多源空間矢量數(shù)據(jù)一致性處理技術(shù)探討

胡蝶　趙璞　陳明爽　岑欣童　楊曉彤

摘要：地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用積累了大量數(shù)據(jù)資源，空間數(shù)據(jù)質(zhì)量已然成為國際地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點。作為空間數(shù)據(jù)產(chǎn)生和更新中的重要數(shù)據(jù)來源，空間矢量數(shù)據(jù)的一致性處理問題也更加為人們所關(guān)注。本文立足現(xiàn)有的多源空間數(shù)據(jù)，闡述了多源空間數(shù)據(jù)不一致性的產(chǎn)生，并對多源空間矢量數(shù)據(jù)的一致性處理方法進行了探討，介紹多源空間矢量數(shù)據(jù)在幾何位置、屬性特征和要素關(guān)系方面的一致性處理方法，提高空間矢量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和現(xiàn)勢性。

關(guān)鍵詞：多源空間矢量數(shù)據(jù)；不一致性；幾何位置；屬性特征；要素關(guān)系

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.004

0 引言

隨著各種各樣的地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，人們對空間數(shù)據(jù)的需求也越來越大。當(dāng)前在空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新過程中，國家各個部門從行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)生產(chǎn)了大量的空間數(shù)據(jù)（遙感影像、矢量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)等）。然而，對已經(jīng)獲得了的海量空間數(shù)據(jù)中所蘊含著的、豐富的地理信息沒有得到充分地利用和挖掘。為了充分地利用好這些豐富的數(shù)據(jù)資源，就需要有效的技術(shù)和方法來對多源空間數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)在幾何特征、屬性特征和空間關(guān)系等特征上的一致性。

1 多源空間數(shù)據(jù)概述

1.1 空間數(shù)據(jù)的定義及其特征

空間數(shù)據(jù)，也可以稱為地理數(shù)據(jù)，是地理實體的空間特征和屬性特征的數(shù)字描述。地理實體的空間特征表現(xiàn)為地理實體的幾何特征（定位：地理實體的位置、形狀、大小及其分布特征）和實體間的空間關(guān)系；地理實體的屬性特征（定性）表現(xiàn)為實體的數(shù)量特征、質(zhì)量特征和時間特征。定位是指一個已知的坐標系里空間目標都具有唯一的空間位置，定性是指空間目標的自然屬性，時間是指空間目標是隨時間的變化而變化。

空間數(shù)據(jù)具有三個基本特征：

①空間特征描述現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置?？臻g特征又稱為幾何特征或定位特征，一般以坐標數(shù)據(jù)表示。

②屬性特征描述事物或現(xiàn)象的特征，例如變量、分類、數(shù)量特征和名稱等等。

③時間特征指事物或現(xiàn)象隨時間的變化，例如人口數(shù)的逐年變化。

1.2 多源空間數(shù)據(jù)不一致性的成因

造成多源空間數(shù)據(jù)不一致的因素有很多，可以概括為以下幾個方面：

（1）獲取手段多源

數(shù)據(jù)的獲取途徑較多如目測及實地勘察、數(shù)字地圖、遙感影像、地圖表格、前期數(shù)據(jù)檔案等。數(shù)據(jù)的多數(shù)據(jù)來源就造成了多數(shù)據(jù)格式、多語義性、多比例尺、多存儲格式等多個層次。同時，地理信息在分類編碼、圖層分層上沒有的統(tǒng)一標準，造成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享和跨部門協(xié)作的難度。在空間數(shù)據(jù)的使用過程中，不同操作人員的認知理解及其它一些主觀因素也會導(dǎo)致不確定性出現(xiàn)。

（2）多語義性差異

對于同一個地理信息單元，在現(xiàn)實世界中其幾何特征是一致的，但是卻可能對應(yīng)著多種語義，如森林的類型、林木的特征等等，按森林的作用可以將其分為分類：防護林、用材林、經(jīng)濟林、薪炭林、特種用途林。應(yīng)用于不同問題的側(cè)重點也有所不同，因而會存在語義上的分歧。

（3）多時空性和多尺度性

數(shù)據(jù)具有很強的時空特性。同一個數(shù)據(jù)源中既有同一時間不同空間的數(shù)據(jù)，也有同一空間不同時間的數(shù)據(jù)。不僅如此，根據(jù)系統(tǒng)需要而采用不同的尺度對地理空間內(nèi)的信息進行表達，會用到不同的比例尺和不同的精度。

（4）地圖投影差異

地圖投影是通過數(shù)學(xué)方法，建立地球面上點的坐標（B，L）與地圖平面上點的坐標（X，Y）之間一一對應(yīng)的關(guān)系。是實現(xiàn)信息定位和信息可視化的基礎(chǔ)。地圖投影的實質(zhì)是一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，保證了空間信息在區(qū)域上的聯(lián)系與完整性。在投影的過程會產(chǎn)生投影變形，變形的大小及性質(zhì)會因為投影方式的不同而產(chǎn)生一定差異。在調(diào)查過程需要對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，如格式轉(zhuǎn)換、投影變換、誤差校正等也存在不確定性。

（5）坐標系的差異

不同地區(qū)和國家都根據(jù)自身情況，選擇適合本國的坐標系統(tǒng)。不同的國家和地區(qū)，根據(jù)自身情況獲得大地原點的大地起算數(shù)據(jù)和基準面，建立了適合本國的國家坐標系。我國境內(nèi)常用的坐標系有：新1954北京坐標系（新BJ54）和WGS-84坐標系。

另外，空間基準是隨時間變化而變化的。例如WGS-84坐標系，這種坐標系的主要參數(shù)，每隔一定的時間就會重新測定一次，這就意味著采集到的空間數(shù)據(jù)即使使用了同樣的大地坐標系，由于使用了不同的時間參數(shù)，也會造成空間數(shù)據(jù)不一致的問題。

1.3 多源空間數(shù)據(jù)不一致的主要表現(xiàn)形式

根據(jù)以上提到的空間數(shù)據(jù)的三個基本特征：空間特征、屬性特征、時間特征，多源空間矢量數(shù)據(jù)處理中的不一致主要體現(xiàn)在幾何位置、屬性特征和要素關(guān)系三個方面。

（1）幾何位置不一致

遙感技術(shù)是現(xiàn)代高科技之一，借助遙感手段獲取信息具有周期短、信息量豐富等優(yōu)勢。遙感數(shù)據(jù)正以指數(shù)級增長。由于遙感影像因其獲取手段先進、現(xiàn)勢性較好且能提供更為準確的幾何位置信息，一直以來空間數(shù)據(jù)更新中都是基于影像更新矢量數(shù)據(jù)中同名要素的幾何位置，但是在許多方面遙感影像、矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)都存在差異。如表1所示：

在投影方式層次來看，遙感影像多采用中心投影方式，因為遙感技術(shù)采用全景投影和斜距投影會產(chǎn)生較大的變形誤差。數(shù)據(jù)處理后的矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù)采用的是高斯一克呂格投影。在表示方法層面，遙感影像僅是只紀錄各種地物電磁波大小的膠片（或相片），是以影像形式表現(xiàn)出來。而矢量數(shù)據(jù)一般通過地圖符號、坐標、顏色、文字和其它地圖語言等多種形式將實體對象的空間位置表現(xiàn)出來。而柵格數(shù)據(jù)是按網(wǎng)格單元的行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數(shù)據(jù)。在時間層面來看，遙感影像是拍攝的那一固定時間的結(jié)果，矢量數(shù)據(jù)則是一個累計的過程即一段的信息編輯處理后的加工成果，而柵格數(shù)據(jù)是特定時間的結(jié)果。從以上三個層面可以看出，不同格式之間的轉(zhuǎn)換必然會造成同名要素幾何位置的差異。

（2）屬性特征的不一致性

在實際應(yīng)用過程中，通過各種方法采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過相應(yīng)的分析與處理。由于不同部門對空間數(shù)據(jù)的實際需求不同，其分類分級的方式有很大差異，導(dǎo)致屬性特征的表達更是千差萬別。概括起來，多源空間數(shù)據(jù)屬性特征的不一致主要有以下幾方面內(nèi)容。

①要素分類分級的不一致

分類是將共同屬性特征的事物劃分到一起，分級是在一類對象的基礎(chǔ)上，按特定差異標準進行分級。常見的分類分級方法有線分類分級法（國家基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分類方法）、面分類分級法和混合分類分級法（即線面分類結(jié)合）。多源數(shù)據(jù)的分級不一致主要體現(xiàn)在所采用的分級原則及指標上。如森林資源可以按森林的作用的分類（防護林、用材林、經(jīng)濟林、薪炭林、特種用途林）、按人為影響的程度分類（原始林、次生林和人工林）、按林木特征的分類、按森林的自然屬性的分類。

②屬性特征表達的不一致性

屬性字段描述的內(nèi)容主要是由該地理要素在不同數(shù)據(jù)中的用途決定的，因此不同數(shù)據(jù)在描述同名實體上，可能存在：屬性字段的數(shù)量、屬性字段的類型、屬性字段的含義等方面的不一致。

（3）要素關(guān)系不一致

多比例尺地圖中同名對象之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立和動態(tài)維護是多尺度空間數(shù)據(jù)級聯(lián)更新的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，是更新得以傳遞的橋梁和紐帶。在多源空間矢量數(shù)據(jù)的加工處理過程中，同名實體要素關(guān)系之間可能會產(chǎn)生許多沖突。如小比例尺數(shù)據(jù)的更新操作往往以大比例尺的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，在進行縮編過程的中，大比例尺地圖上的各種元素之間的距離會按不斷地相對縮近，達到某種程度時，相離的元素可能變成相接或重疊的，這就造成了不同元素間拓撲關(guān)系的變化。

2 多源空間數(shù)據(jù)的一致性處理方法

2.1 幾何位置的一致性處理方法

幾何特征更新主要有兩個研究方向：一是多尺度矢量數(shù)據(jù)之間通過幾何匹配來實現(xiàn)同名實體的幾何特征更新；二是基于影像實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)中同名實體的幾何特征更新。

（1）幾何位置一致性處理的基本方法

多源空間數(shù)據(jù)的幾何位置一致性處理的基本方法主要有空間基準轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)變換和幾何位置的配準與糾正。國內(nèi)外許多專家對不同空間直角坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換作了大量研究，成熟的轉(zhuǎn)換模型有三參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型、七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型等。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)變換主要是指地圖投影變換，主要解決多源空間數(shù)據(jù)的地圖投影不一致問題，研究并實現(xiàn)多種地圖投影的正反解變換。幾何位置配準與糾正的實質(zhì)是根據(jù)原始數(shù)據(jù)的幾何畸變特點，采用一種幾何變換將原始數(shù)據(jù)歸化到目標數(shù)據(jù)的坐標系中。其中空間基準轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)變換是消除幾何特征差異的前提，主要包括大地坐標系統(tǒng)變換、地圖投影解析變換、地圖投影數(shù)值變換、常用諱度函數(shù)正反解變換、等高線制式轉(zhuǎn)換等方法。

（2）基于影像的矢量數(shù)據(jù)幾何位置一致性處理

矢量數(shù)據(jù)更新中通常是基于影像更新矢量數(shù)據(jù)，這種更新模式在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵，就是基于影像實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)中同名實體的幾何位置一致性處理，消除它們之間的幾何位置不一致。由于對影像和矢量數(shù)據(jù)進行幾何位置一致性處理比較困難，從而提出了一種通過構(gòu)建影像與矢量之間的控制點集，利用三角剖分實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的幾何位置一致性處理的方法。

（3）幾何位置一致性基本流程

對于處理幾何位置一致性基本流程為：先進行空間基準轉(zhuǎn)換與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)變換，然后進行影像與矢量數(shù)據(jù)的控制點識別匹配，最后通過基于同名點三角剖分的幾何位置變換來實現(xiàn)幾何位置一致，并通過實例分析去驗證針對幾何位置一致性處理技術(shù)方法的可行性。

2.2 屬性特征的一致性處理方法

針對導(dǎo)致數(shù)據(jù)屬性特征不一致的兩個方面，提出如下兩類處理方法：

（1）分類分級“化繁為簡”

雖然不同區(qū)域、不同部門的要素分類分級存在多樣性與多變性，但是數(shù)據(jù)的分類分級主要表現(xiàn)為兩種關(guān)系：從屬關(guān)系和并列關(guān)系。通過要素關(guān)系分類分級的映射，將不同來源數(shù)據(jù)的諸多繁雜分類分級，最終簡化抽象為從屬關(guān)系和并列關(guān)系兩種。映射的實現(xiàn)首先要全面細致的分析不同來源數(shù)據(jù)各自的分類分級方法，然后理清要素分類分級之間的聯(lián)系，依據(jù)相應(yīng)的原則實現(xiàn)映射。對于分類分級映射的具體操作要注意：對于分類分級的標準的合理性、在整個映射內(nèi)部的系統(tǒng)性、整個體系的完備性。

（2）屬性特征項抽取與轉(zhuǎn)換

在屬性特征項的抽取和轉(zhuǎn)換的過程中，主要應(yīng)用三大類規(guī)則文件：轉(zhuǎn)換控制文件、對應(yīng)控制文件、結(jié)構(gòu)定義文件。

①轉(zhuǎn)換控制文件：該文件定義源數(shù)據(jù)中每個層級要素是否需要轉(zhuǎn)換，以及轉(zhuǎn)換時所調(diào)用的層要素對應(yīng)控制文件。

②層要素對應(yīng)控制文件：每層要素對應(yīng)一類控制文件，該類文件有著重要的作用，文件中抽取了源數(shù)據(jù)及目標數(shù)據(jù)的相應(yīng)屬性特征項，同時描述了源數(shù)據(jù)的屬性與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)屬性，以及屬性項的概念映射關(guān)系。為了提高準確性應(yīng)采用多對一或多對多的對應(yīng)關(guān)系，最大限度的保留源數(shù)據(jù)的屬性信息，采用多個字段對應(yīng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的一個屬性以及若干屬性項。層要素對應(yīng)控制文件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

③結(jié)構(gòu)定義文件：定義了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中每一類要素的：屬性字段及其長度、類型、默認值等信息，此文件的結(jié)構(gòu)往往是多變的，它會根據(jù)目標數(shù)據(jù)的情況（要素分類、屬性特征）加以組織定義。

多源空間數(shù)據(jù)中屬性信息一致性處理方法的研究屬性特征的一致性處理流程

2.3 要素關(guān)系一致性處理

（1）要素關(guān)系的描述

空間要素主要分為點、線、面三種要素?？臻g關(guān)系信息主要涉及幾何關(guān)系的“相接”、“相鄰”、“包含”等信息，它通常用拓撲關(guān)系或拓撲結(jié)構(gòu)的方法來分析。（拓撲關(guān)系是明確定義空間關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，與圖、要素關(guān)系是相通的。）從拓撲的角度出發(fā)，側(cè)重的是空間的點、線、面之間的位置關(guān)系，而不管實際圖形的幾何形狀。因此，即使圖形的幾何形狀相差很大，它們的拓撲結(jié)構(gòu)卻可能相同。按照拓撲學(xué)的原理，拓撲元素主要有三種基本類型：結(jié)點、弧段和面域。

要素關(guān)系一致性處理算法的復(fù)雜度和拓撲關(guān)系劃分的詳細程度成正比。所以需要對拓撲關(guān)系進行了適當(dāng)合理的簡化，主要處理要素關(guān)系處理中常用到的點一線、線一線和線一面拓撲關(guān)系。

（2）要素關(guān)系處理的基本方法

根據(jù)實際情況對于不同類型的要素關(guān)系，其一系列處理方法也各不相同，對于要素關(guān)系的基本處理方法有位移、合并與分割、刪除、化簡等。

①位移 涉及到地圖比例尺的縮小時，用符號表示的各個物體之間位置關(guān)系變得模糊甚至覆蓋到一起。通過圖解位移來保證各要素總體結(jié)構(gòu)的完整性、適應(yīng)性，相似性，此操作應(yīng)用最為廣泛。

②合并與分割 涉及到比例尺縮小時，為了反映其主要特征，當(dāng)某些物體的圖形面積或間隔小于分界尺度時，可采用合并同類物體的碎部。分割與合并恰恰相反，它是分割次要實體來達到消除沖突的目的。

③刪除 刪除的目的是減少要素種類；同類要素中刪除對是減少同類要素的數(shù)量。對整體空間的分布不會產(chǎn)生影響的無關(guān)實體常常作為刪除的對象。

④化簡 為了減少彎曲，主要應(yīng)用于線狀地物，如單線河、等高線等，對于面狀地物主要是化簡其邊緣輪廓。通過化簡一些次要的實體特征，避免與重要實體之間的沖突。

3 結(jié)束語

多源空間數(shù)據(jù)一致性處理技術(shù)是提高生產(chǎn)與更新數(shù)據(jù)質(zhì)量和效率的重要途徑，可以促進空間數(shù)據(jù)的共享和集成，快速持續(xù)的更新地理空間數(shù)據(jù)庫，提高地理空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，充分挖掘并利用海量空間數(shù)據(jù)中所蘊含著的、豐富的地理信息。鑒于多源空間數(shù)據(jù)一致性處理的復(fù)雜性，多源空間數(shù)據(jù)間不一致性智能化檢測和處理方法是今后研究發(fā)展的趨勢。