自然資源測繪時空信息解析聚合的研究及應(yīng)用

劉亞楠

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

1 引 言

自然資源是人類生存和發(fā)展的載體與基礎(chǔ)，自然資源管理效能的提高事關(guān)社會整體發(fā)展效率和質(zhì)量[1]。自然資源測繪為自然資源管理提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的時空數(shù)據(jù)，是自然資源主管部門科學(xué)高效地履行管理職能的重要技術(shù)支撐[2]。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興科技的普及，各行各業(yè)融合、跨界進(jìn)程加速。自然資源測繪技術(shù)正面臨著管理升級需求演化快，測繪生產(chǎn)集成難；數(shù)據(jù)復(fù)雜且分散，時空信息融合更新難；信息化服務(wù)要求高，智能服務(wù)難等測繪與信息技術(shù)的挑戰(zhàn)[3]。

本文通過分析研判各類型業(yè)務(wù)規(guī)則、涉及的數(shù)據(jù)內(nèi)容、科學(xué)表達(dá)方法，構(gòu)建知識庫，基于開源空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(GDAL/OGR)的自然資源測繪矢量數(shù)據(jù)處理模型，自動匹配專家規(guī)則庫，解決傳統(tǒng)測繪跨平臺頻繁切換的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活的規(guī)則選擇及高集成度的測繪生產(chǎn)；將面向自然資源領(lǐng)域多數(shù)據(jù)來源、多數(shù)據(jù)格式、多時空數(shù)據(jù)、多比例尺、多語義的數(shù)據(jù)，采用跨平臺多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息映射技術(shù)，構(gòu)建實(shí)體對象間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)自然資源多源異構(gòu)時空信息數(shù)據(jù)融合和統(tǒng)一管理。

研究中以自然資源測繪時空信息智能技術(shù)服務(wù)體系為目標(biāo)，以集約數(shù)據(jù)生產(chǎn)→高效信息整合→智能定制服務(wù)為主線，從測繪數(shù)據(jù)集約生產(chǎn)、時空信息高效融合、網(wǎng)絡(luò)一體智能服務(wù)等方面建設(shè)“信息服務(wù)平臺”，構(gòu)建一體化、智能化、精準(zhǔn)化的測繪服務(wù)平臺。

2 基于專家規(guī)則庫的土地審批測繪服務(wù)零向?qū)Фㄖ萍夹g(shù)

新時代自然資源改革發(fā)展同時也帶來的業(yè)務(wù)規(guī)則多變難題。自然資源測繪涉及大量矢量數(shù)據(jù)的分析處理工作，傳統(tǒng)作業(yè)方法需依托多個GIS平臺，存在跨平臺頻繁切換、操作煩瑣、技術(shù)要求高的技術(shù)瓶頸。通過將業(yè)務(wù)需求的各類方法、策略和參數(shù)進(jìn)行科學(xué)化的集成，形成業(yè)務(wù)專家規(guī)則庫，并建立知識規(guī)則處理模型，應(yīng)用服務(wù)可以根據(jù)需求調(diào)用不同規(guī)則，自動構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模型，從而實(shí)現(xiàn)基于專家規(guī)則庫的自然資源測繪數(shù)據(jù)零向?qū)Фㄖ芠4]。

專家規(guī)則庫是一種測繪行業(yè)數(shù)據(jù)智能化定制策略，規(guī)則庫的質(zhì)量好壞直接影響數(shù)據(jù)生產(chǎn)的質(zhì)量好壞和可靠性。規(guī)則庫中最關(guān)鍵的部分就是知識存儲于表達(dá)，這些知識用于識別錄入的信息并給出匹配的規(guī)則[5]。從知識的本身來看，可分為兩種類型：一是基礎(chǔ)原理和理論，另一種是基于直接和間接經(jīng)驗(yàn)積累的專門知識。如果規(guī)則庫中的信息缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，是很難做好經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的轉(zhuǎn)化工作的，也就不可能對一個復(fù)雜的問題給予正確的解決方案。因此，在建立數(shù)據(jù)定制的專家規(guī)則庫時，不僅要求庫中包含大量的流程控制和信息處理原則，更重要的是要有能夠處理復(fù)雜問題所需的基本理論的深層知識作為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)定制生產(chǎn)流程中需要解決的突發(fā)問題與矛盾能給出相應(yīng)的判斷和人性化的提示。

專家規(guī)則庫的建立主要是從經(jīng)驗(yàn)豐富的自然資源審批測繪領(lǐng)域數(shù)據(jù)生產(chǎn)專家處獲得知識，并把它們以模型和規(guī)則的方式進(jìn)行編碼，形成一套問題處理和流程控制機(jī)制。知識表示是用計(jì)算機(jī)能夠接受并進(jìn)行處理的符號和方式來完成的。不同的表示方法大大地影響系統(tǒng)的工作效率。因此，規(guī)則表示是研制專家系統(tǒng)的重要問題，這就需要研究如何把相應(yīng)的知識與規(guī)則形式化，并轉(zhuǎn)移給機(jī)器。自然資源審批測繪專家規(guī)則庫的設(shè)計(jì)主要包括問題信息知識化、知識概念化、概念形式化、形式規(guī)則化和規(guī)則合法化。一般規(guī)則庫由知識主表、業(yè)務(wù)知識主表、業(yè)務(wù)知識從表組成。知識主表：用抽象的方式存儲各類知識，包括知識ID，知識類型，知識描述，版本號，創(chuàng)建時間，審批時間，狀態(tài)等屬性。其中，知識類型用以劃分系統(tǒng)中各種類型的專家知識，知識描述用以描述各類專家知識的特性，其他屬性字段則適用于知識的發(fā)布和審批。業(yè)務(wù)知識主表：分別描述了故障診斷系統(tǒng)的多類專家知識，包括故障監(jiān)測點(diǎn)知識主表，閉環(huán)測試知識主表，故障樹知識主表等。業(yè)務(wù)知識明細(xì)：是具體的專家知識的存儲結(jié)構(gòu)。

通過上述三層層級結(jié)構(gòu)，有效地構(gòu)建了穩(wěn)固、可靠并且方便擴(kuò)充的專家知識數(shù)據(jù)庫模型，方便后續(xù)存儲更復(fù)雜的專家業(yè)務(wù)知識。

3 自然資源多源異構(gòu)時空信息融合

3.1 跨平臺多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息映射技術(shù)

不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式對同一地理實(shí)體表述的方式存在差異性，但表達(dá)的內(nèi)容或信息卻存在一致性。通過在傳統(tǒng)GIS地理要素編碼(主碼符號)的基礎(chǔ)上嵌套具有實(shí)際意義的地理要素子碼，使得符號化技術(shù)超出圖面表達(dá)的應(yīng)用范疇，將地理要素按照可控打散與嵌套式組件化的新方法構(gòu)建全息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型[6]。在具體的應(yīng)用中，將構(gòu)成主碼符號部件的子碼賦予是否打散(整體分解)和是否過濾(信息過濾)兩個簡單標(biāo)志，在符號化技術(shù)層面將系統(tǒng)間復(fù)雜的對照關(guān)系拆解為簡單的“一對一”實(shí)體映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)一對多、細(xì)化到信息層面上的跨平臺多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。自然資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

圖1 自然資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

3.2 面向?qū)ο蟮臅r空信息聚合

為滿足管理需要，響應(yīng)用戶數(shù)據(jù)請求，需按規(guī)則對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、空間數(shù)據(jù)識別和關(guān)鍵信息抽取，并對結(jié)果信息進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)、信息重組，形成符合數(shù)據(jù)請求的數(shù)據(jù)結(jié)果，為統(tǒng)一管理和共享服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)時空信息聚合，主要包含三個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)格式解析、空間數(shù)據(jù)識別以及關(guān)鍵信息抽取。數(shù)據(jù)格式解析主要是通過定制數(shù)據(jù)格式解析服務(wù)，通過調(diào)用這些服務(wù)識別不同的錄入數(shù)據(jù)文件的格式并進(jìn)行實(shí)時解析和關(guān)鍵性轉(zhuǎn)換；空間數(shù)據(jù)識別主要是針對解析后的數(shù)據(jù)，通過對比標(biāo)準(zhǔn)屬性庫模板判斷其屬性信息的含義，并檢驗(yàn)空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)參考以及圖形拓?fù)潢P(guān)系，并將不同坐標(biāo)參考下的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一歸算到指定坐標(biāo)參考下；關(guān)鍵信息抽取指的是根據(jù)空間數(shù)據(jù)識別結(jié)果，對其中重要的幾何圖形信息和屬性信息進(jìn)行匹配和篩選，篩選后對結(jié)果進(jìn)行信息重組，形成符合數(shù)據(jù)請求的轉(zhuǎn)譯數(shù)據(jù)結(jié)果[7]。時空信息聚合流程如圖2所示。

圖2 時空信息聚合流程

(1)自然資源多源異構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析與信息抽取

自然資源數(shù)據(jù)格式解析主要是通過定制數(shù)據(jù)格式解析服務(wù)，通過調(diào)用這些服務(wù)識別不同的錄入數(shù)據(jù)文件的格式并進(jìn)行實(shí)時解析和關(guān)鍵性轉(zhuǎn)換；空間數(shù)據(jù)識別主要是針對解析后的數(shù)據(jù)，通過對比標(biāo)準(zhǔn)屬性庫模板判斷其屬性信息的含義，并檢驗(yàn)空間圖形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)參考以及圖形拓?fù)潢P(guān)系，并將不同坐標(biāo)參考下的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一歸算到指定坐標(biāo)參考下；關(guān)鍵信息抽取[8]指的是根據(jù)空間數(shù)據(jù)識別結(jié)果，對其中重要的幾何圖形信息和屬性信息進(jìn)行匹配和篩選，為后續(xù)篩選結(jié)果進(jìn)行信息重組，形成符合數(shù)據(jù)請求的轉(zhuǎn)譯數(shù)據(jù)結(jié)果形成基礎(chǔ)。

(2)自然資源時空數(shù)據(jù)多層次模型建立

自然資源多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)過信息提取之后，將形成包含時間、空間在內(nèi)的多個維度的信息流，將該信息流在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次展示出來，需要建立自然資源時空數(shù)據(jù)多層次模型[9]。這其中主要包括2個基本層次：信息的表達(dá)性可視化任務(wù)(taskV)、分析性可視化任務(wù)(taskA)。

信息流的表達(dá)性可視化任務(wù)主要以多模態(tài)時空數(shù)據(jù)、信息和知識的高效表達(dá)與傳遞為基本目標(biāo)，重點(diǎn)包括信息的離散-連續(xù)、動-靜、真實(shí)感-抽象化的自適應(yīng)表達(dá)，將不同特征下的信息流模型化、可讀化、可視化。

其形式化定義為：

taskV=。

分析性可視化任務(wù)旨在表達(dá)通過復(fù)雜計(jì)算分析所獲取的多模態(tài)時空數(shù)據(jù)中所隱含的信息，突出數(shù)據(jù)中所包含的特征與關(guān)聯(lián)關(guān)系，保持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)的完整性和可分析性特征。典型的應(yīng)用包括實(shí)時計(jì)算與近實(shí)時模擬結(jié)果的動態(tài)可視化、空間格局與分布模式可視化、符號化與拓?fù)潢P(guān)系可視化等。其形式化定義為：

taskV=。

(3)在信息流模型庫中建立索引實(shí)現(xiàn)信息聚合

自然資源數(shù)據(jù)信息流模型庫主要是實(shí)現(xiàn)自然資源地理信息抽取與轉(zhuǎn)化的主要任務(wù)，是基于地理命名實(shí)體識別(Geo-NER)、地理命名實(shí)體消歧(Geo-Disambiguation)和地理空間求焦(Geo-Focusing)，建立信息流模型中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)索引，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的抽取和聚合。

自然資源數(shù)據(jù)信息流模型庫索引的建立，通過對抽象的數(shù)據(jù)信息流模型庫進(jìn)行交互式的可視化表達(dá)以增強(qiáng)感知，最小化認(rèn)知負(fù)擔(dān)，是提高信息流模型庫索引性能與效果的主流方法。空間地理信息結(jié)構(gòu)化的基本原理如圖3所示。

圖3 空間地理信息結(jié)構(gòu)化的基本原理

4 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 基于專家規(guī)則庫的零向?qū)е萍夹g(shù)的應(yīng)用

自然資源審批測繪成果數(shù)據(jù)包含各類專題制圖工作，包括規(guī)劃總圖、規(guī)劃局部圖、現(xiàn)狀總圖、現(xiàn)狀局部圖的制作。通過集成預(yù)設(shè)好的專家規(guī)則庫，只需要上傳相應(yīng)的制圖數(shù)據(jù)，選擇制圖模式，系統(tǒng)將自動在后臺匹配數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，查找對應(yīng)年份對應(yīng)圖幅的專題底圖數(shù)據(jù)，并通過空間運(yùn)算給出符合要求的最優(yōu)比例尺和制圖范圍，同時自動匹配符號庫標(biāo)識出制圖圖例。制圖流程及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)如圖4、圖5所示。

圖4 基于專家規(guī)則庫的零向?qū)е茍D流程

圖5 基于專家規(guī)則庫的制圖

4.2 多源異構(gòu)時空信息映射與融合的應(yīng)用

由于涉及的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)種類復(fù)雜格式多樣，想要將數(shù)據(jù)進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、抽取、轉(zhuǎn)換、重構(gòu)，最終得到目標(biāo)坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)。在本應(yīng)用中基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息映射及時空信息聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各類數(shù)據(jù)的集中快速解析和關(guān)鍵信息抽取，將抽取出的信息流結(jié)果根據(jù)轉(zhuǎn)換要求進(jìn)行了儲存與實(shí)時轉(zhuǎn)換，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)按照幾何數(shù)據(jù)類型進(jìn)行聚合重構(gòu)，得到目標(biāo)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)結(jié)果。應(yīng)用實(shí)現(xiàn)如圖6、圖7所示。

圖6 EDB格式數(shù)據(jù)政務(wù)轉(zhuǎn)換

圖7 自然資源測繪成果數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

面向自然資源土地審批測繪生產(chǎn)及管理服務(wù)需求，梳理編制生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建專家規(guī)則庫，并建立知識處理規(guī)則模型，實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)需求規(guī)則模型的自動選擇以及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換，突破了復(fù)雜多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合的規(guī)則表達(dá)及轉(zhuǎn)換建模，聚合了自然資源時空信息，提升了土地審批測繪生產(chǎn)效率及服務(wù)能力，為自然資源管理部門進(jìn)行土地資源管理夯實(shí)了基礎(chǔ)。