基于SVG道路網(wǎng)增量更新的提取、組織與表達(dá)

尹 川，寧方馨

（1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048; 2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

基于SVG道路網(wǎng)增量更新的提取、組織與表達(dá)

尹 川1，寧方馨2

（1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048; 2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

針對(duì)道路網(wǎng)增量更新模式中增量更新文件的組織和表達(dá)等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行了比較和改進(jìn)，提出一種基于可伸縮矢量圖形（SVG）數(shù)據(jù)格式增量更新文件的快速生成方法；重點(diǎn)研究如何在現(xiàn)有GIS軟件平臺(tái)下快速提取增量信息以及生成增量更新文件的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，得到的SVG增量更新文件更適用于客戶(hù)端的數(shù)據(jù)更新操作，較傳統(tǒng)的XML格式有更好的表達(dá)顯示效果，驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性。

道路網(wǎng)；增量更新文件；提取；更新；SVG

隨著導(dǎo)航電子地圖應(yīng)用的日趨廣泛，如何進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地地圖數(shù)據(jù)更新就顯得格外重要。道路網(wǎng)增量更新模式由于其方式靈活且能更好地保證空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，是未來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)更新的主要趨勢(shì)。增量更新模式的實(shí)質(zhì)是通過(guò)增量更新文件實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶(hù)端異構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)間的地理空間數(shù)據(jù)的信息共享和互操作。隨著XML的不斷發(fā)展，地理信息科學(xué)領(lǐng)域利用其特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享和互操作的應(yīng)用也越來(lái)越多。在地圖增量更新模式的研究中，不少學(xué)者采用XML作為增量更新文件數(shù)據(jù)格式，但一般生成文件的操作方法比較復(fù)雜，加大了研究的難度[1-3]。SVG是基于XML的，用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式，可很好地解決以上的問(wèn)題。本文在綜合分析XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和組織特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)化了增量更新文件的操作步驟，提出了一種基于SVG的增量更新文件快速生成方法。

1 基本技術(shù)流程

如圖1所示，同一地區(qū)不同時(shí)間版本的兩個(gè)數(shù)據(jù)集（T1＞T0），服務(wù)器端獲取外部新版地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)與舊版數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和匹配，完成對(duì)增量信息的識(shí)別和提取，提取的增量信息按照數(shù)據(jù)交互格式規(guī)范組織成增量信息文件。

2 服務(wù)器端生成SVG

服務(wù)器端基于目標(biāo)匹配的方法完成增量信息的識(shí)別和提取，對(duì)增量信息依據(jù)《地球空間數(shù)據(jù)交換格式》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織。服務(wù)器端數(shù)據(jù)更新操作是在ArcGIS9.3環(huán)境下進(jìn)行，增量信息的識(shí)別和提取利用ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)將需要的非幾何信息作為屬性數(shù)據(jù)寫(xiě)入shape文件，最后由ArcGIS Desktop數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能將shape文件生成SVG文件。

圖1 更新技術(shù)流程圖

2.1 增量更新文件的識(shí)別和提取

目標(biāo)匹配是通過(guò)對(duì)目標(biāo)的幾何、拓?fù)浜驼Z(yǔ)義進(jìn)行相似性度量,識(shí)別出同一地區(qū)不同來(lái)源的空間數(shù)據(jù)集中的同一地物,從而建立兩個(gè)空間數(shù)據(jù)集間同名目標(biāo)間的鏈接,以及探測(cè)不同數(shù)據(jù)集間的差異或變化[4]。

線(xiàn)狀目標(biāo)幾何匹配時(shí)常用的度量指標(biāo)有角度、分裂度、距離和重合度[5]。道路網(wǎng)數(shù)據(jù)在實(shí)際的匹配過(guò)程中，若源目標(biāo)集合與待匹配目標(biāo)集合數(shù)據(jù)集來(lái)自同一數(shù)據(jù)源，那么兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間誤差較小，可對(duì)道路線(xiàn)要素采用重疊分裂度的方法進(jìn)行匹配[6]；若兩個(gè)數(shù)據(jù)集不是來(lái)自同一數(shù)據(jù)源，誤差較大，就需要采用面積迭置率的計(jì)算。本文屬于后一種情況，此處面積迭置率定義為兩個(gè)面實(shí)體相互重疊的面積占各自總面積的比值[7-8]。

首先需要定義面積迭置率的指標(biāo)。假設(shè)Ai和Bi是兩個(gè)待匹配的道路實(shí)體的面緩沖區(qū)，根據(jù)Sim（Ai，Bi）和Sim（Bi，Ai）來(lái)計(jì)算其面積迭置率，則它們之間的迭置率為：

式中，Area（Ai，Bi）為Ai與Bi緩沖區(qū)相交面積。當(dāng)Sim（Ai，Bi）、Sim（Bi，Ai）中至少有一個(gè)大于某個(gè)閾值時(shí)，它們就存在匹配的可能性。當(dāng)Sim（Ai，Bi）接近1時(shí)，表明Ai整體和Bi匹配；當(dāng)Sim（Bi，Ai）接近1時(shí)，表明Bi整體和Ai匹配；當(dāng)Sim（Ai，Bi）、Sim（Bi，Ai）同時(shí)接近1時(shí)，說(shuō)明Ai與Bi是1∶1匹配的。這里的閾值采用最大類(lèi)間方差進(jìn)行計(jì)算得到，該方法得到的匹配閾值相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)閾值具有更好的針對(duì)性和準(zhǔn)確性[9]。

假設(shè)tl時(shí)刻的道路要素集合為t2時(shí)刻的道路要素集合為兩個(gè)對(duì)象圖形匹配允許閾值為e，遍歷道路對(duì)象集合OBJt1，設(shè)O為其中任意元素，對(duì)O以一定寬度作緩沖區(qū)A，在該緩沖區(qū)范圍內(nèi)查找t2時(shí)刻內(nèi)滿(mǎn)足匹配閾值大于e的元素，則根據(jù)t1、t2時(shí)刻匹配目標(biāo)元素的數(shù)量，目標(biāo)匹配的關(guān)系表達(dá)為1∶0、1∶1、1∶N、N∶1、0∶1、M∶N六種，則對(duì)線(xiàn)對(duì)象增量提取過(guò)程可以如下描述：

1）若目標(biāo)匹配關(guān)系為1∶0，則變化類(lèi)型為消失。

2）若目標(biāo)匹配關(guān)系為1∶1，則需要分別通過(guò)判斷該對(duì)象t1時(shí)刻的面積迭置率Simt1和對(duì)應(yīng)匹配對(duì)象t2時(shí)刻的面積迭置率Simt2與閾值e的大小關(guān)系來(lái)決定其對(duì)象變化類(lèi)型。如果Simt1、Simt2同時(shí)大于e且屬性信息沒(méi)有發(fā)生改變，則變化類(lèi)型為穩(wěn)定；屬性信息發(fā)生改變，則變化類(lèi)型為屬性變化，將該對(duì)象寫(xiě)入增量更新文件；如果Simt1＞e且Simt2＜e,則變化類(lèi)型為變形；如果Simt1＜e且Simt2＞e，變化類(lèi)型也為變形。

3）若目標(biāo)匹配關(guān)系為1∶N，則變化類(lèi)型為分割。4）若目標(biāo)匹配關(guān)系為N∶1，則變化類(lèi)型為合并。5）若目標(biāo)匹配關(guān)系為0∶1，則變化類(lèi)型為新增。6）若目標(biāo)匹配關(guān)系為M∶N，則變化類(lèi)型為重新分配。

2.2 增量更新文件數(shù)據(jù)格式

完整的空間矢量數(shù)據(jù)由圖形的定位屬性、圖形表現(xiàn)屬性和非圖形屬性組成。當(dāng)空間矢量數(shù)據(jù)只包含圖形的定位屬性和圖形表現(xiàn)屬性時(shí)，可滿(mǎn)足電子地圖數(shù)據(jù)交換的需求；當(dāng)空間矢量數(shù)據(jù)只包含圖形的定位屬性和非圖形屬性時(shí)，可滿(mǎn)足GIS數(shù)據(jù)交換服務(wù)的需求；當(dāng)空間矢量數(shù)據(jù)3個(gè)屬性都包含時(shí)，既可滿(mǎn)足GIS數(shù)據(jù)交換服務(wù)，又可滿(mǎn)足地圖制圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求[10]。

本文設(shè)計(jì)的道路增量更新文件主要包括系統(tǒng)內(nèi)部編號(hào)、道路ID、幾何信息、屬性信息、層名、地理變化類(lèi)型和更新操作ID等，其對(duì)象組織結(jié)構(gòu)關(guān)系如表1。

表1 增量文件組織結(jié)構(gòu)表

系統(tǒng)內(nèi)部ID為系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)生成的遞增編號(hào)；道路ID為舊版地圖道路的ID，更新操作過(guò)程可通過(guò)該ID在舊版地圖中獲得待更新的道路要素；層名記錄當(dāng)前道路要素所在的道路層名稱(chēng)；地理變化類(lèi)型為當(dāng)前要素發(fā)生地理變化類(lèi)型的編號(hào)，本文共定義8種（消失、穩(wěn)定、新增、變形、分割、合并、屬性變化和重新分配）。

2.3 轉(zhuǎn)換生成svg格式

目前，對(duì)于空間數(shù)據(jù)互操作的研究主要是基于XML規(guī)范的，即客戶(hù)端與服務(wù)器端的信息通信采用遵循XML的數(shù)據(jù)流，用XML語(yǔ)言描述空間對(duì)象的定義及具體表達(dá)形成，以實(shí)現(xiàn)不同GIS軟件之間數(shù)據(jù)的共享和互操作[11]。空間數(shù)據(jù)的互操作層次一般有3種：元數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)層和語(yǔ)義層[12]。元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，利用XML來(lái)定義描述較容易，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互操作相對(duì)可行。數(shù)據(jù)層由于基于XML的互操作涉及空間數(shù)據(jù)與空間關(guān)系描述的復(fù)雜性，現(xiàn)在還沒(méi)有較好的標(biāo)準(zhǔn)提出。語(yǔ)義層互操作涉及更廣泛、復(fù)雜的問(wèn)題，已成為目前研究的熱點(diǎn)。

SVG共支持3種圖形對(duì)象，分別是文本、矢量圖形和點(diǎn)陣圖像。基本的圖形元素包括line、circle、polygon和path等，增量更新文件的幾何信息可用這些圖形要素來(lái)表達(dá)。增量更新文件中其他非幾何信息可用SVG的屬性數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行組織。目前獲得SVG圖形數(shù)據(jù)的方式一般有兩種：采用專(zhuān)業(yè)的支持svg格式的圖形圖像軟件生成SVG圖像；利用已有的GIS地圖數(shù)據(jù)通過(guò)格式轉(zhuǎn)換生成SVG圖像。本文先采用第一種方式在ArcGIS中通過(guò)格式轉(zhuǎn)換功能將shape文件生成標(biāo)準(zhǔn)svg格式，再通過(guò)第二種方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SVG進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換生成移動(dòng)客戶(hù)端支持的MSVG格式[13]。

基于ArcEngine二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，將提取的增量信息寫(xiě)入相應(yīng)的字段中，生成的增量信息文件為shape格式，屬性表如圖2所示。

圖2 shape格式增量更新文件

利 用ArcGIS工 具 欄 下 的“Data Interoperaility Tools”數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能將shape文件以svg格式輸出，瀏覽器在安裝SVG相關(guān)插件后就可直接打開(kāi)SVG文件，顯示效果如圖3。

圖3 shape轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)SVG文件

3 SVG轉(zhuǎn)換為MSVG

標(biāo)準(zhǔn)的svg格式只能用在性能較高的PC機(jī)上，不支持移動(dòng)設(shè)備，為此SVG開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備CPU速度慢、內(nèi)存和顯示屏小等特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SVG文件進(jìn)行了相應(yīng)的縮減，取消了某些高級(jí)屬性和功能的支持，制定出MSVG規(guī)范。根據(jù)移動(dòng)設(shè)備硬件的具體情況，MSVG分為兩個(gè)級(jí)別：SVG Basic和SVG Tiny[14]。

3.1 MSVG數(shù)據(jù)特點(diǎn)

SVG與MSVG同時(shí)支持的基本圖形元素有＜path＞、＜text＞、＜rect＞、＜circle＞、＜ellipse＞＜line＞＜polyline＞＜polygon＞。另外還包括＜image＞元素，支持外部SVG文件或圖形文件的嵌入；＜symbol＞和＜defs＞支持自定義圖形,利用＜use＞將其顯示在特定的位置。雖然MSVG是針對(duì)移動(dòng)設(shè)備表達(dá)的SVG二維圖形指定的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于移動(dòng)設(shè)備本身硬件條件的限制，所以SVG很多的高級(jí)屬性（漸變、透明、剪貼、符號(hào)及濾鏡等），MSVG并不支持[15]。表2是MSVG對(duì)各種屬性的支持程度的簡(jiǎn)要介紹。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟

SVG具有設(shè)計(jì)完善的DOM接口，用戶(hù)可通過(guò)DOM接口對(duì)SVG進(jìn)行存取和維護(hù)。DOM包含兩個(gè)關(guān)鍵的抽象概念：樹(shù)狀的層次結(jié)構(gòu)和用來(lái)表示文檔內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)集合。這些節(jié)點(diǎn)是SVG文檔的各個(gè)元素及屬性名，這樣就可通過(guò)該層次結(jié)構(gòu)找到并修改某一特定節(jié)點(diǎn)的信息。標(biāo)準(zhǔn)SVG轉(zhuǎn)化為MSVG主要包括3個(gè)步驟：

表2 MSVG對(duì)各元素功能的支持表

1）由于標(biāo)準(zhǔn)SVG與MSVG命名空間不同，首先需要對(duì)其引用的命名空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)SVG的命名空間為：

＜!-- Creator: ESRI ArcMap 9.3.0.1770 --＞

＜!DOCTYPESVG PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1// EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/SVG11. dtd"＞

＜SVG width="853.51181pt" height="621.01417pt" viewBox="0 0 853.51181 621.01417" enable-backgroun d="new00853.51181621.01417"version="1.1"xmlns="h ttp://www.w3.org/2000/SVG" xmlns:xlink="http://www. w3.org/1999/xlink" ＞

MSVG的命名空間為：

＜!-- Generator: Mobile Designer 2 2.0 --＞

＜SVG width="240" height="320" viewBox="-120 -160 240 320" stroke-miterlimit="2" xmlns="http:// www.w3.org/2000/SVG"xmlns:xlink="http://www. w3.org/1999/xlink"xml:space="preserve" version="1.1" baseProfile="tiny"＞

2）因?yàn)镸SVG并不支持SVG規(guī)定的高級(jí)功能，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)需將一些高級(jí)屬性，如漸變、透明、剪貼、符號(hào)及濾鏡等刪除。

3）經(jīng)過(guò)ArcGIS對(duì)shape轉(zhuǎn)換后的SVG的某些屬性名稱(chēng)會(huì)發(fā)生改變，如＜fme∶OBJECTID＞、＜fme∶NameUpdate="delete"＞等，在原有名稱(chēng)前面加了frm∶，而MSVG屬性命名規(guī)則是不支持這樣命名的，所以需將含有特殊字符的屬性名字替換為符合MSVG命名規(guī)則的名稱(chēng)。

3.3 客戶(hù)端驗(yàn)證

將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到的MSVG增量更新文件加載到客戶(hù)端，模擬瀏覽器顯示效果如圖4所示。由于SVG文件采用DOM樹(shù)結(jié)構(gòu)，用戶(hù)能方便獲取所有文檔的標(biāo)簽及它們的屬性，可間接地對(duì)地理對(duì)象進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和管理。通過(guò)DOM接口獲取SVG的各個(gè)對(duì)象后，利用JavaScript可響應(yīng)諸如鼠標(biāo)移動(dòng)、鍵盤(pán)操作等交互事件，可對(duì)增量更新文件的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、選取和編輯等。這樣再進(jìn)行客戶(hù)端更新操作就可達(dá)到更高的交互性，由于這方面的研究很多，技術(shù)比較成熟，不再過(guò)多闡述。

圖4 MSVG移動(dòng)端顯示

4 結(jié) 語(yǔ)

在增量更新過(guò)程中，增量更新文件可根據(jù)實(shí)際情況靈活地采用多種格式，但是由于XML格式的優(yōu)越性，大多數(shù)研究者采用該格式。SVG是基于XML的一種數(shù)據(jù)格式，本文利用當(dāng)前流行的GIS軟件直接生成SVG文檔，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，省去了手工編寫(xiě)XML文檔的過(guò)程，可把更多精力放在設(shè)計(jì)文檔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或其他研究?jī)?nèi)容上。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的MSVG增量更新文件更加輕量化，方便在客戶(hù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和更新操作。但由于本文實(shí)驗(yàn)地圖數(shù)據(jù)范圍較小，當(dāng)更新范圍較大時(shí)更新文件很難滿(mǎn)足需求，在下一步工作中就需要對(duì)更新文件數(shù)據(jù)組織進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和數(shù)據(jù)壓縮，以提高其實(shí)用性。

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本 刊 聲 明

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（本刊編輯部）

P208

B

1672-4623（2016）05-0014-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.005

尹川，博士，主要從事地圖數(shù)據(jù)更新、空間分析研究。

2015-03-17。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371375）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH33B03、2012BAH33B05）；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（8132018）。