矢量地理信息更新增量的傳播

引文格式： 張保鋼，楊伯鋼，張偉松. 矢量地理信息更新增量的傳播[J].測繪通報，2015(4)：53-56.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0110

矢量地理信息更新增量的傳播

張保鋼，楊伯鋼，張偉松

(北京市測繪設計研究院，北京 100038)

IncrementalPropagationofVectorGeographicInformationUpdating

ZHANGBaogang，YANGBogang，ZHANGWeisong

摘要：矢量地理信息更新增量的傳播在客戶數據庫更新中起著至關重要的作用。本文從矢量地理信息更新增量傳播的必要條件、傳播過程、特殊性、傳播內容，以及最終客戶數據庫的更新幾個方面系統研究了矢量地理信息更新增量的傳播，完善了地理信息更新增量傳播理論；歸納了客戶數據庫更新的4種情況，并給出了解決方案。

關鍵詞：矢量地理信息；更新增量；傳播；主數據庫；客戶數據庫

中圖分類號：P208

收稿日期：2014-02-13

基金項目：國家科技支撐計劃(2011BAK07B02-03);地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(201135)

作者簡介：張保鋼(1965—)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事地理信息系統方面的理論研究與開發。E-mail：bg_zhang65@163.com

一、引言

隨著地理數據“原始積累”的逐步完成和共享應用，數據更新已成為廣大用戶關注的熱點問題[1]。更新方式包括版本式更新和增量式更新。由于客戶數據庫在主數據庫基礎上新加了專題屬性，主數據庫的新版數據與用戶數據庫在數據規格上存在差異。版本式更新客戶數據庫將為用戶后續的使用帶來相當大的工作量及數據冗余；而增量式更新可以避免這些不足，還可以對歷史地理信息進行回溯[2-3]。文獻[4—6]對地理信息變化的描述、種類、建模進行了研究；文獻[7]采用目標差、被差和交的三元組對目標快照進行了分類，給出了正差、負差的計算及其在增量采集與變化信息發布中的應用方法；文獻[8]提出了基于快照—增量的時空索引機制；文獻[9]從拓撲更新的角度，提出了5種更新操作；文獻[10—12]分析了空間數據庫增量更新的實施方法、信息提取與集成及增量更新制圖。矢量地理信息更新增量的傳播[13]在客戶數據庫更新中起著至關重要的作用。文獻[13]分析了模式匹配、變化提取、實體識別、更新集成4種更新傳播的操作。本文從矢量地理信息更新增量傳播的必要條件、傳播過程及其特殊性、最終客戶數據庫的更新幾個方面系統研究了矢量地理信息更新增量的傳播。

二、矢量地理信息更新增量傳播的必要條件

傳播的基本要素包括傳者、受者、信息[14]。傳者是傳播之源；受者是傳播的目的地；信息是從傳者當中挖掘出來、受者需要但沒有的內容，是傳播的對象。另外，傳播介質是信息從傳者到受者間連接的通路或橋梁。矢量地理信息更新增量傳播是從主數據庫傳播到客戶數據庫，傳者是主數據庫，受者是客戶數據庫，傳播的內容即信息是矢量地理信息增量文件，傳播的介質是各種網絡或移動設備、光盤、磁盤等數據存儲介質。主、客戶數據庫間的關系一般應滿足下列條件。

1. 主、客戶數據庫覆蓋的空間范圍

主數據庫覆蓋的空間范圍{(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)}(i≥2)應包含客戶數據庫的空間范圍{(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)}(j≥2)的全部或一部分，即：{(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)}∩{(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)} ≠ Φ。其中，(x主1，y主1)，(x主2，y主2)，…，(x主i，y主i)，…，(x主1，y主1)和(x客1，y客1)，(x客2，y客2)，…，(x主j，y主j)，…，(x客1，y客1)分別是主、客戶數據庫空間覆蓋范圍邊界坐標串，Φ表示空集。

2. 主、客戶數據庫的數據集語義分類

主數據庫的數據語義分類集合為{Class主1，Class主2，…，Class主i，…，Class主n}(n≥i≥2)。

首先主數據庫的數據集語義分類S主={Class主1，Class主2，…，Class主n}(n≥2)中的某些元素NClass主1、NClass主2、…、NClass主i與客戶數據庫的數據集語義分類S客={Class客1，Class客2，…，Class客m}(m≥2)中的某些元素NClass客1、NClass客2、…、NClass客j存在對應關系。

其次，客戶數據庫的語義分類的類級不低于主數據庫或通過組合某些主數據庫分類得到。如果客戶數據庫的語義分類高于主數據庫分類，可以通過合并或組合主數據庫信息的方法更新客戶數據庫；然而如果客戶數據庫的語義分類低于主數據庫分類，則無法通過主數據庫更新客戶數據庫。如以教育人口空間數據庫(主數據庫)更新人口空間數據庫(客戶數據庫)時，前者存儲了研究生以上文化程度、大學文化程度、中學文化程度、小學文化程度和文盲空間分布數據，后者存儲的是該地區人口空間分布數據。若前者的現勢性高于后者，可以采用組合前者的5類較低級別語義數據的方法更新后者1類較高級別語義數據；但無法通過較高級別的人口數據更新較低級別的按教育程度劃分的人口數據。

3. 主、客戶數據庫的現勢性

主數據庫的現勢性應比客戶數據庫的現勢性強。客戶獲取地理信息更新增量的目的是進行客戶數據庫更新，如果主數據庫與客戶數據庫相比沒有更高的現勢性，那么從時間或時態的角度來說，主數據庫就失去了客戶的應用價值。

三、矢量地理信息更新增量的傳播過程

傳播過程的一般特征是：誰—說了什么—通過什么渠道—對誰—取得了什么效果[14]。由此矢量地理信息更新增量的傳播過程可描述為：主數據庫—矢量地理信息更新增量文件—各種網絡或移動設備、光盤、磁盤等數據存儲介質—客戶數據庫—實現矢量地理信息的更新。傳播過程的數據流程如圖1所示。

圖1　矢量地理信息更新增量的傳播過程

與其他形式信息的傳播相比，矢量地理信息更新增量傳播的特殊性是：①傳播的數據量小，只傳播發生變化的地理信息；②信息構成復雜，除了傳統意義的文字信息外，還包括空間、圖形等信息，其中最顯著的特征是空間信息可定位；③信息傳播過程復雜，信息的解譯需要專門的地理信息系統軟件；④傳播介質特殊，必須是網絡或其他存儲數字信息的媒介；⑤信息的表現形式直觀活潑，表現為各種地物實體的空間圖形信息；⑥信息的使用需借助客戶數據庫，由于更新增量是一個差值，因此只有在用其更新客戶數據庫后才更有使用價值。表1是矢量地理信息更新增量與傳統信息、軟件更新增量傳播的對比。

表1　矢量地理信息更新增量與傳統的信息、軟件更新增量傳播的對比

根據文獻[8],矢量地理信息更新增量包括線目標差、面目標差，以及點目標差。點目標差應包括目標正差和目標負差；線目標差包括目標正差、目標負差、偏離正負差、延長正差、縮短負差、延長縮短差；面目標差包括目標正差、目標負差、偏離正負差、擴張正差、收縮負差、擴張收縮差。矢量地理信息更新增量信息的提取實質上就是給定時間區間，從主數據庫中得到時間區間兩個端點的時間快照，建立快照差分類描述的目標差、被差和交的三元組，從主數據庫的各層空間數據層中提取時間快照的點目標差、線目標差和面目標差。這3類目標差集合即用戶所需的增量信息。

四、傳播內容

矢量地理信息更新增量傳播的內容是其增量本身。地理信息更新增量又稱地理信息變化量，描述某個時間段內指定空間區域地理信息的變化情況，也就是地理目標增、刪、改的情況。如果把修改看成是對同一地理目標先刪除后增加，那么地理信息的變化可只歸類為地理目標的增加和刪除。為便于增量信息與客戶數據庫數據的集成或融合，地理信息的增量文件還應包括主數據庫地理信息增量的元數據信息。地理信息增量的內容可歸納如下：

1) 主數據庫地理信息元數據信息：如地理信息的坐標單位、坐標系、投影類型、比例尺、空間覆蓋范圍、有效數據時間(增量時間區間)等參數。

2) 刪除的地理目標文件：與主數據庫結構一致，且在增量時間區間內被刪除的地理目標。

3) 增加的地理目標文件：與主數據庫結構一致，且在增量時間區間內增加的地理目標。

五、最終客戶數據庫的更新

最終客戶數據庫的更新如圖2所示。首先對增量文件進行幾何糾正，使增量數據的數學基礎與客戶數據庫數學基礎相一致；然后依據增量數據與客戶數據庫數據圖層之間的對應關系，在客戶數據庫中提取并刪除增量文件中刪除的地理目標，增加增量文件中新增的地理目標，并使其屬性信息完善，實現客戶數據庫的更新。

1. 增量文件幾何糾正

1) 人工選取增量文件中刪除目標的特征點及客戶數據庫中對應目標特征點。

2) 依據精度需要，確定增量文件到客戶數據庫空間坐標變換多項式，用最小二乘法解算多項式系數。

3) 對原增量文件進行整體仿射變換，得到客戶數據庫數學基礎下的增量文件。

2. 增量文件的圖層與結構重組

通過幾何更新，增量文件與客戶數據庫的數學基礎達到了一致。為保證主客戶數據庫的數據一致性，首先按客戶數據庫的數據分層方法，將增量文件的刪除部分和增加部分重新進行數據分層組織，使增量文件的數據分層、數據結構與客戶數據庫的數據分層及數據結構相一致。

圖2　最終客戶數據庫的更新

3. 對客戶數據庫中應刪除地理目標的提取與刪除

逐層提取增量文件中需刪除的目標，以客戶數據庫的精度為緩沖區半徑，建立需刪除目標的緩沖區，客戶數據庫對應圖層與上述緩沖區作疊加分析，完全落在緩沖區內的目標為客戶數據庫該層應刪除目標，刪除這些目標；與緩沖區有交叉的目標需通過人機交互和借助其他資料判斷其是否需要刪除，完成對增量文件中刪除部分的操作。

4. 對客戶數據庫中應增加地理目標的插入

逐層提取增量文件中待插入目標，在客戶數據庫相應圖層中插入這些目標，根據相關補充資料，完善插入目標的屬性。

5. 對客戶數據庫中發生變化圖層拓撲關系的維護

逐層處理客戶數據庫中有過增刪操作的地理信息圖層，重建拓撲關系，如由于地理目標的增刪而引起的合并、分割等。

六、試驗與結論

基于上述思想，本文開發了矢量地理信息更新增量傳播程序。圖3是以房屋圖層為例的一個程序運行試驗。主、客戶數據庫間具有相同的數學基礎和語義分類。試驗表明，程序可在一定程度上實現矢量地理信息更新增量傳播和客戶數據庫更新。

圖3　矢量地理信息更新增量傳播

客戶數據庫的更新可分為下述4種情況：①當主、客戶數據庫的數學基礎、語義分類、數據結構等完全一致時，直接使用更新增量對客戶數據庫進行相應的目標刪除、增加和拓撲關系維護等操作；②當主、客戶數據庫之間除數據結構外，其他屬性相同時，首先修改增量文件結構，使增量文件的數據結構與客戶數據庫完全一致，然后執行步驟①的操作；③當主、客戶數據庫之間只有數學基礎相同時，按客戶數據庫的數據分層方法，將增量文件的刪除部分和增加部分重新進行數據分層組織，使增量文件與客戶數據庫的數據分層相一致，然后執行步驟②的操作；④當主、客戶數據庫之間數學基礎不同時，應對增量文件首先進行幾何糾正，使增量文件與客戶數據庫的數學基礎一致，然后執行步驟③的操作。實際工作中前3種情況較多，第4種情況操作復雜，不建議使用；但當更新資料匱乏時，步驟④也可選擇使用。

本試驗是在主、客戶數據庫間具有相同的數學基礎和語義分類條件下展開的，未涉及主、客戶數據庫間數學基礎、語義分類、數據結構均不一致時增量更新的情況。今后的研究包括客戶數據庫快速增量更新算子、增量文件的語義轉換及與客戶數據庫實體的匹配等。

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