基于存量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)地理實(shí)體設(shè)計(jì)與生產(chǎn)研究

管 佳,閆保銀,孫在宏,2

(1.南京國圖信息產(chǎn)業(yè)有限公司,江蘇 南京 210036;2.南京師范大學(xué),江蘇 南京 210023)

0 引 言

隨著新型基礎(chǔ)測繪與實(shí)景三維中國建設(shè)的提出,測繪地理信息行業(yè)越來越多的研究重心投入到實(shí)景三維建設(shè)中。實(shí)景三維作為數(shù)字中國的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),其生產(chǎn)包括地理場景和地理實(shí)體兩者的生產(chǎn)。目前DEM、DOM、激光雷達(dá)點(diǎn)云、傾斜三維模型等地理場景的生產(chǎn)繼承了原有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,而地理實(shí)體的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、采集規(guī)范、技術(shù)方法等尚未成熟,導(dǎo)致實(shí)景三維建設(shè)出現(xiàn)了“重場景,輕實(shí)體”的生產(chǎn)傾斜?；A(chǔ)地理實(shí)體是地理實(shí)體中通過基礎(chǔ)測繪采集和表達(dá)的實(shí)體,因此本文對基礎(chǔ)地理實(shí)體構(gòu)建開展了深入研究?；A(chǔ)地理實(shí)體的生產(chǎn)有兩種方式:① 通過存量基礎(chǔ)地理信息要素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn);② 依據(jù)DEM、傾斜三維模型等地理場景數(shù)據(jù)重新采集。本文圍繞第一種生產(chǎn)方式研究了基于存量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)基礎(chǔ)地理實(shí)體的技術(shù)路線和方法。

1 基礎(chǔ)地理實(shí)體設(shè)計(jì)

由于缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、采集規(guī)范等指導(dǎo),在基礎(chǔ)地理實(shí)體生產(chǎn)前,首先進(jìn)行基礎(chǔ)地理實(shí)體相關(guān)設(shè)計(jì),通過概念模型、物理模型、語義化、結(jié)構(gòu)化等設(shè)計(jì)構(gòu)建了基礎(chǔ)地理實(shí)體的生產(chǎn)基礎(chǔ)。

1.1 概念模型設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)體的自然形態(tài)和表達(dá)形式,在傳統(tǒng)二維平面形式的基礎(chǔ)上增加了可視化更強(qiáng)的三維空間體的形式,設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)地理實(shí)體“一體多維”的概念模型,即每個(gè)基礎(chǔ)地理實(shí)體可同時(shí)由多個(gè)二維圖元(點(diǎn)、線、面圖元)及三維圖元(立體圖元)構(gòu)成。實(shí)體與實(shí)體之間也存在相同圖元構(gòu)成的情況。

1.2 物理模型設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)體構(gòu)建需要,設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)地理實(shí)體“兩層三表”的物理模型(圖1)?！皟蓪印笔菆D元現(xiàn)狀層和圖元?dú)v史層,分別記錄現(xiàn)狀圖元和歷史圖元的幾何屬性和空間信息;“三表”是實(shí)體屬性表、實(shí)體關(guān)系表、實(shí)體圖元關(guān)聯(lián)表,分別記錄基礎(chǔ)地理實(shí)體的屬性信息、實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系信息、實(shí)體與圖元之間的關(guān)聯(lián)信息[1]。

圖1 “兩層三表”物理模型

實(shí)體設(shè)有實(shí)體標(biāo)識(shí)碼,通過實(shí)體的“專有標(biāo)識(shí)域+標(biāo)準(zhǔn)域+擴(kuò)展域”三段式構(gòu)成,對實(shí)體進(jìn)行唯一身份標(biāo)識(shí);圖元設(shè)有圖元標(biāo)識(shí)碼,是在基礎(chǔ)地理實(shí)體的類別編碼上結(jié)合圖元的行政單元、精度等級(jí)、幾何類型等,對圖元進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。實(shí)體與構(gòu)成該實(shí)體的圖元之間通過標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行關(guān)聯(lián),存在一對一或一對多的關(guān)系,如一個(gè)路燈實(shí)體由一個(gè)路燈圖元構(gòu)成,一個(gè)房屋實(shí)體由房屋主體圖元和陽臺(tái)、柱廊等構(gòu)件圖元共同構(gòu)成。

1.3 語義化設(shè)計(jì)

語義化設(shè)計(jì)包括屬性設(shè)計(jì)和關(guān)系設(shè)計(jì)(圖2)。屬性設(shè)計(jì)根據(jù)圖元和實(shí)體的表達(dá)需要均設(shè)計(jì)了基本屬性和擴(kuò)展屬性。圖元基本屬性設(shè)有圖元標(biāo)識(shí)碼、圖元名稱、采集時(shí)間、幾何來源、屬性來源、圖元類型等,圖元擴(kuò)展屬性按照不同的類別設(shè)有對應(yīng)的屬性,如道路設(shè)有道路編號(hào)、技術(shù)等級(jí)、鋪設(shè)材料、車道數(shù)等。實(shí)體基本屬性設(shè)有實(shí)體標(biāo)識(shí)碼、實(shí)體分類代碼、實(shí)體名稱、采集時(shí)間等,實(shí)體擴(kuò)展屬性按實(shí)體類別不同設(shè)有不同的屬性,如河流設(shè)有起點(diǎn)、訖點(diǎn)、通行性質(zhì)、等級(jí)、功能等。實(shí)體關(guān)系沿用國家標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)體之間的四大關(guān)系:空間關(guān)系、類屬關(guān)系、時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系和幾何構(gòu)成關(guān)系[2]。

圖2 語義化設(shè)計(jì)

1.4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

實(shí)體采集時(shí),優(yōu)先采集建筑物、交通、水系三大實(shí)體,再采集其他實(shí)體,優(yōu)先級(jí)為建筑物>交通>水系>其他實(shí)體。建筑物實(shí)體依據(jù)建筑物的獨(dú)立屬性或完整功能來劃分,應(yīng)包括房屋主體圖元和陽臺(tái)、門頂?shù)葮?gòu)件圖元。交通實(shí)體設(shè)計(jì)了鐵路、高速公路、城市道路、內(nèi)部道路、鄉(xiāng)村道路等不同類別的圖元采集方式。水系實(shí)體在空間上連續(xù)分布,不因道路、橋梁等打斷,河流實(shí)體應(yīng)提取連通交叉口。

2 基礎(chǔ)地理實(shí)體生產(chǎn)

2.1 數(shù)據(jù)提取和轉(zhuǎn)換

收集最新基礎(chǔ)地理信息要素(大比例尺地形圖)及國土變更調(diào)查數(shù)據(jù),按基礎(chǔ)地理實(shí)體與基礎(chǔ)地理信息要素之間的映射關(guān)系、國土變更調(diào)查各類型與農(nóng)林用地及土質(zhì)單元實(shí)體之間的映射關(guān)系,分別提取不同類型的圖元[3]。但原基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集時(shí)側(cè)重于圖面表達(dá),導(dǎo)致組成要素是分散的、孤立的,按照對照關(guān)系映射轉(zhuǎn)換后,需按各類基礎(chǔ)地理實(shí)體的空間粒度、空間表達(dá)形式進(jìn)行編輯處理。

2.2 圖元編輯

圖元編輯是將基礎(chǔ)地理信息要素中無法直接轉(zhuǎn)換成基礎(chǔ)地理實(shí)體圖元的要素,按基礎(chǔ)地理實(shí)體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)要求,通過數(shù)據(jù)處理得到能夠真實(shí)完整表達(dá)基礎(chǔ)地理實(shí)體的位置、范圍和形態(tài)的圖元。圖形編輯處理主要包括圖形勾繪、按屬性合并、跨圖層合并、線轉(zhuǎn)面、提取中心線/點(diǎn)、面合并、面分割等方式[4]。

2.2.1 建筑物實(shí)體

主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立的房屋單獨(dú)構(gòu)建房屋實(shí)體,即能夠獨(dú)立標(biāo)識(shí)房屋外輪廓的封閉多邊形。房屋相關(guān)的陽臺(tái)、檐廊、門頂?shù)茸鳛楦綄贅?gòu)件圖元共同構(gòu)成房屋實(shí)體(圖3)。房屋相連但屬于不同權(quán)屬時(shí)應(yīng)分別構(gòu)面(圖4)。房屋由多個(gè)圖元組成且不同圖元的層數(shù)或建筑結(jié)構(gòu)不相同時(shí),提取外輪廓面作為房屋實(shí)體面,層數(shù)和建筑結(jié)構(gòu)以最高房屋為準(zhǔn)。

圖3 房屋的主體和構(gòu)件圖元

圖4 相連但權(quán)屬不同的房屋

2.2.2 交通實(shí)體

按照道路名稱及起止點(diǎn),利用道路邊線進(jìn)行構(gòu)面處理,對于按照中心線采集的,利用道路寬度進(jìn)行緩沖構(gòu)面處理。城際公路和城市道路在道路拐角處打斷并提取道路連通交叉口(圖5-圖6);城市輔路不打斷不提取交叉口,只保持圖元連續(xù);內(nèi)部道路根據(jù)線要素構(gòu)面,并保持圖元連續(xù);鄉(xiāng)村道路在分叉處打斷、不提取連通交叉口。鐵路路面在分叉處打斷、不提取連通交叉口;高速公路路面存在空間交叉、立面相交,提取匝道進(jìn)行連通[5-6]。

圖5 提取道路連通交叉口(前)

圖6 提取道路連通交叉口(后)

2.2.3 水系實(shí)體

水系圖元保持連通性,如河流遇到橋梁不打斷,河流和橋梁是空間上的立交,分別提取各自的圖元;河流與河流相交時(shí),河流圖元應(yīng)在交匯處斷開,提取連通交叉口(圖7-圖8),連通交叉口錄入對應(yīng)的所有交匯河流的屬性。溝渠只需要在分叉處打斷,不需要提取交叉口。

圖7 提取河流連通交叉口(前)

圖8 提取河流連通交叉口(后)

2.3 屬性編輯

屬性編輯是按照基礎(chǔ)地理實(shí)體的語義化設(shè)計(jì)要求,結(jié)合各類輔助數(shù)據(jù)得到能夠真實(shí)、完整表達(dá)地理實(shí)體的語義、時(shí)間、應(yīng)用等各方面特征的屬性數(shù)據(jù)。屬性編輯主要有兩種:一種為手動(dòng)賦值,一種是批量屬性掛接,即屬性復(fù)制或使用屬性映射等工具進(jìn)行快速、自動(dòng)批量賦值。

建筑物實(shí)體繼承房屋要素?cái)?shù)據(jù)的層數(shù)、幢號(hào)、房屋結(jié)構(gòu)等信息,同時(shí)參考地名地址數(shù)據(jù)、權(quán)籍調(diào)查數(shù)據(jù)核準(zhǔn)和補(bǔ)充房屋的地址信息。交通實(shí)體依據(jù)交通專題數(shù)據(jù),逐條核查道路的起訖點(diǎn)、走向等空間信息及名稱、編碼等屬性信息。河流實(shí)體依據(jù)權(quán)威名錄資料逐一核對河流的起訖點(diǎn)、走向、名稱、等級(jí)、長度等信息,參考水利普查、確權(quán)劃界、河長制數(shù)據(jù)等水利行業(yè)資料進(jìn)行補(bǔ)充。

2.4 標(biāo)識(shí)碼賦值

經(jīng)編輯處理、屬性賦值后,對圖元進(jìn)行編碼,通過圖元標(biāo)識(shí)碼對圖元進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。將圖元與基礎(chǔ)地理實(shí)體之間的關(guān)系存儲(chǔ)在實(shí)體圖元關(guān)聯(lián)表中,通過實(shí)體圖元關(guān)聯(lián)表中圖元標(biāo)識(shí)碼和實(shí)體標(biāo)識(shí)碼間的對應(yīng)關(guān)系,將實(shí)體對應(yīng)的所有圖元提取,實(shí)現(xiàn)實(shí)體表達(dá)。

2.5 實(shí)體關(guān)系構(gòu)建

2.5.1 關(guān)系構(gòu)建

基于知識(shí)圖譜,結(jié)合影像和其他專題資料,建立實(shí)體關(guān)系表,構(gòu)建實(shí)體間關(guān)系。利用知識(shí)圖譜圖數(shù)據(jù)庫形式來存儲(chǔ)基礎(chǔ)地理實(shí)體關(guān)系、實(shí)體圖元關(guān)系等關(guān)系數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)人機(jī)兼容理解的目的,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的快速查詢、快捷分析。實(shí)體關(guān)系主要有依賴、連通、整部、相鄰等,常見的實(shí)體關(guān)系示例如表1所示。

表1 實(shí)體關(guān)系示例

2.5.2 實(shí)體組合

組合實(shí)體是把一定范圍內(nèi)擁有相同管理權(quán)屬、在空間上保持連續(xù)的地理實(shí)體組合起來表達(dá)的實(shí)體。利用實(shí)體關(guān)系表存儲(chǔ)組合實(shí)體與組成部分的單個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系,通過關(guān)系索引直接將單個(gè)實(shí)體組合成組合實(shí)體。構(gòu)建組合實(shí)體的方式有按空間、按屬性、按關(guān)鍵字3種方式[7]。如院落按空間關(guān)系將院落內(nèi)的房屋、圍墻、柵欄、內(nèi)部道路、綠地、水系、附屬設(shè)施等地理實(shí)體提取構(gòu)建實(shí)體(圖9-圖10);道路按相同的道路編碼屬性將被其他實(shí)體打斷的公路組合成一個(gè)實(shí)體;多個(gè)實(shí)體的某一屬性具有相同的關(guān)鍵字,可進(jìn)行關(guān)鍵字模糊查詢并提取對應(yīng)實(shí)體。

圖9 院落內(nèi)的房屋、綠地、內(nèi)部道路

圖10 院落實(shí)體

2.6 二三維實(shí)體關(guān)聯(lián)

二維形式表達(dá)的地理實(shí)體生產(chǎn)完成后,通過地理實(shí)體標(biāo)識(shí)碼,將三維體圖元與二維地理實(shí)體一一關(guān)聯(lián)。每個(gè)二維地理實(shí)體都有對應(yīng)的體圖元,體圖元具備對應(yīng)地理實(shí)體的標(biāo)識(shí)碼,通過標(biāo)識(shí)碼作為連接的橋梁,可自動(dòng)批量完成二維地理實(shí)體與三維體圖元的關(guān)聯(lián)融合,生成二三維形式表達(dá)的地理實(shí)體,實(shí)現(xiàn)二三維實(shí)體關(guān)聯(lián)。

3 結(jié) 語

本文通過基礎(chǔ)地理實(shí)體設(shè)計(jì)為實(shí)體生產(chǎn)奠定基礎(chǔ),探索了利用存量基礎(chǔ)地理信息要素生產(chǎn)基礎(chǔ)地理實(shí)體的技術(shù)方法,對基礎(chǔ)地理實(shí)體生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換、圖元編輯、屬性編輯、標(biāo)識(shí)碼賦值、實(shí)體關(guān)系構(gòu)建、二三維實(shí)體關(guān)聯(lián)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討。充分利用存量基礎(chǔ)地理信息要素?cái)?shù)據(jù)來進(jìn)行生產(chǎn),能夠提高實(shí)體生產(chǎn)工作效率,節(jié)約生產(chǎn)成本。