城市基礎(chǔ)地理信息增量模型

張保鋼，楊伯鋼，夏 強

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038)

一、引 言

“十一五”期間，我國西部測圖工程取得重大突破，結(jié)束了我國西部地區(qū)約200萬km2國土無1∶50 000地形圖的歷史，基本建成了覆蓋全國的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，但基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)與更新相對滯后。國家測繪地理信息局在測繪科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃中把基礎(chǔ)地理信息動態(tài)更新列為地理信息自動化處理關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)各大中城市也非常重視基礎(chǔ)地理信息的更新工作，紛紛采取措施加快地形圖更新周期，如北京市基礎(chǔ)地形圖的更新周期由“二三四八”提高為“零五一一四”，天津市測繪院提出對城市地形圖進行實時更新，一些導航公司也提出了一些增量更新導航電子地圖的方法[1]。

基礎(chǔ)地理信息庫的更新包括批量式更新和增量式更新[2]。批量式更新是指在主數(shù)據(jù)庫更新完成后，生產(chǎn)者通過數(shù)據(jù)拷貝的方式，將整個新版數(shù)據(jù)的副本提供給用戶。批量式更新是指在主數(shù)據(jù)庫更新完成后，只記錄或提取新版數(shù)據(jù)中發(fā)生變化的要素及相關(guān)信息，然后將這些增量信息以增量文件的方式提供給用戶，并集成到原來客戶數(shù)據(jù)庫中。

二、變化的描述與增量模型

T. Badard將地理信息數(shù)據(jù)庫新舊版本的變化歸納為7種類型[3]：增加(add)、刪除(delete)、幾何信息修改或/和屬性信息修改(modify)、分解(decompound)、合并(combine)、重分類或組合(reclassify)，變化過程與結(jié)果如圖1所示。事實上，這7種變化類型不僅包括幾何信息和屬性信息的變化，還帶來拓撲關(guān)系的變化(變化要素本身及其相關(guān)要素)。這7種變化也均可歸于增加和刪除，例如：

1) 幾何信息、屬性信息之一或全部修改：分解為對舊版要素刪除 + 新版要素增加，刪除和增加的要素具有相同的標識。

2) 分解：分解為對舊版一個要素的修改 + 新版增加n-1個要素。

3) 合并：分解為對舊版一個要素的修改 + 舊版刪除n-1個要素。

4) 重分類或組合：分解為對m個舊版要素刪除 +n個新版要素增加。

圖1 新舊版本地理信息變化的描述

上述7種變化類型中，除了純屬性信息修改外，其他各種變化均可能導致拓撲關(guān)系的變化。

如果增加要素的幾何信息用IAG表示，屬性信息用IAA表示，自身拓撲信息用IAST表示，由增加要素引起的所有與其相關(guān)空間要素拓撲信息的變化量用IART表示，則要素增加變化的增量模型δA可表示為

δA= {IAG，IAA，IAST，IART}

(1)

如果刪除要素的幾何信息用IDG表示，屬性信息用IDA表示，刪除前其自身原有拓撲信息用IDST表示，由刪除要素引起的所有與其相關(guān)空間要素拓撲信息的變化量用IDRT表示，則要素刪除變化的增量模型δD可表示為

δD= {IDG，IDA，IDST，IDRT}

(2)

根據(jù)上文對修改的分析，其他4種變化的增量模型可表示為：

1) 修改，即

δM=δA-δD

(3)

2) 分解，即

δDE=δA1∪…∪δAn-1+δM=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD

(4)

3) 合并，即

δC=δM-δD1∪…∪δDn-1=δA-δD1∪…∪δDn-1∪δDn

(5)

4) 重分類或組合，即

δR=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD1∪…∪δDn-1∪δDm

(6)

如果某空間區(qū)域增加了a個要素，刪除了b個要素，修改了c個要素，d個要素進行了分解，e組要素進行了合并，f組要素進行了重分類或組合，則該空間區(qū)域地理信息變化的增量模型可表示為(a、b、c、d、e、f為≥0的整數(shù))

(7)

當a、b、c、d、e、f其中之一或幾個同時為0時，構(gòu)成變化的特殊情況：如b—f均為0時，變化只有要素增加；a、c—f均為0時，變化只有要素刪除等。

三、實 例

圖2、表1是北京市城區(qū)行政區(qū)劃變化的描述。其中圖2反映了由于西城區(qū)(1)與宣武區(qū)(0)合并為西城區(qū)(1)、東城區(qū)(5)與宣武區(qū)(6)合并為東城區(qū)(5)引起的幾何信息和屬性信息的變化；表1則反映了相應拓撲關(guān)系的變化。

表1 合并引起的拓撲關(guān)系變化

圖2 合并引起的幾何信息和屬性信息變化

從圖2和表1可以看出，多邊形0、1、5、6的幾何信息、屬性信息、拓撲關(guān)系發(fā)生了變化，而多邊形3、4、7僅拓撲關(guān)系發(fā)生了變化。依據(jù)上文的增量模型，該區(qū)域完整的地理信息增量模型可表示為

δ=δ1n-δD0∪δD1+δ5n-δD5∪δD6=

{I1nG，I1nA，I1nST，I1nRT}- {I0G，I0A，I0ST，I0RT} -

{I1oG，I1oA，I1oST，I1oRT} + {I5nG，I5nA，I5nST，I5nRT} -

{I6G，I6A，I6ST，I6RT} - {I5oG，I5oA，I5oST，I5oRT}

(8)

增量模型(8)只包括幾何信息和/或?qū)傩孕畔l(fā)生變化的地理要素，沒有包括僅發(fā)生拓撲關(guān)系的地理要素。這是因為該模型中由增加或刪除要素引起的所有與其相關(guān)空間要素拓撲信息的變化量IART或IADRT已經(jīng)包含了僅發(fā)生拓撲關(guān)系地理要素的拓撲關(guān)系變化量。

四、應用增量模型更新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫

基于城市基礎(chǔ)地理信息增量模型編制了基礎(chǔ)地理信息增量提取程序。圖3所示為房屋層增量信息的可視化表示。圖3(a)、圖3(b) 分別是原始和發(fā)生變化后的房屋信息，通過兩個版本數(shù)據(jù)的對比，得到了增量數(shù)據(jù)，其中增加的房屋如圖3(c)所示，刪除的房屋如圖3(d)所示。圖4是對某區(qū)域水系層增量信息的可視化表示，標注為負數(shù)的水系是刪除的水系，標注為正數(shù)的水系是增加的水系。得到的各數(shù)據(jù)層的增量信息可以對客戶數(shù)據(jù)庫進行增量更新。

圖4 水系層增量信息

五、結(jié)束語

本文分析了城市基礎(chǔ)地理信息變化的描述，并給出了變化的增量模型；以北京市的行政區(qū)劃變化為例，給出了包括幾何信息、屬性信息和拓撲關(guān)系在內(nèi)的區(qū)域變化增量模型；對某區(qū)域的房屋數(shù)據(jù)層和水系數(shù)據(jù)層的增量信息進行了提取，應用這些增量信息可以對客戶數(shù)據(jù)庫的舊版本數(shù)據(jù)進行增量更新。應該指出的是，屬性信息是附著在幾何信息上的，拓撲關(guān)系與幾何信息之間存在著依賴關(guān)系，地理要素幾何增量信息最終分解為簡單的增刪，附著在幾何信息上的屬性信息增量也與地理要素是一一對應的，它們的表達和恢復相對簡單，然而地理要素的拓撲關(guān)系不僅與地理要素有關(guān)，還牽涉相關(guān)地理要素，如何表達和恢復地理要素變化的拓撲關(guān)系是一個值得關(guān)注的問題。

參考文獻：

[1] 盛秀杰，李宏利. 初探導航電子地圖的增量更新[J]. 地理信息世界，2009，7(5)：51-55.

[2] 王育紅，陳軍. GIS客戶數(shù)據(jù)庫更新的基本問題[J]．地理信息世界，2008，6(1)：5-12.

[3] BADARD T. On the Automatic Retrieval of Updates in Geographic Databases Based on Geographic Data Matching Tools [C]∥Proceedings of 19th International Cartographic Conference.Ottawa: [s.n.], 1999:47-56.

[4] 王育紅，陳軍.基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫更新信息傳播實施方法研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2010，35(9):1116-1120.

[5] 劉勖，蔡先華，李愛勤，等. 數(shù)據(jù)增量探測技術(shù)在電子地圖更新中的應用[J]. 測繪通報,2007(11): 50-53.