面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究

朱 蕊，邱 茂，胡英男

（1.信息工程大學，鄭州 450052；2.61512部隊，北京 100088；3.78138部隊，成都 610066）

隨著當前空間數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，空間數(shù)據(jù)更新中的多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類型雜、來源廣、尺度多、信息量大等特點，因此，多源數(shù)據(jù)在數(shù)學基礎(chǔ)、空間基準、尺度、現(xiàn)勢性、編碼和格式等方面存在著不一致、不協(xié)調(diào)、不統(tǒng)一等問題，這些問題會影響空間數(shù)據(jù)更新的質(zhì)量，并可能進一步影響基于空間數(shù)據(jù)的分析和應用。為了充分利用好這些豐富的信息資源，迫切需要將不同來源不同尺度的數(shù)據(jù)進行融合，目的是合理利用更多信息源，獲取質(zhì)量更高的信息［1］。本文認為，面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合，它不是各種源數(shù)據(jù)集的簡單疊加，而是要保證多源數(shù)據(jù)在空間特征、屬性特征、時間特征和尺度特征上等各方面的一致，根據(jù)應用需求，抽取不同來源地理信息數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)因子，經(jīng)過一致性處理，集成、派生出有應用價值的地理信息數(shù)據(jù)。

1 存在問題

數(shù)據(jù)融合作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，實際上是許多學科和新技術(shù)的集成和應用。文獻［2－6］闡述了關(guān)于多源數(shù)據(jù)融合的應用研究，為多源信息的管理、分析和成果應用提供了一定的理論和技術(shù)方法，但是面向空間更新的多源數(shù)據(jù)融合目前還存在以下問題：

1.1 多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)管理與服務還需完善

由于理論和技術(shù)不夠成熟等原因，在實際多源數(shù)據(jù)融合過程中，網(wǎng)絡(luò)化應用很少，仍然停留在單機作業(yè)，而且數(shù)據(jù)的存儲方式仍采用文件方式，數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)布仍是利用光盤等介質(zhì)，沒有充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢?？臻g數(shù)據(jù)更新中，多源數(shù)據(jù)融合需要提供數(shù)字地圖以及基于此的多種信息系統(tǒng)，這具有顯著的服務多向性特征。因此，多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)管理應當以信息存儲、組織、處理、服務的一體化為前提，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)資源共享，以提供信息綜合服務為最終目的。

1.2 多源異構(gòu)信息的集成功能薄弱

多源數(shù)據(jù)由于受獲取途徑和制作技術(shù)等多方面的影響，存在數(shù)學基礎(chǔ)不同、語義定義不同、幾何表達不同、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同等問題，這給多源數(shù)據(jù)融合和應用帶來重重困難。如何充分利用豐富的多源異構(gòu)信息，就迫切需要在模型建立、幾何結(jié)構(gòu)、語義表達和編碼解釋等層面上適當?shù)剞D(zhuǎn)換處理，將不同來源不同尺度的多源數(shù)據(jù)集成起來進行分析對比，實現(xiàn)多源異構(gòu)目標信息的集成，使多源數(shù)據(jù)得到更好的應用。

1.3 多源數(shù)據(jù)融合成果的表達方式還有待研究

當前多源數(shù)據(jù)融合成果的表達局限在靜態(tài)可視化，應用的數(shù)據(jù)主要有影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和一些文檔數(shù)據(jù)，多源數(shù)據(jù)融合成果也主要是數(shù)字地圖。由于多種信息技術(shù)的介入，使得信息具備了較強的時態(tài)性，面對實時數(shù)據(jù)源源不斷地到來，需要深入研究多源數(shù)據(jù)融合成果的表達方式，才能將復雜的、不可見的、變化的環(huán)境及態(tài)勢信息形象、直觀地表現(xiàn)出來，以提高用戶對環(huán)境和態(tài)勢的感知能力，方便用戶通過視覺快速理解復雜的動態(tài)信息。

綜合上述情況，空間數(shù)據(jù)更新中常常面臨著諸如究竟哪種數(shù)據(jù)可靠？怎樣進行地理信息數(shù)據(jù)更新？如何進行相應融合處理等一系列亟待解決的問題。因此，研究多源數(shù)據(jù)融合的相關(guān)技術(shù)和處理方法，探索出一條科學、實用、適合空間數(shù)據(jù)更新的技術(shù)路線，就顯得十分的重要。

2 關(guān)鍵技術(shù)

面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合是一個涉及面很廣的課題，所面臨的挑戰(zhàn)眾多。限于研究條件和應用需求，本文重點針對關(guān)鍵技術(shù)展開研究，解決多源數(shù)據(jù)融合過程中資料分析與評價、數(shù)學基礎(chǔ)、語義匹配與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)定位精度和數(shù)據(jù)多模式表達等方面存在的問題，為多源數(shù)據(jù)融合提供技術(shù)支撐。

2.1 資料的分析與評價

空間數(shù)據(jù)更新中涉及的資料種類繁多，數(shù)據(jù)格式各異，現(xiàn)勢性差，存在多種比例尺、多種空間參考系和多種投影類型。因此，需要對資料進行認真分析，確定各類資料使用原則，提出資料的質(zhì)量評價標準，保證原始數(shù)據(jù)源的正確選擇，這是空間數(shù)據(jù)更新中進行多源數(shù)據(jù)融合的前提。資料的分析與評價主要涉及以下方面：

1）資料內(nèi)容的完備性。分析數(shù)據(jù)中源數(shù)據(jù)內(nèi)容的分類、分級是否和現(xiàn)行標準相適應，各要素表達的數(shù)量和詳細程度是否滿足應用要求，圖形概括程度是否滿足相關(guān)指標要求。

2）資料內(nèi)容的適應性。分析目標要素表示是否與實地相符，各要素的圖形能否反映地區(qū)的類型特征和典型特點，各地區(qū)之間的密度對比是否正確等。

3）資料內(nèi)容的現(xiàn)勢性。分析數(shù)據(jù)內(nèi)容的現(xiàn)勢性，采用多種數(shù)據(jù)進行相互佐證，以現(xiàn)勢性較好的影像數(shù)據(jù)來佐證其他數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

4）數(shù)據(jù)的精確性。主要從數(shù)學基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)精度進行分析。通過多種資料對比，分析哪一種資料較為準確和詳細。

5）信息評價體系研究。確定各類資料使用原則，提出資料的質(zhì)量評價標準。

就柵格數(shù)據(jù)分析而言，需要分析掃描地圖圖像和影像數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、分辨率、生產(chǎn)單位和制作技術(shù)，選擇現(xiàn)勢性好、來源可靠的柵格數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)分析需要在分析矢量數(shù)據(jù)來源、生產(chǎn)單位、數(shù)據(jù)可靠性、精度和內(nèi)容詳細程度等基本情況基礎(chǔ)上，對不同要素層分別進行比較，選擇和確定現(xiàn)勢性較好的要素層，同時分析該數(shù)據(jù)在融合處理中所要進行的工作。文獻［7］對此做了相關(guān)研究與分析，本文不再贅述。

2.2 數(shù)學基礎(chǔ)一致性處理技術(shù)

平面坐標系統(tǒng)、高程基準、重力基準、參考橢球模型和地圖投影系統(tǒng)等所有與地理位置有關(guān)的信息提供著時空定位基準，是多源數(shù)據(jù)的無縫無邊連接或融合的重要保障。這是進行多源數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)條件，用于保證矢量/柵格數(shù)據(jù)空間幾何精度以及位置的配準。

1）空間大地坐標系轉(zhuǎn)換。研究和解決大地坐標系統(tǒng)一問題，將多源數(shù)據(jù)融合中多個大地坐標系下的地圖資料及地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到CGCS2000大地坐標系中。

2）矢量數(shù)據(jù)投影變換。研究多源矢量數(shù)據(jù)的地圖投影不一致問題，提出并實現(xiàn)多種常用地圖投影的正反解變換。

3）建立Google Earth影像的投影與目標體系現(xiàn)行投影的解析轉(zhuǎn)換模型，并在轉(zhuǎn)換過程中改進像素的重采樣方法以提高轉(zhuǎn)換的精度。

4）高精度幾何糾正模型。在不能正確了解坐標系和數(shù)學基礎(chǔ)的前提下，利用數(shù)值方法建立高精度幾何糾正模型。

2.3 矢量數(shù)據(jù)的語義匹配與轉(zhuǎn)換

矢量數(shù)據(jù)由于各自對現(xiàn)實世界中的地理實體采用不同的理解和語義表達方式，使得地理實體的屬性特征表達方式種類繁多、情況復雜，這給數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)應用帶來很多困難。因此，實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)屬性特征的匹配、轉(zhuǎn)換、合并與更新，才能最大限度地將矢量數(shù)據(jù)應用在更多領(lǐng)域，這也是多源數(shù)據(jù)融合的核心任務之一。

1）語義差異性分析。主要包括多源數(shù)據(jù)的分類分級和編碼體系的差異分析。通過研究空間數(shù)據(jù)更新中各種矢量數(shù)據(jù)對地理實體的語義表達，對比分析矢量數(shù)據(jù)在屬性特征描述方面的差異，為數(shù)據(jù)更新處理研究提供理論基礎(chǔ)，使數(shù)據(jù)更新處理前的準備工作更加明確，提高數(shù)據(jù)更新的工作效率。

2）語義轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法。面對多源數(shù)據(jù)紛繁復雜的分類分級和屬性特征項描述的差異，參考目標數(shù)據(jù)的相關(guān)說明和數(shù)據(jù)字典，在對相關(guān)技術(shù)文檔進行深入了解和對比的基礎(chǔ)上，將原始數(shù)據(jù)中要素的屬性信息最大程度地保留，通過在規(guī)則文件中定義要素分類分級和屬性特征項的映射關(guān)系，列出相同或相似的屬性特征，經(jīng)過整理表達，建立屬性特征轉(zhuǎn)換文件，然后基于外部控制文件進行轉(zhuǎn)換，消除不同分類分級標準導致的屬性特征差異，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在屬性特征表達上的一致。

2.4 多源數(shù)據(jù)的組織與管理

空間數(shù)據(jù)更新中需要存儲和管理多時相、多分辨率、多尺度數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類多、時空分辨率高、時效性強等特點，而且由于數(shù)據(jù)龐雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散，面對如此復雜多樣的數(shù)據(jù)，多源數(shù)據(jù)的管理平臺需要按照總攬全局的原則進行數(shù)據(jù)的組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為空間數(shù)據(jù)更新的處理流程自動實施和生成、高效數(shù)據(jù)訪問和海量數(shù)據(jù)存儲等方面提供保障。

1）數(shù)據(jù)體系的組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計。解決數(shù)據(jù)的組織和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)采用的主要途徑是：按照多角度、多特征對數(shù)據(jù)進行分類和屬性描述，確保數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有強完備性和一致性，能夠基本充分描述所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屬性特征，具有十分清晰的邏輯結(jié)構(gòu)。因此，對數(shù)據(jù)的分類不局限于反映某一方面特性，而采取多種特征角度的實體分類原則，例如類型、地理范圍或區(qū)域、資源的樣式、時間等。在設(shè)計過程中，不同數(shù)據(jù)屬性實體按照關(guān)鍵字和不同的標識（碼）、指針進行互相聯(lián)合、相關(guān)等。

2）海量數(shù)據(jù)高效的空間索引與檢索機制。對于空間數(shù)據(jù)更新信息管理系統(tǒng)這樣一個大的系統(tǒng)，存貯和管理多尺度數(shù)據(jù)，要快速顯示和瀏覽信息，建立數(shù)據(jù)索引非常重要。在海量空間數(shù)據(jù)庫空間索引和檢索機制的研究中，主要是建立的方式和保證滿足性能需求，例如影像數(shù)據(jù)建立幾級金字塔索引，矢量數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)引擎中存儲方式存儲塊大小、多要素一體化存儲還是區(qū)分要素存儲等。在海量空間數(shù)據(jù)獲取和訪問過程中，數(shù)據(jù)獲取能滿足用戶的技術(shù)性能指標。在網(wǎng)絡(luò)資源充足狀況下，最大限度滿足用戶網(wǎng)絡(luò)并發(fā)訪問數(shù)據(jù)的能力。為解決海量空間數(shù)據(jù)的索引與快速檢索問題，在數(shù)據(jù)庫服務器端，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如Oracle）管理系統(tǒng)和相應的空間數(shù)據(jù)庫引擎管理海量目標數(shù)據(jù)，并針對不同的應用建立數(shù)據(jù)存儲優(yōu)化機制。

2.5 數(shù)據(jù)定位精度提高與檢驗

多源數(shù)據(jù)融合的可靠性直接影響著空間數(shù)據(jù)更新的精確性，多源數(shù)據(jù)融合中需要不斷吸收不同精度的新數(shù)據(jù)源來提高數(shù)據(jù)定位精度。因此，需要對多源數(shù)據(jù)融合的結(jié)果提出合適的檢驗方法，以確保數(shù)據(jù)坐標輸出結(jié)果的正確性，控制數(shù)據(jù)的幾何特征定位精度?？臻g數(shù)據(jù)更新中需要實現(xiàn)對來自不同矢量數(shù)據(jù)集中同名點特征匹配結(jié)果的檢驗方法，以確保同名點匹配和坐標輸出結(jié)果的正確性，控制和判別數(shù)據(jù)的校準質(zhì)量。

面向空間數(shù)據(jù)更新中，針對數(shù)據(jù)定位精度提高的技術(shù)流程通常是：首先利用屬性匹配識別空間數(shù)據(jù)更新中多源數(shù)據(jù)的同名點；采取基于疊置方法進行特征點匹配可靠性檢驗，檢驗數(shù)據(jù)定位精度；利用最優(yōu)插值方法對不同數(shù)據(jù)集中的同名點坐標最優(yōu)估計，進而提高數(shù)據(jù)定位精度。

2.6 面向應用需求的多模式表達

空間數(shù)據(jù)更新中的信息分為空間信息和非空間信息。空間信息的表達主要是通過地圖、影像、影像與矢量信息疊加的影像地圖、三維模型等方式實現(xiàn)的；非空間信息可以使用文本、聲音、圖形、圖像、動畫和活動影像等表現(xiàn)形式來對信息進行說明性描述，使用戶獲得感性認識，如表1所述。

表1 空間數(shù)據(jù)的主要表達方式

面向空間數(shù)據(jù)更新中，面向不同的用戶，需要針對信息表達模式方法和模式組合進行研究，建立面向應用需求的多模式表達模板庫。將高分辨率影像、衛(wèi)星實時監(jiān)控以及效果評估等信息表達方式，與傳統(tǒng)數(shù)字地圖、影像圖一起，按照應用需求以單一模式表達或多模式表達，采用合理有效的形式展現(xiàn)以數(shù)字形式存在的信息。

3 結(jié)束語

隨著空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期的縮短及空間探測技術(shù)、信息獲取技術(shù)的發(fā)展，如何高效、科學、快速地應用多源空間數(shù)據(jù)資料并生產(chǎn)或更新滿足要求的空間數(shù)據(jù)成為一個亟待解決的問題。如何根據(jù)現(xiàn)有多源空間數(shù)據(jù)資料的情況，制定出一整套切實可行的多源數(shù)據(jù)融合處理方案，并研究出相關(guān)技術(shù)方法，對于提高空間矢量數(shù)據(jù)更新的數(shù)字化、自動化水平，加快地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)步伐，推進多源空間矢量數(shù)據(jù)的應用和成果轉(zhuǎn)化，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。本文只是在面向空間數(shù)據(jù)更新的多源數(shù)據(jù)融合方面進行了初步的探索，有些觀點和工作尚有不完善之處，有待進一步提升和改進。

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