村鎮空間信息獲取、集成與更新關鍵技術研究

王育紅，張合兵，趙凱歌

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454000）

一、引 言

近年來，以數字化、網絡化為特征的信息化浪潮席卷全球，信息技術已經滲透到經濟和社會的各個領域，成為提升產業發展水平、提高勞動生產率、推動經濟增長、增強國家綜合實力的最重要手段。在村鎮規劃、建設與管理領域，越來越多的國家和地區已經開始注重對信息技術的開發和應用，以此來建立城鄉之間平等互動的信息傳遞與交換關系；提升農村發展速度，縮短城鄉差距；改善村鎮管理和服務水平，促進工業化、城鎮化和農業現代化的協調發展；引導農民改變傳統生產生活方式，促進農民享受現代社會文明成果，推動科技、文化、社會事業的全面可持續發展。

村鎮空間信息是村鎮信息化的前提和基礎，直接關系著村鎮信息化建設的進度與成敗。這是因為村鎮空間信息能為村鎮的各項規劃、建設與管理工作提供直觀、精確、充分、科學的圖形資料和決策依據，能為基于地理對象的多源村鎮社會、經濟與專題信息的空間可視化表達提供框架支撐，能為各種村鎮業務信息系統實現基于地理位置的信息應用與共享提供服務保障［1］。

長期以來，我國空間信息獲取與處理工作的重點是為國家基礎設施建設、區域建設規劃和城市建設發展提供保障服務，而針對廣大農村村鎮地區的工作則十分薄弱［2］。目前，村鎮空間信息建設與應用整體水平仍普遍較低，數據基礎差、覆蓋不均衡、比例尺度小、現勢性差、更新周期長、共享程度低、集成整合難等問題依然比較突出。

針對日益迫切的實現應用需求及當前面臨的現狀困境，本文在總結借鑒相關技術研究成果的基礎上，結合當前研究熱點及發展動向，緊密圍繞村鎮空間信息技術發展“低成本、講效率、重實效”的基本要求，分別設計提出了適用于不同數據基礎條件的村鎮空間信息獲取、集成及更新技術，以提高村鎮空間信息的覆蓋度、利用率和現勢性，切實發揮空間信息在村鎮信息化建設中的基礎性作用。

二、RTK與全站儀協同的獲取技術

RTK是英文real time kinematic（實時動態）的縮寫［3］，是GPS載波相位差分定位技術的別稱，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。GPS RTK系統主要由基準站、電臺（數據鏈）、流動站及數據處理軟件4個主要部分組成。其定位的基本原理是:在基準站上安置一臺GPS接收機，對衛星進行連續觀測，并通過無線電傳輸設備實時地將測站點坐標、載波相位觀測值或改正數等數據發送給流動站；流動站一方面通過接收機接收GPS衛星信號，同時還通過無線電接收設備接收基準站傳送的數據，然后根據載波相位相對定位的原理，通過差分處理解求載波相位整周模糊度，得到基準站和流動站之間的坐標差值ΔX、ΔY、ΔZ；坐標差加上基準站坐標就可以得到流動站點的WGS-84坐標，通過坐標轉換參數轉換得出流動站每個站點的平面坐標x、y和海拔高h。

與目前常用的全站儀相比，利用RTK采集要素特征點坐標具有靈活、高效、高精度的作業特點。不過RTK也有其局限性，易受多路徑效應、電磁波干擾、高大建筑物及樹木對接收機視野的限制等不利因素的影響，因此其不能完全取代全站儀。兩種儀器協調配合作業，才能快速全面地采集測量各種要素的空間位置和形狀信息。針對這種情況，本文提出了RTK與全站儀協同聯合的村鎮空間信息獲取方法，其具體流程如圖1所示。

圖1 RTK與全站儀協同的獲取技術流程

1.前期準備工作

采集前必須認真做好準備工作，這是決定能否多快好省地完成任務的第一關。準備工作包括作業依據和測量資料的收集、測量儀器和工具的檢查和校正、接收機及相關數據處理軟件的熟悉，以及在分析現有測量資料和測區實際情況的基礎上，設計和制定出適合GPS RTK測量特點的操作規程、技術方案和實施計劃，并組建作業隊伍等。

2.GPS控制測量

利用RTK技術采集空間信息，測區內必須有一定數量的GPS已知控制點。如果測區內沒有控制點，或數量不足、分布不均，則不利于RTK基準站的布設、流動站的初始化，以及測量結果的檢核和校正。此時，必須采用精度較高的GPS靜態定位技術進行引點或加密。

3.RTK特征點采集

在農田、曬場等上空開闊區域，可以直接采用RTK測量采集要素特征點信息。具體步驟如下:

1）在已知點上架設好GPS接收機和天線，按照要求連接好一切連線后，打開GPS接收機。

2）利用控制器手簿建立新任務，輸入已知基準站地方坐標、高程、GPS天線高等信息，并啟動基準站。

3）當接收機及電臺均正常工作，控制器提示斷開控制器與接收機電纜時，斷開電纜，將控制器手簿與流動站GPS接收機相連，通過控制器選擇RTK測量方式，啟動流動站。

4）當流動站初始化后，首先檢驗基準站坐標及高程，誤差在允許范圍內即可開始要素特征點的采集工作。

4.全站儀特征點采集

在大片樹林區域、高大建筑拐角處、無線電信號發射塔周圍200 m的范圍內、高壓線下等遮擋或信號干擾區域，一般不宜使用RTK進行采點，而應使用全站儀采集特征點，如圖2所示。全站儀采集特征點的基本原理和具體步驟如下:

圖2 全站儀特征點采集原理

1）在RTK已測的圖根控制點A上設站，后視已知點B，用已知點C作檢核，無誤后開始觀測。

2）觀測已知點A到未知要素特征點K的距離DAK。

3）觀測已知方向AB與未知方向AK的夾角βK。

4）觀測未知點K的垂直角αK。

5）根據已知點A的坐標（xA，yA，hA）、AB的方位角αAB、儀器高VA和棱鏡高VK，按如下公式解算未知點K的坐標（xK，yK，hK），并記錄在全站儀中。

5.內業數據處理和編輯

當利用GPS RTK或全站儀將村鎮空間要素特征點測量完成后，要及時把所采集的數據傳輸到計算機內進行內業編輯與處理工作，以派生形成所測的村鎮要素。內業數據編輯與處理通常有編碼法及草圖法兩種。編碼法要求在外業數據采集時，同時記錄點的定位信息、連接信息及屬性編碼信息，根據連接信息內業自動連接特征點生成要素圖形信息，該方法自動化程度高，但現場作業時間長；草圖法則是在外業數據采集時，只記錄特征點的名稱和坐標信息，而把測點的連接和屬性信息反映在草圖上，內業對照草圖調用通過人際交互編輯生成要素圖形及屬性信息，該方法簡單便捷，外業時間短，是目前內業數據編輯與處理普遍采用的方法。

三、顧及語義差異的集成技術

隨著村鎮信息化建設進程的不斷發展及空間信息技術的日益普及，越來越多的部門開始建立和使用基于空間信息的各種村鎮業務專題信息系統，這樣勢必將累積形成較為豐富的村鎮空間信息資源及圖形圖件資料。因此，很有必要研究這些已有數據的高效集成與整合問題，以提高數據利用率，避免重復采集，降低數據成本，為新系統的建立或綜合性應用提供性能適宜、價格低廉的數據源。

由于應用目的和專業背景的不同，參與集成的各種源數據大多是基于不同的數據模型獨立設計建設的，即使是對相同地理現象的模擬和表達，在抽象機制、建模方法等方面也可能存在多種不同類型的差別，甚至沖突［4］。為了保證集成結果的正確性、一致性、完整性和最小性，必須提出相應的方法和措施以發現、屏蔽和消除這些差異和沖突，以更好地對原有分散數據進行提取、轉換、合并和關系協調。

相對于系統運行環境、坐標參考系統、數據文件格式等類型的差異而言，目前語義差異的識別和處理則更加困難和繁瑣，相關研究也比較薄弱。基于這種情況，本研究設計提出了顧及語義差異的多源村鎮空間信息集成技術，其具體實施流程如圖3所示。

圖3 顧及語義差異的集成技術流程

1）數據庫設計。在數據集成過程中，首先應該選擇設計一種合適的結構和方式來統一存儲和管理來自多個數據源的數據副本。目前，空間數據的存儲和管理主要有基于文件和基于數據庫兩種常見方式。基于文件的方式一般側重于圖形的存儲，不便于屬性數據的存儲及以后的擴展，在進行空間分析等高級應用時存在著先天的不足，不利于數據的共享重用，以及高效、安全、快捷的管理，而基于數據庫的方式則完全克服了這些缺點。

基于以上分析，筆者選擇了當前比較流行的、功能強大的Geodatabase數據庫來存儲和管理集成結果。Geodatabase數據庫設計的基本步驟是根據集成的目的和數據的用途，首先進行概念設計以確定各種實體、聯系及其屬性特征，然后將其轉化為Geodatabase中相應的要素類（俗稱圖層）、表、關系類、屬性字段等模式元素，在整體上確定集成結果的存儲結構和邏輯框架［5］。

2）模式匹配。模式匹配的目的是識別和發現源數據和結果數據庫之間語義相同或相關的模式元素，并顯式聲明彼此間的具體映射關系。

例如，對于圖4中所示的兩個相關要素類及其相關屬性，可以根據集成結果的模式結構和表達要求，聲明如下形式的映射關系:

要素類映射:LineRivers=（Select* from PolygonWaters where Type=“河流”）；

幾何型映射:LineRivers.Geometry=Centerline（PolygonWaters.Shape）；

屬性字段映射:LineRivers.Name=PolygonWa–ters.ENNM；LineRivers.Length=PolygonWaters.le-n/1000等。

圖4 模式匹配示例圖

3）要素提取、轉換與上載。根據模式匹配所確定的映射關系，從相應的數據源中篩選提取所需要素的相關信息，并調用相應的轉換處理函數對其中部分信息進行轉換處理，以使其符合集成結果的表達要求，然后將其存放在結果要素類中的對應位置。

4）冗余要素發現與消除。由于多個彼此相對獨立的數據源中可能同時記錄了同一現實實體的相關數據，因此，經過提取、上載之后的結果要素類中往往包含著同一要素的多個重復冗余記錄。為保證集成結果的最小性，必須采取一定的措施和手段及時發現和消除這些冗余要素。其中，冗余要素的發現可以通過比較要素記錄在空間位置、幾何形狀、屬性特征等方面的相似性加以實現，如果兩個要素記錄的相似值小于給定的閾值，則認為其是冗余要素［6-7］。冗余要素的消除可以采取“保留一個，刪除其他”、“取平均值，合并生成一個新要素”等多種方式加以實現。

四、基于遙感影像的更新技術

當前我國村鎮建設已進入關鍵階段和快速發展時期，村鎮區域地表及其附屬物正發生著日新月異的變化，一些現有數據信息或圖紙圖件資料的現勢性正逐年下降，有些甚至是面目全非，不能很好地描述反映現實世界的真實狀況。因此，必須及時快速地對其進行更新，以確保已有數據信息、圖紙資料的現勢性、真實性和準確性。為克服傳統野外實測更新方法周期長、人力多、成本高的不足，筆者設計提出了基于遙感影像的村鎮空間數據更新技術，其基本流程如5所示。

1）數據預處理。數據預處理主要包括遙感影像的預處理和待更新圖件資料的預處理。其中，影像預處理包括輻射校正、幾何校正、圖像增強、噪聲消除、圖像鑲嵌或裁剪等內容；而圖件預處理主要應用于以傳統紙質地圖形式存在的空間數據，為保持更新工作的便利及可持續性，將其掃描轉化為數字形式的矢量數據。

圖5 基于遙感影像的更新技術流程

2）影像與數據配準。所謂影像與數據配準是指依據一些相似性度量決定二者間的變換參數，將描述同一區域場景的、不同時期的影像與村鎮空間信息轉換到同一坐標系下，使得二者在空間位置上最佳地套合起來，即同一坐標位置上對應的地物一致，從而具有可比性。實現配準的基本方式是先依次從影像與待更新數據上選擇若干對不同的同名控制點；然后將其代入坐標轉換模型（如相似變換模型、仿射變換模型等），利用最小二乘原理反求出模型中的待定參數；最后根據模型對影像像素坐標進行轉換，以與待更新數據坐標相吻合。

3）變化要素檢測與統計。將顯示比例調至適中數值，通過目視判讀比較的方式，從疊置在一起的影像和信息數據上逐屏檢查發現諸如新增、消失、分解、合并、聚集等各種類型的變化要素［8］，并統計計算待更新信息的變化率。如果變化較大，超出規定的閾值指標［9］，則應該采取重測的方法更新現有村鎮空間數據；如果變化相對較小，則進入下一步的處理。

4）變化要素提取與更新。在影像上提取和勾繪變化要素的屬性、位置、邊界、中心線等信息，并據此對原有信息數據中對應的變化要素執行修改、添加及刪除等操作。

5）更新沖突檢測與處理。由于空間要素的高度相關性，要素的創建、刪除和修改等操作將會對與之相關的其他要素的幾何圖形、屬性特征產生影響，進而引起地物關系的重新調整，甚至會產生多邊形不閉合、碎屑多邊形、壓蓋等不同類型的沖突矛盾現象。因此，在信息更新后還應該及時地檢測發現數據中的這些矛盾沖突，并作出進一步的修改調整和協調處理［10］。

五、結束語

目前，上述技術已在鶴壁、焦作、濟源3個市級國土部門轄區內的16個鄉鎮、10個街道辦事處得到了推廣應用，有效提高了村鎮空間信息及相關圖紙資料的覆蓋度、重用率和現勢性，大大縮短了村鎮空間信息建設工程工期，降低了應用系統開發資金成本，為土地利用規劃和管理提供了直觀、準確、科學的數據資料。依據這些信息數據資料，現已完成近10個鄉鎮的合理規劃，通過規劃使農田耕地更加集中連片、村鎮體系布局更加合理、人文和自然景觀更加美觀、人居生態環境更加優越。

但是，考慮到中原地區國土面積廣、村鎮數量多、地域差別大、經濟發展不平衡的實際情況，仍需要進一步加強現有相關技術的驗證和完善工作，以確保其具有更加廣泛的適用性和良好的整體協同性。

［1］ 盧衛華，蔣捷，黃蔚，等.村鎮地理空間數據框架實現軟件系統的設計與實現［J］.地理信息世界，2010，8（2）:12-16.

［2］ 李力，楊學聰.測繪為新農村建設描繪最美的藍圖［N］.經濟日報，2009-06-23（13）.

［3］ 郭振華，孫喜平.實時動態測量中的難點與對策［J］.測繪通報，2005（6）:31-32.

［4］ 王育紅.空間數據集成及沖突消解方法綜述［J］.測繪科學，2011，36（2）:81-83.

［5］ ESRI.ArcGIS 9:Building a Geodatabase［M］.［S.l.］:ESRI Press，2009.

［6］ 敖成龍，蘇英，龔元明.相似度在GIS對象比較中的應用［J］.計算機工程，2004，30（3）:89-91.

［7］ 郝燕玲，唐文靜，趙玉新，等.基于空間相似性的面實體匹配算法研究［J］.測繪學報，2008，37（4）:501-506.

［8］ 王育紅，牛亞輝，林艷.顧及語義差異的基礎地理信息客戶數據庫更新實施模型［J］.地理與地理信息科學，2011，27（1）:1-6.

［9］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 14268—2008國家基本比例尺地形圖更新規范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［10］ 劉萬增.GIS數據庫更新中空間沖突自動檢測方法［M］.北京:測繪出版社，2009.