地理信息公共平臺非涉密專題數據拓撲關系精確計算研究

李 勝

(中山市基礎地理信息中心，廣東 中山 528403)

一、引 言

地理信息公共平臺是數字城市建設的重要內容，依托基礎地理信息數據，采用先進的地圖服務發布手段與前沿的空間數據處理技術，通過在線方式滿足用戶對地理信息和空間定位、分析的基本需求。其中數據共享與安全是地理信息公共平臺的核心問題[1]，即既要不影響數據安全和保密，又要滿足用戶對服務的需求。為此，地理信息公共平臺根據用戶的不同，分為基礎版、政務版、公眾版3個版本，分別運行在涉密網、政務網和公眾網[2]，后兩者的數據經過了保密處理，以解決保密與公開應用的棘手難題。

空間查詢、檢索、空間分析和數據挖掘等空間信息利用方法均基于一定的空間關系[3]，而拓撲關系是空間關系中最基礎的關系，具有廣泛的應用，特別是對于政務版用戶，其應用常涉及經濟利益及重大工程決策，對地理信息數據的精確拓撲關系具有較強的需求。

政務版用戶的數據來源有兩類：一類是基礎地理信息數據，經過了保密處理；第二類是用戶擁有的非涉密專題數據，也必須經過保密處理，才能與第一類數據一起使用[4]。但是直接使用經過保密處理的專題數據計算拓撲關系，誤差較大，經常難以滿足用戶的精確計算需求。本文針對政務版地理信息公共平臺非涉密專題數據拓撲關系計算不精確的問題，分析了服務器端精確計算拓撲關系的可行性，基于面向服務的思想，研究了一種無需網絡傳輸保密數據的精確拓撲關系計算方法。

二、問題分析

根據國家有關保密政策要求，將近90%的基礎測繪成果屬于涉密范圍，公開使用有礙國家安全。為此，國家規定包括政務版和公眾版地理信息公共平臺在內的互聯網地圖數據必須進行保密處理，即人為地對原始地形圖的坐標引入非線性偏移。該偏移在一定范圍內相對不變，空間關系相對穩定，能滿足精度不高的應用需求[2]。但是由于該偏移具有不確定性，即不同地區偏移方向和偏移程度均不相同，基于保密處理后數據計算的拓撲關系難以滿足高精度專題應用的要求。

只能定性地認為拓撲關系的這種變化在兩矢量距離較近時，保密處理前后的拓撲關系近似不變，當兩矢量距離增大時，拓撲關系發生變化的可能性也增大。由于非線性偏移處理算法和參數保密，難以對拓撲關系的變化定量分析。因此，研究出一種無需傳輸保密數據的拓撲關系精確計算方法，具有較強的理論意義和實用價值。

圖1 兩圓保密前后的拓撲關系

三、精確拓撲關系計算方法

1. 公網傳輸專題數據用戶端計算的方法

政務版專題數據拓撲關系精確計算問題的一種解決方法是將未經保密處理的精確矢量數據加密后在公網傳輸，然后在用戶端進行解密，利用專題數據的精確坐標計算精確拓撲關系。該類方法需要在互聯網傳輸包含精確坐標的專題數據，數據易被截獲破解或在客戶端被非法利用[5]，從而增加了泄密風險。

2. 雙級服務器精確計算方法

(1) 算法可行性

為同時克服數據保密和精確計算的問題，將專題數據服務器分為精確版和加密版，分別存儲加密前后的專題數據。基于面向服務的思想，將精確拓撲關系的計算交給服務器，由服務器提供相關服務。客戶端向加密版服務器發送拓撲關系精確計算請求，當該服務器接到請求后，再向精確版服務器轉發精確計算請求，精確版服務器計算完成后，將結果通過加密版服務器反饋給用戶。在該方法中，精確專題數據存儲在精確版服務器，該服務器只接受來自加密版服務器的服務請求，精確計算也在加密版服務器完成，從而避免了專題數據在網絡的傳輸，能同時滿足拓撲關系精確計算和數據保密的要求。

(2) 算法流程

精確拓撲關系計算的系統結構及處理流程如圖2所示，包括3個部分：專題數據服務器精確版和加密版、互聯網和用戶。兩個服務器之間使用專線連接，且有防火墻隔離，精確版服務器只與加密版服務器相連，用戶無法直接訪問精確版服務器。加密版服務器維護著加密版和精確版數據庫同名矢量的ID映射表，并提供ID轉換服務。具體流程如下:

1) 用戶向服務器發送拓撲關系精確計算請求，參數為待計算矢量對A、B的加密版ID。

2) 加密版服務器收到請求后，查詢矢量ID映射表，得到A、B精確版的ID，并以該ID為參數向精確版服務器轉發拓撲關系精確計算請求。

3) 精確版服務器收到請求后，從精確專題數據庫查詢得到A、B的精確坐標，計算拓撲關系，并將結果返回給加密版服務器。

4) 加密版服務器收到響應后，將結果通過互聯網反饋給用戶。

四、試驗結果與分析

1. 非線性偏移對精確拓撲關系影響的模擬分析

采用非線性偏移方法，對表1中9個點的地理坐標進行保密處理

偏移前后的位置如圖3所示，其坐標為6°帶高斯投影，橫坐標減去了19 700 km，縱坐標4400 km。從圖3和表1可知，不同位置點偏移的方向和偏移量均是隨機的。表中相距約10 km的點形成的矢量，如線段AC偏移前后長度分別為4.3 km和5.1 km，三角形BDE偏移前后面積分別為11.8 km2和13.0 km2，經過處理后長度、面積和拓撲關系均發生一定的變化。

圖2 精確拓撲關系計算的系統結構及流程

表1 模擬非線性偏移前后坐標

圖3 非線性偏移處理前后的位置

2. 新方法的有效性試驗與分析

為驗證方法的有效性，搭建了模擬的原型系統，并在圖3所示的區域內，隨機生成了30個點、10條線段和12個多邊形，如圖4所示。使用新方法和偏移后數據計算了這些矢量數據的常用拓撲關系，結果見表2。分析可知，直接基于偏移后的數據，拓撲關系均出現不同大小的錯誤率；基于新方法拓撲關系可以達到100%的正確率。

通過比較發現拓撲關系的錯誤，如相離變相交、內含變相交、相交變相離、相交變內含等，常發生在多邊形或線段的頂點位于另一多邊形某較長條邊的中點附近，原因在于該情況下保密處理前后相關3點偏移的大小和方向不一致。針對這一問題，新方法采用兩級服務器存儲數據，其中精確版服務器基于精確矢量通過加密版服務器向用戶提供精確計算服務，避免了保密數據在互聯網的傳輸，降低了數據泄密風險，同時解決了保密處理帶來的精確拓撲關系錯誤的問題。

圖4 模擬矢量數據

表2 兩種方法拓撲關系計算準確率對比

五、結束語

本文針對政務版地理信息公共平臺非涉密專題數據拓撲關系計算不精確的問題，設計了一種基于雙級服務器的計算方法，避免了在網絡傳輸精確矢量數據，降低了數據使用過程中的泄密風險；開發了原型系統，使用模擬的矢量，分析了非線性偏移加密算法的影響，并進行了試驗，結果表明新方案的可行有效。新方法還可用于解決政務版專題數據面積、長度的精確計算問題，進一步滿足用戶對精確計算服務的需求。

參考文獻：

[1] 李德仁, 邵振峰.論新地理信息時代[J]. 中國科學(F輯:信息科學)，2009, 39(6): 579-587.

[2] 李維森.淺析數字城市地理空間框架建設中的創新[J]. 測繪通報，2011(9):1-5.

[3] 鄧敏, 李成名,劉文寶.利用拓撲和度量相結合的方法描述面目標間的空間關系[J]. 測繪學報，2002,31(2): 164-169.

[4] 曾元武, 陳澤鵬, 鐘遠軍.數字城市地理信息公共平臺應用模式研究[J]. 測繪通報，2013(3): 36-39.

[5] 張成成,李鋼, 李成名.測繪科學數據共享服務建設應用研究[J]. 測繪與空間地理信息，2008, 31(2): 91-93.