省市縣聯(lián)動(dòng)增量更新模式研究
——以衡陽市為例

黃耀萍，雷小群，劉 陵

（湖南省第一測繪院，湖南 長沙 410119）

近年來，伴隨著信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，地理空間數(shù)據(jù)更新技術(shù)已成為地理信息行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)也從數(shù)據(jù)生產(chǎn)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)更新[1]。測繪相關(guān)的法律也要求對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新。各行業(yè)交叉應(yīng)用也對地理信息數(shù)據(jù)更新提出了更高要求，由版本更新轉(zhuǎn)向增量更新，由每年更新轉(zhuǎn)向每月更新，由全面更新轉(zhuǎn)向要素更新等?！笆奈濉被A(chǔ)測繪為數(shù)據(jù)庫建設(shè)和基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)提出了新要求，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪更新模式是基于圖幅進(jìn)行的全量更新[2-3]，存在一些缺陷，如每次更新都是重新采集更新，造成數(shù)據(jù)冗余且相鄰年份更新的數(shù)據(jù)缺少關(guān)聯(lián)，地物演變無法監(jiān)測。同時(shí)，近年來自然資源部提出“多測合一”，將基礎(chǔ)測繪成果用于建設(shè)項(xiàng)目審批中，因此，對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性要求更高[4-6]。

另外，湖南省目前開展城鎮(zhèn)開發(fā)邊界1∶500地形圖數(shù)據(jù)更新工作，湖南省級統(tǒng)一部署1∶500數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)程。該項(xiàng)工作的開展促進(jìn)湖南省內(nèi)形成1∶500大比例尺地形圖動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，為今后省市縣基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)更新奠定基礎(chǔ)，衡陽市是省市縣級基礎(chǔ)地理更新的典型區(qū)域。

因此，以衡陽市為研究區(qū)，研究省市縣聯(lián)動(dòng)更新技術(shù)方法，以已有基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分運(yùn)用高分辨率遙感影像，快速檢測變化信息，構(gòu)建增量模型，以增量更新、多比例尺聯(lián)動(dòng)更新模式提取增量包，快速更新衡陽市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建現(xiàn)勢性強(qiáng)、精度高、多樣式省市縣基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。

1 研究區(qū)范圍與情況

本研究以衡陽市域范圍519 km2為例，本市位于湖南省中南部，湘江中游。東鄰株洲、攸縣、安仁；南界永興、桂陽；西接冷水灘、祁陽、東安、邵陽、邵東；北靠雙峰、湘潭，是湘南的重要城市。

衡陽地貌類型以崗丘為主。山地占總面積的21%，丘陵占27%，崗地占27%，平原占21%，水面占4%，構(gòu)成衡陽盆地的主體?；谄鋮^(qū)位與地貌特征，城市發(fā)展較快，數(shù)據(jù)更新頻次需求較高，以衡陽市為例進(jìn)行基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)增量更新具有代表性。

目前，1∶1萬基礎(chǔ)測繪成果按照版本更新，每年更新一版，不管該區(qū)域是否有變化均進(jìn)行更新，浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力，同時(shí)建庫時(shí)采用整體數(shù)據(jù)建庫。

2021年，省內(nèi)開展城鎮(zhèn)開發(fā)邊界1∶500地形圖數(shù)據(jù)更新工作，目前已形成1∶500大比例尺地形圖動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，省級統(tǒng)一部署技術(shù)規(guī)程，為今后省市縣基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)更新奠定基礎(chǔ)。

省內(nèi)1∶2 000數(shù)據(jù)已生產(chǎn)一版，建庫一版，但因數(shù)據(jù)采集難度大，更新難度大，只有基于2016年至2019年影像制作的一版數(shù)據(jù)成果。

2 增量更新方法與技術(shù)流程

增量更新主要采用數(shù)據(jù)更新的技術(shù)方法，通過構(gòu)建增量數(shù)據(jù)模型，發(fā)現(xiàn)并提取變化信息，將變化信息以增量數(shù)據(jù)模型為依據(jù)，更新成增量包，以增量包更新數(shù)據(jù)庫。技術(shù)流程見圖1。

圖1 增量更新技術(shù)流程Fig.1 Technical process of incremental update

市縣針對大比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫，并提交至省級1∶1萬基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)更新，省級建庫單位根據(jù)模型轉(zhuǎn)換器，將更新的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)縮編，并與1∶1萬底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，同時(shí)，收集行業(yè)資料、影像資料，對變化區(qū)域進(jìn)行識別，標(biāo)識變化區(qū)域，結(jié)合市縣成果、變化區(qū)域、1∶1萬底圖成果進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯處理，構(gòu)建成數(shù)據(jù)增量包，進(jìn)而更新至1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中。另外，更新的增量包進(jìn)一步指導(dǎo)市縣大比例尺數(shù)據(jù)庫成果進(jìn)行大比例尺數(shù)據(jù)庫更新。

2.1 增量數(shù)據(jù)模型

在構(gòu)建增量數(shù)據(jù)模型前,對上一版1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)增加增量更新標(biāo)識碼，用于記錄數(shù)據(jù)更新狀態(tài)，主要增加數(shù)據(jù)庫標(biāo)識碼、更新狀態(tài)標(biāo)識、版本標(biāo)識碼等識別信息。

（1）增量更新標(biāo)識

在數(shù)據(jù)庫要素中增加3個(gè)增量更新標(biāo)識屬性項(xiàng)：數(shù)據(jù)庫標(biāo)識(FEAID)、更新狀態(tài)標(biāo)識(STACOD)、版本標(biāo)識(VERS)。FEAID是數(shù)據(jù)庫中的ID，只增不減。STACOD用于記錄數(shù)據(jù)更新類型信息，含：增加、刪除和修改。VERS用于記錄更新時(shí)間，標(biāo)定數(shù)據(jù)版本。

（2）增量數(shù)據(jù)模型構(gòu)建要求

根據(jù)變化信息確定更新范圍，對變化范圍內(nèi)地理要素的圖形、屬性信息進(jìn)行增加、刪除或修改等。多尺度數(shù)據(jù)更新處理時(shí)，數(shù)據(jù)融合以村莊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并避免大面積的農(nóng)田區(qū)域穿越村莊、小區(qū)等人工建筑。

新增要素：STACOD字段填寫“增加”，VERS字段填寫更新要素的年份，如現(xiàn)有基于2019年影像新增數(shù)據(jù)，則在VERS字段中填寫“2019”。

刪除要素：數(shù)據(jù)庫更新需要將要素刪除時(shí)，不對數(shù)據(jù)做真實(shí)刪除，只標(biāo)記更新狀態(tài)，并在更新狀態(tài)字段STACOD中填“刪除”，但數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中新增要素須刪除則真實(shí)刪除要素。

修改要素：對歷史版本數(shù)據(jù)的空間幾何和屬性進(jìn)行修改，如：位置、形狀和屬性信息在更新狀態(tài)字段STACOD中填“修改”，并標(biāo)記VERS字段，修改更新包含修改、增加和刪除等狀態(tài)。

（3）增量數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、分類代碼轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等。構(gòu)建增量數(shù)據(jù)模型，并對其轉(zhuǎn)換，其中分類代碼轉(zhuǎn)換通過建立大比例尺數(shù)據(jù)要素分類代碼與DLG數(shù)據(jù)要素分類代碼的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對照轉(zhuǎn)換。

1）坐標(biāo)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

在構(gòu)建編碼轉(zhuǎn)換模型處理前，對多尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換等處理。將不同來源、不同格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，確保多尺度數(shù)據(jù)與待更新數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的一致性。

2）數(shù)據(jù)映射對照

1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新需要參照各種來源的數(shù)據(jù)，分析變化情況，再更新數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)的圖層設(shè)置、編碼體系等不同，為縮減成本且達(dá)到精確更新要求，本文研究編制圖層映射對照表、編碼映射對照表，將不同來源的矢量數(shù)據(jù)分類編碼與圖層代碼/名稱統(tǒng)一到1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系下。不同來源道路數(shù)據(jù)圖層對照，見表1。

表1 不同來源道路數(shù)據(jù)圖層對照表Table 1 Comparison of road data layers from different sources

3）數(shù)據(jù)縮編

省市縣基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)尺度不同，市縣數(shù)據(jù)比例尺大，數(shù)據(jù)顯示密度低、要素全、編碼要求標(biāo)識依比例尺或半依比例尺信息，省級數(shù)據(jù)比例尺小，數(shù)據(jù)過于離散，密度高，因此，需進(jìn)行壓縮簡化等數(shù)據(jù)綜合處理操作。例如，1∶500，1∶1 000等大比例尺數(shù)據(jù)更新省級數(shù)據(jù)時(shí)需對建筑物等地物進(jìn)行融合簡化，對道路進(jìn)行單線化處理，對水系等要素的綜合轉(zhuǎn)換，對過小的地物進(jìn)行刪除優(yōu)化等。因此，制定縮編規(guī)則，縮編處理主要包括批量刪除、附屬信息批量刪除、數(shù)據(jù)抽稀等?？s編處理規(guī)則如下：

批量刪除：針對需要?jiǎng)h除的地物，在縮編過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置批量刪除類別，例如，對大比例尺中的井蓋、路燈、路邊線等進(jìn)行批量刪除。

附屬信息刪除：指定類別的地物，符合刪除需要的面狀地物為主刪除對象，主刪除對象被刪除后，與其有關(guān)聯(lián)的線狀對象將被同樣批量刪除。確定批量刪除要素類別后，設(shè)置主對象，根據(jù)其相關(guān)附屬設(shè)施確定連帶刪除要素類別。如：棚房對象為主刪除對象，與其有關(guān)聯(lián)的線狀地物屬于被連帶刪除的對象。

數(shù)據(jù)抽稀：不同尺度數(shù)據(jù)表達(dá)要素的密度不同，根據(jù)1∶1萬尺度要素表達(dá)疏密程度，設(shè)置抽稀間距，進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀，例如，對等高線、高程點(diǎn)、居民點(diǎn)等要素進(jìn)行抽稀表達(dá)。等高線抽稀時(shí)按照曲線彎曲不得小于6 m×6 m、封閉等高線不得小于400 m2的原則進(jìn)行抽稀，等高線處理后位移的距離最大不得大于與其相鄰等高線間距的1/3。

依比例面要素綜合處理：1∶500或1∶1 000比例尺數(shù)據(jù)為依比例尺采集，需要將面要素轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素。

2.2 變化信息發(fā)現(xiàn)及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)要素變化頻率將研究區(qū)劃分為中心城區(qū)、城鄉(xiāng)接合部等區(qū)域，劃分責(zé)任區(qū)。

中心城區(qū)要素變化頻率較高，市縣管理做大比例尺常態(tài)化更新，因此，進(jìn)行多比例尺聯(lián)動(dòng)更新較合適。以市縣為主要承擔(dān)單位，根據(jù)遙感影像、行業(yè)專題資料、日常業(yè)務(wù)資料等，對比、分析和判定發(fā)現(xiàn)變化的要素及要素變化區(qū)域，將要素以1∶5000或更大的比例尺進(jìn)行增量變化提取，并提交至省級。

地物要素變化信息發(fā)現(xiàn)技術(shù)方法。首先，采用影像要素識別技術(shù)（圖2），識別出影像上的變化區(qū)域，并與市縣大比例尺要素進(jìn)行匹配，識別中心城區(qū)需采集最新要素信息，將中心城區(qū)變化區(qū)域要素進(jìn)行提取，并分層處理，形成初步變化要素成果。然后，提取底圖數(shù)據(jù)各圖層要素并與基于影像識別后形成的變化區(qū)域要素層進(jìn)行對比分析，再通過融合、拓?fù)涮幚?、矢量?shù)據(jù)編輯等處理，構(gòu)建1∶1萬最新數(shù)據(jù)增量包。最后，結(jié)合行業(yè)資料對更新的要素進(jìn)行屬性信息調(diào)整、錄入。

圖2 變化信息發(fā)現(xiàn)技術(shù)流程Fig.2 Change information discovery technology process

地貌要素變化信息發(fā)現(xiàn)技術(shù)方法。分析比對高精度格網(wǎng)間距數(shù)字高程模型、大比例尺地形數(shù)據(jù)、立體影像數(shù)據(jù)與本底地貌數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。對于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)勢性更優(yōu)的高精度數(shù)字高程模型生成等高線，進(jìn)行地貌變化信息發(fā)現(xiàn)與采集；對于現(xiàn)勢性更強(qiáng)的大比例尺地形數(shù)據(jù)可采用以下2種方法提取等高線、高程點(diǎn)信息與本底地貌數(shù)據(jù)對比分析進(jìn)行變化發(fā)現(xiàn)與采集。（1）利用原DLG的等高線、高程點(diǎn)、水岸線等數(shù)據(jù)，構(gòu)TIN，按所需的格網(wǎng)間距內(nèi)插成DEM，再利用該DEM按照本底數(shù)據(jù)的等高距內(nèi)插生成等高線，高程點(diǎn)則根據(jù)地貌特征分布及密度要求進(jìn)行選取。（2）以大比例尺地形數(shù)據(jù)的原等高線為背景，按本底數(shù)據(jù)的等高距抽取或選取所需的等高線，高程點(diǎn)則根據(jù)地貌特征分布及密度要求進(jìn)行選取。

城鄉(xiāng)接合部處于城區(qū)周邊、農(nóng)村區(qū)域，要素變化頻率相對較低，由省級承擔(dān)，以重點(diǎn)要素（交通、居民地、水系等重要要素）為主要更新要素，對比、分析已有資料，發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)要素變化。變化信息發(fā)現(xiàn)主要從已有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫成果、影像資料和網(wǎng)絡(luò)信息等3個(gè)方面獲取變化信息。

技術(shù)方法如下：將1∶1萬數(shù)據(jù)成果以圖幅為單位，提取城鄉(xiāng)接合部周邊的交通、居民地、水系等中要素成果，并疊合最新遙感影像成果，進(jìn)行要素匹配，發(fā)現(xiàn)變化要素，則進(jìn)行要素采集，形成重要要素增量數(shù)據(jù)層。然后，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、行業(yè)資料編輯數(shù)據(jù)屬性。

變化區(qū)域要素采集、提取技術(shù)方法。根據(jù)省級1∶1萬基礎(chǔ)地理信息9大類數(shù)據(jù)更新技術(shù)要求，確定核心要素內(nèi)容及要素更新、采集指標(biāo)，采用線劃數(shù)據(jù)編輯技術(shù)，將變化區(qū)域影像與矢量數(shù)據(jù)100%套合、疊加，對變化區(qū)域要素按類別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集要素空間幾何信息，再結(jié)合行業(yè)及文本資料補(bǔ)充采集變化要素的屬性信息。例如：

（1）當(dāng)大型橋梁、高架路穿越河流、峽谷時(shí)，地表覆蓋依據(jù)橋梁下真實(shí)的地表，如水域、植被等進(jìn)行分類采集。

（2）與鄰省交界處DLG數(shù)據(jù)更新范圍為省界外擴(kuò)500 m(按省界平行拷貝外擴(kuò))，省界外擴(kuò)500 m以外的范圍可不進(jìn)行更新，但省際界河區(qū)域內(nèi)如果省界線向外500 m仍未及河流對岸的，應(yīng)至少采集到河流對岸。

（3）街區(qū)的外輪廓在能顯示其特征的前提下，凹凸部分小于圖上1.0 mm的一般可綜合表示。城鎮(zhèn)街區(qū)內(nèi)部可進(jìn)行較大綜合，房屋間距小于圖上1.5 mm時(shí)可綜合表示為街區(qū)等，具體見《湖南省1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新技術(shù)規(guī)程》。

2.3 數(shù)據(jù)增量包更新

提取的變化信息作為數(shù)據(jù)庫增量包，根據(jù)要素FEAID自動(dòng)確定變化要素與數(shù)據(jù)庫中被更新數(shù)據(jù)之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)要素之間的自動(dòng)綁定。

依據(jù)增量數(shù)據(jù)模型更新數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的要素，更新方式如下：

（1）新增要素：直接更新，同時(shí)構(gòu)建要素的版本信息；

（2）修改要素：在數(shù)據(jù)庫中修改要素的屬性或空間幾何信息，并在版本信息和要素的更新狀態(tài)字段中填寫對應(yīng)信息，已修改要素轉(zhuǎn)存在歷史數(shù)據(jù)庫中；

（3）刪除要素：直接保留歷史數(shù)據(jù)版本信息轉(zhuǎn)存至歷史數(shù)據(jù)庫中。

以衡陽市為研究區(qū)，將以上的研究方法應(yīng)用于衡陽市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工作中，實(shí)現(xiàn)了衡陽市1∶1萬基礎(chǔ)地理信息要素及多版本數(shù)據(jù)庫的更新與管理，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)可回溯、可統(tǒng)計(jì)。提取的增量包數(shù)據(jù)和更新前后對比見圖3，衡陽市2019年道路線、水系面、居民地面變化信息提取數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表2。

圖3 增量包數(shù)據(jù)Fig.3 Incremental packet data

表2 增量包數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of incremental packet data volume 個(gè)

3 省市縣聯(lián)動(dòng)增量更新技術(shù)優(yōu)勢

圖4 增量更新前后數(shù)據(jù)對比Fig.4 Data comparison before and after incremental update

不同于傳統(tǒng)的版本更新方式，衡陽市1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新采用增量更新方式，大幅提高了數(shù)據(jù)更新效率、降低了成本、縮短了周期。基于遙感影像檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)變化信息，快速提取需更新要素的信息。同時(shí)，在更新生產(chǎn)中,構(gòu)建增量更新模型，對不同來源要素進(jìn)行對照轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼。在成果建庫中,對要素創(chuàng)建FEAID、更新狀態(tài)和要素版本等信息。通過更新變化信息，實(shí)現(xiàn)不同版本之間要素管理，進(jìn)而減少成本、縮短周期、提高時(shí)效。

另外，增量更新后數(shù)據(jù)記錄了時(shí)效，在數(shù)據(jù)庫中形成了連續(xù)的時(shí)間軸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)歷史可回溯、各版本數(shù)據(jù)可提取、可統(tǒng)計(jì)，減少了數(shù)據(jù)冗余。

大比例尺1∶500地形圖按照省級統(tǒng)一技術(shù)規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)省市建庫要求，形成增量包可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)縮編處理，更新省級1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果，減少不同尺度數(shù)據(jù)不一致性，同時(shí)降低數(shù)據(jù)采集、更新成本。

4 結(jié)論

探索了省市縣聯(lián)動(dòng)增量更新模式，縮短了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新周期，通過變化發(fā)現(xiàn)、增量標(biāo)識等技術(shù)手段能夠掌握更新周期內(nèi)不同要素的變化量以及相同數(shù)據(jù)不同周期內(nèi)的變化量，降低了數(shù)據(jù)冗余度，打破傳統(tǒng)按比例尺分級管理、全要素調(diào)繪、按工序生產(chǎn)的模式，為湖南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新提供了可行的技術(shù)方法，提升信息化服務(wù)能力。