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      空間數(shù)據(jù)庫更新模式、技術(shù)與方法

      2011-03-31 18:49:10白立舜李進(jìn)強
      城市勘測 2011年6期
      關(guān)鍵詞:增量期刊數(shù)據(jù)庫

      白立舜,李進(jìn)強

      (1.北京清華山維新技術(shù)開發(fā)公司,北京 100086;2.閩江學(xué)院地理科學(xué)系,福建福州 350108)

      由于現(xiàn)實世界空間實體及其相互關(guān)系隨時間不斷發(fā)生變化,使地理空間數(shù)據(jù)庫的持續(xù)更新既是一項長期艱巨任務(wù),又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它不僅涉及空間信息管理體制、經(jīng)費來源等問題,而且還涉及一系列與初始建庫不同的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)問題,更新技術(shù)是目前公認(rèn)的一個普遍性的難題。

      1 空間數(shù)據(jù)庫更新面臨的形勢和任務(wù)

      1.1 空間數(shù)據(jù)庫更新面臨的形勢

      據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,全球地形圖的更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其生產(chǎn)速度。就連美國這樣的超級大國,其測繪部門生產(chǎn)的5.5萬多幅地圖中也有不少地形圖的平均年齡為23年。

      目前國內(nèi)空間信息在資源調(diào)查、城市規(guī)劃管理、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防治等各項工作中已發(fā)揮重要作用,并成為行政管理、業(yè)務(wù)管理與決策工作中不可或缺的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但空間信息產(chǎn)品的時效性滯后于現(xiàn)實發(fā)展變化的矛盾日益突出,即使在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份,也只有5年更新周期的1∶10000地形圖,一到兩年更新周期的城市大比例尺地形圖,顯然難以滿足資源調(diào)查、交通建設(shè)、災(zāi)害防治、城市建設(shè)與管理等方面應(yīng)用的要求。例如:只有準(zhǔn)實時更新的1∶500~1∶1000基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)才能滿足規(guī)劃審批、房產(chǎn)發(fā)證、宗地確權(quán)等業(yè)務(wù)要求。

      以上表明:對空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持續(xù)更新、以保持空間數(shù)據(jù)庫中的信息與現(xiàn)實存在的一致性,已成為世界各國政府測繪部門的長期重要使命。

      1.2 空間數(shù)據(jù)庫更新的主要任務(wù)

      空間數(shù)據(jù)庫更新的主要任務(wù)是:綜合地利用各種來源的現(xiàn)勢資料,如最新航空航天影像、專題調(diào)查數(shù)據(jù)、竣工實測數(shù)據(jù)等,確定和測定一定范圍內(nèi)基礎(chǔ)地理要素,如道路、水系、居民地、地形、地名、行政界線等的位置變化及屬性變化[1],對原有數(shù)據(jù)庫要素進(jìn)行增刪、替換、關(guān)系協(xié)調(diào)等處理,生成新版數(shù)據(jù)體,并更新用戶數(shù)據(jù)庫。

      2 國內(nèi)外空間數(shù)據(jù)庫更新技術(shù)發(fā)展動態(tài)

      近幾年,一些發(fā)達(dá)國家的測繪部門已將工作重點從數(shù)據(jù)建庫轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)更新與應(yīng)用上,目前圍繞“更新”這一主題的研究已從初步的理論探索進(jìn)入到實踐階段。

      美國地質(zhì)調(diào)查局測繪部從2001年開始計劃建立近實時數(shù)據(jù)更新機制,將數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性保持在幾天或數(shù)月之內(nèi)。英國軍械測量局根據(jù)其實際情況,建立了推掃式和散點式相結(jié)合的更新機制。日本采用基于柵格的更新方法,先更新1∶2.5萬地形圖,再用1∶2.5萬圖更新1∶5萬圖,城市地區(qū)每3年更新一次,郊區(qū)每5年更新一次,山區(qū)每10年更新一次。加拿大測繪署地形信息中心2001年啟動了一項利用Landsat-7影像更新1∶5萬地形數(shù)據(jù)的計劃,每年使用Landsat-7影像更新1000幅以上地形數(shù)據(jù)。

      我國一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的省、市在建立更新機制、利用遙感影像獲取變化信息、歷史數(shù)據(jù)存取、增量更新、多尺度級聯(lián)更新等方面進(jìn)行了許多有益的嘗試,并取得一定成效。浙江省測繪局在2006年~2007年已完成1∶10000地形圖快速更新試驗,并已開始規(guī)模性試生產(chǎn)。北京市[2]、廣州市、上海市從2007年開始1∶500城市空間數(shù)據(jù)庫增量更新試驗,目前已逐步形成了各自地方特色的更新模式。2008年北京清華山維公司推出了基于時態(tài)的動態(tài)更新軟件EPSW 2008,上海市、重慶市、福州市[3]、宜昌等城市正在使用中。

      3 空間數(shù)據(jù)庫更新模式分析

      對于空間數(shù)據(jù)庫,一要進(jìn)行及時更新以保持其生命力,否則就是一個“死庫”;二是要進(jìn)行應(yīng)用開發(fā),以充分挖掘它的價值。前者屬于數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門的工作范疇,十分看重采集更新工藝流程的連貫性,這個直接面向更新生產(chǎn)的空間數(shù)據(jù)庫稱之為“主數(shù)據(jù)庫”。

      后者屬于管理和應(yīng)用部門的工作范疇,看重的是現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析與使用,他們一方面希望數(shù)據(jù)庫是最新的,另一方面要求保持一定的面對應(yīng)用的專用性與穩(wěn)定性。如果針對一個集中數(shù)據(jù)庫要求同時負(fù)擔(dān)完成更新與應(yīng)用兩個方面的工作,顯然是不盡合理,也沒必要。也就是實踐上必須將應(yīng)用數(shù)據(jù)庫與生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫相分離,這個面向應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)庫稱之為“用戶數(shù)據(jù)庫”。

      3.1 主數(shù)據(jù)庫更新模式

      (1)整體更新

      目前的空間數(shù)據(jù)更新采用的主要方式是對空間數(shù)據(jù)庫有效范圍內(nèi)發(fā)生變化的某區(qū)域進(jìn)行的整體更新,更新區(qū)域可以是行政區(qū)單元,自然分割的網(wǎng)格區(qū)域或一個圖幅。這種方法,都是以分塊為單位進(jìn)行的新舊數(shù)據(jù)整體替換,忽略區(qū)域內(nèi)已變要素與未變要素的差異。

      整體更新的主要優(yōu)點按一定區(qū)域(或大或小)將空間數(shù)據(jù)庫化整為零,生產(chǎn)組織與管理比較方便,技術(shù)工藝比較簡單容易掌握。但難以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新(特別是區(qū)域劃分較大時),也不利于歷史數(shù)據(jù)保留,或者為保存歷史版本產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)冗余。

      (2)增量更新

      空間數(shù)據(jù)更新的實質(zhì)是空間實體狀態(tài)改變的過程,因此空間數(shù)據(jù)更新不是簡單區(qū)域替換。近年來業(yè)界提出“增量更新”[4]更新模式。它采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型存儲空間要素,空間實體相互獨立而完整(實體之間拓?fù)潢P(guān)系是隱含存在的,一般在分析時臨時建立),原則上對單個實體增加、刪除、修改不影響其他要素實體,因此歷史數(shù)據(jù)只需要保留發(fā)生變化的要素(即增量信息)。

      “增量更新”較好地解決了空間實體的動態(tài)更新和歷史信息存儲問題,是今后的發(fā)展方向,但技術(shù)比較復(fù)雜,存在一定的技術(shù)風(fēng)險。

      (3)多尺度級聯(lián)更新

      多尺度級聯(lián)更新技術(shù)是利用基礎(chǔ)大比例尺數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新次級比例尺數(shù)據(jù),迅速建立不同比例的金字塔結(jié)構(gòu)。理想的境界是系統(tǒng)自動處理后直接使用,不需要任何人工干預(yù)。由于制圖綜合的復(fù)雜性,目前尚處于半自動化水平,完全自動化級聯(lián)更新技術(shù)存在許多技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究。

      3.2 用戶數(shù)據(jù)庫更新模式

      (1)同構(gòu)數(shù)據(jù)庫更新

      由于技術(shù)和歷史的原因,一個城市(或區(qū)域)各應(yīng)用領(lǐng)域無法共享一個空間數(shù)據(jù)庫,往往是各部門為滿足各自的需要都有自己獨立運行的空間數(shù)據(jù)庫。同構(gòu)用戶數(shù)據(jù)庫可以看做是各應(yīng)用領(lǐng)域(規(guī)劃/國土/房地產(chǎn)/交通/市政等)同時使用多個空間數(shù)據(jù)庫副本,或者雖然數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)上有所不同,但邏輯上遵循統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

      同構(gòu)數(shù)據(jù)庫更新,可在主數(shù)據(jù)庫更新完成后,用主數(shù)據(jù)庫整理好的更新信息對用戶數(shù)據(jù)庫副本的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行更新。如果主數(shù)據(jù)庫采用增量更新,則可以通過網(wǎng)絡(luò)、建立主數(shù)據(jù)庫和各用戶數(shù)據(jù)庫之間的增量更新管道,向各用戶數(shù)據(jù)庫發(fā)送增量更新信息(通??蓺w納為:增加/刪除/修改三類),用戶數(shù)據(jù)庫收到增量信息后啟動“同步程序”達(dá)成增量更新的同步,這種同步也可在非工作時間自動調(diào)度完成,不影響數(shù)據(jù)庫應(yīng)用,這是本文建議的一種形式。

      (2)異構(gòu)用戶數(shù)據(jù)庫

      如果使各行業(yè)用戶數(shù)據(jù)庫都能夠保持同構(gòu)狀態(tài),顯然用戶數(shù)據(jù)庫的更新問題將極大簡化,但實際上幾乎找不到這樣的城市,往往由于條塊分割、各自為政、GIS提供商激烈競爭等原因,使得異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫普遍存在(例如:DWG 庫、MapInfo、SupperMap、MapGIS、GeoStar等等),即使使用相同GIS平臺軟件,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也常常不一樣。

      如果用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)差異太大,通過數(shù)據(jù)的二次加工使之符合用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可能是主數(shù)據(jù)庫提供更新信息的唯一途徑。事實上,早期由于缺乏對空間信息更新的長期性與艱巨性的認(rèn)識,以前很多行業(yè)數(shù)據(jù)庫建庫就是這樣做的。

      如果用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)在信息語義層面上能夠基本保持一致,則可望通過“信息映射”(EPS2008的跨要素類型轉(zhuǎn)換技術(shù))技術(shù)對主數(shù)據(jù)庫的更新信息進(jìn)行映射變換,達(dá)成同構(gòu)數(shù)據(jù)庫相同的效果,從而降低對用戶數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求,最大限度兼容已經(jīng)存在的歷史數(shù)據(jù)。

      4 空間數(shù)據(jù)庫更新的關(guān)鍵技術(shù)與方法

      (1)基于時態(tài)的增量更新技術(shù)

      GIS所描述的現(xiàn)實世界是隨時間連續(xù)變化的,但當(dāng)空間對象隨時間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關(guān)緊要時,可以采用離散的“數(shù)據(jù)更新”方式來處理時間變化的影響。

      EPS2008正是借鑒這一時態(tài)GIS思想,將時間屬性作為空間對象必須的基本屬性,在時間維上,將無序的更新業(yè)務(wù),統(tǒng)一成先后有序的更新事件,妥善解決了更新沖突問題。同時采用增量方式管理歷史數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)冗余小,信息記錄全,支持歷史回溯與動態(tài)回放。實現(xiàn)了基于時態(tài)的增量更新,允許離線狀態(tài)下的多個更新業(yè)務(wù)的相互獨立進(jìn)行[5]。

      主要技術(shù)難點包括:時間參考系(更新平臺支持空間實體的時間屬性)、更新事件管理、沖突檢測與處理、歷史回溯等。

      (2)信息映射技術(shù)

      “信息映射機制”通過語義級自動映射,使分布異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫自動更新成為可能。EPS“信息映射技術(shù)”是國家自然科學(xué)基金項目研究成果,通過模板實現(xiàn)映射關(guān)系定制,即在模板中設(shè)置不同系統(tǒng)中基本信息單元的對應(yīng)關(guān)系,這種關(guān)系可以是一對一,也可以是一對多。不同信息之間“信息映射”通過打散、拆分、過濾及重組等方式實現(xiàn),最終實現(xiàn)跨平臺的、異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)對接。

      (3)GIS環(huán)境下動態(tài)符號化

      如何避免外業(yè)數(shù)據(jù)更新采集平臺與GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間差異,是消除異構(gòu)性危害的重要環(huán)節(jié)。

      《理化檢驗-化學(xué)分冊》為國內(nèi)理化檢驗行業(yè)權(quán)威期刊,已被列為中文核心期刊、中國期刊方陣雙效期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫收錄期刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊、美國《CA》千種表收錄期刊、英國皇家化學(xué)學(xué)會《分析文摘》(AA)及《質(zhì)譜學(xué)通報(增補)》(MPBS)收錄期刊、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)和中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫收錄期刊。曾多次獲得上海市優(yōu)秀期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊和“百種中國杰出學(xué)術(shù)期刊”等稱號。

      EPS2008系統(tǒng)采用了支持統(tǒng)一模版的GIS控件技術(shù)(ArcSym I),使存儲為GIS數(shù)據(jù)的信息與圖形保持統(tǒng)一,從而建立了外業(yè)更新采集平臺與數(shù)據(jù)庫管理平臺的快速通道。與其他方案[6](數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等)相比,外業(yè)、內(nèi)業(yè)和地理信息系統(tǒng)不存在轉(zhuǎn)換,只存在轉(zhuǎn)儲,因此更加符合信息化思想。

      (4)智能化地圖縮編技術(shù)

      EPS智能縮編技術(shù):大量應(yīng)用了EPS信息映射技術(shù),從而使復(fù)雜的工作簡化,自動化程度很高,目前效率已達(dá)同類產(chǎn)品的3倍左右。人工的工作基本局限在處理注記壓蓋等細(xì)節(jié),因此有時,一些小比例數(shù)據(jù),也可自動處理后直接入庫,不做任何人工工作,直接使用。

      (5)更新管道技術(shù)

      更新管道是連接主數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫的橋梁,包括主數(shù)據(jù)庫端“信息發(fā)送器”,用戶數(shù)據(jù)庫端“信息接收器”,“更新同步器”三個組成部分。在Windows消息隊列的驅(qū)動下,實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)庫同步更新的自動化。

      5 結(jié)論與展望

      綜上所述,可以歸納如下結(jié)論:

      (2)在難以共享一個集中式空間數(shù)據(jù)庫的情況下,在信息映射技術(shù)支持下通過更新管道同步更新用戶數(shù)據(jù)庫是比較現(xiàn)實的選擇。

      (3)隨著各種空間信息共享水平和更新技術(shù)的不斷進(jìn)步以及GPS、數(shù)碼攝影測量方法的廣泛采用,必將大幅度改善或提高空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)現(xiàn)實性。

      本文主要考慮當(dāng)前我國空間信息服務(wù)還處于獨立建庫的狀態(tài)下,如何有效構(gòu)建用戶空間數(shù)據(jù)庫更新服務(wù)體系的問題。但對于基于集中數(shù)據(jù)庫的共享模式、原則上可以將集中數(shù)據(jù)庫看作特殊的用戶數(shù)據(jù)庫,有關(guān)內(nèi)容有待進(jìn)一步研究。

      [1]鄒進(jìn)貴,潘正風(fēng),虞暉等.城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新方法的研究[J].地理空間信息,2005(6):4~5

      [2]羅曉燕,袁燕巖,郭金麗等.北京市數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)庫增量更新技術(shù)的應(yīng)用研究[A].數(shù)字測繪與GIS技術(shù)應(yīng)用研討會論文集,2008

      [3]范江.城市空間數(shù)據(jù)庫更新模式研究[J].福建建設(shè)科技,2010(2)

      [4]周曉光,陳軍,朱建軍.基于事件的時空數(shù)據(jù)庫增量更新[J].中國圖像圖形學(xué)報,2006(10):1431~1438

      [5]基于時態(tài)的城市空間數(shù)據(jù)庫多用戶并發(fā)更新系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].福建建設(shè)科技,2008(3)

      [6]操震洲,李清泉.基于ArcSDE和ArcGIS Engine的版本管理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息,2006,29(1):76 ~78

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