一種面向基礎(chǔ)地理信息資源數(shù)據(jù)庫的框架實(shí)體索引方法

宋玉兵，黃 健，顧 芒，王冬升，陸藩藩

(1.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京 210013；2.江蘇省測(cè)繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引 言

基礎(chǔ)地理信息資源是電子政務(wù)、公眾服務(wù)等領(lǐng)域地理信息服務(wù)的重要數(shù)據(jù)支撐，是各行各業(yè)最公共、最基礎(chǔ)的空間信息資源?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)應(yīng)充分顧及社會(huì)的應(yīng)用需求。但是建立兼顧各行各業(yè)需求、涵蓋所有地理要素的全要素地理信息數(shù)據(jù)庫，是一項(xiàng)非常復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程；數(shù)據(jù)獲取、管理和維護(hù)都很難實(shí)現(xiàn)，這一直是制約地理信息推廣應(yīng)用的一個(gè)瓶頸[1]。

全要素基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括定位基礎(chǔ)、水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界、地貌、植被與土質(zhì)、注記等多要素?cái)?shù)據(jù)。其中交通、水系、行政區(qū)劃等專題要素對(duì)區(qū)域的空間位置具有確定方位的骨架作用，是重要的基礎(chǔ)地理信息框架要素。為了提升基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理、應(yīng)用、服務(wù)中的效率和質(zhì)量，很多國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注到框架數(shù)據(jù)的重要性，許多省市先后開展了相關(guān)研究工作。北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院提出北京市基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)概念，開展基于框架數(shù)據(jù)的制圖與可視化表達(dá)技術(shù)及數(shù)據(jù)更新機(jī)制研究[2]。重慶市地理信息中心建成包括境界、交通、水系、地名等基礎(chǔ)圖層的框架數(shù)據(jù)，弱化地形、地貌等測(cè)繪專業(yè)要素，滿足政府管理需要[3]。山東省國(guó)土測(cè)繪院提出基于框架數(shù)據(jù)建立省市多比例尺基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，通過增量更新的模式完成省市兩級(jí)基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)庫聯(lián)動(dòng)更新的方法[4]。新型國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)提出了產(chǎn)品形式升級(jí)、數(shù)據(jù)模型升級(jí)等方面的升級(jí)改造思路，發(fā)展融合交通、水利、管線、民政等框架數(shù)據(jù)，同時(shí)融合社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文信息等多方面屬性信息[5]。

雖然基礎(chǔ)地理信息、地理國(guó)情要素、專題管理要素信息、基礎(chǔ)地理信息框架等數(shù)據(jù)維護(hù)等項(xiàng)目生產(chǎn)和服務(wù)中，均涉及交通、水系、行政區(qū)劃等框架要素?cái)?shù)據(jù)的生產(chǎn)，但是，由于受傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖使用方式的影響，現(xiàn)有基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要強(qiáng)調(diào)地理要素的幾何形態(tài)和空間位置的描述，對(duì)于地理實(shí)體本身特性及相互關(guān)系的建模和表達(dá)考慮較少，不同比例尺數(shù)據(jù)集中的地理要素之間缺乏必要的相互關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同、要素定義不同、語義表達(dá)不清晰，導(dǎo)致框架要素本身就存在數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)難、關(guān)聯(lián)難、共享難，其必然會(huì)影響基礎(chǔ)地理信息資源價(jià)值的發(fā)揮。

為了謀劃“十四五”期間省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型升級(jí)的目標(biāo)，江蘇省自然資源廳啟動(dòng)了規(guī)劃編制前的研究工作，作者所在課題組針對(duì)基礎(chǔ)地理信息資源更新要求開展了相關(guān)研究，在總結(jié)我省“十三五”時(shí)期基礎(chǔ)地理信息資源現(xiàn)狀，了解自然資源管理各部門和社會(huì)各行業(yè)對(duì)于“十四五”時(shí)期我省基礎(chǔ)地理信息資源更新的需求基礎(chǔ)上，提出基于框架實(shí)體索引建設(shè)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的新思路[6]，采用要素簡(jiǎn)約、屬性標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)體編碼等方法，對(duì)交通、水系、行政區(qū)劃等框架數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象、建模，構(gòu)建由框架實(shí)體數(shù)據(jù)、分精度全要素基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)比例尺地形圖數(shù)據(jù)等共同構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息資源。通過框架實(shí)體索引，建立不同類型、不同尺度、不同要素?cái)?shù)據(jù)和資源間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的集約、共享、融合。

1 框架實(shí)體的分類與編碼

框架地理實(shí)體要成為各類地理信息的載體，滿足地理信息整合和共享交換的需要，應(yīng)對(duì)框架要素以地理實(shí)體為對(duì)象進(jìn)行建模。本文以建立空間地理索引為目標(biāo)，對(duì)交通、水系、行政區(qū)劃、定位基礎(chǔ)等框架數(shù)據(jù)，采用要素簡(jiǎn)約、屬性標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)體編碼等方法進(jìn)行抽象、建模，框架實(shí)體模型建立如圖1所示。以“地理要素”為基本表達(dá)單元,實(shí)現(xiàn)基于要素的操作、統(tǒng)計(jì)，并記錄實(shí)體的生命周期,以滿足要素增量更新及實(shí)體歷史變化記錄與追蹤[7]。

圖1 框架實(shí)體模型建立圖

1.1 屬性項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)框架地理實(shí)體的描述與表達(dá)，采用語義、位置、幾何、過程、關(guān)系和屬性等6個(gè)維度進(jìn)行全空間、全信息表述，形成新型的GIS數(shù)據(jù)模型，解決地理信息數(shù)據(jù)資源的聚合問題。針對(duì)不同類型、不同幾何形態(tài)的復(fù)雜性多樣性，本文引入地理實(shí)體對(duì)象的語義描述、空間定位、幾何形態(tài)、演化過程、要素關(guān)系、專題屬性特征等六要素[8]進(jìn)行完備表述，實(shí)現(xiàn)地理空間實(shí)體屬性的標(biāo)準(zhǔn)化。其中：

(1)語義描述，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體概念和含義的描述，體現(xiàn)地理實(shí)體的本質(zhì)屬性或領(lǐng)域特征。

(2)空間定位，是對(duì)地理實(shí)體存在絕對(duì)位置、相對(duì)位置、地名地址等所處空間的描述。

(3)幾何形態(tài)，描述地理實(shí)體的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，以點(diǎn)、線、面、體、像素、體素等存在的幾何特征，表現(xiàn)形式有矢量、三維、影像、DEM等。

(4)演化過程，通過不同時(shí)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)地理實(shí)體隨著時(shí)間推移的運(yùn)動(dòng)和變化及其全生命周期的行為和事件的描述。

(5)要素關(guān)系，描述地理實(shí)體之間的空間、時(shí)間、順序、隸屬等聯(lián)系。

(6)專題屬性，描述地理實(shí)體的物理、化學(xué)、生物、人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)特征的信息。

以河流為例，對(duì)河流實(shí)體的屬性描述示例如表1所示。

表1 框架實(shí)體六要素屬性內(nèi)容

1.2 唯一性編碼

框架地理實(shí)體的實(shí)體編碼應(yīng)該是唯一的。在設(shè)計(jì)框架地理實(shí)體的唯一性編碼中，一方面應(yīng)顧及地理實(shí)體分類的目標(biāo)是服務(wù)對(duì)實(shí)體對(duì)象的管理，所以應(yīng)繼承現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體管理的需求、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和成果。其次，地理實(shí)體數(shù)據(jù)主要來源于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，地理實(shí)體分類應(yīng)顧及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的地形要素分類。另外，框架地理實(shí)體還應(yīng)進(jìn)行層次等級(jí)劃分，應(yīng)結(jié)合國(guó)家、省、市(縣)政府分級(jí)管理的要求進(jìn)行分級(jí)。

本文面向省級(jí)管理的框架實(shí)體，以體系性、唯一性進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，確定編碼的規(guī)則。不同類型的框架實(shí)體，統(tǒng)一編碼示例如下：

(1)交通實(shí)體：312國(guó)道實(shí)體編碼為“320000000-G312”，由行政區(qū)劃代碼加公路編碼組成。

(2)河流實(shí)體：秦淮河干流段(區(qū)域性河流)實(shí)體編碼為“A-FA-Q-0017-2-A”，由工程類別、流域編碼、河流類別、河流編號(hào)、河流等級(jí)、河段編碼組成，共15位。

(3)湖泊實(shí)體：高郵湖實(shí)體編碼為“L-EB-320000-A-04”，由工程類別、二級(jí)水系編碼、所屬行政區(qū)域、化學(xué)性質(zhì)、湖泊編號(hào)組成，共17位。

(4)行政區(qū)劃實(shí)體：泰州市泰興市河失鎮(zhèn)編碼為“321283112”，采用民政部門頒布的行政區(qū)劃代碼。

1.3 對(duì)象化簡(jiǎn)約處理

地理實(shí)體數(shù)據(jù)屬性隨著管理的程度會(huì)不斷膨脹，信息間存在大量的冗余，不利于信息的管理。框架實(shí)體索引是對(duì)框架實(shí)體的簡(jiǎn)約和抽象，需要完成屬性壓縮，提煉面向管理的最基本的空間要素屬性，從而達(dá)到空間索引的需求，滿足基礎(chǔ)地理信息資源間的空間關(guān)系建立的需要。如交通要素，針對(duì)管理部門的管理需求，通過“道路中心線”對(duì)其幾何形態(tài)以進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)“名稱、編號(hào)、起點(diǎn)、終點(diǎn)、長(zhǎng)度”等屬性簡(jiǎn)約表達(dá)；行政區(qū)劃、湖泊等要素，通過“湖泊面、行政區(qū)劃面”對(duì)其幾何形態(tài)以進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)“名稱、編號(hào)、范圍、面積”等屬性簡(jiǎn)約表達(dá)。

2 框架實(shí)體索引建立

地理實(shí)體在不同的管理層級(jí)、空間尺度、時(shí)間節(jié)點(diǎn)的表達(dá)方式是不同的。例如，一個(gè)法人單位，在縣級(jí)尺度索引上是一個(gè)宗地要素( 面要素)，如在省級(jí)尺度索引上可能僅是一個(gè)點(diǎn)要素?？蚣軐?shí)體是為了解決地理信息數(shù)據(jù)資源的聚合而引入的，為了滿足從宏觀到微觀的管理與分析，特定尺度、時(shí)點(diǎn)的框架實(shí)體抽象的圖形應(yīng)該是確定的、唯一的，多時(shí)間點(diǎn)的圖形序列表達(dá)框架實(shí)體時(shí)空演變。為滿足基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)和維護(hù)的需要，本文設(shè)計(jì)的框架實(shí)體索引采用省、市、縣三級(jí)尺度，三種尺度數(shù)據(jù)集并存，多次描述共同構(gòu)成。

2.1 省級(jí)框架實(shí)體數(shù)據(jù)的內(nèi)容

省級(jí)框架實(shí)體索引是面向基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源建設(shè)和管理，顧及民政、交通、水利等管理部門的業(yè)務(wù)管理需求，以及傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)管理的分類和組織方法，對(duì)交通、水系、行政區(qū)劃和定位基礎(chǔ)等類型的框架實(shí)體，按省、市、縣三級(jí)進(jìn)行對(duì)象化處理，形成的框架實(shí)體數(shù)據(jù)集。通過基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目的生產(chǎn)試驗(yàn)，省級(jí)框架實(shí)體對(duì)象約6 866個(gè)，具體內(nèi)容如表2所示，省級(jí)框架實(shí)體數(shù)據(jù)圖形如圖2所示。

表2 省級(jí)框架實(shí)體內(nèi)容

圖2 省級(jí)框架實(shí)體數(shù)據(jù)

市、縣框架實(shí)體索引建立中，應(yīng)顧及專業(yè)部門行業(yè)管理的程度和能力，以鎮(zhèn)江市實(shí)體要素處理為例，其對(duì)象內(nèi)容如表3所示。

表3 市級(jí)框架實(shí)體索引對(duì)象化處理內(nèi)容

2.2 框架實(shí)體數(shù)據(jù)屬性

框架實(shí)體數(shù)據(jù)的空間要素和屬性要素是其最基本的特征，空間要素指的是其幾何形態(tài)及其與其它地理空間實(shí)體的空間關(guān)系，屬性要素則指的是地理空間實(shí)體的社會(huì)意義。交通、水系、行政區(qū)劃、定位基礎(chǔ)等框架數(shù)據(jù)也是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要組成部分，其數(shù)據(jù)屬性應(yīng)滿足基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)屬性要求。按照地理空間實(shí)體屬性的標(biāo)準(zhǔn)化要求，對(duì)框架實(shí)體數(shù)據(jù)屬性項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表4所示。

表4 框架實(shí)體數(shù)據(jù)屬性表

2.3 框架實(shí)體索引技術(shù)應(yīng)用

圖3 基礎(chǔ)地理信息框架實(shí)體索引式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

框架實(shí)體索引技術(shù)，就是以框架地理實(shí)體為基本單元，以框架地理實(shí)體分類為組織結(jié)構(gòu)，以唯一實(shí)體標(biāo)識(shí)碼為關(guān)聯(lián)因子，建立一種框架實(shí)體索引式基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)組織與管理方法。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可以非常便捷地對(duì)區(qū)域內(nèi)的水系、行政區(qū)域、公路等實(shí)體要素進(jìn)行各種分類統(tǒng)計(jì)和查詢，如圖3所示，通過查詢的結(jié)果可以快速定位，滿足各級(jí)部門對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。利用實(shí)體編碼與水利、交通、民政、電力等相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)建立索引關(guān)系，減少數(shù)據(jù)由于標(biāo)準(zhǔn)不一致產(chǎn)生的互相轉(zhuǎn)換工作，可以最大程度地發(fā)揮基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的底圖作用；通過索引關(guān)系的建立，可以提高數(shù)據(jù)后期更新及維護(hù)的效率，為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)增量更新、快速更新提供一套切實(shí)可行的技術(shù)方法。

3 結(jié) 語

“十四五”期間，江蘇省計(jì)劃構(gòu)建以基礎(chǔ)地理信息框架實(shí)體數(shù)據(jù)、分精度全要素基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)比例尺地形圖數(shù)據(jù)和專題地理信息數(shù)據(jù)等共同構(gòu)成的省級(jí)基礎(chǔ)地理信息資源；按要素生產(chǎn)組織的框架實(shí)體數(shù)據(jù)，豐富了傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品內(nèi)容，將按尺度分級(jí)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫向按地理實(shí)體分級(jí)的基礎(chǔ)時(shí)空信息資源庫轉(zhuǎn)變；通過框架實(shí)體索引，實(shí)現(xiàn)DLG、 DEM、 DSM、 DOM基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以及自然資源管理、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等專題數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)?；诳蚣軐?shí)體數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)更新機(jī)制，建立省市縣及相關(guān)部門間的地理信息資源的共享和關(guān)聯(lián)，優(yōu)化基礎(chǔ)地理信息更新流程，融合影像對(duì)比分析變化發(fā)現(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)信息挖掘變化等多源數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息的增量更新。從而實(shí)現(xiàn)政府部門和行業(yè)間聯(lián)動(dòng)配合，建立地理信息政務(wù)協(xié)同、行業(yè)協(xié)同、社會(huì)公眾參與等全方位協(xié)作更新的新方式。