馮仕超F(xiàn)ENG Shi-chao;韓彥偉HAN Yan-wei;郭興平GUO Xing-ping;梁彥平LIANG Yan-ping;張旭敏ZHANG Xu-min
(華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)(河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司),保定 071000)
隨著社會(huì)治理的精細(xì)化發(fā)展,社會(huì)各界各部門(mén)對(duì)自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)的要求越來(lái)越高,測(cè)繪技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)不斷融合發(fā)展,測(cè)繪新技術(shù)不斷涌現(xiàn),信息化測(cè)繪體系和新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系逐步形成。同時(shí),城市建設(shè)及資源開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)度,對(duì)地下空間及地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的需求也越來(lái)越高,現(xiàn)有的服務(wù)模式已不能完全滿(mǎn)足信息化時(shí)代的要求[1-3]。如何高效整合與集成自然地理、地質(zhì)、礦產(chǎn)、河流湖泊、測(cè)繪地理信息等各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建“地上地下、水陸相連”的自然資源一體化管理體系顯得尤為重要。
河北省保定市目前已完成了數(shù)字保定地理空間框架建設(shè),初步建立了地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),但未升級(jí)到“智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)”。因此,建立智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的試點(diǎn)勢(shì)在必行。本研究以保定市高鐵片區(qū)為試點(diǎn),探索多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的快速融合方法和數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn),為全市測(cè)繪地理信息方面工作、智慧城市建設(shè)以及城市發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù),為保定市全市的自然資源信息化建設(shè)和管理應(yīng)用探索出一條技術(shù)路線。
本項(xiàng)目的研究區(qū)域位于京石高鐵以西,白洋淀大道以南、東風(fēng)路以北、東三環(huán)以東,研究區(qū)域內(nèi)有高鐵站(保定東)、學(xué)校(河北大學(xué)、保定學(xué)院、保定市外國(guó)語(yǔ)中學(xué)等)、企業(yè)(民營(yíng)科技園)、村莊(大堤口等)、小區(qū)(博士園、卓正東璟等)、交通設(shè)施(京港澳高速、京石高鐵、巨力大橋等)。其中保定東站引入京廣高鐵、津保高鐵兩條線,正在建設(shè)的京雄城際和雄忻鐵路也將引入保定東站。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,保定東站將接入雄安至大興機(jī)場(chǎng)快線、雄石高速鐵路及廊涿固保城際鐵路,因此以該區(qū)域作為試點(diǎn),具有地域代表性。
本研究中首先通過(guò)對(duì)資料的整理分析,基于外業(yè)測(cè)量與航空攝影等工作,進(jìn)而生成實(shí)景三維模型、DOM、DSM;根據(jù)實(shí)景三維再加工生成地形圖并入庫(kù);根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)的相關(guān)地質(zhì)勘查報(bào)告生成地層結(jié)構(gòu)三維模型、根據(jù)地下空間圖紙生成站前廣場(chǎng)地下空間三維模型;收集和梳理研究區(qū)域內(nèi)相關(guān)的基礎(chǔ)地理信息、遙感、地下空間、地質(zhì)、建筑物相關(guān)等數(shù)據(jù)資料,對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料的屬性與格式進(jìn)行分類(lèi);對(duì)社會(huì)公共專(zhuān)題信息(法人、住戶(hù))進(jìn)行位置信息掛接;根據(jù)數(shù)據(jù)管理需求,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并檢查;在此基礎(chǔ)上利用FME 編寫(xiě)模板,以供后期大數(shù)據(jù)量的批量化處理;對(duì)已加工好的多源數(shù)據(jù)添加“三域標(biāo)識(shí)”(時(shí)間、空間、屬性);根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范,建立多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系。
多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合要對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)有清晰的數(shù)據(jù)類(lèi)型結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、空間構(gòu)造形態(tài)認(rèn)識(shí)和融合應(yīng)用示范認(rèn)識(shí),從而對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的處理[4,5]。多源數(shù)據(jù)融合是近年來(lái)興起的一門(mén)數(shù)據(jù)處理技術(shù),起源于軍事領(lǐng)域,又叫做多源信息融合,主要是一種多層次、多方面的處理過(guò)程,包括對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、相關(guān)、組合和估計(jì),從而提高狀態(tài)和身份估計(jì)的精度,以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅的重要程度進(jìn)行適時(shí)完整的評(píng)價(jià)。多源信息融合是在多個(gè)不同層次上信息處理過(guò)程,其中每個(gè)層次反映對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)不同級(jí)別的抽象。在本研究中,多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合是本項(xiàng)目中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
2.2.1 多源數(shù)據(jù)處理
本項(xiàng)目中以實(shí)景三維模型為核心,在統(tǒng)一空間參考的前提下,對(duì)專(zhuān)題點(diǎn)、線、面類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行層次和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一體化定制處理,主要包括:根據(jù)點(diǎn)、線、面各類(lèi)數(shù)據(jù)的幾何結(jié)構(gòu)和專(zhuān)題屬性特點(diǎn),建立專(zhuān)題圖層組,圖層組內(nèi)按照數(shù)據(jù)幾何特征劃分獨(dú)立圖層,使應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰;優(yōu)化空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)滿(mǎn)足第三范式的非空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu),目的是將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)進(jìn)行圖形繪制,查詢(xún)索引,調(diào)用壓力的分流;非空間數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蠡脑?,在?zhuān)題化的應(yīng)用中,非空間數(shù)據(jù)要建立與空間數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2.2.2 多源數(shù)據(jù)融合
本項(xiàng)目中多源數(shù)據(jù)的融合關(guān)鍵是要解決以實(shí)景三維模型為核心的多維空間數(shù)據(jù)融合可視化及數(shù)據(jù)操作的問(wèn)題,在以Cesium 為內(nèi)核的可視化平臺(tái)中,影像、地形數(shù)據(jù)主要是通過(guò)與實(shí)景三維模型進(jìn)行坐標(biāo)匹配后進(jìn)行服務(wù)發(fā)布,通過(guò)調(diào)用服務(wù)疊加于實(shí)景三維模型之上,成為智慧城市建設(shè)的地理底圖,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合。對(duì)于矢量數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型的融合,需針對(duì)0 維點(diǎn)數(shù)據(jù)、一維線數(shù)據(jù)和二維面數(shù)據(jù)分別制定與實(shí)景三維數(shù)據(jù)融合的方法。
2.2.2.1 點(diǎn)、線數(shù)據(jù)與實(shí)景三維融合
0 維點(diǎn)數(shù)據(jù)和一維線數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單,兩類(lèi)數(shù)據(jù)在實(shí)景三維空間上的占有度和表面較小。0維點(diǎn)數(shù)據(jù),特別是地名地址等數(shù)據(jù),可以直接在空間位置上進(jìn)行落點(diǎn)可視化。
一維線數(shù)據(jù)能夠通過(guò)主要是通過(guò)以下兩種方式解決與實(shí)景三維的融合可視化問(wèn)題:
①體貼合落位法,即一維線如道路、邊界等線要素直接與實(shí)體三維表面貼合,靈活設(shè)置線寬度、線性。該方法優(yōu)勢(shì)在于與三維實(shí)景的貼合度高,地理空間實(shí)體化表達(dá)清晰,缺點(diǎn)是線經(jīng)過(guò)實(shí)景三維中異狀面體結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)一維線異形現(xiàn)象。
②浮空法,即一維線不與實(shí)景三維進(jìn)行貼合,懸浮在實(shí)景三維模型一定高度上。該方法優(yōu)勢(shì)是一維空間要素完整,空間形態(tài)與原數(shù)據(jù)基本一致,缺點(diǎn)是在三維視角調(diào)整過(guò)程中,隨著視角的降低,越接近平視,視域越深,視野內(nèi)的一維線要素越多,視覺(jué)效果較為雜亂。
矢量數(shù)據(jù)中的特殊點(diǎn)、線數(shù)據(jù)如鉆孔、管道數(shù)據(jù)通過(guò)直接加載顯示不能直觀的體現(xiàn)數(shù)據(jù)的特征,因此可以通過(guò)讀取二維shapefile 數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)三維實(shí)體進(jìn)行可視化展示,從而得到更直觀仿真的點(diǎn)、線加載效果。
2.2.2.2 面數(shù)據(jù)與實(shí)景三維融合
二維面與實(shí)景三維模型在面域空間里具有較高的重疊,即簡(jiǎn)單疊加會(huì)產(chǎn)生交叉沖突,點(diǎn)線和實(shí)景三維的融合方法不適用于面和實(shí)景三維的融合。為了充分發(fā)揮實(shí)景三維視覺(jué)真實(shí)性的優(yōu)勢(shì),并提高模型的空間應(yīng)用深度,通常會(huì)利用二維面數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行單體化,實(shí)現(xiàn)面數(shù)據(jù)與實(shí)景三維數(shù)據(jù)的融合。根據(jù)實(shí)景三維模型的表面起伏度和二維面的大小,將同一空間域內(nèi)的二維面進(jìn)行三維升維,形成貼合實(shí)景三維模型表面的三維實(shí)體包圍盒。
2.2.3 基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的地理實(shí)體改造方法
本項(xiàng)目中地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)主要是通過(guò)采集測(cè)繪的方式獲取,通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)形成符合標(biāo)準(zhǔn)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)。相較于實(shí)體數(shù)據(jù)采集方法,基礎(chǔ)測(cè)繪成果數(shù)據(jù)改造工作在數(shù)據(jù)編輯前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的抽取轉(zhuǎn)換,主要是將基礎(chǔ)測(cè)繪成果繼承的部分抽取轉(zhuǎn)換為地理實(shí)體數(shù)據(jù)或者可通過(guò)編輯加工轉(zhuǎn)變成地理實(shí)體的預(yù)處理數(shù)據(jù)。由于基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)與地理實(shí)體在語(yǔ)義和內(nèi)涵上的差別,傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理實(shí)體時(shí)存在一定的難度。
2.2.3.1 語(yǔ)義映射
①數(shù)據(jù)源確定。本項(xiàng)目依據(jù)地理實(shí)體數(shù)據(jù)分類(lèi)、組織等要求,對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選取地理實(shí)體生產(chǎn)所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)源和參考數(shù)據(jù)源。生產(chǎn)數(shù)據(jù)源為地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供圖形基礎(chǔ)和屬性參考,參考數(shù)據(jù)源為地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
②創(chuàng)建實(shí)體庫(kù)模板。主要過(guò)程如下:1)創(chuàng)建地理實(shí)體庫(kù)。2)創(chuàng)建地理實(shí)體數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集分類(lèi)、空間參考依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。3)創(chuàng)建地理實(shí)體圖層,圖層名、字段名等依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。
③數(shù)據(jù)映射抽取方案定義。數(shù)據(jù)抽取方案,就是將數(shù)據(jù)映射的內(nèi)容用方案的形式固定下來(lái),目的是提供給軟件執(zhí)行提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)抽取過(guò)程中能將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)抽取到地理實(shí)體模板庫(kù)中,如表1 所示。
表1 數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換過(guò)程設(shè)計(jì)
2.2.3.2 數(shù)據(jù)抽取
首先,將源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要是指將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源提供的源數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,使其滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要和相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)定。其次,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)抽取到地理實(shí)體模板庫(kù)的過(guò)程,抽取的依據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)抽取方案,具體流程如圖1 所示。
圖1 數(shù)據(jù)抽取流程
2.2.3.3 實(shí)體編輯
按照統(tǒng)一提取和編輯原則,從數(shù)據(jù)源中提取、編輯生產(chǎn)地理實(shí)體數(shù)據(jù),對(duì)地理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和入庫(kù)。數(shù)據(jù)編輯與處理的內(nèi)容包括圖形的編輯和屬性的編輯:
①抽取的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)繪制、編輯生產(chǎn)成為符合標(biāo)準(zhǔn)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)。
②對(duì)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行質(zhì)檢與修改。
③對(duì)通過(guò)質(zhì)檢的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行地理實(shí)體唯一編碼。
④將地理實(shí)體最終成果數(shù)據(jù)入庫(kù)。
2.2.3.4 空間處理
本研究對(duì)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間處理,主要包括:統(tǒng)一格式、一致性處理和空間化。
統(tǒng)一格式:不同數(shù)據(jù)能夠基本實(shí)現(xiàn)無(wú)損格式轉(zhuǎn)換,對(duì)于無(wú)拓?fù)潢P(guān)系圖形數(shù)據(jù)要能夠轉(zhuǎn)換至基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù),并建立拓?fù)潢P(guān)系。格式統(tǒng)一后的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)合并、接邊,數(shù)據(jù)表格能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)屬性賦值。
一致性處理:對(duì)于存放的矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和實(shí)體數(shù)據(jù),將更新后的數(shù)據(jù)快速及時(shí)進(jìn)行地圖綜合,利用綜合的結(jié)果聯(lián)動(dòng)更新相應(yīng)范圍數(shù)據(jù),原內(nèi)容自動(dòng)變成歷史數(shù)據(jù)。
空間化:匯聚的數(shù)據(jù),有些帶有空間位置坐標(biāo)信息,經(jīng)過(guò)了統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)后,即可匹配集成;部分自身沒(méi)有空間坐標(biāo)信息,但在屬性項(xiàng)中蘊(yùn)含了地名地址;還有一部分只是蘊(yùn)含了一些地名基因,要通過(guò)基于語(yǔ)義和地理本體的統(tǒng)一認(rèn)知,提取地名譜特征。
2.2.3.5 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系建立
通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚與空間化處理后,對(duì)多源數(shù)據(jù)的引入格式建立通用模板,在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)FME 程序,進(jìn)行快速的定位匹配,利用程序形成自動(dòng)化的三域標(biāo)識(shí)添加。根據(jù)統(tǒng)一空間化后的數(shù)據(jù),制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),形成統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)體系,供后續(xù)平臺(tái)調(diào)用。
本研究實(shí)現(xiàn)了保定高鐵片區(qū)的自然資源時(shí)空一體化建設(shè)示范,具體完成了保定高鐵片區(qū)的實(shí)景三維模型、DOM、DEM、DSM 等數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、地形圖制作入庫(kù)、地層三維模型、地下空間三維模型的制作工作;多源數(shù)據(jù)分類(lèi)處理及與實(shí)景三維的融合工作以及保定高鐵片區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)向地理實(shí)體轉(zhuǎn)換工作。項(xiàng)目部分成果效果如圖2-圖5 所示。
圖2 地形數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型融合效果
圖3 實(shí)景三維模型
圖4 點(diǎn)、線數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型融合效果
圖5 地理實(shí)體改造成果
本研究通過(guò)收集保定市高鐵片區(qū)內(nèi)地上與地下的各類(lèi)自然資源數(shù)據(jù),建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn),對(duì)包含遙感影像、實(shí)景三維、地下空間、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形圖、地下管線及人口等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,初步建立多源異構(gòu)的自然資源時(shí)空數(shù)據(jù)快速融合的方法體系,為保定市自然資源管理的信息化建設(shè)和應(yīng)用提供一定參考。
目前,新型智慧城市建設(shè)目前已在全國(guó)陸續(xù)展開(kāi),開(kāi)展基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專(zhuān)題數(shù)據(jù),甚至物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)、根據(jù)本地特色擴(kuò)展數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、處理、共享、集成、挖掘分析、泛在服務(wù)的研究探索,既是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用,也是對(duì)今后工作開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),進(jìn)而為智慧城市建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。