DLG數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

明陽 曾雯雯

（山東省國土測繪院 山東濟南 250013）

近年來，地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新不斷加快，地理國情普查、第三次全國土地調(diào)查等重大項目相繼啟動，數(shù)字城市及智慧城市應(yīng)用不斷擴大，地理信息廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、社會發(fā)展和生態(tài)保護各個方面，支撐管理決策的作用越來越大。數(shù)字線劃圖（DLG）作為基礎(chǔ)地理信息中最重要、應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)，其質(zhì)量直接關(guān)系到基于地理信息數(shù)據(jù)的分析、決策的正確性和可靠性［1］。從20世紀(jì)70年代開始，國外一些高校、研究機構(gòu)相繼開展了空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的理論研究［2］。國內(nèi)自20世紀(jì)90年代起，也相繼涌現(xiàn)出一批研究成果［3］，武漢大學(xué)、國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心、部分省市測繪單位，開發(fā)了一批數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件，應(yīng)用于DLG、國情普查、三調(diào)、不動產(chǎn)等數(shù)據(jù)的質(zhì)檢，國內(nèi)知名GIS 軟件廠商的產(chǎn)品也包含了數(shù)據(jù)質(zhì)檢功能。但上述軟件在檢查內(nèi)容完整性、使用的方便性、檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性及軟件的通用性上都或多或少存在一些問題，在實際應(yīng)用中并不能完全滿足需求。本文對DLG 數(shù)據(jù)的質(zhì)量模型和質(zhì)檢流程進行了研究，以滿足實際應(yīng)用需求為目的，設(shè)計開發(fā)了一套功能全面、通用性強、效率高、準(zhǔn)確率高的質(zhì)檢系統(tǒng)，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升地理信息服務(wù)保障能力。

1 DLG數(shù)據(jù)質(zhì)檢內(nèi)容

DLG是在現(xiàn)有地形圖上基礎(chǔ)地理要素分層存儲的矢量數(shù)據(jù)集。以山東省省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為例，分為43 個圖層，分別表示測量控制點、水系、居民地、交通、管線、地貌、植被與土質(zhì)、地理單元8大類要素內(nèi)容。DLG 通過幾何信息和屬性信息來描述空間對象。幾何信息利用坐標(biāo)來描述對象的位置、形狀、大小等信息；屬性信息利用字符串描述對象的名稱、性質(zhì)、等級等信息［4］。根據(jù)測繪成果質(zhì)檢的國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于DLG數(shù)據(jù)的檢查規(guī)定，其質(zhì)量主要從數(shù)學(xué)精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性、表征質(zhì)量等5個方面進行評價。

1.1 數(shù)學(xué)精度

數(shù)學(xué)精度是DLG 數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值與真實空間位置之間的誤差，是質(zhì)檢最重要的環(huán)節(jié)，主要包括空間參考系、平面精度、高程精度等檢查。空間參考系主要檢查數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是否符合要求，包括大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、地圖投影參數(shù)等，以及數(shù)據(jù)分幅是否正確，包括圖廓角點坐標(biāo)、內(nèi)圖廓線坐標(biāo)、公里網(wǎng)線坐標(biāo)。平面精度主要檢查數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)值的中誤差是否超限。高程精度主要檢查數(shù)據(jù)的高程坐標(biāo)值或高程屬性的中誤差是否超限。接邊檢查主要檢查要素幾何位置接邊的中誤差是否超限。

1.2 屬性精度

屬性精度主要檢查數(shù)據(jù)中地物要素屬性信息的準(zhǔn)確性，包含分類正確性檢查和屬性正確性檢查。分類正確性檢查指要素分類代碼的正確性檢查。屬性正確性檢查包括屬性內(nèi)容的完整性、正確性及相鄰要素的屬性接邊是否正確。

1.3 邏輯一致性

邏輯一致性主要檢查：概念一致性，即數(shù)據(jù)分層是否符合要求，各層的屬性項是否符合要求；格式一致性，即數(shù)據(jù)的文件格式、存儲方式、文件命名等是否符合要求；拓?fù)湟恢滦裕匆刂g的拓?fù)潢P(guān)系，例如，重疊、相鄰、相交、連續(xù)、打斷是否正確。

1.4 完整性

完整性主要檢查要素的多余或遺漏現(xiàn)象。

1.5 表征質(zhì)量

表征質(zhì)量主要檢查：幾何表達，即要素的幾何類型是否正確，是否存在極短線、極小面、線面折刺、粘連、自相交等幾何異常；地理表達，即要素取舍、綜合概括、方向特征等是否正確。

2 質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計

2.1 開發(fā)目標(biāo)

DLG 數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)開發(fā)的目的是對DLG 數(shù)據(jù)進行批量自動定制化質(zhì)量檢查，主要功能包括：一是能夠?qū)?shù)據(jù)字典進行配置，滿足不同組織方式、不同屬性結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的檢查需求；二是能夠?qū)|(zhì)檢方案進行配置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行定制化檢查；三是能夠按照配置好的質(zhì)檢方案進行自動、批量數(shù)據(jù)質(zhì)檢，并輸出質(zhì)檢結(jié)果。

數(shù)據(jù)字典和質(zhì)檢方案配置的設(shè)置選項應(yīng)盡可能豐富，能夠快速響應(yīng)新成果和新項目的質(zhì)量要求［5］。數(shù)據(jù)質(zhì)檢應(yīng)盡可能簡便、快捷、高效，滿足大數(shù)據(jù)量的批量快速檢查。

2.2 設(shè)計原則

DLG 數(shù)據(jù)質(zhì)檢涉及大量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，需要對空間數(shù)據(jù)進行拓?fù)涮幚?，考慮到空間數(shù)據(jù)的多樣性及拓?fù)涮幚淼膹?fù)雜性，要兼顧精確的檢查結(jié)果和高效的檢查效率［6］。因此，要求系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、高效性、可擴充性、易操作性和易維護性［7］。系統(tǒng)開發(fā)時，應(yīng)遵循以下原則。

（1）統(tǒng)一設(shè)計原則。系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)全盤考慮系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，遵循統(tǒng)一的接口規(guī)則，自上而下地逐步完善，確保各模塊間的有機銜接。

（2）先進性原則。系統(tǒng)設(shè)計在思路、架構(gòu)、所采用的技術(shù)等方面要有一定的前瞻性，符合先進技術(shù)的發(fā)展方向。

（3）高效性原則。系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、運行效率高、數(shù)據(jù)組織合理，避免因長時間運行導(dǎo)致系統(tǒng)運行速度變慢。

（4）可靠性原則。系統(tǒng)應(yīng)具備容錯能力，避免因操作不當(dāng)或數(shù)據(jù)錯誤等原因造成崩潰或丟失。

（5）可維護性原則。系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)組件化開發(fā)，以接口為核心，業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)分離，與界面顯示分離，便于維護。

（6）可擴展性原則。系統(tǒng)開發(fā)要為今后的功能擴展升級留有余地。

（7）易用性原則。提供友好的人機交互界面，便于使用。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言和ArcObjects組件庫進行開發(fā)。ArcObjects 是ESRI 公司推出的GIS 組件庫，用戶可以根據(jù)需要把ArcObjects 提供的組件像搭積木一樣組建起來實現(xiàn)各種功能。本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)讀取和存儲、質(zhì)檢過程中使用的GIS功能都是基于ArcObjects快速實現(xiàn)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)采用經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層是用戶與軟件的交互界面，傳遞用戶的操作指令，主要包括用于管理質(zhì)檢任務(wù)、進行數(shù)據(jù)質(zhì)檢的主界面和用于配置質(zhì)檢方案和數(shù)據(jù)字典的子界面。業(yè)務(wù)邏輯層對用戶的操作指令進行邏輯判斷和具體操作，實現(xiàn)質(zhì)檢功能，根據(jù)不同功能又分為5個模塊。數(shù)據(jù)層直接對DLG數(shù)據(jù)進行操作，讀取數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果。表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯層之間通過數(shù)據(jù)字典、質(zhì)檢方案、質(zhì)檢規(guī)則等實體類傳遞數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)層之間通過GeoDatabase、XML等數(shù)據(jù)引擎完成對數(shù)據(jù)的讀寫操作。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計符合“高內(nèi)聚，低耦合”思想，具有以下優(yōu)勢：表現(xiàn)層不直接訪問數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的安全性；三層相互獨立，只需要遵循接口標(biāo)準(zhǔn)，有利于系統(tǒng)的分散開發(fā)；有新的業(yè)務(wù)需求只需要對業(yè)務(wù)邏輯層進行修改，易于系統(tǒng)的維護和擴展。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 質(zhì)檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.4 功能模塊詳細(xì)設(shè)計

本系統(tǒng)的功能模塊包括數(shù)據(jù)字典配置、質(zhì)檢方案配置、質(zhì)檢規(guī)則集、質(zhì)檢任務(wù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)檢五大模塊，如圖2所示。

圖2 質(zhì)檢系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)字典配置。根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)模型，包含圖層、屬性字段、要素內(nèi)容、屬性值域等信息?？紤]到要素屬性的多樣性，每類要素的每個屬性字段都需要能夠定制值域范圍，實現(xiàn)對所有要素屬性值域的全覆蓋檢查。包含新建數(shù)據(jù)字典、對已有數(shù)據(jù)字典進行管理、編輯等功能。

（2）質(zhì)檢方案配置。根據(jù)DLG 數(shù)據(jù)的質(zhì)檢內(nèi)容選擇相應(yīng)質(zhì)檢規(guī)則并配置檢查參數(shù)，形成完整的檢查方案，包含新建質(zhì)檢方案、對已有質(zhì)檢方案進行管理、編輯等功能。

（3）質(zhì)檢規(guī)則集。定義了所有質(zhì)檢規(guī)則的參數(shù)設(shè)置和實現(xiàn)方法，是系統(tǒng)的核心模塊。質(zhì)檢規(guī)則按照類別可分為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)檢查、位置精度檢查、屬性精度檢查、邏輯一致性檢查、表征質(zhì)量檢查5類。

（4）質(zhì)檢任務(wù)管理。包含新建任務(wù)和對已有任務(wù)進行查看、刪除等功能。新建任務(wù)需要用戶填寫任務(wù)基本信息，選擇質(zhì)檢方案和待檢數(shù)據(jù)，任務(wù)建立后，生成質(zhì)檢工程文件。

（5）數(shù)據(jù)質(zhì)檢。是系統(tǒng)的另一核心模塊，根據(jù)用戶建立的質(zhì)檢任務(wù)，讀取數(shù)據(jù)和質(zhì)檢方案，按照質(zhì)檢規(guī)則集中的實現(xiàn)算法進行質(zhì)檢，實時記錄進度、檢查錯誤及其他異常情況，并自動輸出檢查結(jié)果。

3 質(zhì)檢系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 各功能模塊的實現(xiàn)

3.1.1 數(shù)據(jù)字典配置

數(shù)據(jù)字典是對數(shù)據(jù)模型對象的描述，包含了DLG數(shù)據(jù)的分層組織、屬性字段、要素內(nèi)容、屬性值域等信息，用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范對上述各項內(nèi)容進行配置。考慮到DLG數(shù)據(jù)屬性的豐富性，本文設(shè)計了要素級的屬性字段及值域配置方式，用戶可定制每一類要素的屬性字段及值域，使屬性值域的檢查正確率大幅提高。數(shù)據(jù)字典以XML格式存儲為文件。

一旦一支塑料吸管被置于野外，經(jīng)年累月之后它不可避免地要流入江河湖海中——這要多謝風(fēng)和雨，它們的力量足以將體積小、重量輕的塑料吸管移動到自然水體中。“就好像《海底總動員》所教導(dǎo)的那樣，城市的下水道距離海洋并不遙遠(yuǎn)?！丙惼諄喬卣f。

3.1.2 質(zhì)檢方案配置

質(zhì)檢方案是對數(shù)據(jù)進行檢查的項目的集合。本文設(shè)計了靈活且全面的質(zhì)檢規(guī)則集，用戶可以根據(jù)需求選擇其中的項目并配置好參數(shù)，添加至質(zhì)檢方案中，使系統(tǒng)按照制訂好的方案進行質(zhì)檢操作。質(zhì)檢方案以XML格式存儲為文件。

3.1.3 質(zhì)檢規(guī)則集

質(zhì)檢規(guī)則集是本系統(tǒng)的核心。根據(jù)DLG 數(shù)據(jù)質(zhì)檢內(nèi)容，分為數(shù)學(xué)精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性、表征質(zhì)量5 大類。數(shù)學(xué)精度檢查主要檢查數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)、幾何坐標(biāo)位置等的正確性。屬性精度檢查主要根據(jù)數(shù)據(jù)字典中的配置檢查數(shù)據(jù)屬性。邏輯一致性是利用ArcObjects 的拓?fù)涔ぞ邫z查數(shù)據(jù)拓?fù)湔_性。完整性檢查主要針對要素的多余或遺漏。表征質(zhì)量檢查是利用空間分析功能檢查數(shù)據(jù)的幾何異常信息。本文根據(jù)實際應(yīng)用需求，制定了大量檢查規(guī)則，并且盡可能多地提供參數(shù)配置選項，使用戶可以根據(jù)需求自由定制檢查方案。

3.1.4 質(zhì)檢任務(wù)管理

質(zhì)檢任務(wù)管理主要包括新建任務(wù)和已有任務(wù)的查看、導(dǎo)出等功能。用戶通過新建任務(wù)向?qū)顚懭蝿?wù)信息、選擇數(shù)據(jù)源和質(zhì)檢方案，并存儲在工程文件中。

3.1.5 數(shù)據(jù)質(zhì)檢

數(shù)據(jù)質(zhì)檢是系統(tǒng)的另一核心模塊。從質(zhì)檢任務(wù)工程中讀取任務(wù)信息、數(shù)據(jù)源和質(zhì)檢方案，進行初始化，創(chuàng)建臨時文件，導(dǎo)入待檢數(shù)據(jù)。從質(zhì)檢方案里讀取檢查項參數(shù)，把參數(shù)傳遞給質(zhì)檢規(guī)則集中的業(yè)務(wù)實現(xiàn)類，執(zhí)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、檢查、結(jié)果輸出，實現(xiàn)質(zhì)檢業(yè)務(wù)的批量自動運行。

3.2 實驗驗證

表1 質(zhì)檢結(jié)果

從運行時間上看，兩者差別不大，但是本系統(tǒng)的質(zhì)檢項比吉威軟件要多，單個檢查項所用時更短。檢出錯誤個數(shù)本系統(tǒng)雖少，但檢查結(jié)果的正確率較高，達到了91%，而吉威軟件約有25%的錯誤屬于誤報。逐項對比分析后，本質(zhì)檢系統(tǒng)主要在屬性值域和要素拓?fù)潢P(guān)系兩項檢查中可靠性優(yōu)于吉威軟件。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)字典針對每個要素的每個屬性字段均可配置檢查值域，因此，屬性檢查結(jié)果可靠性很高。質(zhì)檢規(guī)則集針對要素拓?fù)潢P(guān)系做了大量擴充和定制，盡可能覆蓋多種場景，因此，對要素拓?fù)潢P(guān)系的檢查可靠性也優(yōu)于現(xiàn)有軟件，其他如空間參考系、幾何精度、表征質(zhì)量等檢查項，兩者檢查結(jié)果互有優(yōu)劣，但差別不大。

綜上所述，本系統(tǒng)的檢查效率較吉威軟件有所提升，在屬性值域和要素拓?fù)潢P(guān)系等檢查中可靠性更高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性也很強，達到了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，能滿足DLG數(shù)據(jù)的質(zhì)檢需求。

3.3 項目應(yīng)用

DLG數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)已成功應(yīng)用于山東省基礎(chǔ)地理信息地形要素數(shù)據(jù)更新項目。地形要素數(shù)據(jù)是山東省“十三五”基礎(chǔ)測繪的重大創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)地形圖圖庫一體的生產(chǎn)方式，舍棄了制圖要素而僅依靠建庫數(shù)據(jù)自動化制圖來滿足制圖需求，減少數(shù)據(jù)冗余，同時，以線狀地物按縣級行政區(qū)劃分任務(wù)區(qū)，減少了大量的數(shù)據(jù)接邊工作，從而大幅提高生產(chǎn)效率。質(zhì)檢系統(tǒng)在開發(fā)時已充分考慮地形要素數(shù)據(jù)質(zhì)檢需求，設(shè)計了靈活的數(shù)據(jù)字典和質(zhì)檢方案配置器，以及全面、多樣化的質(zhì)檢規(guī)則集。開發(fā)完成后經(jīng)測試能夠滿足地形要素數(shù)據(jù)質(zhì)檢需求，已在相關(guān)生產(chǎn)單位部署和應(yīng)用，受到一致好評。

4 結(jié)語

本文通過對DLG 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查內(nèi)容及方式的分析，結(jié)合實際工作中數(shù)據(jù)質(zhì)檢的需要，設(shè)計和開發(fā)了DLG 數(shù)據(jù)質(zhì)檢系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)遵循軟件工程學(xué)規(guī)范，設(shè)計合理，功能明確。通過數(shù)據(jù)字典配置、質(zhì)檢方案配置、質(zhì)檢任務(wù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)檢等功能模塊的配合，實現(xiàn)了對DLG 數(shù)據(jù)的批量自動定制化檢查。軟件創(chuàng)新地采用了配置靈活的數(shù)據(jù)字典設(shè)計，和大量定制開發(fā)的質(zhì)檢規(guī)則集，在屬性值域和要素拓?fù)潢P(guān)系等檢查項中可靠性優(yōu)于同類軟件。以山東省基礎(chǔ)地理信息地形要素數(shù)據(jù)為例，配置了數(shù)據(jù)字典及質(zhì)檢方案，進行了數(shù)據(jù)質(zhì)檢測試。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)功能符合設(shè)計要求，自動化程度高，檢查效率高，通用性強，能夠滿足多種數(shù)據(jù)質(zhì)檢需求。目前已在山東省基礎(chǔ)地理信息地形要素數(shù)據(jù)質(zhì)檢任務(wù)中廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計的質(zhì)檢系統(tǒng)在實際應(yīng)用中仍存在一些不足之處，需要進一步研究。一是個別檢查項目（如高程點與等高線矛盾檢查）運算量大，耗時較久，需要進一步優(yōu)化算法，提高效率。二是質(zhì)檢規(guī)則集雖進行了大量的定制開發(fā)，但仍需進一步完善。三是本系統(tǒng)僅對矢量數(shù)據(jù)進行檢查，需要進一步研究補充對元數(shù)據(jù)的檢查。四是需要完善數(shù)據(jù)質(zhì)量評定模塊，利用檢查結(jié)果對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行定量評價。五是面對具備全球覆蓋、海陸兼顧、多源融合、聯(lián)動更新、按需服務(wù)、開放共享等特征的新型基礎(chǔ)測繪的要求，檢查內(nèi)容和方式還需要不斷完善和創(chuàng)新。