基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合研究與實(shí)現(xiàn)

張新長，陳家鴻，郭泰圣

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合研究與實(shí)現(xiàn)

張新長，陳家鴻，郭泰圣

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

摘要：隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)在測繪、國土、規(guī)劃、交通等國民經(jīng)濟(jì)重要部門及國防建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但是當(dāng)前大多數(shù)城市的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)存在CAD和GIS的多種數(shù)據(jù)格式并存的現(xiàn)狀，無法高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。針對上述問題，為充分利用已有的數(shù)據(jù)資源并提高地形圖數(shù)據(jù)的共享性，本文提出了一種基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合的技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的可逆轉(zhuǎn)換與融合。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)融合；可逆映射；數(shù)據(jù)檢查；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和地球科學(xué)研究的支撐性成果，是國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)中不可缺少的重要資源，是“數(shù)字城市”“智慧城市”建設(shè)的基礎(chǔ)，對社會(huì)可持續(xù)發(fā)展起著重要作用[1]。

地形圖數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的重要組成部分，按照一定的分類，利用不同的圖式符號(hào)反映地球表面的空間地物，是國家建設(shè)、社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性資料[2]。但是，當(dāng)前我國大多數(shù)城市的地形圖數(shù)據(jù)存在CAD和GIS的多種數(shù)據(jù)格式并存的現(xiàn)狀，地形圖數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多源異構(gòu)性，這使得現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)無法高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)孤島[3]的弊端已經(jīng)愈演愈烈。因此，如何高效地對多源異構(gòu)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高地形圖數(shù)據(jù)的共享性就成為當(dāng)前亟待解決的一個(gè)重要問題。

一、異構(gòu)融合的原理

1. 異構(gòu)融合的定義

異構(gòu)融合作為一種數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)，實(shí)際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，若從廣義的數(shù)據(jù)融合定義出發(fā)，包括通信、模式識(shí)別、決策論、不確定性理論、信號(hào)處理、估計(jì)理論、最優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。異構(gòu)融合的目的是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、補(bǔ)充數(shù)據(jù)信息，并最終實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享。將其拓展到地形圖數(shù)據(jù)領(lǐng)域，郭黎給出了如下定義：地形圖數(shù)據(jù)融合是指將不同來源的地形圖數(shù)據(jù)，采用不同的方法，重新組合專題屬性數(shù)據(jù)，統(tǒng)一地物的分類分級和屬性，進(jìn)一步完善地物的信息，提高地形圖數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可共享性[3]。

2. 異構(gòu)融合的基本框架

地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合一般包括4個(gè)基本內(nèi)容：規(guī)則建立、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接邊融合。異構(gòu)融合的基本框架如圖1所示，可以采用八元組(M，R，I，C，E，X，B，D)表示。

圖1　異構(gòu)融合基本框架

1)M表示原始數(shù)據(jù)的集合。

2)R表示融合規(guī)則。

3)I表示融合規(guī)則的嵌入。

4)C表示待融合數(shù)據(jù)的檢查，包括編碼檢查、屬性檢查、拓?fù)錂z查。

5)E表示待融合數(shù)據(jù)的編輯，包括屬性編輯、符合編輯、拓?fù)渚庉嫛?/p>

6)X表示含有融合規(guī)則的數(shù)據(jù)。

7)B表示融合過程，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、接邊融合。

8)D表示融合后的數(shù)據(jù)，其中Dr為融合結(jié)果數(shù)據(jù)，Dm為待融合數(shù)據(jù)。

二、基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合

1. 技術(shù)路線

本文的異構(gòu)地形圖數(shù)據(jù)是指竣工測量CAD地形圖數(shù)據(jù)、未入庫GIS地形圖數(shù)據(jù)或已入庫的GIS地形圖數(shù)據(jù)。本文主要針對同級比例尺的異構(gòu)融合研究，融合數(shù)據(jù)預(yù)處理操作是指在融合前依據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及拓?fù)潢P(guān)系的檢查與修正處理[4]，以產(chǎn)生符合融合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。異構(gòu)融合方法是對要素進(jìn)行編碼賦值、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再利用要素的幾何距離與屬性相似度進(jìn)行對象匹配，之后進(jìn)行接邊融合。其技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　技術(shù)路線

2. 可逆映射的建立

數(shù)據(jù)可逆映射關(guān)系是指兩個(gè)數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)元素之間的可逆對應(yīng)關(guān)系。首先根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，可以按數(shù)據(jù)的不同層次將數(shù)據(jù)抽象為3種層次：數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)對象。

假設(shè)原始數(shù)據(jù)為Ds，按照數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)的目的數(shù)據(jù)為Dt，數(shù)據(jù)映射關(guān)系為F，則三者之間的關(guān)系為

F(Ds)=Dt

(1)

根據(jù)數(shù)據(jù)的層次關(guān)系，F(xiàn)由數(shù)據(jù)集間的映射關(guān)系GC、數(shù)據(jù)層間的映射關(guān)系GL和數(shù)據(jù)對象間的映射關(guān)系GO復(fù)合而成，即

F=GC·GL·GO

(2)

數(shù)據(jù)對象間的映射關(guān)系本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)對象的屬性結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)模式間的映射關(guān)系，它是數(shù)據(jù)映射中最為核心和復(fù)雜的部分。GC、GL、GO的定義分別如下[5]：

1) 數(shù)據(jù)集合間映射關(guān)系GC。假設(shè)原始數(shù)據(jù)集合為(S1,S2,S3,…)，融合后的數(shù)據(jù)集合為(T1,T2,T3,…)，則

GC(S1,S2,S3,…)=(T1,T2,T3,…)

(3)

2) 數(shù)據(jù)層之間的映射關(guān)系。數(shù)據(jù)層之間的映射關(guān)系是對數(shù)據(jù)集進(jìn)行解構(gòu)之后數(shù)據(jù)層之間的映射關(guān)系，即圖層間的映射關(guān)系GL。假設(shè)原始數(shù)據(jù)層為

(S1(x1,x2,x3,…),S2(x1,x2,x3,…),

S3(x1,x2,x3,…),…)

(4)

融合后的數(shù)據(jù)模式為

(D1(y1,y2,y3,…),D2(y1,y2,y3,…),

D3(y1,y2,y3,…),…)

(5)

則

GL(S1(x1,x2,x3,…),S2(x1,x2,x3,…),

S3(x1,x2,x3,…),…)=(D1(y1,y2,y3,…),

D2(y1,y2,y3,…),D3(y1,y2,y3,…),…)

(6)

3) 數(shù)據(jù)對象間映射關(guān)系。數(shù)據(jù)對象映射關(guān)系本質(zhì)上即數(shù)據(jù)模式間的映射關(guān)系。假設(shè)原數(shù)據(jù)模式為

(f1,f2,f3,…)

(7)

目標(biāo)數(shù)據(jù)模式為

(8)

由原數(shù)據(jù)到目標(biāo)數(shù)據(jù)間的映射關(guān)系為GO，則兩者之間的關(guān)系為

(9)

基于上述抽象映射關(guān)系，DWG格式的CAD數(shù)據(jù)和SHP格式的GIS數(shù)據(jù)在圖層級別[6]可以構(gòu)建如圖3所示的可逆映射關(guān)系。

圖3　圖層級別可逆映射

3. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于地形圖數(shù)據(jù)由幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分組成，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要對幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7]。

(1) 圖形轉(zhuǎn)換

地形圖數(shù)據(jù)中的點(diǎn)要素是由坐標(biāo)信息構(gòu)成的，在進(jìn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)對于BlockReference、DBPoint等點(diǎn)類型的實(shí)體，可以直接讀取坐標(biāo)信息，基于X、Y坐標(biāo)信息進(jìn)行構(gòu)點(diǎn)[8]。

線轉(zhuǎn)換涉及的圖形類型較多，其基本原理是讀取圖形的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，然后以點(diǎn)構(gòu)線。對于簡單類型(如Line)，通過讀取起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)即可直接構(gòu)線；對于復(fù)雜類型(如Arc)，需要通過讀取起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、Arc的起始角度及總角度、弧長等信息構(gòu)造弧上的點(diǎn)，然后進(jìn)行構(gòu)線[9]。

面轉(zhuǎn)換主要涉及Polyline、Polyline2d、Circle3種類型的實(shí)體，其基本原理是通過讀取圖形的節(jié)點(diǎn)等相關(guān)信息，進(jìn)行構(gòu)面[10]。

(2) 屬性轉(zhuǎn)換

在DWG格式轉(zhuǎn)SHP格式過程中，圖形的屬性信息存儲(chǔ)在其擴(kuò)展字典下自定義字典的擴(kuò)展屬性中，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先讀取存儲(chǔ)在實(shí)體中的屬性信息，然后與GIS中Feature的屬性字段進(jìn)行匹配，最后將屬性值寫入到GIS中Feature對象的對應(yīng)屬性中[10]。

在SHP轉(zhuǎn)DWG格式過程中，先通過程序讀取存儲(chǔ)在GIS中Feature的屬性字段，然后與CAD圖層中擴(kuò)展屬性進(jìn)行匹配，最后將屬性值寫入到AutoCAD圖層中對應(yīng)的擴(kuò)展屬性中。

4. 接邊融合

接邊融合關(guān)鍵技術(shù)包括確定接邊對象和接邊融合。目前常用的接邊方法是通過搜索鄰近要素及比較屬性來確定接邊對象[12-13]。在實(shí)際操作中，通常會(huì)根據(jù)要素類型分別進(jìn)行接邊融合操作。

(1) 線要素接邊

線要素常用的接邊方法有平均法、強(qiáng)制法、優(yōu)化法。其中，平均法是取圖形兩邊待接點(diǎn)的坐標(biāo)均值作為接邊后點(diǎn)的坐標(biāo)。強(qiáng)制法是把一條待接邊的待接點(diǎn)強(qiáng)制附和到另一條待接邊的待接點(diǎn)上，因其精度不高，很難確認(rèn)哪條邊是比較準(zhǔn)確的，故不常用。優(yōu)化法是將接邊產(chǎn)生的拐點(diǎn)消除，達(dá)到接邊后的圖邊兩端線段，既要共點(diǎn)又要共線[14]。

線要素接邊首先搜索融合范圍邊界處需要接邊的對象，具體搜索過程如下：

1) 通過屬性匹配，篩選出與待融合線要素屬性相似度最高的線要素集合A；

2) 給定一個(gè)閾值d，以d為半徑，以原要素與接邊線的交點(diǎn)為圓心生成緩沖區(qū)；

3) 通過空間查詢得到A中與緩沖區(qū)相交的線要素，即接邊對象。

接邊對象確定之后即要對數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊融合操作，線要素的接邊融合可以通過比較融合數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的精度來確定，接邊到精度較高的數(shù)據(jù)上。若數(shù)據(jù)間的精度相差不大，則可選用平均接邊法進(jìn)行接邊。

(2) 面要素接邊

面要素接邊首先搜索融合范圍邊界處需要接邊的對象，具體搜索過程如下：

1) 通過屬性匹配，篩選出與待融合面要素A屬性相似度最高的面要素集合M；

2) 給定一個(gè)閾值d，以d為半徑，對接邊邊界線兩側(cè)進(jìn)行緩沖，生成一個(gè)緩沖區(qū)；

3) 通過空間查詢得到M中與緩沖區(qū)相交的面要素，即為接邊對象[15](如圖4所示)。

圖4　搜索參與接邊的面要素

面要素接邊采用精度平移的方式，精度低的數(shù)據(jù)平移至精度高的數(shù)據(jù)，精度接近的數(shù)據(jù)則讓兩個(gè)對象分別平移坐標(biāo)偏移量的一半[16]。以居民地面對象為例：假設(shè)居民地面是具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)則矩形，在待融合數(shù)據(jù)中居民地面是兩個(gè)獨(dú)立對象;比較鄰近的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出坐標(biāo)偏移量；同比例尺下對象精度相近，因此把節(jié)點(diǎn)分別平移坐標(biāo)偏移量的一半；最后利用4個(gè)新節(jié)點(diǎn)重新構(gòu)面，即可得到融合之后的居民地面對象。

(3) 屬性融合

在要素完成幾何接邊后，需要進(jìn)一步對要素的屬性信息進(jìn)行融合。在接邊融合操作中對象的屬性信息融合通常有3種方式：

1) 以融合要素的屬性信息作為融合后對象的屬性信息；

2) 以待融合要素的屬性信息作為融合后對象的屬性信息；

3) 綜合考慮融合要素和待融合要素，通過某種融合規(guī)則，如屬性疊加的方式來得到融合對象的屬性信息[16]。

三、試驗(yàn)分析

1. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)概況

本文選取了1∶1000地形圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為DWG格式(如圖5(a)所示)和SHP格式(如圖5(b)所示)。

圖5　原始的試驗(yàn)地形圖數(shù)據(jù)

2. 試驗(yàn)結(jié)果

首先將DWG格式的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SHP格式的GIS數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6　DWG格式轉(zhuǎn)換為SHP格式

完成格式轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)的格式已經(jīng)統(tǒng)一，且都具備編碼信息，即可進(jìn)行接邊融合操作，將二者融合為一張圖，如圖7所示。

圖7　接邊融合

3. 精度評價(jià)

在異構(gòu)融合的過程中，考慮到保證數(shù)據(jù)的精度，專門設(shè)計(jì)了編碼檢查和拓?fù)錂z查的功能。編碼檢查可以檢查出是否有編碼缺失、編碼類別錯(cuò)誤的情況；拓?fù)錂z查可以檢查線相交、線重疊、線自相交、面重疊的拓?fù)溴e(cuò)誤。通過對多組不同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明融合精度較高(見表1)。

表1　精度評價(jià)　(%)

四、結(jié)束語

本文根據(jù)目前國土信息化的發(fā)展趨勢，提出了基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合技術(shù)方案，選題來自實(shí)際生產(chǎn)部門的現(xiàn)實(shí)需要，通過與生產(chǎn)人員的詳細(xì)交流獲得非常重要的經(jīng)驗(yàn)，并得出研究的總體框架。本研究圍繞地形圖數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合的建設(shè)需要、多源異構(gòu)地形圖數(shù)據(jù)的融合方法等方面展開研究，主要研究內(nèi)容如下：

1) 根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)生成應(yīng)用的總體需求，參考目前在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合中使用最為廣泛的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)融合技術(shù)方案。

2) 基于上述技術(shù)方案，構(gòu)架了DWG格式數(shù)據(jù)、異構(gòu)GIS格式數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)映射模式，為實(shí)際的異構(gòu)地形圖數(shù)據(jù)融合提供了方法。

本研究構(gòu)建基于可逆映射的數(shù)據(jù)融合機(jī)制，從國土生產(chǎn)部門的主要情況和研究的工作量角度考慮，僅構(gòu)建DWG格式與SHP格式數(shù)據(jù)間的可逆映射關(guān)系；而國土生產(chǎn)部門可能還存在其他類型的數(shù)據(jù)。因此，總結(jié)國內(nèi)外更好的科研成果，考慮更多類型的異構(gòu)數(shù)據(jù)模型將是本文下一步的研究內(nèi)容。

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Heterogeneous Integration Research and Implement for Topographic Map Data Based on Reversible Mapping

ZHANG Xinchang，CHEN Jiahong，GUO Taisheng

收稿日期：2015-06-02

基金項(xiàng)目：村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開發(fā)技術(shù)應(yīng)用集成與示范研究(2013BAJ13B06)；國家自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目基金(41431178)；高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金(20120171110030)。

作者簡介：張新長(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字城市與智慧城市理論方法與技術(shù)應(yīng)用。E-mail：eeszxc@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0026-04

引文格式： 張新長，陳家鴻，郭泰圣. 基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構(gòu)融合研究與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報(bào)，2016(6)：26-29.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0183.