多源地理矢量空間數(shù)據(jù)融合研究

楊 燦，汪齊松

(1. 湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 湖南省國(guó)土資源信息中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

2017年1月，湖南省人民政府發(fā)布《湖南省地理空間數(shù)據(jù)管理辦法》，規(guī)定了地理空間數(shù)據(jù)匯集整理和共享使用的內(nèi)容及參與各方的職責(zé)分工。為了充分發(fā)揮地理空間數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中的作用，迫切需要將不同來(lái)源、不同格式、不同部門(mén)獲取的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集與融合，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)共享與社會(huì)化服務(wù)。針對(duì)多源地理空間數(shù)據(jù)集成與融合的實(shí)際需求，湖南省自然資源廳正式立項(xiàng)了多源地理空間數(shù)據(jù)融合研究課題，擬通過(guò)對(duì)多源地理空間數(shù)據(jù)融合研究，為多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用提供一套解決方法。本文在對(duì)多源地理空間數(shù)據(jù)的融合進(jìn)行分析與研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例融合為一體的數(shù)據(jù)融合流程與方法，并以基礎(chǔ)地理信息、地理國(guó)情普查等實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 數(shù)據(jù)融合研究現(xiàn)狀

多源矢量空間數(shù)據(jù)融合屬于地球空間數(shù)據(jù)融合的范疇。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，伴隨著地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用，多源矢量空間數(shù)據(jù)融合得到了廣泛關(guān)注[1]，其研究主要集中在幾何特征融合處理與屬性特征融合兩方面[2]。

1.1 多源矢量空間數(shù)據(jù)幾何特征處理

幾何特征融合是多源矢量空間數(shù)據(jù)集成融合的核心內(nèi)容，旨在解決同名地物在不同數(shù)據(jù)庫(kù)中地理位置不一致性的問(wèn)題，通常包括同名實(shí)體匹配和不一致性處理兩個(gè)過(guò)程。同名實(shí)體匹配利用相同地理實(shí)體在幾何特征、拓?fù)潢P(guān)系和語(yǔ)義信息等方面的相似性，識(shí)別不同數(shù)據(jù)庫(kù)中的同一地物。主要方法包括：基于幾何特征的方法[3]、基于拓?fù)涮卣鞯姆椒╗4]及基于屬性特征的方法[5]。不一致性處理是對(duì)匹配后多源數(shù)據(jù)進(jìn)行選取、化簡(jiǎn)、更新、關(guān)系協(xié)調(diào)等操作，使空間數(shù)據(jù)內(nèi)容和質(zhì)量準(zhǔn)確可靠。主要方法包括：基于同名點(diǎn)三角剖分的地物調(diào)整方法[6]、基于拓?fù)潢P(guān)系的合并變換算法[7]、基于平差原理的地物調(diào)整方法[8]及基于多評(píng)價(jià)因素的調(diào)整變換算法[9]。

1.2 多源矢量空間數(shù)據(jù)屬性特征融合

多源矢量空間數(shù)據(jù)屬性特征融合是在幾何特征匹配和不一致性處理的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)或計(jì)算不同來(lái)源數(shù)據(jù)的語(yǔ)義映射關(guān)系或相似度，解決不同語(yǔ)義之間的匹配問(wèn)題，當(dāng)前的主要方法包括基于映射轉(zhuǎn)換規(guī)則的屬性融合[10]與基于地理本體的屬性融合方法[11]等。基于映射轉(zhuǎn)換規(guī)則的屬性融合方法主要通過(guò)建立不同源數(shù)據(jù)間的要素分類(lèi)分級(jí)映射規(guī)則和屬性特征項(xiàng)轉(zhuǎn)換規(guī)則，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義層次上的屬性特征關(guān)系映射和源數(shù)據(jù)集到目標(biāo)數(shù)據(jù)集的屬性特征項(xiàng)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)屬性融合[12]?；诘乩肀倔w的屬性融合方法，旨在通過(guò)地理本體來(lái)實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源的結(jié)構(gòu)化地理信息間的語(yǔ)義映射及異構(gòu)性消除，主要包括單一本體、多本體和混合本體等方式[13-15]。

2 融合流程

如圖1所示，在研究過(guò)程中，本文將多源矢量空間數(shù)據(jù)融合問(wèn)題分解為兩個(gè)方面，即數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例融合。數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合首先對(duì)多源矢量空間數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、可融合數(shù)據(jù)判別、數(shù)據(jù)分類(lèi)分層、屬性結(jié)構(gòu)規(guī)整、屬性編碼統(tǒng)一等方面進(jìn)行規(guī)范，從總體上對(duì)融合數(shù)據(jù)的組織和管理進(jìn)行約束。數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合主要包括：融合數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)分層與分類(lèi)及屬性結(jié)構(gòu)規(guī)整與編碼統(tǒng)一。數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例融合主要分別針對(duì)每種矢量空間數(shù)據(jù)實(shí)例(點(diǎn)、線、面)遵循先幾何匹配再屬性融合的原則，分步驟實(shí)現(xiàn)要素實(shí)例在幾何和屬性?xún)煞矫娴某浞秩诤?。?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例融合主要包括：要素匹配關(guān)系建立、基礎(chǔ)要素融合和融合數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。

(1) 要素匹配關(guān)系建立：建立待融合數(shù)據(jù)源之間的要素匹配關(guān)系，分為1∶0或0∶1、1∶1、1∶M(一對(duì)多)或M∶1(多對(duì)一)、M∶N(多對(duì)多)4種基本匹配類(lèi)型。

(2) 基礎(chǔ)要素融合：首先確定要素優(yōu)先級(jí)，再確定要素融合基準(zhǔn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)融合要素空間不一致性處理進(jìn)行規(guī)定，最后指定屬性更新操作規(guī)范。

(3) 融合數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查：具體包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)正確、屬性表的字段名、長(zhǎng)度正確與內(nèi)容填寫(xiě)規(guī)范，屬性精度應(yīng)符合要求、完整性、數(shù)據(jù)邏輯一致、數(shù)據(jù)空間關(guān)系正確。

3 融合試驗(yàn)與分析

針對(duì)上述方法流程，采取基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合驗(yàn)證。兩類(lèi)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基礎(chǔ)、地圖分幅和投影)已經(jīng)統(tǒng)一且比例尺相同，但是二者建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)不一、屬性?xún)?nèi)容、采集精度和時(shí)效性存在差異。這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，先對(duì)要素進(jìn)行整理，確定融合后要素包括境界、水系、交通、居民地及設(shè)施、土質(zhì)與植被。

3.1 模式融合

首先分別以基礎(chǔ)地理信息中境界、水系、交通、居民地及設(shè)施、土質(zhì)與植被要素分類(lèi)分層為基準(zhǔn)，依據(jù)語(yǔ)義相似性，建立地理國(guó)情數(shù)據(jù)中相應(yīng)分類(lèi)分層與基礎(chǔ)地理要素中境界要素分類(lèi)分層關(guān)系，如圖2所示(以水系為例)。然后通過(guò)對(duì)比基礎(chǔ)地理信息和地理國(guó)情數(shù)據(jù)中境界、水系、交通、居民地及設(shè)施、土質(zhì)與植被要素的屬性表，將相同屬性項(xiàng)合并，增加地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中的專(zhuān)有屬性項(xiàng)，達(dá)到豐富屬性表的目的，如圖3所示要素屬性統(tǒng)一(以水系為例)。

3.2 實(shí)例要素融合

以水系要素融合為例，將基礎(chǔ)地理信息水系要素與地理國(guó)情水域要素融合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)多的匹配情況，如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中池塘實(shí)體和地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中坑塘實(shí)體要素融合時(shí)，出現(xiàn)了幾何屬性的不一致問(wèn)題，對(duì)于這種不一致，可以進(jìn)行要素的增補(bǔ)以盡可能保留詳細(xì)信息，如圖4所示。再如，將地理國(guó)情普查的地面支渠實(shí)體和基礎(chǔ)地理信息的地面河流要素融合時(shí)，出現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系不一致的情況，可采用空間移位進(jìn)行處理，如圖5所示。

對(duì)數(shù)據(jù)分類(lèi)分層統(tǒng)一、屬性表統(tǒng)一、要素匹配與不一致性處理后，可以針對(duì)具體要素對(duì)象進(jìn)行屬性更新，通過(guò)質(zhì)量檢查要求后即可入庫(kù)形成最終的融合成果。

4 結(jié) 論

針對(duì)地理空間數(shù)據(jù)多源、異構(gòu)、不一致性的現(xiàn)狀及特點(diǎn)，本文構(gòu)建了以數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例融合為研究思路的多源地理空間數(shù)據(jù)融合基本流程與技術(shù)要求，并結(jié)合實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 基于層次化思想，將幾何特征融合與屬性特征融合充分融合，提出了先從整體上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)模式融合，再針對(duì)具體融合要素指定由幾何到屬性的數(shù)據(jù)融合操作流程。

(2) 在融合規(guī)范中需要制定不同要素類(lèi)型、不同數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)間的優(yōu)先級(jí)別，應(yīng)考慮同種要素與不同種要素間融合的不一致性處理問(wèn)題，可有效提高多源矢量數(shù)據(jù)融合的可操作性。

(3) 數(shù)據(jù)融合有利于打通不同部門(mén)間空間數(shù)據(jù)共享與互操作間的壁壘，提高地理信息技術(shù)公眾服務(wù)的水平和質(zhì)量。