一種任務自適應的空間關系缺陷自動識別方法

曹亞妮，王麗君，吳芳華,李嘉星

(1.西安衛星測控中心，陜西 西安 710043； 2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.61363部隊，陜西 西安 710054； 4.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 5.西安測繪研究所，陜西 西安 710054)

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一種任務自適應的空間關系缺陷自動識別方法

曹亞妮1,2，王麗君3,4，吳芳華2,5,李嘉星3

(1.西安衛星測控中心，陜西 西安 710043； 2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.61363部隊，陜西 西安 710054； 4.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 5.西安測繪研究所，陜西 西安 710054)

針對現有的空間關系缺陷識別方法和算法通用性較差，不能適應不同任務需求的問題，提出了任務自適應的空間關系缺陷自動識別方法。首先提升改進了傳統的模板匹配法，提出了基于功能的基本算子剖分方法；然后研究了模板與算子重組方法；最后進行了相關試驗，對上述方法進行了驗證。

任務自適應；空間關系；缺陷；自動識別

一、引 言

矢量地圖數據的空間關系缺陷是矢量地圖數據質量缺陷中的一種，即不符合矢量地圖數據生產作業規范(如《1∶50 000數字地形圖編輯出版作業細則》《數字地圖矢量數據模型及格式》等)的空間關系質量問題。這些質量問題可能會造成地圖數據形式混亂，或造成地理目標間的空間關系不能正確表達現實世界對應地理實體間的空間關系，從而不便于生產、管理、發布、更新、共享及應用。矢量地圖數據空間關系缺陷自動識別方法研究的意義重大，不僅有利于提高空間數據的質量，而且有利于提升地理信息服務的廣度和深度[1-2]。

目前，眾多學者對空間關系缺陷的自動識別方法進行了研究，主要有3種：基于空間關系計算的方法、基于拓撲規則約束的方法和基于規則發現的方法[3-5]。但是，由于矢量地圖數據空間關系缺陷產生的原因復雜多樣，存在于數據采集、生成、處理及應用各個環節，與所采用的編碼、規范、數據結構、采集標準、具體要求等多種因素關系密切，這就導致現有的空間關系缺陷識別方法和算法通用性較差，不能適應不同的任務需求。因此，需要研究能夠適應不同任務的矢量地圖數據缺陷識別方法，以提升缺陷識別的靈活性和適應性，從而提高矢量地圖數據缺陷自動識別的效率。

二、基本思路

通過對矢量地圖數據空間關系缺陷識別方法的研究可知，缺陷識別方法之間存在一定的共性。如等高線落水和道路落水缺陷的識別，在語義關系方面，都需要確定落水面要素集、落水線要素集；在空間關系判斷算法方面，都是線—面關系判斷，算法具有一定通用性。

以實現的功能為指標對識別方法剖析可得，空間關系缺陷識別一般有兩個步驟：確定參與計算的地理實體(語義關系確定)和計算地理實體間的空間關系(空間關系計算)。其中，空間關系計算方面，進一步剖析可知每個空間關系計算算法都由若干基礎算子按照一定的規則組合而成，同時這些基礎算子在功能上有著重復性。無論空間關系計算算法能夠實現多復雜的功能，歸根到底都可以將其分解為若干個能夠實現基本功能的算子的組合。當分析出這些基本算子時，在一定的原則指導下，就可以通過這些基本算子的重新嵌套、組合得到各種復雜的缺陷識別算法。

因此，可以得出以下任務自適應的空間關系缺陷識別的基本思路，如圖1所示。首先，針對每個空間關系缺陷識別任務，依據相應的缺陷識別規則，可以得知其語義關系和空間關系；進一步的，采用模板匹配法，通過地理要素編碼確定參與空間關系計算的地理實體；接著，在基于功能的基本算子剖分方法的支撐下，選擇進行空間關系計算的基本算子；最后，將模板與基本算子按照一定方法進行組合，即可實現對空間關系缺陷的識別。

圖1 任務自適應的空間關系缺陷自動識別的基本思路

1.空間關系缺陷自動識別的模板匹配法

模板匹配法是借助模板文件來識別數據缺陷的方法。模板文件記錄了某類要素的共有特征，主要是根據作業細則、圖式規范、數據模型、地理信息要素編碼、制圖規則等來詳細確立，不同比例尺地圖數據采用的模板不同。模板匹配法不僅可以對照模板上定義的規則進行屬性項真值的比對檢查，而且可以依據實際需求非常靈活地設定各種模板來輔助空間關系缺陷的識別。模板匹配法有以下幾種：

(1) 真值模板匹配法

真值模板匹配法是對具有固定取值的屬性項缺陷進行識別的方法。其實質在于把需要檢查的屬性項的正確取值(真值)按一定的形式存儲在模板中形成規則，缺陷識別時依據讀取規則與待檢內容進行逐項比對。此時，模板中記錄的內容只有屬性項的真值，屬性項的數目可以依據具體需要靈活設置。

此類方法適用于對真值確定的屬性項進行缺陷識別，如元數據項、各類編碼、注記顯示規范等。常見模板有元數據模板、注記模板、車站代碼模板、省道編碼模板、國道編碼模板、河流編碼模板、類型碼模板、行政區劃代碼模板等。其中，注記模板中包含了編碼、注記類型、字大1、字大2、字體1、字體2、字體3、字體4、字型1、字型2、字色1、字色2、字色3共13項內容，圖2為1∶5萬注記模板。

(2) 約束模板匹配法

約束模板匹配法的實質在于把被約束的目標編碼、屬性項、相應的閾值按一定的形式存儲在模板中形成規則，缺陷識別時依據編碼和約束條件對待檢內容進行判斷。此時，規則中記錄的內容為編碼、要素名稱和閾值。

圖2 1∶5萬注記模板

本方法適合于對有固定閾值約束的屬性項進行檢查。常見模板有最小面積模板、最小長度模板等。圖3為最小面積模板，其中記錄了一些需要進行最小面積判斷的地理要素及其最小面積閾值，包括代碼、要素名稱、閾值3個屬性項。

圖3 最小面積模板

(3) 要素集模板匹配法

要素集模板是記錄某些具有共同性質的地理要素的集合。在缺陷識別時，依據規則中記錄的要素編碼和名稱，逐項檢查。此時，規則中記錄的內容為需要進行某項缺陷識別的要素編碼和名稱。

要素集模板匹配法不僅適用于屬性缺陷和元數據缺陷的逐項識別，還適用于空間關系缺陷的輔助識別，常見模板有注記散列檢查模板、非落水面模板、非法進街區的線要素模板、落水面模板等。如圖4為非法進街區線要素模板。

圖4 非法進街區線要素模板

2.基于功能的基本算子剖分方法

基本算子是各種空間關系缺陷識別算法建立的基礎。要對識別算法進行系統的剖分，才能得到全面、準確的基本算子。考慮到矢量地圖數據空間關系缺陷識別面向生產任務的特點，按照算子的功能性對其進行剖分。對基本算子進行剖分時，應按照粒度適宜、個數有限的原則。前者關系到基本算子組合的靈活性，后者關系到具體算法實現的可能性。

目前剖分出來的基本算子有仿射變換算子、比較算子、鏈的外接矩形算子、點到線段的距離算子、兩點間的距離算子、鏈中刪除點算子、鏈中增加點算子、鏈的連接算子、面域點的坐標算子、逆向點算子、落入算子、交點算子、平行線算子、夾角算子等，部分算子及其基本功能見表1。

表1 剖分出的基本算子(部分)

3.任務自適應的模板與算子重組方法

以等高線與面狀水域之間的空間關系缺陷識別為例，說明任務自適應的模板與算子重組方法。重組步驟如下：

(1) 語義關系抽象

依據缺陷識別規則，產生缺陷的要素必須是水系與等高線，具體來說，所屬的地理要素集模板如圖5所示。

圖5 等高線與面狀水域之間的空間關系缺陷識別模板

(2) 空間關系抽象

依據以上規則，此缺陷可抽象為線要素與面要素的關系判斷問題，進一步可以抽象為點要素與面要素的關系判斷問題，以及線要素與線要素的關系判斷問題。

(3) 基礎算子的選擇

依據上述步驟分析，識別此缺陷應當選擇以下基礎算子：點與多邊形關系的落入算子、最小外接矩形算子、角度算子或面積算子或距離算子。

(4) 基礎算子的重組

在缺陷識別時，依據以下步驟把基礎算子重組：

1) 依據要素屬性編碼找到參與關系判斷的地理實體。

2) 采用基礎算子對空間關系進行判斷。首先利用最小外接矩形算子計算出多邊形與線的最小外接矩形，利用最小外接矩形排除大量不必參與計算的點；然后利用點是否在多邊形中的落入算子判斷當前點是否落入水域面中，若落入，則進一步用閾值來精確判斷。

3) 利用閾值來精確判斷時就需要選擇角度算子或面積算子或距離算子來計算相應的度量關系。

4) 有時，也可以采用以閾值為半徑，作面的內外緩沖區，判斷線與緩沖區之間的關系的方法來判斷要素落水的空間關系缺陷。這樣，就不需要進行度量值與閾值的比較判斷，是另外一種考慮了閾值的空間關系判斷方法。

常見空間關系缺陷識別任務的模板與基礎算子重組關系見表2。

這樣根據不同的地圖數據缺陷識別任務，如不同比例尺、不同質量要求、不同數據標準，不用修改軟件系統，只需要按以上步驟進行分析，裝載合適的檢查模板、選擇相應的基礎算子就可以進行缺陷識別。

表2 任務自適應的模板與算子重組表(部分)

三、空間關系缺陷自動識別試驗

依據上述基本思路，可實現空間關系缺陷的自動識別。首先對自動檢查項進行設置，然后依據需要識別的空間關系缺陷讀取相應的模板文件。比例尺不同，模板不同，如圖6所示。在實際應用過程中，用戶可以依據實際任務需求對模板進行設置和更改，具有很大的靈活性。

圖6 不同比例尺空間關系缺陷識別的模板文件

點擊“自動檢查及格式轉換”，系統在后臺通過基本算法的分解和重組，對地理要素目標間的空間關系進行計算。依據計算結果可判斷是否產生空間關系缺陷，如圖7(a)為水曲矛盾缺陷的自動識別結果，圖7(b)為道路落水的識別結果。

通過試驗可知，采用本文方法，可極大地提高缺陷自動識別的靈活性和通用性，能夠滿足不同空間關系缺陷自動識別任務的需要。

圖7

四、結束語

在地理信息服務產業遍地開花， 各類地圖產品廣泛應用的今天，地圖數據質量問題已經成為影響地圖數據使用價值的主要因素之一。本文方法已經應用于地圖數據生產與更新的具體實踐，取得了良好的效果。下一步，應當深入分析缺陷產生的原因，探索缺陷自動處理與消除的方法，從而更好地為提高地圖數據質量服務。

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[4] 劉萬增，陳軍，鄧喀中，等．線線空間關系描述的拓撲鏈模型[J]．中國礦業大學學報，2010，39(1)：75-79．

[5] 詹陳勝．多尺度數據庫中空間沖突自動檢測方法研究——以線要素為例[D]．鄭州：信息工程大學，2012．

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A Method of Spatial Relationship Defects Automatic Identification Based on Task Adaptivity

CAO Yani,WANG Lijun,WU Fanghua,LI Jiaxing

曹亞妮，王麗君，吳芳華，等.一種任務自適應的空間關系缺陷自動識別方法[J].測繪通報，2015(7)：62-65.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0212

2014-05-05

地理信息工程國家重點實驗室開放基金(SKLGIE2013-M-4-2)

曹亞妮(1986—)，女，博士，主要研究方向為地圖數據質量檢查、地理可視分析。E-mail：nierde@163.com

P208

：B

：0494-0911(2015)07-0062-04