基于地圖信息量的地形圖更新技術

莫中夏，張新長，何顯錦

(中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275)

基于地圖信息量的地形圖更新技術

莫中夏，張新長，何顯錦

(中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275)

隨著城市建設的快速發展，基礎地形圖數據的管理與自動化更新得到國土規劃部門的高度重視。基于范圍(圖幅)的更新方法易于實現、效率高，但因重復更新無變化要素，容易導致歷史數據庫冗余。而基于要素的更新方法雖然只更新變化要素，但復雜的變化信息檢測使其不適用于變化量較大的更新。針對當前更新技術無法自適應選擇更新方法的問題，本文提出了基于地圖信息變化量的地形圖更新方法，即在選取更新方法前計算地圖信息量變化率，以此作為更新方法的選取依據。以多組1∶2000的居民地面數據為試驗數據，分析驗證了本方法能有效地提高數據更新效率。試驗發現，當變化率小于20%時采用基于要素的更新方法，大于55%時采用基于范圍的更新方法具有更高的更新效率，而處于20%～55%時，兩種方法的更新效率沒有顯著差異。試驗結果對地形圖更新方案的設計具有重要參考價值。

范圍更新；要素更新；地圖信息量；地形圖

隨著各大中城市系列比例尺地形圖數據庫建設的完成，數據現勢性問題逐漸成為用戶關注的熱點，并對大比例尺地形圖數據庫提出了“持續更新”的要求[1]。動態更新技術是維護空間數據庫現勢性的主要手段[2]，學者們先后提出了基于版本的更新[3]和基態修正的增量更新模型[4]。從更新范圍來看,也可劃分為基于范圍(圖幅)的更新和基于要素的更新[5]。前者按圖幅或自定義的范圍進行更新，通過挖空更新范圍內的原始數據，填充最新數據，其實現原理相對簡單，且運行效率較版本更新高[6]，但由于所選定更新范圍內的無變化數據也被存儲到歷史數據庫中，因此容易造成歷史數據冗余，降低歷史回溯效率；后者則主要通過遍歷要素的方式進行變化檢測，只需對變化對象進行更新[7]，能有效地提高數據庫的存儲效率，但在待更新數據量大、變化要素多的情況下更新速度相對較慢。上述兩種更新方法各具優勢，如何在實際更新工作中充分發揮其作用，避免方法選擇上的盲目性，是本文的研究重點。另外，居民地作為城市空間變化的主要要素[8]，其數量多、更新快，在更新過程中占有很大比重[9]，關注其變化具有重要的現實意義。本文將在介紹地圖信息量計算方法的基礎上，提出基于地圖信息變化量的地形圖更新方法，為實際的更新應用提供參考。

1 常規的更新方法及其流程

1.1 基于范圍(圖幅)的更新方法

基于范圍(圖幅)的更新方法由5個步驟完成(如圖1所示)[6],分別是：①提取數據到臨時庫；②挖空范圍內的舊數據；③填充新數據；④接邊處理；⑤更新數據入庫。其中，在進行接邊處理時，需要綜合考慮空間距離、語義相似度及空間關系從而確定接邊對象[7]。

圖1 基于范圍(圖幅)更新方法過程示意圖

1.2 基于要素的更新方法

基于要素的更新方法主要包含兩部分：變化信息檢測和更新數據入庫[10]。該方法以要素為處理對象，通過要素匹配、變化檢測發生變化的要素，并對其進行更新操作，能夠有效剔除無變化要素，從而減少歷史數據庫冗余。因此，該方法在變化量較少的更新中具有極高的使用價值。變化對象的確定與空間距離、語義相似度及空間關系等因素有關，其計算模型可以表示為

M(A,B)=d(A,B)ω1+s(A,B)ω2+r(A,B)ω3

(1)

2 基于地圖信息變化量的地形圖更新方法

2.1 基于地圖信息變化量的地形圖更新策略

在實際更新應用中，更新效率主要受兩個因素的影響，即待更新要素數量和所采用的更新方法。在不同的場景下，地理要素的數量、變化程度、變化范圍等都存在較大差異。對于地理要素數據量大且變化要素較多的圖幅，在進行更新時可以優先考慮基于范圍(圖幅)的更新方法。反之，選擇基于要素的更新方法更為合適。盡管不少更新系統提供了多種更新方法供用戶選擇，但對用戶而言，選擇何種方法存在一定的盲目性。本文將地圖信息量變化率作為選取更新方法的判斷準則，并在更新流程中增加了自適應方法選取的環節，其具體流程如圖2所示。在該流程中，通過分析地圖信息變化率F是否超過變化率閾值來確定選擇哪種更新方法。

圖2 基于信息變化量的更新策略

2.2 地圖信息變化量及其計算

國外很早就開展信息量計算的相關研究，最具影響力的是Shannon提出的信息熵[11]。隨著地理信息領域的快速發展，不少學者開始對地圖信息量進行研究，取得了一定的研究成果[12- 15]。目前，地圖信息量的計算方法主要有概率統計法、組合法、綜合特征值法幾大類。本文以文獻[13]提出的地圖信息量計算模型為原型，探討基于地圖信息變化量的地形圖更新方法。由于本文關注的是面狀數據，因此主要計算地圖的幾何信息量。

2.2.1 地圖幾何信息熵計算模型

假設地圖上有N個面狀居民地，S是地圖上所有面狀居民地面積的總和，Si是第i個面狀居民地(1≤i≤N)的面積，則第i個面狀居民地所占的面狀居民地總面積的比率為

(2)

通過各個面狀居民地所占面積比率可求得地圖的總體幾何信息熵(式(3)、式(4))，其中，X表示隨機變量。

HGM(X)=H(P1,P2,…,PN)

(4)

2.2.2 地圖信息量變化程度的確定

(5)

(6)

3 試驗與分析

為驗證本文所述方法的可行性，本文在Windows環境下，以Visual Studio 2010為開發工具，集成ArcGIS Engine10.0開發包研制了更新系統，實現基于地圖信息量變化率的最優更新方法選取。試驗數據來自某市比例尺為1∶2000的居民地矢量面數據，分別選取了15組試驗數據(如圖3所示)，每組數據均取自不同區域，且變化程度不同，依照式(2)—式(6)計算了相應的地圖信息變化率，同時獲取每組數據基于要素更新和基于范圍更新兩種方法的更新時耗見表1。

表1 兩種更新方法時間記錄結果

注：F為地圖信息量變化率；Te為要素更新耗費時間；Tmap為范圍(圖幅)更新耗費時間。

分析表1、圖4可知，當地圖信息量變化率不超20%時，采用基于要素更新的方法耗時少，當地圖信息量變化率大于55%時，選取基于范圍(圖幅)更新的方法在提高更新效率上較為有利，而處于20%～55%，兩種更新方法的效率沒有顯著區別。因此，地圖信息量變化率F>55%時，表明待更新要素的數量較多，宜對該范圍內要素全部進行更新，采用基于范圍(圖幅)的更新方法；當F<20%時，表明待更新要素的數量較少，僅需更新發生變化部分的要素，此時宜選擇基于要素的更新方法。文獻[14]認為地圖信息變化程度大于35%時全圖需要更新，處于20%～35%需更新一部分，小于20%無需更新。由此可見，依據地圖信息量變化率選擇相應的更新方法，可以為使用者提供一個合理的更新方法選擇策略，有效地將變化部分實現更新入庫。試驗結果表明，基于地圖信息變化量的地形圖更新策略能夠有效地避免實際更新工作中對更新方法選擇的盲目性，具有一定的實用價值。

圖4 不同更新方法更新時間比較

4 結 語

我國正處在快速城市化發展的時期，城市變化日新月異。“數字城市地理空間框架”和“地理國情監測”工程建設需要現勢性好、適用性強的空間數據作為支撐。動態更新技術無疑在保持數據現勢性方面發揮著重要作用。然而，由于用戶在選擇更新方法上存在一定的盲目性，致使實際工作中無法快速、高效地更新數據。本文通過求取不同時期地圖幾何信息熵的變化率，以此作為更新方法選取的判斷準則，通過更新試驗和比較分析，得出如下結論：當變化率在F小于20%時，采用基于要素的更新方法比較合適，而當變化率大于55%時，基于范圍(圖幅)更新的方法更具優勢。試驗表明，本文提出的更新方法選取策略具有一定的實用價值。存在的不足主要有：①計算地圖信息量時僅考慮了空間信息，未顧及要素的屬性信息；②變化率閾值的劃分僅在面狀居民地數據更新上適用，對于非面狀數據是否適用需要進一步驗證。

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Technology of Topographic Map Updating Based on Map Information Volume

MO Zhongxia，ZHANG Xinchang，HE Xianjin

(Department of Geography and Planning, Sun Yat- Sen University, Guangzhou 510275, China)

With the rapid development of urban construction, the management of vector topographic map data and automatic updating have been attached great importance to the land planning department. On one hand, the region- based updating method is easy to implement and of high efficiency, but it may cause the redundancy of historical database because of repeated updating of non- changing elements. On the other hand, the element- based updating method which is not suitable for large changes in the amount of updates because it merely updates the changed elements and needs complex change detections. In order to solve the problem that the updating method cannot be adaptively selected during the process of updating, a map updating method based on map information variation is proposed. Based on the updating cases of 1∶2000 topographic maps of residential areas, we found that the proposed method can effectively improve the data updating efficiency. We can also draw the following three conclusions. ①When the rate of change is less than 20%, the element- based updating method is adopted. ②If the rate of change is more than 55%, the region- based updating method can produce higher update efficiency. ③The update efficiency is not significant when the rate is between 20% and 55%. The experimental results have important reference value for the design of the updating scheme of topographic maps.

region updating; element renew; map information volume; topographic map

2016- 06- 16；

2017- 01- 25

國家自然科學基金重點項目(41431178)；廣東省自然科學基金重點項目(2016A030311016)；國家自然科學基金面上項目(41671453)

莫中夏(1992—)，女，碩士生，主要研究方向為城市地理信息系統。E- mail：1763660763@qq.com

莫中夏，張新長，何顯錦.基于地圖信息量的地形圖更新技術[J].測繪通報，2017(3)：58- 61.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0084.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0058- 04