基于攝影測量的基礎地理數據庫在線更新系統研究

常學立，王 密，樓燕敏

(1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079;2.浙江省第二測繪院，浙江杭州310012)

一、引 言

目前，我國已經初步建成了各種比例尺的基礎地理數據庫，但隨著經濟社會的快速發展，地物要素也處于不斷的變化中。為了保持庫體數據的現勢性，滿足經濟社會發展的要求，需要對已有的數據及時進行更新，持續動態的基礎地理數據更新也是我國信息化測繪將面臨的主要問題。傳統的基礎地理數據更新是首先確定需要更新的地理區域，根據所使用的修測更新平臺從基礎地理數據庫中導出規定格式的矢量數據;然后基于正射影像或立體模型對變化區域的數據進行修測更新，結果滿足質量要求后再跟已有的數據接邊與入庫。在這個過程中，數據導出和入庫都要進行必要的格式轉換，并且數據更新編輯和檢查在一定程度上需要進行迭代操作，使得數據更新工作環節較多，增加了工作的復雜性和更新周期，滿足不了信息化測繪對基礎地理數據快速更新的要求。

鑒于航空影像獲取的便捷性、高效性和高信息容納性，以及數字航空攝影機的普及和POS系統的集成和使用，用攝影測量的方法采集地形、地物的信息仍然是當前地理要素數據獲取和更新的主要手段［1］。數字攝影測量立體測圖能獲取精度均勻、高質量的矢量數據，但其成圖周期太長，工作量和作業成本太大，不能滿足基礎地理數據快速更新的要求，且數字攝影測量產品不能直接保存到GIS數據庫中。因此必須合理、充分地使用現有數據并提高基礎數據更新的作業效率，降低復雜性和成本，實現快速更新［2-4］。美國Esri公司的ArcGIS是目前比較通用的功能強大的地理信息系統軟件，該軟件系統可以有效地管理各項數據信息和建立地理信息數據庫［5-7］;若能夠利用現有的軟件資源和技術手段將數字攝影測量的矢量數據采編功能和ArcGIS的地理數據管理功能有機結合，優化作業流程，實現基礎地理數據在線更新，必然能夠有效提高基礎地理數據的更新效率?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于Arc-SDE的空間數據版本管理方法，該方法將ArcMap平臺與數字攝影測量技術無縫集成進行基礎地理數據庫的更新，設計并實現了基礎地理數據庫在線更新軟件系統。

二、系統設計

1.基礎地理數據庫在線更新模式

(1)數據生產與數據入庫的一體化

在傳統的基礎地理信息數據的生產模式中，生產或更新最終的表現形式為滿足數據入庫要求的數據。數據生產或更新與數據入庫是整個數據生產鏈中的兩個階段，它們一般是由生產單位的不同部門在不同的工具平臺下進行，而在線更新的模式則實現了數據生產和數據入庫在同一平臺環境進行;另外，生產和入庫可由同一部門的人員同步作業，大大減少了數據生產鏈的處理環節，提高了生產效率。

(2)基礎地理信息數據的增量更新

基礎地理信息數據的在線更新系統引進Arc-SDE的版本管理機制，將待更新區域的地理信息數據按照不同的區域劃分為若干并行的數據版本，當作業員完成不同版本的數據更新之后，管理員利用版本管理機制解決不同版本帶來的地物要素沖突，通過版本管理機制實現了基礎地理信息數據的增量更新。

(3)GIS與數字攝影測量的有機組合

在線更新系統采用擴展ArcMap功能的方式進行構建，保留了ArcMap已有的編輯和制圖功能;同時，利用組件和控件技術將數字攝影測量的功能與ArcMap平臺進行無縫集成，形成數據更新生產平面環境和立體環境的一體化作業，實現了GIS技術和攝影測量技術的有機結合。

(4)基礎地理信息數據的網絡化生產與管理

與傳統的圖、庫分離的生產模式相比，在線更新系統采用C/S模式。在服務器端，管理員利用Arc-GIS成熟的管理技術進行數據集中式管理，按照不同的任務劃分規則(如行政區域、道路中心線等)進行作業劃分;在客戶端，作業員接收不同區域的作業任務，利用在線更新平臺進行網絡化的數據生產，實現了數據生產和數據管理的一體化。

基礎地理數據在線更新系統的更新生產模式如圖1所示。

圖1 基礎地理數據在線更新系統更新生產模式

2.系統功能模塊

根據測繪部門作業生產的特點和基礎地理數據在線更新的任務需求，本系統劃分為任務管理子系統、測區管理子系統、立體采集子系統、數據編輯子系統和數據檢查子系統，具體的功能模塊如圖2所示。

圖2 系統整體功能

(1)任務管理子系統

任務管理子系統基于ArcSDE對空間數據庫的版本管理機制，根據基礎地理數據庫的更新作業特點，實現了數據更新任務的管理、數據版本權限控制等功能。

(2)測區管理子系統

測區管理子系統是整個在線更新系統的數據準備模塊，主要完成已有空三加密成果的導入，重建測區立體模型，為立體采編模塊提供立體像對數據。

生物數學知識體系中的相關定理與概念較為抽象，在學習過程中容易混淆其中的知識點結構。設置知識結構圖，則是在最大限度上展示知識細節，通過更為直觀的表現形式引發學生的關注度與側重點。諸如在生物數學教學中單側極限與函數極限的概念，其知識點本身分布于各個章節，學生很難直接找到其中的知識規律。因此，需要借助更為直觀的知識結構圖呈現其中的細節部分，加強學生的理解與記憶。

(3)立體采集子系統

立體采編子系統是基礎地理數據在線更新系統中的關鍵部分，該子系統主要實現立體環境下點、線、面地物要素的采集和已有地物要素的編輯功能;同時能與ArcMap平臺進行無縫集成，完成與Arc-Map平臺的消息的傳遞和事件的實時同步，保證立體采編數據與庫體數據的一致性。

(4)數據編輯子系統

數據編輯子系統基于ArcMap平臺實現，包括更新作業方案的配置和地物要素的圖形編輯、屬性編輯功能，其中更新作業方案是整個更新任務的作業規則，它確定了所采集的地物要素所屬層與所屬屬性的約束，保證每個作業員在統一的規則下進行作業;地物的采集功能主要基于ArcMap平臺，同時提供與立體采編交互的接口，即可以激活相應的采集工具在立體視圖上進行地物的采集與更新。

(5)數據檢查子系統

數據檢查子系統是對采編更新后地物的正確性進行檢查，包括對表達地物要素的圖形特征和屬性特征進行一致性檢查，保證與已有矢量數據的一致性;同時根據生產作業規范化管理的需求，在進行數據檢查之后輸出質量檢查的結果，方便作業管理員對生產更新的數據進行有效的質量控制。

三、系統實現

1.開發環境

系統以組件和控件相結合的方式在VC++6.0環境下獨立開發而成，運行的基礎平臺是ArcGIS 9.3，各項功能通過相應的接口實現消息的響應與動作的同步，協同工作成為一個有機的整體，形成的系統界面風格與ArcMap應用程序保持一致。

2.關鍵功能實現

(1)基于ArcSDE版本管理的任務分配與提交

ArcSDE的空間數據庫的版本管理有3種基本實現方式:單獨式、串聯式和并聯式。其中，單獨式在整個過程中只存在唯一的版本，多個用戶直接在該版本上進行編輯;串聯式是在父版本基礎上創建子版本，進而在子版本上再創建子版本，適用于存儲不同時期的地理數據;并聯式是在父版本上創建多個子版本，各個用戶在各自的版本上進行編輯，適用于不同區域范圍或功能單元的數據。

本文結合基礎地理信息庫更新的作業特點，采用混合式的方式創建版本樹來實現對庫體的版本管理。具體的結構如圖3所示，在版本樹的頂端是父版本，基于父版本創建中間版本，最后根據更新任務的特點在中間版本的基礎之上創建若干子版本，劃分子版本的原則可以按照行政區域劃分，也可以采用國家的相關標準(如標準圖幅)進行劃分。

圖3 版本樹

創建了版本樹后，需要對各個版本進行權限控制，以保證整個更新任務的有序執行。整個作業過程包括管理員(admin)和作業員兩個角色，對于不同的版本數據有可瀏覽和可編輯兩種權限級別，父版本和中間版本由管理員控制，即管理員擁有其瀏覽和編輯權限;各個子版本由各個作業員控制。管理員可以瀏覽和編輯父版本與中間版本的數據，也就是整個更新作業范圍區域;而每個作業員只能瀏覽和編輯自己所屬的子版本數據。在版本創建和權限控制之后，作業員就在所屬的子版本上進行相應的數據更新操作。

各個作業員在對各自的子版本數據進行編輯更新之后，向管理員提交自己作業的成果數據。管理員在接收作業員的版本數據后，由于不同版本數據仍然存在區域的相交，需要進行版本沖突的處理，版本沖突的操作在中間版本上進行，當完成所有的子版本的合并和版本沖突之后，管理員將最終的中間版本提交至父版本形成最終的版本，完成數據更新任務。

(2)基于ArcMap平臺與數字攝影測量技術的一體化采編

傳統的地理信息數據的修測更新大多利用數字攝影測量的手段，基于影像或立體影像進行地物要素的采編［8］。ArcMap是一個通用GIS的平臺軟件，它也具有地圖編輯的功能，但是它主要用于地理數據的分析與管理，直接在其上進行地理信息的數據采集更新，仍然存在不少的問題。

本系統基于ArcMap平臺，利用二次開發的方式擴展其功能，將基于立體影像地圖采編更新模塊無縫集成到平臺之中，使其成為統一的整體，實現了與數字攝影測量技術的一體化采編，具體實現如圖4所示。

圖4 ArcMap平臺與立體采編模塊無縫集成實現示意圖

ArcMap平臺與立體采編模塊的無縫集成主要體現在數據的同步顯示和采編動作的實時響應，在進行立體采編前，首先，要完成ArcMap平臺地圖數據與立體像對數據的無縫疊加顯示，由于庫體數據所覆蓋的地面范圍往往大于立體像對所在的地面范圍，此時可以利用ArcMap空間查詢接口過濾出與立體像對所相交的地物要素集，并將其顯示在立體視圖中，在疊加矢量數據時，由于庫體數據的坐標參考與立體像對的坐標參考并不一致，需要將庫體數據進行實時的坐標投影轉換，將其顯示在立體視圖中。然后，由ArcMap發出啟動編輯的命令，立體采編模塊中相應的編輯功能按鈕被激活，這時作業員可以利用立體采編模塊所提供的采編功能進行基于立體像對的地物要素的采集更新;同時立體采編模塊通過內部的消息傳遞機制將最新采編的結果實時顯示在ArcMap平臺的視圖中;另外作業員在地物采集時會出現大量編輯回退的動作，本項目利用堆棧記錄立體采編的地物要素ID，在響應編輯回退時同時調用ArcMap回退命令，顯示同步回退。最后，作業員可以調用ArcMap保存編輯的命令實現地物要素的入庫更新，該系統已經成功用于浙江省第二測繪院省級1∶10 000基礎地理數據的快速更新，圖5為系統運行界面。

圖5 系統運行界面

四、結束語

數字攝影測量系統的立體數據采編功能和Arc-GIS的空間數據管理功能的無縫集成，實現了更新要素的在線立體和平面采集，有利于實現基礎地理數據的快速更新。在基礎地理信息數據庫平臺上的更新不需要數據的出庫和入庫過程，有效克服了傳統的基于文件的基礎地理數據更新方式由于多次文件格式轉換所帶來的信息丟失、信息冗余、效率低下、質量難以控制等缺陷，因此能夠有效降低數據更新的成本并提高基礎地理數據的更新效率。為了提高數據更新的效率，基礎地理數據變化的自動發現和半自動測量將是在線更新未來面臨的主要問題。

［1］王密，陳克明，陳少勤，等.基于MicrostationV8的立體采編系統開發與實現［J］.測繪信息與工程，2006(2):17-19.5

［2］張祖勛.數字攝影測量的發展與展望［J］.地理信息世界，2004，2(3):1-5.

［3］蔣捷，陳軍.基礎地理信息數據庫更新的若干思考［J］.測繪通報，2000(5):1-3.

［4］王密，胡芬，廖安平，等.1∶5萬基礎地理信息綜合判調更新系統的設計與實現［J］.武漢大學學報:信息科學版，2009(10):1144-1148.

［5］樊紅.Arc/Info應用與開發技術［M］.武漢:武漢大學出版社，2002.

［6］王家耀.空間信息系統原理［M］.北京:科學出版社，2001.

［7］龔健雅.地理信息系統基礎［M］.北京:科學出版社，2001.

［8］劉鳳德，項琳，邱懿.基于JX4數字攝影測量工作站的地理信息數據庫直接更新的方法設計［J］.測繪科學，2005，30(1):102-104.