面向導航電子地圖制作的多源地理空間數據融合技術

朱 靖，欒學晨

（1. 廣東瑞圖萬方科技股份有限公司, 廣東 佛山 528305）

導航電子地圖數據是移動位置服務、智能導航、交通規劃等領域不可缺少的空間數據資源。導航電子地圖數據采集的多樣性引發了空間數據的多語義性、多時空性、多尺度性、存儲格式的不同以及數據模型與存儲結構的差異等[1]，給最終的導航電子地圖制作帶來一定困難。目前國內外在導航數據的匹配和融合方面作了較多研究。在數據匹配方面，常采用的是基于位置、形態和拓撲等相結合的匹配方法[2-6]；而在數據融合方面，文獻[7]提出一個支持和數據集成的技術框架，支持模型和數據兩種層次的數據集成；文獻[8]針對互聯網中多源數據綜合問題，提出一種數據集成方法。上述方法對一般GIS數據的融合和更新具有較好的效果,但對于導航電子地圖仍需要進行拓展。本文從面向導航電子地圖制作入手，基于數據生產中的導航數據要素，提出多源地理空間數據融合技術。

1 導航電子地圖數據的基本要素

導航電子地圖側重于道路交通網，主要由道路和POI形狀數據、背景數據、拓撲數據和屬性數據構成。

1）道路和POI形狀數據，主要記錄與道路相關的精確地理位置、路面形狀、道路隔離帶、相關附屬設施等。

2）背景數據，包含植被、水系、行政區劃、面狀公共場所等現實意義上的背景信息。

3）拓撲數據，定義了導航電子地圖中各種地物間的相互關系，包括拓撲聯接、拓撲相鄰、拓撲包含等。拓撲數據的定義使電子地圖中的各類數據在內涵上有了關聯，在語義和概念上更加完整，為電子地圖數據自身完備性檢查、網絡路徑規劃和實現交通信息處理提供了便利。

4）屬性數據，記錄了各類地物除位置信息以外的數據。地物不同，屬性數據的組織結構也不盡相同。例如，POI屬性包含名稱、地址、電話、網址等，而道路屬性數據則包含道路名稱、路面寬度、車道數據、通行級別等。導航電子地圖包含導航顯示、檢索、路徑計算和語音提示所用到的各種地物屬性，信息量和精細度遠超一般電子地圖。

導航電子地圖必須具有極高的精確性，包括地理位置數據和實際地物信息。同時，各要素之間必須具有正確的拓撲關系和整體聯通性，使各地物在邏輯上和語義上能夠正確地映射現實世界。還必須提供完備的地物屬性信息，例如交通規制信息說明哪些路口禁止左轉、禁止直行、時段不禁行或限行等，都與導航應用有著密切關聯，直接影響數據顯示、運算和分析的效果。

2 多源地理空間數據融合技術

多源地理空間數據融合技術將解決空間基準統一、編碼統一、數據模型統一等問題。在充分理解各編碼體系中每一編碼定義的基礎上，動態制作對應配置表，解決一對一、一對多、多對一等關系。特別在一對多的情況下，需要利用要素的關聯屬性，實現不同編碼體系的空間數據融合。

結合導航電子地圖實際生產流程（圖1），本文提出數據融合的具體任務：

1）過濾。首先將通過網站電子地圖標記、手持導航儀GPS記錄（以POI為主）、自增量車輛導航儀等3種方式匯集的變化數據進行規范性過濾；之后進行內容過濾，包括數據空間范圍過濾、與已列入生產計劃的數據比對過濾、與已有數據對比過濾等。

2）融合。將過濾后的3類數據進行單一數據源重復標記數據融合，融合過程中應考慮數據質量評價方法，選取同要素標記中質量較好的數據記錄進行融合，選取的自增量數據需能夠自動提取中心線。多源數據融合的算法主要考慮線的融合算法（特征點法、緩沖區法）。GPS獲取的中心線數據具有較高精度，具有該類數據時，同位置網絡電子地圖標記數據可忽略；如沒有該類數據，則使用電子地圖標記數據。

3）比對。融合后的數據可利用近期衛星圖像進行疊加判別。如果融合后的導航變化要素精度滿足要求，則直接提交給數據生產部門，否則應制定外業數據采集計劃。某些情況下，有可能變化要素的幾何精度滿足需求，但仍需要該導航要素的其他信息，如交通規制等，這時同樣需要編制外業數據采集計劃，但采集的數據不一定需要進行加密處理。

4）使用。根據不同的判別結果指導生產，如位置準確的數據直接提交至數據生產部門使用。

2.1 導航變化數據的融合

本文對于導航變化數據的融合主要考慮矢量形式的多源數據。矢量數據融合是為了消除以下差異：①空間物體在不同的空間數據模型中多次采集所產生的數據描述上的差異；②相同或不同數據模型采用不同的分類分級方法所產生的要素屬性差異；③空間數據應用目的不同導致在要素制圖綜合詳細程度上的差異以及多次數字化所產生的幾何位置差異。

由于任何一種導航數據本身都存在同一位置的導航數據被多次記錄的情況，因此有兩種融合流程可以考慮：①在多源導航變化數據融合前，先對同一數據來源的導航變化信息進行融合，然后再進行多個來源數據的融合。②將全部的導航變化數據放在一起進行數據融合。

由于不同用戶空間認知能力的不同，對同一導航要素進行了不同的標記，而不同的標記存在詳細程度上的差異以及位置差異。因此，本文在導航數據甄別中需要對這樣的差異進行處理，即導航要素幾何位置的融合技術。幾何位置融合是一個比較復雜的過程，需要用到模式識別、統計學、圖論以及人工智能等學科的思想和方法。幾何位置融合應包括兩個過程：一是實體匹配，找出同名實體；二是將匹配的同名實體合并。

實體匹配是指將兩個數據集中的同一地物識別出來。匹配的依據包括距離度量、幾何形狀、拓撲關系、圖形結構、屬性等。對同名實體的幾何位置進行合并，首先要對數據源的幾何精度進行評估，根據幾何精度，合并應分兩種情況進行討論。在常規多源矢量數據融合中，如果一種數據源的幾何精度明顯高于另一種，則應該取精度高的數據，舍棄精度低的數據。但在導航數據發現的幾種數據源中，可能會存在無法確定數據源精度的問題。手持式GPS導航儀和自增量導航方式發現的變化數據是由GPS定位自動記錄位置點或車輛行駛軌跡，可作為精度較高的數據。如果只有電子地圖網站的數據，則需進一步對數據源進行評價。對于幾何精度近似的數據源，應該分點、線來探討合并的方法。點狀物體的合并較為簡單，線狀物體的合并可采用特征點融合法和緩沖區算法。

2.2 融合后的數據與衛星圖像的疊加判別

融合后的數據與衛星圖像的疊加判別采用半自動方式進行。首先，采用模式識別的方法提取衛星影像中的線狀道路要素；然后，將提取的影像道路要素同融合后的導航電子地圖數據庫進行疊加，并根據距離、夾角以及長度相似性計算道路的重疊性；最后，由人工完成變化檢測的判別。

2.3 判別后數據的生產規劃

根據不同的判別結果指導生產。如位置準確，則可直接提交至數據生產部門使用；如需要修改道路上的附件信息，如交通規制信息等，則制定外業采集計劃；如位置不準確，也需要制定外業采集計劃。

3 導航電子地圖增量更新技術的實現

以前述的多源地理空間數據融合技術為基礎，應用于導航電子地圖制作平臺系統的設計與實現。首先分析了系統需求及其對數據模型的要求，然后基于業務需求進行系統總體結構的設計，接下來進行制作平臺的設計與發布，并根據導航數據的生產要求實現了3種導航要素的制作、融合、判別、生產流程。該系統的實現進一步驗證了理論的實用性。目前，面向導航電子地圖制作的多源地理空間數據融合技術已在生產實踐中應用，效果良好。

[1]郭黎, 崔鐵軍, 王玉海, 等. 多源空間數據融合技術探討[J].地理信息世界, 2007 (1): 62-66

[2]Beeri C, Doytsher Y, Kanza Y, et al. Finding Corresponding Objects when Integrating Several Geo-Spatial Datasets [C].13th ACM International Workshop on Geographic Information Systems, Bremen, Germany, 2005

[3]Walter V, Fritsch D.Matching Spatial Data Sets: a Statistical Approach[J].Int J Geographical Information Science，1999,13(5)：445-473

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[5]Stigmar H.Matching Route Data and Topographic Data in a Real-time Environment[C].10th Scandinavian Research Conference on Geographical Information Science (SCANGIS)'05, Stockholm, Sweden, 2005

[6]Zhang M，Shi W，Meng L.A Generic Matching Algorithm for Line Networks of Different Resolutions[C]. ICA Workshop on Generalization and Multiple Representation, A Coru?a, Spain,2005

[7]Beck A R, Fu G, Cohn A G,et al.A Framework for Utility Data Integration in the UK[C].Annual Symposium of the Urban-Data-Management- Society, Stuttgart, Germany, 2007

[8]Safra E, Kanza Y, Sagiv Y, et al.Integrating Data from Maps on the World-Wide Web[C].6th International Symposium on Web and Wireless Geographical Information Systems, Hong Kong,2006