基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

袁勝古，陽(yáng)柯，熊?chē)?guó)清，盛光曉，鄧曾，米素娟，3，徐昊

(1.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011； 2.國(guó)交空間信息技術(shù)(北京)有限公司，北京 100011；3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

農(nóng)村公路是黨中央、國(guó)務(wù)院實(shí)施社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重要基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人民群眾安全便捷出行有重要影響，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局中具有至關(guān)重要的作用。為準(zhǔn)確掌握農(nóng)村公路的發(fā)展情況、建設(shè)需求和建設(shè)進(jìn)程，交通運(yùn)輸部于2005年組織開(kāi)展了全國(guó)農(nóng)村公路通達(dá)情況專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查工作，統(tǒng)一采用GPS技術(shù)手段分別獲取了全國(guó)范圍內(nèi)所有鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、建制村的公路通達(dá)情況和所有農(nóng)村公路的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。2007年交通運(yùn)輸部建立了農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和電子地圖的更新制度。農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用，為農(nóng)村公路的規(guī)劃、建設(shè)、管理和養(yǎng)護(hù)提供了強(qiáng)有力的信息支撐[1，2]。

農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)是農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要內(nèi)容之一，農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量是農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要保障[3]。傳統(tǒng)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢采取單機(jī)版方式，導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)煩瑣，其質(zhì)檢方法效率不高，且缺乏自動(dòng)修復(fù)的功能。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，分布式處理越來(lái)越普及[4～8]。本文采取BS架構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用于省級(jí)農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的質(zhì)檢，顯著提高了數(shù)據(jù)質(zhì)檢的效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)以提高農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，按交通運(yùn)輸部下發(fā)的《全國(guó)農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和電子地圖更新方案》[1]中規(guī)定的報(bào)部農(nóng)村公路電子地圖審核要求的具體規(guī)定，設(shè)計(jì)相關(guān)審核規(guī)則，形成集快速審核、審核問(wèn)題快速一鍵修復(fù)于一體的空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)流程

基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)流程如圖1所示，首先基于規(guī)則庫(kù)選擇需要質(zhì)檢的具體規(guī)則，然后設(shè)置質(zhì)檢規(guī)則相應(yīng)閾值參數(shù)，接著提交質(zhì)檢任務(wù)，最后根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果對(duì)公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改，最終形成高質(zhì)量的公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

圖1 基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)流程圖

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要分為規(guī)則配置子系統(tǒng)、審核調(diào)度子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)修改子系統(tǒng)。規(guī)則配置子系統(tǒng)包括規(guī)則顯示配置模塊和規(guī)則閾值配置模塊；審核調(diào)度子系統(tǒng)包括審核任務(wù)排序模塊和審核任務(wù)監(jiān)視模塊；數(shù)據(jù)修改子系統(tǒng)包括審核問(wèn)題定位模塊和審核問(wèn)題一鍵修復(fù)模塊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)規(guī)則顯示配置模塊

對(duì)規(guī)則庫(kù)進(jìn)行配置，即調(diào)整具體規(guī)則是否顯示(即此條規(guī)則是否起作用)，調(diào)整配置規(guī)則的顯示順序，修改規(guī)則的基本說(shuō)明等信息。

(2)規(guī)則閾值配置模塊

對(duì)規(guī)則庫(kù)中每條規(guī)則需要使用到的閾值進(jìn)行靈活配置，方便不同用戶的特定需求。

(3)審核任務(wù)排序模塊

由于審核任務(wù)的提交一般比較集中，特別是當(dāng)系統(tǒng)處于區(qū)縣一級(jí)編輯階段，對(duì)于中等大小的省份，區(qū)縣一級(jí)用戶一般有300多，高峰時(shí)一天的審核任務(wù)可能達(dá)上千次，鑒于審核比較耗時(shí)且需頻繁的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)，需要對(duì)審核任務(wù)做一個(gè)排序。限制同時(shí)運(yùn)行的審核任務(wù)數(shù)量，按照審核任務(wù)的提交時(shí)間和重要優(yōu)先級(jí)對(duì)審核任務(wù)進(jìn)行排序，且支持管理員臨時(shí)按需調(diào)整具體審核任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，滿足特殊需求。

(4)審核任務(wù)監(jiān)視模塊

對(duì)審核任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，方便管理員隨時(shí)掌握審核的全部情況，對(duì)于失敗的任務(wù)，自動(dòng)啟動(dòng)審核任務(wù)提交程序，給予一次重試機(jī)會(huì)。

(5)審核問(wèn)題定位模塊

根據(jù)審核結(jié)果，結(jié)合不同的審核規(guī)則審核出的問(wèn)題，提供方便的問(wèn)題定位接口，方便快速定位問(wèn)題，便于數(shù)據(jù)的高效修改。

(6)審核問(wèn)題一鍵修復(fù)模塊

對(duì)具備一鍵修復(fù)的審核問(wèn)題，使用人機(jī)交互的方式，用戶只需要確認(rèn)此問(wèn)題是否需要修改，若是需要修改，直接點(diǎn)擊一鍵修復(fù)按鈕完成數(shù)據(jù)的修改，提高用戶修改數(shù)據(jù)的效率。

2.4 規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)

規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)按交通運(yùn)輸部下發(fā)的《全國(guó)農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和電子地圖更新方案》[1]中規(guī)定的報(bào)部農(nóng)村公路電子地圖審核要求的具體規(guī)定。一共設(shè)計(jì)4大類(lèi)共13條規(guī)則，具體規(guī)則及基本解釋如表1所示：

空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢規(guī)則分類(lèi)及基本解釋 表1

(1)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一致性檢查

由于農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存放于不同的字段，需要保證兩者信息的一致性，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一致性檢查主要檢查空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一致性，包括空?qǐng)D形檢查、地圖與屬性一致性檢查、地圖實(shí)際位置與填報(bào)位置一致性檢查和路段填報(bào)長(zhǎng)度與地圖長(zhǎng)度一致性檢查。

空?qǐng)D形檢查主要檢查數(shù)據(jù)中空間字段(如：SQL Server中的SHAPE)是否為空；地圖與屬性一致性檢查主要檢查所有圖層中空間對(duì)象的實(shí)際位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中屬性字段記錄的點(diǎn)或者起止點(diǎn)位置是否一致，距離大于閾值的標(biāo)記為錯(cuò)誤；地圖實(shí)際位置與填報(bào)位置一致性檢查檢查所有圖層中點(diǎn)狀圖層的實(shí)際位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中屬性字段記錄的點(diǎn)的位置，差值大于閾值為錯(cuò)誤；路段填報(bào)長(zhǎng)度與地圖長(zhǎng)度一致性檢查由路段圖層直接基于路段實(shí)際軌跡計(jì)算路段的實(shí)際長(zhǎng)度并與數(shù)據(jù)庫(kù)中屬性值(LDLC)記錄的路段里程進(jìn)行比較，大于一定閾值的標(biāo)記為錯(cuò)誤。

(2)點(diǎn)狀地物與線狀地物關(guān)系檢查

農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，點(diǎn)狀地物(公路附屬設(shè)施數(shù)據(jù)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)以及建制村數(shù)據(jù))與線狀地物(主要是公路矢量數(shù)據(jù))必須滿足一定的關(guān)系。點(diǎn)狀地物與線狀地物關(guān)系檢查主要是檢查這些關(guān)系是否滿足相應(yīng)條件，包括附屬設(shè)施與路段關(guān)系檢查、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村通達(dá)路線合理性檢查、附屬設(shè)施樁號(hào)合理性檢查和附屬設(shè)施順序?qū)徍恕?/p>

附屬設(shè)施與路段關(guān)系檢查根據(jù)附屬設(shè)施所對(duì)應(yīng)路段，找不到對(duì)應(yīng)路段的標(biāo)記為未找到相應(yīng)路段；對(duì)于相應(yīng)路段存在，但是附屬設(shè)施距離此路段距離大于閾值的標(biāo)記為附屬設(shè)施不在所屬路段上；鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村通達(dá)路線合理性檢查通過(guò)檢查鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村的優(yōu)選通達(dá)路線與鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村實(shí)際位置的距離進(jìn)行判斷是否合理，分為優(yōu)選通達(dá)路線不存在和與優(yōu)選通達(dá)路線距離過(guò)遠(yuǎn)兩種錯(cuò)誤；附屬設(shè)施樁號(hào)合理性檢查計(jì)算路段上實(shí)際附屬設(shè)施的樁號(hào)，并與附屬設(shè)施所填報(bào)樁號(hào)進(jìn)行比較，大于一定閾值標(biāo)記為不合理；附屬設(shè)施順序?qū)徍藢⑾嗤肪€編碼下的附屬設(shè)施按照路線編碼、路段序列號(hào)以及附屬設(shè)施編碼進(jìn)行聯(lián)合排序，然后檢查同一路線中附屬設(shè)施的樁號(hào)是否是從小到大排列的，將不是從小到大排列的附屬設(shè)施標(biāo)記為附屬設(shè)施順序錯(cuò)誤。

(3)線狀地物自身質(zhì)量檢查

線狀地物自身質(zhì)量檢查主要是檢查公路矢量數(shù)據(jù)自身線形數(shù)據(jù)是否滿足相應(yīng)要求，包括路線線形檢查和路線連續(xù)性檢查。

路線線形檢查包括飛點(diǎn)檢查和長(zhǎng)直線檢查，飛點(diǎn)檢測(cè)即依次處理每個(gè)路段連續(xù)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)角度，若是此角度小于一個(gè)固定的值，即為飛點(diǎn)，如圖3所示，點(diǎn)D即為飛點(diǎn)。公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是使用全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)采集，由于實(shí)際地形及導(dǎo)航衛(wèi)星分布情況，不可避免地存在一些點(diǎn)誤差比較大，會(huì)偏離出實(shí)際軌跡的情況，飛點(diǎn)檢查就是將這些誤差比較大的點(diǎn)檢查出。

圖3 公路路線軌跡中飛點(diǎn)示意圖

長(zhǎng)直線檢測(cè)即依次處理每個(gè)路段連續(xù)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，若是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度超過(guò)一定的閾值，即為長(zhǎng)直線，長(zhǎng)直線檢查主要是檢測(cè)出路線采集中采集過(guò)稀的點(diǎn)，保證采集路線實(shí)際軌跡與真實(shí)的路線一致。

路線連續(xù)性檢查對(duì)于同一條路線，兩個(gè)相鄰路段，前一段路段的止點(diǎn)與后一路段的起點(diǎn)在一定范圍又沒(méi)有接上的都為未銜接；后一段止點(diǎn)與上一段止點(diǎn)銜接的為上一段路反向；后一段止點(diǎn)與上一段起點(diǎn)銜接上的為兩者都反向。路線連續(xù)性檢查主要是找出路線中路段之間拓?fù)潢P(guān)系及方向的問(wèn)題，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。

(4)線狀地物之間關(guān)系檢查

線狀地物之間也需要滿足特定關(guān)系，線狀地物之間關(guān)系檢查主要是檢查線狀地物之間是否滿足特定的關(guān)系，包括重復(fù)路段檢查、路線銜接檢查和非重復(fù)路段疑似重復(fù)檢查。

重復(fù)路段檢查根據(jù)路段圖層中標(biāo)記為重復(fù)路段的所有路段，求其路段與所對(duì)應(yīng)重復(fù)路段的長(zhǎng)度差值絕對(duì)值，大于閾值即標(biāo)記為“重復(fù)路段長(zhǎng)度不相同”。當(dāng)長(zhǎng)度差值絕對(duì)值小于此閾值時(shí)，再比較重復(fù)路段和被重復(fù)路段起止點(diǎn)的距離差，小于一定閾值標(biāo)記為“重復(fù)路段起訖點(diǎn)位置不同”。

路線銜接檢查主要檢查路線的起點(diǎn)或者止點(diǎn)與其他路線的最短距離在一定范圍之間的判斷為兩個(gè)路線未銜接。公路路網(wǎng)的一個(gè)重要屬性就是公路網(wǎng)絡(luò)的連通性，路線銜接就是檢查公路路網(wǎng)的連通性。

非重復(fù)路段疑似重復(fù)檢查對(duì)于屬性信息中標(biāo)記為非重復(fù)路段的路線，使用空間重疊分析和相交分析，空間上重疊距離大于閾值的標(biāo)記為非重復(fù)路段疑似重復(fù)。實(shí)際工作中，對(duì)于非重復(fù)路段疑似重復(fù)，一般存在如下幾種情況：①實(shí)際為重復(fù)路段，但是未標(biāo)記為重復(fù)路段；②實(shí)際為兩條路，這種情況在湖區(qū)比較多，一般是兩條平行的公路位于溝渠兩邊。第一種情況為數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，需要修改；第二種情況為正常情況，不需要處理。非重復(fù)路段疑似重復(fù)檢查原理示意圖如圖4所示，其中黑線為被重復(fù)路段，紅色矩形為被重復(fù)路段左右一定距離的緩沖區(qū)，黃線為重復(fù)線，設(shè)黃線部分進(jìn)入緩沖區(qū)的路段長(zhǎng)度記為L(zhǎng)1，若L1大于一定閾值，即認(rèn)為黑線和黃線為疑似重復(fù)路線。

圖4 非重復(fù)路段疑似重復(fù)檢查原理示意圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)使用BS架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server 2014，農(nóng)村基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)通過(guò)ArcSDE以Geometry格式存儲(chǔ)在SHAPE字段中，其他的屬性信息存儲(chǔ)在相應(yīng)的屬性字段中；ArcGIS服務(wù)器使用ArcGIS Server 2015；數(shù)據(jù)質(zhì)檢算法采取Python語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最終以ArcGIS Geoprocessing服務(wù)的形式部署于ArcGIS服務(wù)器。

審核規(guī)則中涉及很多相關(guān)閾值設(shè)置，為了便于參數(shù)調(diào)整，建立相應(yīng)的參數(shù)表，存儲(chǔ)各個(gè)規(guī)則中需要使用的閾值參數(shù)，并提供相應(yīng)的界面接口對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，如圖5所示。提交審核任務(wù)時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)需要提交的審核進(jìn)行選擇，默認(rèn)情況是勾選全部審核規(guī)則，如圖6所示。審核以任務(wù)的形式在后臺(tái)執(zhí)行，審核算法根據(jù)任務(wù)進(jìn)度及時(shí)將審核進(jìn)度寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控程序每隔5秒會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)審核任務(wù)進(jìn)度，并將審核進(jìn)度顯示在任務(wù)界面，如圖7所示。審核任務(wù)結(jié)束后，可以點(diǎn)擊“審核結(jié)果”進(jìn)入審核結(jié)果界面，查看具體審核結(jié)果并提供屬性查看和地圖定位的接口，方便用戶對(duì)審核問(wèn)題進(jìn)行定位和修改，如圖8所示。對(duì)于部分規(guī)則，提供一鍵修復(fù)的接口，提高數(shù)據(jù)修改的效率。

圖5質(zhì)檢系統(tǒng)閾值參數(shù)設(shè)置界面示意圖

圖6 質(zhì)檢系統(tǒng)質(zhì)檢規(guī)則選擇界面

圖7 質(zhì)檢系統(tǒng)審核任務(wù)界面

圖8 質(zhì)檢系統(tǒng)審核結(jié)果界面

由于農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的量非常巨大，質(zhì)檢過(guò)程非常耗時(shí)，質(zhì)檢時(shí)間是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，質(zhì)檢時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2所示，對(duì)于省一級(jí)應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)只需要不到5個(gè)小時(shí)，極大地提高了審核效率。

本文設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)的質(zhì)檢系統(tǒng)各規(guī)則審核時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 表2

4 結(jié)論與展望

綜上所述，基于規(guī)則庫(kù)的農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，首先選擇需要質(zhì)檢的具體規(guī)則，然后設(shè)置質(zhì)檢規(guī)則相應(yīng)閾值參數(shù)，并提交質(zhì)檢任務(wù)，最后根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果對(duì)公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改，最終形成高質(zhì)量的公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)應(yīng)用于省級(jí)農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用證明其能有效提高質(zhì)檢工作效率。本文系統(tǒng)只是將檢查結(jié)果查出并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并只是對(duì)部分審核規(guī)則提供接口進(jìn)行一鍵批量修復(fù)處理，下一步需要研究如何針對(duì)所有規(guī)則提供一鍵修復(fù)接口，更進(jìn)一步提高農(nóng)村公路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查與修復(fù)的效率。