃局,廣東 珠海 519000)

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空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則庫研究
——以道路數(shù)據(jù)為例

溫博格1，何津1，陳真2，李曉飛1，賈超衛(wèi)1

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062； 2. 珠海市規(guī)劃局,廣東 珠海 519000)

Research on Rule Base for Comparing Spatial Data——Taking Transportation Data as an Example

WEN Boge，HE Jin，CHEN Zhen,LI Xiaofei,JIA Chaowei

摘要：隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)已被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對空間數(shù)據(jù)的對比分析也提出了更高要求。本文提出了一種對比規(guī)則庫的設(shè)計，可定義的空間、屬性數(shù)據(jù)對比規(guī)則。通過對比規(guī)則庫，可大大增強GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比分析功能的可擴展性、靈活性，提高操作人員的工作效率。本文還討論了某省公路局歷史數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：空間數(shù)據(jù)對比；規(guī)則庫；道路交通

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展、城市化的不斷推進，城市數(shù)量的增加和質(zhì)量的提高帶動了我國道路交通的迅猛發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國2013年新建公路70 274 km。在道路交通蓬勃發(fā)展的同時，政府部門對系統(tǒng)龐大的道路交通網(wǎng)的規(guī)劃與管理的難度越來越大。

每年交通部門需要投入巨大的人力物力對道路進行全方位的對比、分析與統(tǒng)計，以用于公路的有效管理和維護，更好地規(guī)劃道路交通的發(fā)展。傳統(tǒng)的對比分析通常針對特定業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)進行對比分析，作用單一。隨著業(yè)務(wù)的不斷擴展，對比分析方法的種類也不斷增加，有時僅僅因為業(yè)務(wù)中的一個條件發(fā)生變化，就需要對應(yīng)增加一類方法，致使操作步驟煩瑣，大大降低了公路管理部門的工作效率，越來越難以滿足信息量成爆炸式增長的道路交通發(fā)展[1-2]。

本文提出一種面向空間數(shù)據(jù)的對比分析規(guī)則庫，基于兼具靈活性、擴展性和易用性的對比規(guī)則，以道路交通為例，為滿足某省公路管理局道路交通方面的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)基于規(guī)則庫的道路交通數(shù)據(jù)對比、分析與統(tǒng)計方法，方便快捷有效地服務(wù)于某省公路管理局的歷史數(shù)據(jù)資料的對比、分析和統(tǒng)計。

一、對比規(guī)則庫分析

傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)對比分析采用人工對比的方式，依靠手工判斷要素的屬性和空間信息差異，其方式不夠完善，人工投入大，時間耗費多，本文針對其不足提出了對比規(guī)則庫的概念，將傳統(tǒng)的對比分析方法集成在規(guī)則中，利用規(guī)則的靈活性、擴展性和易用性，實現(xiàn)公路管理局道路交通業(yè)務(wù)的信息化。用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求將對比分析操作生成對比規(guī)則，在分析處理時選擇相應(yīng)規(guī)則，即可方便、靈活地進行復(fù)雜條件的綜合判斷[3]。

1. 規(guī)則的內(nèi)容

規(guī)則庫管理規(guī)則，規(guī)則定義了對比的內(nèi)容及方法，規(guī)則包含以下3個部分。

(1) 標(biāo)識字段

標(biāo)識字段又稱身份ID，具有唯一性，用于識別對比數(shù)據(jù)中的相同要素，即歷年數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識字段，如路段編碼。它是對比規(guī)則的基礎(chǔ)，每一條對比規(guī)則都必須選擇至少一個唯一標(biāo)識字段，用以識別對比數(shù)據(jù)集中的同一要素。

(2) 對比內(nèi)容

對比內(nèi)容是用戶關(guān)注的變化信息。規(guī)則的對比內(nèi)容分為兩大類：屬性信息和幾何信息。屬性信息是指空間數(shù)據(jù)中屬性表的字段，是具有描述性的屬性，如道路寬度；幾何信息是指空間數(shù)據(jù)中要素的幾何形狀。

(3) 對比算子

算子定義了對比數(shù)據(jù)時所采用的算法[4]。本文對比規(guī)則算子由兩類組成：屬性數(shù)據(jù)對比算子、空間數(shù)據(jù)對比算子。

1) 屬性數(shù)據(jù)對比算子是屬性信息的比較運算，如大于、小于等。

2) 空間數(shù)據(jù)對比算子是幾何信息的比較運算，如相交、重合等。

2. 對比規(guī)則類別

對比規(guī)則分為兩大類別：

1) 屬性數(shù)據(jù)對比規(guī)則，用于分析數(shù)據(jù)中屬性信息發(fā)生變化的情況。

2) 空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則，用于分析年數(shù)據(jù)中空間關(guān)系(空間位置和形狀)發(fā)生變化的情況[5]。

3. 規(guī)則級別

規(guī)則級別有提示、警告、錯誤；通過對規(guī)則分級，對比規(guī)則不僅可以反映用戶關(guān)注的變化，還可以用于數(shù)據(jù)審核。如定義一條規(guī)則，用于發(fā)現(xiàn)道路技術(shù)等級降低的道路，由于實際情況中道路技術(shù)等級不可能降低，因此符合該規(guī)則的道路數(shù)據(jù)屬于錯誤情況。

二、對比規(guī)則庫核心模塊設(shè)計

1. 數(shù)據(jù)介紹

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)是某省公路局提供的歷年道路數(shù)據(jù)，包括路段(polyline)、隧道(point)、橋梁(point)、渡口(point)等多種數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典記錄規(guī)則庫的元數(shù)據(jù)信息，它并不保存規(guī)則庫實際的數(shù)據(jù)，而是保存管理這些實際規(guī)則數(shù)據(jù)的信息[5]。對比規(guī)則庫根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求的不同，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的描述保存在數(shù)據(jù)字典中。數(shù)據(jù)字典包括兩部分：字段結(jié)構(gòu)表和字段代碼表。字段結(jié)構(gòu)表包含數(shù)據(jù)屬性字段的信息，如名稱、編碼、對應(yīng)類型表名等；字段代碼表包含枚舉字段類型的所有值信息，如字段編碼、名稱、含義等，見表1、表2。

表1　數(shù)據(jù)字典表結(jié)構(gòu)展示

表2　路段技術(shù)等級字段展示

2. 對比算子模塊

對比算子模塊是對比規(guī)則庫的核心算法模塊，本文主要從屬性數(shù)據(jù)對比算子、空間數(shù)據(jù)對比算子兩方面介紹對比算子模塊。

(1) 屬性數(shù)據(jù)對比算子

屬性數(shù)據(jù)對比算子定義了屬性信息的對比及篩選條件，主要有：=(等于)、<>(不等于)、>(大于)、<(小于)、>=(大于或等于)、<=(小于或等于)、介于、不介于、為空和不為空等。

用戶可以在規(guī)則中根據(jù)邏輯關(guān)系(與、或、且非、或非)的任意組合，構(gòu)成復(fù)合對比條件。

(2) 空間數(shù)據(jù)對比算子

空間數(shù)據(jù)對比算子實現(xiàn)空間要素的幾何形狀對比運算。本文經(jīng)過試驗總結(jié)出了幾種常見的道路空間數(shù)據(jù)對比分析情況，并予以算法實現(xiàn)。主要有：

1) 道路打斷，判斷要素在經(jīng)過數(shù)據(jù)庫更新后被打斷為兩條或多條要素。

2) 道路編號變化，判斷要素在經(jīng)過數(shù)據(jù)庫更新后編號屬性值發(fā)生變化的情況。

3) 道路新增或刪除，判斷數(shù)據(jù)庫經(jīng)過更新后要素新增或刪除情況。

4) 道路重復(fù)判斷，在給定不同參數(shù)條件的基礎(chǔ)上，判斷要素可能出現(xiàn)的重復(fù)情況。

3. 規(guī)則庫管理模塊

規(guī)則庫管理模塊是規(guī)則庫的核心模塊，對比分析使用的空間對比規(guī)則、屬性對比規(guī)則、屬性篩選規(guī)則等均由統(tǒng)一的規(guī)則庫管理維護，規(guī)則庫采用微軟最新的ADO.NET Entity Framework(EF)架構(gòu)進行設(shè)計，對規(guī)則進行定義、更新、刪除、維護和管理[6]。系統(tǒng)規(guī)則定義界面如圖1所示。

圖1　規(guī)則庫定義界面

(1) 規(guī)則庫對象模型設(shè)計

規(guī)則庫設(shè)計采用EDM實體模型，將規(guī)則包含的各部分定義為獨立的實體，如規(guī)則、規(guī)則類型、數(shù)據(jù)字典、對比字段、對比算子等。每個實體都包含各自的屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系(導(dǎo)航屬性)、繼承關(guān)系等，如圖2所示。

圖2　規(guī)則庫類結(jié)構(gòu)關(guān)系

(2) 規(guī)則關(guān)聯(lián)

規(guī)則的關(guān)聯(lián)表達的是規(guī)則之間及規(guī)則內(nèi)實體之間的關(guān)系。一個關(guān)聯(lián)關(guān)系包含多個屬性:關(guān)聯(lián)的名稱、關(guān)聯(lián)對象的導(dǎo)航屬性(主鍵、外鍵)、關(guān)聯(lián)對象的相互作用、對象是否關(guān)聯(lián)刪除，以及對象的關(guān)聯(lián)多重性(即關(guān)聯(lián)一個對象、多個對象、0或一個對象)。這種關(guān)聯(lián)能夠組合成復(fù)雜的邏輯關(guān)系，從而可以通過組合簡單規(guī)則，以構(gòu)建復(fù)雜的高級業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系[7]。

(3) 規(guī)則存儲

規(guī)則的存儲運用EF架構(gòu)，能夠自動將對象映射到底層數(shù)據(jù)庫,即將規(guī)則以類的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。其利用了抽象化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式，將每個數(shù)據(jù)庫對象都轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序?qū)ο?entity)，而數(shù)據(jù)字段都轉(zhuǎn)換為屬性，關(guān)系則轉(zhuǎn)換為結(jié)合屬性，讓數(shù)據(jù)庫的E/R模型的轉(zhuǎn)換為對象模型。

三、規(guī)則庫實例——道路數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)

空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則庫可應(yīng)用于許多行業(yè)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的空間對比分析，本文基于道路歷史數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)，介紹基于規(guī)則庫的路段要素屬性對比查詢、道路形狀對比和疑似道路重復(fù)判斷功能的系統(tǒng)實現(xiàn)。

1. 路段要素屬性對比查詢

本文采用基于規(guī)則庫的方式來實現(xiàn)路段要素的屬性對比，其核心是運用屬性數(shù)據(jù)對比算子，定義豐富的屬性對比分析。

以路段技術(shù)等級為例，每年同一條道路的路段技術(shù)等級相對于前一年只會提高不會降低，因此需要判斷是否有路段技術(shù)等級降低的錯誤情況出現(xiàn)，可以定義如下規(guī)則：字段=“LDJSDJ”(路段技術(shù)等級)；屬性數(shù)據(jù)對比條件為大于(>)，即第一年數(shù)據(jù)中同一條道路要素對應(yīng)的字段(路段技術(shù)等級)的屬性值比第二年的值大(值越高路段技術(shù)等級越低)，比較結(jié)果如圖3所示。根據(jù)此條規(guī)則，可以對歷年數(shù)據(jù)進行路段技術(shù)等級錯誤檢查與判斷，通過將該業(yè)務(wù)需求定義為規(guī)則，保存在規(guī)則庫中，操作人員直接調(diào)用，大大提高業(yè)務(wù)任務(wù)的效率及可操作性，使用簡潔方便[8]。

圖3　兩年公路數(shù)據(jù)路段技術(shù)等級對比結(jié)果

2. 道路形狀對比

道路形狀對比是運用空間數(shù)據(jù)對比算子，針對道路空與間信息，對比查詢歷年道路的形狀變化，用于統(tǒng)計分析歷年公路數(shù)據(jù)的變化信息。根據(jù)要素位置信息、幾何信息和屬性信息綜合對比判斷道路形狀的變化[9]。對比實例如圖4所示，圖4(a)為2012年某路段，圖4(b)為2013年相同路段編碼路段，圖4(c)為2012年與2013年同一路段的形狀對比。

3. 疑似道路重復(fù)判斷

道路疑似重復(fù)判斷主要用于道路測量、繪制、計算過程中可能會出現(xiàn)的一些重復(fù)路線，由于傳統(tǒng)的判斷重復(fù)道路采用人工目視查找判斷，既需要人力又耗費時間，每當(dāng)全省道路數(shù)據(jù)繪制完成后，需要在短時間完成重復(fù)道路的檢查判斷，往往需要投入大量人力物力[10]。本文采用基于規(guī)則的道路疑似重復(fù)判斷，程序根據(jù)規(guī)則中的參數(shù)自動查找出疑似重復(fù)的道路，在此基礎(chǔ)上提供給人工目視判斷，雖然不能完全代替人工目視查找判斷，不過基于計算機判斷的疑似結(jié)果能夠大大提高人工查找判斷的效率，不僅節(jié)省了大量人力資源，更大大提高了時間效率，優(yōu)點十分顯著。對比實例如圖5所示，圖5(a)為2013年某路段疑似重復(fù)部分縮小顯示結(jié)果，圖5(b)為疑似重復(fù)部分放大顯示結(jié)果。

圖4　2013年公路數(shù)據(jù)形狀變化結(jié)果

圖5　疑似重復(fù)判斷結(jié)果

四、結(jié)束語

空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則庫研究基于可定義的空間、屬性數(shù)據(jù)的對比規(guī)則，增強了GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比分析功能的可擴展性、靈活性，提高了操作人員的工作效率。

本文介紹的道路數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)以道路數(shù)據(jù)為例具體展示了對比規(guī)則庫的使用。其在某省公路管理部門中，針對龐大的歷史數(shù)據(jù)對比、分析需求，創(chuàng)建自定義規(guī)則進行計算，為規(guī)劃、管理和維護交通道路提供了夯實的基礎(chǔ)。

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中圖分類號：P208

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0118-04

作者簡介：溫博格(1989—)，男，碩士，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。E-mail：wenboge@qq.com通信作者： 何津。E-mail: he_jin@foxmail.com

收稿日期：2015-03-24

引文格式： 溫博格，何津，陳真,等. 空間數(shù)據(jù)對比規(guī)則庫研究——以道路數(shù)據(jù)為例[J].測繪通報，2016(3)：118-121.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0102.