多級時空數(shù)據(jù)庫聯(lián)動增量更新方法

魏雪梅

(1. 安徽省基礎(chǔ)測繪信息中心, 安徽 合肥 230031； 2. 安徽省智慧城市與地理國情監(jiān)測重點實驗室, 安徽 合肥 230031)

隨著地理信息數(shù)據(jù)資源的不斷發(fā)展，面向公眾、政務(wù)、企業(yè)等應(yīng)用場景的地理信息公共平臺建設(shè)日漸完善。面對涉密網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及日益豐富的數(shù)據(jù)內(nèi)容，單一時點單一尺度的空間數(shù)據(jù)庫已經(jīng)難以滿足需要，由多個層次、多個庫體組成的時空數(shù)據(jù)體系開始成為GIS數(shù)據(jù)管理發(fā)展方向[1-6]。

安徽省地理信息公共服務(wù)平臺是安徽省統(tǒng)一的、權(quán)威的省級地理信息公共服務(wù)平臺，也是國家地理信息公共服務(wù)平臺的安徽省節(jié)點[7-8]。為整合利用全省地理信息資源，提高開發(fā)利用水平，提升公共服務(wù)能力，安徽省地理信息公共服務(wù)平臺建立了以母庫為核心的公共地理信息數(shù)據(jù)資源體系，采用多級結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)庫組織形式，支撐不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和不同部門的應(yīng)用需求。由于體系內(nèi)數(shù)據(jù)來源眾多，需要對各個層次的數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)動更新機制，以保證數(shù)據(jù)一致性和現(xiàn)勢性。本文面向該問題展開分析研究，建立通用性多級時空數(shù)據(jù)庫聯(lián)動增量更新模型，并在數(shù)據(jù)資源體系的更新中予以應(yīng)用和驗證。

1 時空數(shù)據(jù)庫聯(lián)動增量更新模型

時空數(shù)據(jù)庫增量更新過程可以采用數(shù)據(jù)庫語義進行定義和描述，以數(shù)學(xué)模型的形式建立時空數(shù)據(jù)庫在不同節(jié)點和時點上的映射關(guān)系[9-11]。本文研究的聯(lián)動增量模型面向由多個存在主從關(guān)系的時空數(shù)據(jù)庫組成的數(shù)據(jù)管理體系，旨在通過對數(shù)據(jù)庫建立語義分類，對增量更新中的各種行為建立模型，實現(xiàn)體系內(nèi)任意節(jié)點增量變化驅(qū)動各數(shù)據(jù)庫聯(lián)動更新的技術(shù)流程。

1.1 空間對象增量提取

任一空間對象在t時點的空間信息可以描述為

對于t0→t1的變化增量ΔO

1.2 數(shù)據(jù)集增量提取

由n個空間對象構(gòu)成的數(shù)據(jù)集在t時點可以描述為

對于t0→t1的變化增量ΔS

式中，ΔSn為原有n個對象變化增量；δSm為新增m個對象集合。進行增量更新后，在t1時點數(shù)據(jù)集可以表示為

1.3 聯(lián)動增量更新

假設(shè)數(shù)據(jù)集T為數(shù)據(jù)集S的子集，T∈S。當更新由T中空間對象變化驅(qū)動，更新方向為T→S，此時S的變化量為

ΔS=ΔT

當更新由其他子集中空間對象變化驅(qū)動，并已聯(lián)動完成父集S更新，此時子集T的變化量為

ΔT=ΔS-δ

式中，δ∈ΔS,δ∩ΔT=?。

2 數(shù)據(jù)資源體系更新機制

2.1 數(shù)據(jù)資源體系結(jié)構(gòu)

由于在涉密網(wǎng)和非涉密網(wǎng)環(huán)境中都需要部署應(yīng)用平臺，省級地理信息公共服務(wù)數(shù)據(jù)資源體系應(yīng)由多個具有主從關(guān)系的數(shù)據(jù)庫組成，便于在不同的應(yīng)用環(huán)境建立數(shù)據(jù)映射[12-13]。安徽省地理信息公共服務(wù)數(shù)據(jù)資源體系是新型公共服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)支撐，重點在于改變現(xiàn)有涉密版平臺和非涉密平臺相互孤立的現(xiàn)狀，在統(tǒng)一的體系內(nèi)支持涉密版、政務(wù)版、公眾版的多樣化數(shù)據(jù)需求。母庫是由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、國情普查數(shù)據(jù)庫、遙感影像及各類專題數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)綜合而成，是支撐測繪地理信息公共服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。各個版本的產(chǎn)品庫數(shù)據(jù)均從母庫根據(jù)需求提取而來，但依據(jù)涉密環(huán)境的不同作了不同程度的保密處理。

從數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)(如圖1所示)來看，母庫S是整個數(shù)據(jù)資源體系的父層，涉密版產(chǎn)品庫T1、政務(wù)版T2和公眾版產(chǎn)品庫T3為母庫的3個不同子集。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，將母庫S作為時空數(shù)據(jù)庫進行管理，管理覆蓋全部時相與全部類別的最大數(shù)據(jù)集合；T1、T2、T3均為S在某一時點的子集，所管理的空間對象只有單一的時間狀態(tài)，對象總數(shù)及對象的屬性字段數(shù)量均小于S，空間位置按照保密相對于S進行了空間變換。

2.2 需求驅(qū)動的聯(lián)動更新機制

在數(shù)據(jù)資源體系建立之前，地理信息公共平臺更新多采用“底層驅(qū)動，定期更新”的數(shù)據(jù)維護模式[14-15]，即按照更新計劃每年開展1～2次更新，需要更新的要素和服務(wù)由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新情況和遙感影像獲取情況決定。這種更新模式全部在涉密環(huán)境中進行，存在周期長、覆蓋率低、不同版本更新需要重復(fù)進行等特點，導(dǎo)致各版本各地區(qū)間存在現(xiàn)勢性不一致的現(xiàn)象。

本文在時空數(shù)據(jù)庫聯(lián)動增量更新模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了“需求驅(qū)動，動態(tài)同步”的更新機制，即不僅可以通過底層驅(qū)動自母庫發(fā)起更新，而且可以自產(chǎn)品庫在應(yīng)用端根據(jù)數(shù)據(jù)需求發(fā)起更新，反向推動全體系聯(lián)動更新，如圖2所示。這一機制的核心在于對數(shù)據(jù)資源體系內(nèi)的每一個數(shù)據(jù)庫節(jié)點都設(shè)置一個更新觸發(fā)引擎，產(chǎn)品庫采用需求報送進行觸發(fā)，母庫采用底層更新進行觸發(fā)，單一節(jié)點的更新可以快速反饋至母庫集中處理，進而觸發(fā)對體系內(nèi)各個數(shù)據(jù)庫節(jié)點的同步聯(lián)動更新。在更新過程中，引入全生命周期管理、屬性提取與融合、空間變換等技術(shù)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對地理信息公共服務(wù)的數(shù)據(jù)需求全覆蓋。這一模式把更新操作從涉密環(huán)境擴展至任一應(yīng)用環(huán)境，可以大大縮短更新周期和需求響應(yīng)時間，并可與傳統(tǒng)的定期更新計劃兼容，形成更加完善的數(shù)據(jù)更新維護機制。

2.3 聯(lián)動更新技術(shù)流程

在需求驅(qū)動的聯(lián)動更新機制下，聯(lián)動更新技術(shù)流程從傳統(tǒng)的底層順序更新轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)增量同步，更新發(fā)起從傳統(tǒng)的單一底層驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾枨篁?qū)動，更新環(huán)境從單一的涉密內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪W(wǎng)觸發(fā)多網(wǎng)聯(lián)動，更新目的從維護公共服務(wù)平臺轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄮炻?lián)動，如圖3所示。整個流程的研究重點有變化發(fā)現(xiàn)、逆向更新、順向提取3個環(huán)節(jié)。

2.3.1 變化發(fā)現(xiàn)

變化發(fā)現(xiàn)是更新的發(fā)起點，在傳統(tǒng)模式下，公共服務(wù)平臺無需提供變化發(fā)現(xiàn)功能，更新是由測繪地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫發(fā)起，以定期更新的方式按一定周期進行的。在新模式下，變化發(fā)現(xiàn)概念得到了新的發(fā)展，可以分為需求驅(qū)動和底層驅(qū)動兩個部分。需求驅(qū)動作用于公共服務(wù)平臺，采用眾包制圖的思想，在各個應(yīng)用終端都建立了在線繪圖和申報模塊，用戶和更新人員可以實時將要素變化通過平臺在線繪制，經(jīng)過平臺維護人員審核后即可實現(xiàn)對任一網(wǎng)段的產(chǎn)品庫實時更新，并自動完成該網(wǎng)段各類平臺服務(wù)的更新。底層驅(qū)動是傳統(tǒng)的順序更新模式的發(fā)展，將基礎(chǔ)庫的數(shù)據(jù)變化同樣作為公共服務(wù)平臺的發(fā)起點，從而啟動后續(xù)的更新流程。無論采用哪一種模式，變化發(fā)現(xiàn)之后，都將觸發(fā)體系內(nèi)所有數(shù)據(jù)庫及服務(wù)的動態(tài)聯(lián)動。

2.3.2 逆向更新

逆向更新是指從公共服務(wù)平臺應(yīng)用端發(fā)起的，向母庫進行增量更新的流程，在更新流程上與傳統(tǒng)的順序更新互為逆向。以政務(wù)版為例，當政務(wù)版用戶提交一處更新后，維護人員實時完成對政務(wù)版產(chǎn)品庫和服務(wù)的更新，進而啟動了逆向更新流程。政務(wù)版產(chǎn)品庫的更新會形成增量包，經(jīng)由逆向保密處理為母庫增量包，向母庫進行增量更新。

假設(shè)從t0→t1時點，政務(wù)版產(chǎn)品庫形成了變化增量，其中l(wèi)個對象發(fā)生了空間或?qū)傩宰兓?，新增了m個對象，刪除了h個對象為

引入空間和屬性變化，考慮政務(wù)版中空間位置為保密處理后的概略位置，該增量可以轉(zhuǎn)換為

(Ot1Ot0)h},Ot1=?

政務(wù)版進入母庫需要進行空間變換、屬性融合，空間變化即從非涉密環(huán)境加密為涉密數(shù)據(jù)，屬性融合是指政務(wù)版屬性項個數(shù)M小于母庫屬性項N，應(yīng)對屬性予以補全。經(jīng)過變換后獲得母庫增量

因變化不影響母庫要素個數(shù)，將發(fā)生變化的l維變量集合及變換為空值的h維變量集合向母庫的n維進行歸并，計為ΔSn，新增的m維變量集合計為δSm。則完成更新后，在t1時點母庫S的狀態(tài)可以描述為

2.3.3 順向提取

順向提取是指從公共服務(wù)平臺母庫提取增量包，并向應(yīng)用端產(chǎn)品庫進行更新的流程，這一階段與傳統(tǒng)的順序更新方向一致。以政務(wù)版為例，在母庫逆向更新完成后，母庫可以提取涉密版的增量包和公眾版增量包，涉密版增量包直接向涉密版產(chǎn)品庫進行增量更新，公眾版增量包經(jīng)過順向保密處理后對公眾版產(chǎn)品庫進行增量更新。產(chǎn)品庫的增量更新完成后，會自動進行相關(guān)服務(wù)的更新，至此公共服務(wù)平臺的跨網(wǎng)段多庫聯(lián)動更新完成，數(shù)據(jù)和服務(wù)實現(xiàn)了完全同步。

以政務(wù)版產(chǎn)品庫T為例，假設(shè)從t0→t1時點，母庫S形成了變化增量

ΔS=ΔSl+δSm+δ

因T為S子集，δ為ΔS中與T無關(guān)的對象應(yīng)予排除，引入空間和屬性變化可以轉(zhuǎn)換為

通過從涉密環(huán)境進入非涉密環(huán)境的空間變換與屬性提取后，獲得產(chǎn)品庫T的增量

因變化不影響產(chǎn)品庫要素個數(shù)，將發(fā)生變化的l維變量集合庫的n維進行歸并，計為ΔTn，新增的m維變量集合計為δTm，刪除的h變量集合計為δTh。則完成更新后，在t1時點產(chǎn)品庫T的狀態(tài)可以描述為

3 聯(lián)動更新應(yīng)用

基于本文的研究成果，利用原公共服務(wù)數(shù)據(jù)集，整合1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情普查數(shù)據(jù)及其他專題數(shù)據(jù)，建立了完整的安徽省地理信息公共服務(wù)數(shù)據(jù)資源體系。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)體系內(nèi)的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新與維護備份等工作，定制開發(fā)了母庫管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊，實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)庫的聯(lián)動更新，如圖4所示。

利用聯(lián)動更新機制，本文對2017年全年度安徽省地理信息公共服務(wù)平臺開展了數(shù)據(jù)更新工作，更新內(nèi)容包括道路、水系、居民地、城市綠地、地名地址等。以地名地址數(shù)據(jù)為例，全年采用了底層驅(qū)動和需求驅(qū)動相結(jié)合的方式進行了地名地址數(shù)據(jù)更新，地名地址條目總數(shù)由83萬條上升至113萬條，其中有573 329條數(shù)據(jù)是通過底層驅(qū)動方式由母庫發(fā)起更新，通過收集公眾版用戶上報信息獲得674條數(shù)據(jù)從公眾版產(chǎn)品發(fā)起需求驅(qū)動更新，整個數(shù)據(jù)體系進行了3次數(shù)據(jù)同步。地名地址數(shù)據(jù)的更新情況見表1。

表1 地名地址數(shù)據(jù)更新統(tǒng)計

實際作業(yè)經(jīng)驗表明，采用多級數(shù)據(jù)庫的聯(lián)動更新機制可以滿足省級地理信息公共數(shù)據(jù)庫的更新維護需要，在保障數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的同時提升了對更新需求的快速響應(yīng)能力。經(jīng)過一年的更新，安徽省各版本的公共平臺電子地圖現(xiàn)勢性大大提高，豐富了圖面信息，提升了瀏覽體驗，如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文圍繞著多級結(jié)構(gòu)的地理信息公共服務(wù)數(shù)據(jù)資源體系開展了聯(lián)動增量更新機制和方法研究，對更新增量的提取和同步作了定量描述，提出了具體的實現(xiàn)方法。從更新效果來看，在現(xiàn)勢性不足的情況下底層驅(qū)動的效率較高，可以快速提高整體的現(xiàn)勢性。需求驅(qū)動更為貼近用戶，適用于對熱點地區(qū)的快速應(yīng)急更新。兩種方法共同作用在保證整體現(xiàn)勢性逐年提高的同時，還可以滿足局部區(qū)域快速更新需求。