地理國(guó)情監(jiān)測(cè)增量式更新技術(shù)方案研究

連 恒，楊曉鋒，韓叢波，譚 龍，仲 星

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054；2.陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054）

1 研究背景

開(kāi)展地理國(guó)情普查工作，是正確反映我國(guó)各類地理環(huán)境要素分布與關(guān)系以及適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)管理需要的現(xiàn)實(shí)途徑；是進(jìn)一步保障地理國(guó)情數(shù)據(jù)有效參與國(guó)家宏觀調(diào)控、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的必要手段[1]。

目前，我國(guó)正處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，地表自然和人文地理信息變化迅速，第一次地理國(guó)情普查完成后，為確保普查成果的現(xiàn)勢(shì)性，必須及時(shí)開(kāi)展地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的年度（階段性）變化監(jiān)測(cè)工作，對(duì)普查成果進(jìn)行更新[2-3]。

2 更新技術(shù)流程

利用國(guó)家下發(fā)的本年度高分辨率影像數(shù)據(jù)和上年度地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)等監(jiān)測(cè)成果，結(jié)合各縣基礎(chǔ)地理信息以及其他重大工程獲取的測(cè)繪成果，整合利用與地理國(guó)情相關(guān)的專題信息，以當(dāng)年統(tǒng)一時(shí)點(diǎn)為時(shí)間截點(diǎn)，按照地理國(guó)情普查的有關(guān)要求進(jìn)行地理國(guó)情監(jiān)測(cè)更新。

根據(jù)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)更新的工作內(nèi)容和技術(shù)方法，可將監(jiān)測(cè)更新劃分為監(jiān)測(cè)變化信息提取、外業(yè)核查、數(shù)據(jù)庫(kù)更新和更新數(shù)據(jù)包生成4個(gè)階段，如圖1所示。

1）本年度高分辨率航空航天遙感影像數(shù)據(jù)與上年度監(jiān)測(cè)成果套合，通過(guò)人機(jī)交互和自動(dòng)解譯標(biāo)注地理國(guó)情變化信息，制作外業(yè)變更調(diào)查底圖。

2）實(shí)地對(duì)提取的變化信息進(jìn)行全面核實(shí)、調(diào)整和補(bǔ)測(cè)，將確認(rèn)變化的要素界線位置、代碼和其他屬性調(diào)繪到外業(yè)變更調(diào)查底圖上，作為更新地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)的依據(jù)。

3）根據(jù)外業(yè)調(diào)查成果以及其他相關(guān)資料進(jìn)行地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)更新，生成增量數(shù)據(jù)庫(kù)和各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

4）利用更新數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行增量數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，生成更新數(shù)據(jù)包。

圖1 縣級(jí)數(shù)據(jù)更新流程圖

3 研究重點(diǎn)

地理國(guó)情更新調(diào)查任務(wù)重、技術(shù)要求高，而實(shí)施過(guò)程中對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)變化信息的識(shí)別和數(shù)據(jù)庫(kù)更新是該工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

3.1 變更信息的提取

利用國(guó)家下發(fā)的監(jiān)測(cè)成果套合上年度地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合相關(guān)部門提供的資料，利用第三方數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)和目視解譯的方法提取全要素變化信息，生成疑似變更要素矢量文件，再進(jìn)行外業(yè)實(shí)地重點(diǎn)核實(shí)，確定其變更性質(zhì)[3]。變更要素信息提取流程如圖2所示。

圖2 更新要素信息提取流程圖

3.2 變更信息的采集

變更信息的采集是將本年度高分辨率航空航天遙感影像與上年度地理國(guó)情普查成果進(jìn)行疊加，根據(jù)變化要素的邊界信息采集年度變更要素邊界信息。將地表覆蓋數(shù)據(jù)編輯整理為地表覆蓋的變化數(shù)據(jù)層UV_LCRA，地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)只保留有要素變化的UV_NAME[4]。信息采集一般采用兩種方法：①人機(jī)交互，使用數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)作業(yè)人員目視解譯，辨別影像特征，采集變更圖斑邊界；②軟件自動(dòng)生成，利用軟件的數(shù)據(jù)處理功能，自動(dòng)轉(zhuǎn)換重大工程坐標(biāo)文件，并連接生成面狀區(qū)域。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)更新

3.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的變更類型

通過(guò)對(duì)國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)變更類型的分析來(lái)研究數(shù)據(jù)庫(kù)的變更模式。地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)變更涉及多個(gè)要素和圖層，就會(huì)產(chǎn)生多種更新類型。

1）標(biāo)識(shí)圖斑變化的類型。標(biāo)識(shí)圖斑變化的類型主要有3種情況，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)識(shí)圖斑變化的類型

2）要素編碼（FEATID）。各類編輯修改時(shí)，不對(duì)原數(shù)據(jù)中已有的FEATID屬性值進(jìn)行修改；不對(duì)新增要素的FEATID賦值；對(duì)于伸縮型，繼承原圖斑的FEATID值。

3）生產(chǎn)標(biāo)記信息。用多位數(shù)字碼表示，前兩位表示監(jiān)測(cè)年份，取年份的十位和個(gè)位，如監(jiān)測(cè)年份為2016 年，則取16；最右一位表示生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)狀態(tài)，取值范圍為1～4，含義如表2所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)更新方法

數(shù)據(jù)庫(kù)更新是變更調(diào)查更新數(shù)據(jù)包提取的重要環(huán)節(jié)，而該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)則是更新方法研究。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、快速更新的方式也越來(lái)越多，本文重點(diǎn)分析增量包與基礎(chǔ)庫(kù)相結(jié)合的模式。該模式具有更新快、質(zhì)量好、精度高、數(shù)據(jù)量小、易于進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)追溯等特點(diǎn)，如圖3所示。

表2 生產(chǎn)標(biāo)記取值含義

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)更新模式

運(yùn)用地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件的變更功能，以歷史地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)地已發(fā)生變化的代碼、范圍、屬性等進(jìn)行逐要素變更，生成現(xiàn)狀地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)；再將歷史地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)與現(xiàn)狀地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行空間分析，自動(dòng)提取發(fā)生變化的增量數(shù)據(jù)和變更調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)更新維護(hù)

數(shù)據(jù)庫(kù)變更完成后，再對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)維護(hù)，利用軟件自動(dòng)計(jì)算、維護(hù)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中圖形的各種屬性，使其符合相關(guān)規(guī)范質(zhì)量要求，保證更新數(shù)據(jù)包的順利生成。

3.5 增量數(shù)據(jù)庫(kù)的生成

現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)完成后，再進(jìn)行現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的空間比對(duì)，生成增量數(shù)據(jù)庫(kù)，形成統(tǒng)計(jì)成果[5-6]，如圖4所示。

圖4 增量數(shù)據(jù)庫(kù)生成流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 帶有時(shí)間維的地理國(guó)情追溯變更歷史算法

構(gòu)建以GIS為軟件平臺(tái)的帶有時(shí)間維的數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵在于處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)中存在拓?fù)潢P(guān)聯(lián)與屬性關(guān)聯(lián)兩種復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，進(jìn)行一個(gè)要素的變更時(shí)，可能聯(lián)動(dòng)兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的要素，并引起屬性變更[7]。

更新時(shí)，建立現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩套數(shù)據(jù)文件，每發(fā)生一起變更，先將原始數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、刪除，使之成為反映現(xiàn)勢(shì)狀態(tài)的國(guó)情數(shù)據(jù)，再通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)同種要素的空間疊置分析，構(gòu)建帶有時(shí)間維的更新數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)歷史追溯。

4.2 地理國(guó)情變更的拓?fù)浼夹g(shù)

地理國(guó)情數(shù)據(jù)的變更輸入與初始輸入是兩種截然不同的狀態(tài)。初始輸入是在新建數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，將一個(gè)縣或一個(gè)區(qū)域的多幅圖件輸入完畢后，自動(dòng)生成拓?fù)潢P(guān)系；變更輸入則是在現(xiàn)有拓?fù)潢P(guān)系的基礎(chǔ)上，做若干編輯修改處理，而這種刪改原有拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)文件是比較復(fù)雜的，不僅是刪改一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，而是多個(gè)數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量變更時(shí)，涉及圖形較多，大量原有弧段發(fā)生變化，有些刪除，有些一分為二，還有部分新增弧段，通過(guò)引入變更行為的概念將所有弧段賦予變更行為，遍歷所有數(shù)據(jù)重新組織弧段，廢止原有拓?fù)潢P(guān)系，生成新的拓?fù)潢P(guān)系。通過(guò)該方式可大量減少在原有拓?fù)潢P(guān)系上“修修補(bǔ)補(bǔ)”的工作量。

5 結(jié) 語(yǔ)

地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的增量式更新是提高地理國(guó)情變更調(diào)查工作效率和變更數(shù)據(jù)成果質(zhì)量的重要技術(shù)方法。對(duì)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)增量式更新技術(shù)的分析和研究，為綜合利用3S技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情信息對(duì)政府、企業(yè)和公眾的服務(wù)，為國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃制定、空間規(guī)劃管理、區(qū)域政策制定、災(zāi)害預(yù)警、科學(xué)研究和社會(huì)公眾服務(wù)等提供了必要的技術(shù)支撐。

[1] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.地理國(guó)情普查內(nèi)容與指標(biāo):GQJC 001-2013[S].北京:測(cè)繪出版社,2013:1-3

[2] 陳俊勇.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)[R].武漢:武漢大學(xué),2012:1

[3] 李德仁,眭海剛,單杰.論地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的技術(shù)支撐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,37(5):505-512

[4] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)規(guī)定與采集要求:GDPJ 03-2013[S].北京:測(cè)繪出版社,2013:5-13

[5] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.地理國(guó)情普查基本統(tǒng)計(jì)技術(shù)規(guī)定:GDPJ 02-2013[S].北京:測(cè)繪出版社,2013:29-31

[6] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.成果資料匯交與歸檔基本要求:GDPJ 07-2013[S].北京:測(cè)繪出版社,2013:3-5

[7] 史文中,秦昆,陳江平,等.可靠性地理國(guó)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的理論與關(guān)鍵技術(shù)探討[J].科學(xué)通報(bào),2012,57(24):2 239-2 248