基于轉(zhuǎn)換集模型實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)再利用

薛 睿,郭 霄,張 萌,常曉瀅

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710061; 2.解放軍61363部隊(duì),陜西 西安 710000)

建立地理數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要由紙質(zhì)地圖、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、已經(jīng)存儲(chǔ)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)等組成[1],地理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)于地圖制圖有十分重要的作用。隨著不同行業(yè)部門(mén)對(duì)于地圖制圖的需求,利用專(zhuān)業(yè)共享數(shù)據(jù)是地形圖更新中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2],但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)使用與制圖存在以下局限:(1)海量的數(shù)據(jù)共享不足使得數(shù)據(jù)得不到充分利用,同時(shí)導(dǎo)致部門(mén)之間數(shù)據(jù)使用存在藩籬。(2)原有紙質(zhì)數(shù)據(jù)的矢量化耗時(shí)巨大,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感影像獲取耗費(fèi)人力,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)要素組成又難以滿(mǎn)足不同的制圖要求。在地圖需要更新或數(shù)據(jù)組成難以滿(mǎn)足新的制圖需求時(shí),需測(cè)繪人員實(shí)地測(cè)量或使用遙感影像對(duì)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,不利于提高制圖的效率。(3)如何使用地理數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖,還沒(méi)有統(tǒng)一的原則,使得制圖時(shí)數(shù)據(jù)使用混亂,不同部門(mén)之間交接困難進(jìn)而阻礙了生產(chǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題,研究使用MapStore平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)換集模型進(jìn)行了闡述,該模型旨在利用現(xiàn)有的地理數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù),在不對(duì)數(shù)據(jù)更新的前提下滿(mǎn)足不同部門(mén)制圖的需求,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)再利用。同時(shí)在使用轉(zhuǎn)換集模型的基礎(chǔ)上,制定地理數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)改化的原則與改化的技術(shù)路線(xiàn)方便制圖的交接,為開(kāi)展大規(guī)模數(shù)據(jù)之間的改化及聯(lián)動(dòng)更新提供技術(shù)支持[3]。

1 轉(zhuǎn)換集模型

1.1 模板基本結(jié)構(gòu)

在MapStore平臺(tái)中,模板是制圖的關(guān)鍵,而轉(zhuǎn)換集是模板重要的組成部分,模板是按照空間數(shù)據(jù)字典與符號(hào)數(shù)據(jù)字典對(duì)要素的信息化描述,是對(duì)空間要素的完整定義,可定義要素的空間部分(幾何類(lèi)型和屬性)及地圖符號(hào)生成規(guī)則[4]。模板由數(shù)據(jù)要素集與轉(zhuǎn)換集組成,數(shù)據(jù)要素集用于定義成圖要素分類(lèi),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)要素集結(jié)構(gòu)Fig.1 Data elements set structure

實(shí)體模板組相當(dāng)于成圖要素層,一般分為測(cè)量控制點(diǎn)、水系、居民地及設(shè)施、交通、管線(xiàn)、境界、地貌、植被與土質(zhì)和注記九大要素類(lèi),每一類(lèi)分為點(diǎn)線(xiàn)面3層,因此實(shí)體模板組大多由27個(gè)要素層組成[5]?；緦?shí)體模板相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)符號(hào)的容器,既可以用于存儲(chǔ)圖廓與表格,也可以存儲(chǔ)地圖要素符號(hào)。圖廓、表格與要素符號(hào)通過(guò)單元符號(hào)模板下標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)模板組與輔助定義組共同定義。標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)模板組下可以定義點(diǎn)狀、線(xiàn)狀、表格與自由標(biāo)注符號(hào)模板,輔助定義組可通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)模板組中使用到的值與線(xiàn)段起始輔助符號(hào)的制作[6],其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)要素集示例Fig.2 Example of a data elements set

每一個(gè)實(shí)體模板組都有自己的屬性值,模板提供屬性的自定義功能適用于不同項(xiàng)目的需求。模板組一旦建立,每一圖層地圖要素的幾何類(lèi)型、屬性、符號(hào)表達(dá)、優(yōu)先級(jí)也就同時(shí)確定。

數(shù)據(jù)要素集建立完成后,點(diǎn)擊數(shù)據(jù)集創(chuàng)建轉(zhuǎn)換集。轉(zhuǎn)換集的作用在于規(guī)定不同數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則,包括要素與屬性的對(duì)應(yīng)。

1.2 制圖原理

地理數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)多年完善,已基本覆蓋全國(guó),但由于各地采集地理數(shù)據(jù)格式不同,制圖方式差異使得不同省份與部門(mén)之間不能共享數(shù)據(jù),導(dǎo)致其他部門(mén)制圖時(shí)需專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)采集人員重新采集符合自己部門(mén)制圖的數(shù)據(jù),進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集入庫(kù)的工作重復(fù)[7]。研究將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)稱(chēng)為國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù),成圖要素?cái)?shù)據(jù)稱(chēng)為目標(biāo)數(shù)據(jù)[8]。

MapStore采用拓?fù)涞貓D模型[9],使得制圖入庫(kù)一體化,這里采用DLGM(數(shù)字線(xiàn)劃地圖)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖,制圖員將現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)mdb數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后,通過(guò)轉(zhuǎn)換集將國(guó)標(biāo)中的DLG數(shù)據(jù)通過(guò)國(guó)標(biāo)編碼與目標(biāo)數(shù)據(jù)編碼相對(duì)應(yīng),通過(guò)轉(zhuǎn)換集形成國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)的“進(jìn)口”與“出口”。另外,國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的屬性可以經(jīng)屬性表自定義轉(zhuǎn)換,顯然轉(zhuǎn)換集起到國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的映射作用[10],而模板數(shù)據(jù)集起到對(duì)原始數(shù)據(jù)“印刷”的作用——即為原始的國(guó)標(biāo)線(xiàn)劃數(shù)據(jù)“印刷”上對(duì)應(yīng)的目標(biāo)地圖符號(hào),將原數(shù)據(jù)從一個(gè)模型轉(zhuǎn)換為另一個(gè)模型[11]。

通過(guò)轉(zhuǎn)換集對(duì)應(yīng)后的數(shù)據(jù)形成了實(shí)體DLG,其中每一個(gè)線(xiàn)劃都對(duì)應(yīng)著模板中的實(shí)體即目標(biāo)數(shù)據(jù),通過(guò)目標(biāo)數(shù)據(jù)編碼找到對(duì)應(yīng)實(shí)體符號(hào)自動(dòng)生成地圖符號(hào),圖3為制圖的完整過(guò)程。

圖3 制圖過(guò)程Fig.3 Mapping process

2 數(shù)據(jù)改化原則

不同格式數(shù)據(jù)本質(zhì)上是對(duì)同一區(qū)域地理現(xiàn)象的不同方式的表達(dá)。在傳統(tǒng)的意義上地理現(xiàn)象可以分為除注記外的八大類(lèi),不同格式的數(shù)據(jù)在這一方面是有高度一致性的,這就為數(shù)據(jù)的改化提供了理論上的可行性。

但不同格式數(shù)據(jù)也存在應(yīng)用目標(biāo)的差異和對(duì)地理現(xiàn)象的建模上的差異,按照信息學(xué)的基本概念,信息是由描述現(xiàn)象的特征(語(yǔ)義)及一定表達(dá)方式(語(yǔ)法)構(gòu)成[12]。因此國(guó)標(biāo)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的改化可以從3個(gè)方面考慮其原則。

2.1 數(shù)據(jù)集改化原則

圖4展示的是國(guó)標(biāo)要素與目標(biāo)要素之間的關(guān)系,二者之間存在相同的要素與不同的要素。當(dāng)某一要素在國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)集中存在而目標(biāo)數(shù)據(jù)中不存在,可以擴(kuò)大模板中目標(biāo)數(shù)據(jù)集。例如,國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)中不存在人行天橋,可以添加人行天橋的基本實(shí)體模板。相反當(dāng)某一要素在國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)中存在而目標(biāo)數(shù)據(jù)中不存在時(shí),轉(zhuǎn)換集實(shí)體類(lèi)型外碼(國(guó)標(biāo)編碼)可不填寫(xiě)。圖5為轉(zhuǎn)換集映射自定義表。

圖4 要素?cái)?shù)據(jù)集問(wèn)題Fig.4 Elements dataset relation

2.2 語(yǔ)義原則

語(yǔ)義即語(yǔ)言所蘊(yùn)含的意義,其具有領(lǐng)域性,地圖要素的名稱(chēng)屬于地理語(yǔ)義的表達(dá)。不同格式數(shù)據(jù)的差異很大部分表現(xiàn)在語(yǔ)義異構(gòu),當(dāng)國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)同一地理實(shí)體采用不同的解釋方法時(shí),就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)改化的語(yǔ)義問(wèn)題,研究將這種差異分為3類(lèi),見(jiàn)表1。

圖5 轉(zhuǎn)換集數(shù)據(jù)映射Fig.5 Transition set data mapping

表1 語(yǔ)義差異分類(lèi)表

國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)分火車(chē)隧道與汽車(chē)隧道,目標(biāo)數(shù)據(jù)中只有隧道要素,這時(shí)要合并國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)集中要素,形成多對(duì)一的情況。此外,桔與橡膠共同對(duì)應(yīng)目標(biāo)數(shù)據(jù)中的經(jīng)濟(jì)林,這就導(dǎo)致2個(gè)不同要素對(duì)應(yīng)著相同的符號(hào),此處借助桔=[SQL∶GB=="220125"],TYPE=桔/[SQL∶GB=="220125"],TYPE=橡膠,即導(dǎo)入的桔和橡膠按照GB碼都對(duì)應(yīng)目標(biāo)數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)林,成圖時(shí)也表現(xiàn)相同的符號(hào),制圖時(shí)圖上通過(guò)標(biāo)記文字“桔”、 “橡膠”來(lái)區(qū)分,效果如圖6所示。國(guó)標(biāo)語(yǔ)義范疇大于目標(biāo)數(shù)據(jù)語(yǔ)義范疇需要根據(jù)情況對(duì)國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分,例如國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)中園林要素在目標(biāo)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)著森林、經(jīng)濟(jì)林、經(jīng)濟(jì)作物地、旱生作物地與水生作物地,通過(guò)Sql語(yǔ)句進(jìn)行區(qū)分,例如區(qū)分森林通過(guò)森林=[SQL∶(GB=="810400"&&TYPE=="銀杏")||(GB=="810400"&&TYPE=="黃花梨")]即銀杏、黃花梨都按照GB碼810400森林導(dǎo)入,通過(guò)屬性值type區(qū)別類(lèi)型。國(guó)標(biāo)等于目標(biāo)數(shù)據(jù)的情況可直接轉(zhuǎn)換。

圖6 多對(duì)一案例Fig.6 Many-for-one cases

2.3 語(yǔ)法原則

我們將描述地理現(xiàn)象的各部分信息稱(chēng)為構(gòu)成語(yǔ)義的語(yǔ)法。語(yǔ)法包括描述特征的方式與表達(dá)信息的模型,描述特征的方式包括編碼、屬性、幾何類(lèi)型等。在描述地理數(shù)據(jù)方式上不同格式數(shù)據(jù)基本采用點(diǎn)、線(xiàn)、面與屬性的組合模型。由描述方式異同可以總結(jié)出語(yǔ)法問(wèn)題有:①編碼對(duì)應(yīng)問(wèn)題;②屬性的對(duì)應(yīng)問(wèn)題;③屬性值的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。

編碼作為地理數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識(shí)符,可以唯一確定國(guó)標(biāo)中要素,通過(guò)編碼對(duì)應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)上述中語(yǔ)義的對(duì)應(yīng)[13]。轉(zhuǎn)換集生成后每一實(shí)體模板組對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換集層屬性都會(huì)形成屬性對(duì)應(yīng)表,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 屬性對(duì)應(yīng)

表2中外部字段名為國(guó)標(biāo)中數(shù)據(jù)的屬性值,當(dāng)前模板字段名為目標(biāo)數(shù)據(jù)屬性,通過(guò)上表實(shí)現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)的屬性與屬性值對(duì)接。

當(dāng)2種數(shù)據(jù)要素的語(yǔ)義相同時(shí),同樣存在表達(dá)模型的差異。例如國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)中等級(jí)道路的幾何類(lèi)型模型是路面+中線(xiàn)+邊線(xiàn)。目標(biāo)數(shù)據(jù)中可能表達(dá)模型為中線(xiàn)+邊線(xiàn),所以面數(shù)據(jù)在這里不使用轉(zhuǎn)換集轉(zhuǎn)換。

3 技術(shù)路線(xiàn)

由于地理數(shù)據(jù)庫(kù)涉及的數(shù)據(jù)量大,在使用轉(zhuǎn)換集模型對(duì)原有數(shù)據(jù)改化時(shí)需考慮研究中提到的語(yǔ)義對(duì)應(yīng)、屬性對(duì)應(yīng)、表達(dá)方式對(duì)應(yīng)等很多問(wèn)題。每一次數(shù)據(jù)改化開(kāi)始前涉及到大量的文檔制作與原始數(shù)據(jù)的檢查修改。因此為提高效率提出了技術(shù)路線(xiàn)的幾個(gè)基本要點(diǎn):

(1) 工作內(nèi)容上劃分板塊,根據(jù)區(qū)塊需求,自由組合,不影響整體工作不另起爐灶。

(2) 技術(shù)流程上,劃分環(huán)節(jié)性,各自負(fù)責(zé),責(zé)任明確,分工明確,質(zhì)量明確。便于各個(gè)單位責(zé)、權(quán)、利的明晰。

(3) 技術(shù)方法上,廣泛采用成熟的最先進(jìn)的技術(shù),提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的自動(dòng)化水平,以確保質(zhì)量、時(shí)間及控制投入的人力物力。技術(shù)路線(xiàn)如圖7所示。

模塊1轉(zhuǎn)換改化技術(shù)控制是改化整體工作的一個(gè)技術(shù)重點(diǎn),是質(zhì)量控制的主要內(nèi)容,大致分為2項(xiàng)內(nèi)容。轉(zhuǎn)換參數(shù)確定:包括了要素轉(zhuǎn)換,屬性轉(zhuǎn)換,取值轉(zhuǎn)換的確立與制作模板。改化參數(shù)的確立:對(duì)轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到目標(biāo)成果數(shù)據(jù)之間還有差距,涉及到大量專(zhuān)題項(xiàng)處理,如注記指針一對(duì)多的要素判定處理等。

圖7 技術(shù)路線(xiàn)Fig.7 Technical route

模塊2國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)提供模塊國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)地理信息的產(chǎn)品生產(chǎn)年代規(guī)格在同一地區(qū)是存在差異的,在地圖制圖時(shí)常含有部分更新的要求。該模塊最終的數(shù)據(jù)是遵從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的符合地方相關(guān)質(zhì)量要求,資料完整(合格元數(shù)據(jù))的地圖數(shù)據(jù)。

模塊3轉(zhuǎn)換改化模塊是核心工作,它只接受按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求的合格數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、改化編制形成質(zhì)量合格的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)MapStore平臺(tái)詳細(xì)闡述了基于轉(zhuǎn)換集模板實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)再利用的原理,并制定了細(xì)致的改化原則與技術(shù)方案,將該模型與研究制定的原則方案成功運(yùn)用于云南省數(shù)據(jù)改化,事實(shí)表明轉(zhuǎn)換集模型與研究制定原則方案顯著提高了地理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)資源的利用率,制圖速度明顯加快,制圖效果良好,對(duì)全國(guó)制圖領(lǐng)域的發(fā)展有重要的推動(dòng)意義。