二維地理實體質(zhì)量特性分析

張 號 王 虹 王 煒 王 程

(自然資源部陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站, 陜西 西安 710054)

0 引言

2021年8月自然資源部發(fā)布了實景三維中國建設技術(shù)大綱,其中明確了地理實體的定義和類型,地理實體的生產(chǎn)兩種路徑和方法,為后續(xù)試點及大范圍實施提供了技術(shù)路線和指明了工作方向[1-3]。上海新型基礎測繪試點項目工作已在2020年9月完成了驗收,上海試點探索了以全新的技術(shù)手段進行地理實體的全息地理時空數(shù)據(jù)獲取、處理、建庫、管理和服務等研究,創(chuàng)新性地建立了基于地理實體的“智能化全息測繪”技術(shù)體系[4-5]。武漢市新型基礎測繪項目試點工作于2021年5月通過中期評估,武漢試點利用現(xiàn)有基礎測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換加工或通過(補充)采集的方式進行地理實體數(shù)據(jù)生產(chǎn),通過改造現(xiàn)有數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)映射、屬性編輯、圖元關(guān)聯(lián)等流程進行地理實體獲取[6-7]。寧夏新型基礎測繪項目試點于2021年6月完成了實施方案評審及取得了階段性成果。寧夏試點探索了地理實體的多級表達,構(gòu)建了以面向管理、應用需求等為目標的地理實體分類體系,完成了二維矢量的非城市區(qū)域地理實體生產(chǎn)。

目前，西安、山東、北京、陽泉、嘉興市(含嘉善縣)等地都在如火如荼地進行試點生產(chǎn),試點工作技術(shù)路線和研究重點不盡相同,都在地理實體分級、分類、粒度、精度等指標進行研究探索,為不同的城市級別、區(qū)域范圍、服務對象、行業(yè)應用探索了新路子,為建設新型基礎測繪體系、實景三維中國等工作目標任務打下了堅實的基礎,為更好地服務于自然資源管理、服務社會經(jīng)濟發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。本文通過介紹兩種方式生產(chǎn)的地理實體技術(shù)路徑,分析實體數(shù)據(jù)的要素構(gòu)成和特點,總結(jié)歸納二維實體化后數(shù)據(jù)的質(zhì)量特征及檢查要點,為后續(xù)地理實體成果質(zhì)量控制和評價奠定技術(shù)基礎。

1 已有DLG數(shù)據(jù)制作地理實體

地理實體生產(chǎn)的路徑之一是基于現(xiàn)有基礎地理信息數(shù)據(jù),進行幾何信息補償、語義信息轉(zhuǎn)換、重構(gòu)與整合、實體間關(guān)系處理等過程,獲取地理實體數(shù)據(jù)。本文以武漢試點為例,該項目以現(xiàn)存1∶500數(shù)字線劃地圖(digital line graphic,DLG)為數(shù)據(jù)基礎,通過相關(guān)專題數(shù)據(jù)信息支撐,進行實體化改造,具體技術(shù)流程如圖1所示[6,8-9]。

圖1 DLG轉(zhuǎn)換地理實體技術(shù)流程

1.1 數(shù)據(jù)源收集分析

收集整理用于轉(zhuǎn)換作業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)源及各類輔助參考數(shù)據(jù),并綜合分析各類數(shù)據(jù)集的特性,規(guī)劃好每一類數(shù)據(jù)最適宜的用途。具體數(shù)據(jù)源用途分析如表1所示。

表1 不同類型數(shù)據(jù)源功能分析

1.2 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要目的是建立生產(chǎn)作業(yè)的數(shù)據(jù)集,具體工作包括：源數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,主要進行拓撲檢查,統(tǒng)一數(shù)據(jù)的數(shù)學基礎,統(tǒng)一坐標系,對不同來源數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和坐標轉(zhuǎn)換,形成一套規(guī)范、規(guī)整的待轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)集。

1.3 地理實體方案配置

按地理實體數(shù)據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)規(guī)定,配置地理實體庫體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換地理實體對照表及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方案等。采用地理實體生產(chǎn)工具內(nèi)置的地理實體標準模板,或者進行自定義和修改模板,使之符合數(shù)據(jù)規(guī)定要求。

1.4 地理實體轉(zhuǎn)換編輯

地理實體轉(zhuǎn)換編輯是地理實體矢量數(shù)據(jù)的生產(chǎn)作業(yè)的核心環(huán)節(jié)。根據(jù)數(shù)據(jù)采集要求,自動/半自動化提取圖元信息,根據(jù)圖元信息,對照實體相關(guān)屬性進行編輯,對地理實體數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查,主要包括完整性、邏輯一致性、屬性精度、拓撲關(guān)系等進行檢查,合格后進行入庫,獲得地理實體數(shù)據(jù)庫。

2 地理場景生產(chǎn)地理實體

地理實體生產(chǎn)的路徑之二是基于傾斜攝影三維(three-dimensional,3D)模型、激光點云、手工模型(3D max模型)、影像等地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)[1-3,9],進行數(shù)預處理、圖元信息采集、圖元屬性賦值、質(zhì)量檢查、實體構(gòu)建等處理等過程,獲取地理實體數(shù)據(jù)。本文以西安試點為例,以傾斜模型和激光點云為數(shù)據(jù)源進行地理實體獲取,具體技術(shù)流程如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集和預處理

激光點云經(jīng)過去噪、分類、濾波、抽稀等過程與傾斜攝影模型進行配準、融合處理[10],獲得初始作業(yè)數(shù)據(jù)源。

2.2 圖元采集

按照數(shù)據(jù)規(guī)定要求,按照數(shù)據(jù)庫配準方案,進行點、線、面等根圖元、主體圖元、構(gòu)建圖元逐個采集,按圖層數(shù)據(jù)存放、屬性賦值。

2.3 數(shù)據(jù)檢查

對圖元信息進行屬性、完整性、拓撲關(guān)系、邏輯一致性等方面進行檢查,比對傾斜攝影模型數(shù)據(jù)檢查圖元相關(guān)信息采集的準確、完整性。

2.4 實體構(gòu)建

圖元是地理實體的管理單元,在轉(zhuǎn)化地理實體前,進行構(gòu)件圖元、主體圖元與對應的根圖元的關(guān)系構(gòu)建,并通過全局唯一標識符(globally unique identifier,GUID)進行根圖元與主體或構(gòu)件圖元的編組關(guān)聯(lián)。以每個編組關(guān)系下根據(jù)圖元的最小外包計算地理實體標識碼,并填入圖元屬性,把地理實體標識碼相同的圖元轉(zhuǎn)化成一條地理實體記錄,形成地理實體數(shù)據(jù)庫。

3 地理實體要素構(gòu)成、質(zhì)量特征及檢查內(nèi)容

3.1 地理實體要素構(gòu)成

地理實體主要由圖元(空間信息)、屬性(幾何信息、關(guān)系信息、時間信息)、編碼(標識信息)三個要素構(gòu)成[11-15]?？臻g信息主要描述地理實體的空間特征,如位置、大小、形狀、范圍、分布、走向、高度、深度等,通常抽象為具體的幾何圖形來表示,可以是點、線、面、體;屬性信息主要描述地理實體本體的特征、特點,是實體之間個體差異的本質(zhì)區(qū)別,如長度、面積、類型、材質(zhì)、用途、狀態(tài)、等級、權(quán)屬等;關(guān)系信息主要包括描述地理實體邏輯構(gòu)成關(guān)系的組成關(guān)系、依存關(guān)系、層次關(guān)系,描述地理實體之間空間特征關(guān)系的拓撲關(guān)系、距離關(guān)系、方位關(guān)系;時間信息主要描述地理實體的產(chǎn)生、存續(xù)、消亡的時間。產(chǎn)生時間指地理實體首次發(fā)現(xiàn)、記錄的時間或發(fā)布的時間,存續(xù)時間指地理實體在存續(xù)期間不同狀態(tài)的記錄時間,消亡時間指地理實體的滅失、消亡的時間;標識信息主要指用于區(qū)分個體之間身份的信息,包括地理實體的身份編碼、名稱、地址、編號等,身份編碼是地理實體身份標識的主要方式,是按照一定規(guī)則,由程序自動生成,并賦予特定地理實體。身份編碼具有唯一性,是區(qū)別地理實體的重要屬性,地理實體的名稱、地址、編號是地理實體身份標識的有效補充,是實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、人文等不同行業(yè)之間地理信息鏈接、融合的重要依據(jù)。

圖2 地理場景生產(chǎn)地理實體技術(shù)流程

3.2 地理實體質(zhì)量表現(xiàn)特征

地理實體應結(jié)合應用需求確定合適的精度、粒度,真實、準確地表達實體的特征信息,地理實體在不同的情況下有不同的可視化表現(xiàn)形式,可以是點、線、面、體,或者照片、影像、點云、文字等,根據(jù)實際需求采用的一種對實體的表現(xiàn)形式。地理實體采集應保證分類正確、幾何類型和拓撲關(guān)系正確,屬性、時間和關(guān)系信息準確、完整。地理實體在采集、編輯過程中,不得錯漏、重復、移位、變形,同一中類地理實體之間不應存在重疊、壓蓋,不同中類實體空間范圍有重疊時,不得平移避讓、綜合取舍;同一地理實體的身份編碼應唯一。

采用已有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和地理場景兩種方式生產(chǎn)二維地理實體關(guān)鍵步驟均包括以下幾個方面：圖形(圖元)繪制,屬性賦值,跨圖層合并,線切割,按線構(gòu)面、提取中心線、線續(xù)采、構(gòu)建外包面、實體關(guān)系構(gòu)建、處理等過程[6]。

根據(jù)地理實體上述生產(chǎn)流程及實體要素構(gòu)成,對成果產(chǎn)生的質(zhì)量的影響因素分析,總結(jié)歸納以下幾方面質(zhì)量特征表現(xiàn)形式,其質(zhì)量檢查要點應包括以下內(nèi)容：數(shù)學精度(空間參考系、平面精度、高程精度)、完整性(所有圖元應貼合傾斜模型采集,確保采集過程做到無錯漏、不變形、不移位,應保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性,要素采集齊全性、準確性)、邏輯一致性(圖元、圖層、符號應表達正確,地物、地貌各圖元,應主次分明、線條清晰、位置準確、交接清楚)、拓撲關(guān)系(采集的數(shù)據(jù)進行編輯,應保證線條光滑,嚴格相接,不得有多余懸掛點和偽節(jié)點;不存在面線不符、重復線、重復點(坐標重復)等邏輯拓撲問題,面層全圖應無縫覆蓋,部分圖層面圖元可以合理重疊、空間關(guān)系(無意義的線條、符號均不采集,確保矢量數(shù)據(jù)能正確的映射到實際存在的地物實體上)、屬性正確性(屬性項、屬性內(nèi)容、屬性值賦值、填寫正確性)、關(guān)聯(lián)關(guān)系(實體間依存關(guān)系、層次關(guān)系正確合理)。

3.3 地理實體質(zhì)量檢查內(nèi)容

根據(jù)地理實體質(zhì)量表現(xiàn)特征,成果質(zhì)量檢查應包括以下主要內(nèi)容：

(1)數(shù)學精度。檢查實體數(shù)據(jù)的坐標系與設計要求是否一致,已有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中地理實體的平面、高程精度是否有損失,新采集的圖形(圖元)角點、拐點采集是否準確合理,房屋實體邊線是否移位等。

(2)完整性。地理實體數(shù)據(jù)分層應正確,無遺漏層、多余層或重復層的現(xiàn)象;實體基本屬性項、專有屬性項應無多余、遺漏現(xiàn)象,實體數(shù)據(jù)無多余、遺漏現(xiàn)象,如道路、河流未構(gòu)面,表示不完整等。

(3)邏輯一致性。檢查地理實體分類碼與實體數(shù)據(jù)是否一致;檢查圖元編碼、圖元名稱與實體數(shù)據(jù)是否一致;檢查數(shù)據(jù)的產(chǎn)生時間是否合理,產(chǎn)生時間不晚于存續(xù)時間、生產(chǎn)時間不晚于消亡時間,存續(xù)時間不晚于消亡時間。

(4)拓撲關(guān)系。檢查除水系、交通、院落圖層外,其他同一圖層間數(shù)據(jù)不能存在重疊、相交的情況; 檢查線圖層,不能存在懸掛點、偽節(jié)點、自重疊、自相交等情況,線節(jié)點距離必須大于聚合閾值;檢查面圖形,不能存在復雜面、自相交、空洞等情況,面、線節(jié)點距離必須大于聚合閾值;檢查單圖層與多圖層間的拓撲關(guān)系是否合理,包括點和面的覆蓋、線和面的重疊相交、面與其他面重疊、面之間存在空隙。

(5)表征質(zhì)量。檢查房屋實體空間圖形合并是否合理;實體中線、面類要素對象的邊界應由直線、折線、圓弧等基本圖形要素組成,線狀實體應表示光滑、自然、節(jié)點密度適中,應無折刺、回頭線、粘連、抖動、變形扭曲等現(xiàn)象,檢查院落實體空間范圍是否合理;檢查城市道路實體空間范圍、空間立體關(guān)系是否合理。

(6)屬性精度。檢查圖層名稱、圖層中屬性字段的數(shù)量和屬性字段名稱、類型、長度、約束條件、小數(shù)位數(shù)是否符合數(shù)據(jù)規(guī)定要求;檢查屬性字段的值是否符合規(guī)定的值域范圍;地理實體分類碼、地理實體標識碼、產(chǎn)生(測取)時間、存續(xù)時間、字段不能為空;地理實體標識碼不能重復等。

(7)關(guān)聯(lián)關(guān)系。檢查地理實體組成的包含、依存、附屬關(guān)系是否正確。 如實體關(guān)系記錄中的下級實體和上級實體是否存在;實體關(guān)系表是否存在重復的記錄;道路實體中包含路段與路口實體關(guān)系是否正確。

4 結(jié)束語

本文主要從二維地理實體兩種方式生產(chǎn)的技術(shù)路徑,只對小區(qū)域試驗數(shù)據(jù)總結(jié)歸納了地理實體的要素構(gòu)成和生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)影響成果的質(zhì)量因素,提出了二維地理實體成果質(zhì)量控制的幾個要點,在后續(xù)實踐中應對提出的質(zhì)量元素是否能完整、準確地評價地理實體成果質(zhì)量還有待大量試驗和驗證,未來也應對三維地理實體、二維三維地理實體關(guān)聯(lián)、二維實體轉(zhuǎn)換三維實體、地理實體數(shù)據(jù)更新等方面進行研究,后續(xù)也需擴大不同比例尺地理信息數(shù)據(jù)實體化改造范圍和多源數(shù)據(jù)融合制作地理實體數(shù)據(jù)的試驗探索,可為今后地理實體數(shù)據(jù)成果質(zhì)量評定、過程質(zhì)量控制相關(guān)技術(shù)標準制定及測繪地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮積極的作用。