基于維思時空地理信息處理平臺的1∶10 000地形圖更新

鄭鳳姣，劉 琳，張 敏，何 偉

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

基于維思時空地理信息處理平臺的1∶10 000地形圖更新

鄭鳳姣1，劉 琳1，張 敏1，何 偉1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

以武漢市1∶10 000數字地形圖更新項目為例，介紹了基于時空地理信息處理平臺的1∶10 000數字地形圖的更新方法與流程，并對更新過程中的多序可視化聯動更新進行了研究和探討，建立了完備的要素級1∶10 000時空地理信息數據庫。對項目成果進行了質量檢查，成果滿足時空云平臺管理及規劃管理的需要。

數字地形圖；時空數據庫；多尺度；聯動更新；質量控制

1∶10 000地形圖是武漢市國民經濟建設、國土整治、資源開發、環境保護、防災救災、土地管理等的基礎資料。隨著城市建設的快速發展，城市布局、規劃管理的調整，以及城市信息化管理要求的變化，原有的1∶10 000地形圖在現勢性、要素內容、數據的組織形式等方面均已無法滿足城市建設和管理的需要。同時，伴隨智慧城市的建設，建立時空地理信息數據庫已成為城市時空信息云平臺建設的核心、首要任務。為此，武漢市測繪研究院在“十二五”期間組織開展了武漢市1∶10 000數字地形圖要素更新及時空數據庫建庫工作。本文設計與實施了時空地理對象多序可視化表達，介紹了運用維思時空地理信息處理平臺更新1∶10 000數字地形圖的流程、方法和相關技術。

1 項目設計與實施

首先，需建立時空地理對象多序可視化表達的數學模型。時空地理對象多序可視化表達的模型是帶有時間維度的關于現實世界中地理實體及其相互間聯系的符號化一體表達，為描述時空地理對象的組織和設計時空地理對象結構提供了基本方法。通過研究，武漢市測繪研究院建立了基于時間軸線和尺度軸線的時空DLG數據表達數學模型：SD={ID,Lx,y,z,SC,TS,TE,A,S}。其中：SD為多序時空數據；ID為多序時空數據的全局唯一標識，與真實地理實體對應；Lx,y,z為空間位置集合；SC為時空數據尺度集合；TS為地理實體的測取時間；TE為地理實體的移除時間；A為時空數據的屬性信息集合；S為空間數據相關語義信息集合。相對于空間信息模型，該模型最大的不同在于增加了時間信息，如圖1所示。

圖1 基于時間軸和尺度軸的多序表達示意圖

然后，對數據建庫、時空地理對象多序聯動處理平臺和生產流程進行設計與實現。時空地理對象多序聯動處理平臺主要實現不同時期時空地理信息的實時空間位置定格，以及靜態存儲和動態綜合相結合的連續時序表達；成功解決了圖形模式和數據庫模式互逆表達的時空地理對象一體化生產問題，能在數據更新的同時，實時完成數據綜合。

2 1∶10 000 DLG更新與時空數據庫建庫

本項目嚴格按照設計書及數據庫標準要求，采取新的技術路線進行更新：首先收集最新的1∶2 000 DGN數據，將其轉換成AutoCAD ObjectData 的DWG庫數據，并套合原始1∶10 000地形圖數據，獲取更新內容和變化區域；再將原始1∶10 000數據ArcGIS9.0的Geodatabase格式數據轉換成AutoCAD ObjectData 的DWG庫數據，按照技術設計書要求，利用自主研發的維思時空地理信息處理平臺和多尺度動靜態結合的自動綜合技術，將變化區域的居民地、交通、水系、橋梁等主要地理信息要素的地理位置、形態和屬性，按照建庫規范進行數據編輯、更新，并錄入相關屬性信息；然后套合最新的1∶5 000衛片數字正射影像圖，通過變化檢測確定主要交通要素、成片的居民地變化區域和變化地理要素，對變化要素進行更新，綜合收集相關資料，補充屬性信息，形成DWG庫數據，并對其進行幾何規范性檢查和要素屬性規范性檢查后入庫，獲得基礎地理信息數據庫；最后利用對應定制的符號庫，通過程序將庫數據自動轉換輸出為制圖數據成果，滿足各界用戶需求。總的技術路線如圖2所示。

圖2 1∶10 000 DLG更新工藝流程圖

2.1 數據準備

原有的1∶10 000數字地形圖更新工作是基于ArcGIS 9.0和AutoCAD平臺進行的，所以原始數據成果格式分別為MDB（庫）和DWG（圖）。為了將其轉到維思時空地理信息處理平臺進行更新，需對數據進行格式轉換。利用FME程序開發的無損格式轉換軟件將原始1∶10 000 MDB庫數據批量轉換成AutoCAD ObjectData庫數據，作為更新的基礎數據；利用FME程序開發的格式轉換軟件將最新的1∶2 000 DGN地形圖數據批量轉換成AutoCAD ObjectData庫數據，作為對比獲取更新區域和內容的主要編繪數據資料。

2.2 獲取更新區域和內容

在維思時空地理信息處理平臺，打開待更新的1∶10 000 DWG庫數據進行圖庫轉換，得到圖庫一體數據，套合對應的1∶2 000時空數據，對比要素變化情況，獲取更新變化區域，并用相應屬性的線劃繪制出更新區域范圍線。在更新過程中，需給新增或移除的要素賦上時間屬性，以便后期根據時間屬性篩選需要的信息。除此之外，可建立尺度綜合自適應規則和數據綜合算子庫，等高線取舍、房屋綜合、高程取舍等可利用程序實現1∶2 000 DWG庫文件到1∶10 000 DWG庫文件的自動縮編。

圖3 維思時空地理信息處理平臺界面

該平臺按照技術設計書、數據標準及圖式要求，對變化區域的居民地、交通、水系、橋梁等地理信息要素的地理位置、形態和屬性進行1∶10 000數據綜合取舍和更新范圍內要素的編輯、修改及更新。

2.3 利用衛片資料更新

在利用1∶2 000數字地形圖數據進行1∶10 000數字地形圖更新的基礎上，套合最新的1∶5 000衛片數字正射影像圖，通過變化檢測確定主要交通要素、成片的居民地變化區域和變化地理要素，并對變化要素進行更新[1-2]。結合收集的其他相關資料，補充相應的屬性信息。

2.4 庫數據編輯

根據《武漢市1∶10 000時空地理信息數據庫建設技術方案》《武漢市系列比例尺地形圖時空數據庫標準》的相關要求，對需追加到原始數據中的新增數據和信息進行數據編輯、建庫并制作元數據。

2.4.1 建庫數據的編輯原則

1）所有要素的數據結構都必須包含的屬性字段有要素編碼、要素名稱、測取時間、修測時間、要素GUID（唯一標識碼）、測取人和修除人。

2）參照1∶2 000地形圖，對1∶10 000圖庫一體數據進行更新與編輯，根據設計書和數據標準中的相關要求進行拓撲處理，線應連續，面應封閉。

3）要素不能存在多余或遺漏；不能存在移位錯誤、節點錯誤、多邊形錯誤、采集方向錯誤等；不能位移地形圖的位置精度。

4）各種地物要素的編碼、幾何類型、名稱、分層等相關參數嚴格遵循《武漢市系列比例尺地形圖時空數據庫標準》。

5）按規定的要求將矢量數據進行嚴格分類，并對要求的屬性項進行賦值。

6）所有相鄰圖幅都需要接邊處理（位置接邊和屬性接邊）。

2.4.2 建庫數據編輯及屬性錄入

對于控制點、水系、道路、居民地、境界、植被等要素的庫數據編輯和屬性錄入，本項目設計書和建庫技術方案中都有明確規定。此外《武漢市系列比例尺地形圖時空數據庫標準》中也對各要素的拓撲處理、必填屬性信息等作了規定和說明，如湖泊、街區等面狀要素必須構面處理，高速公路、國道、省道等需繪制道路中心線等。按照規定和要求，對更新變化要素進行編輯和處理。

更新后，各要素將被賦以特定的時間標識，建立的數據庫中既存在歷史數據又存在現狀數據。這種基于時間序列管理的歷史與現狀時空地理信息數據庫，能夠為智慧城市時空地理信息的分析和挖掘提供數據基礎。在此基礎上，結合云計算和網絡服務技術，采用網絡服務的模式，能夠為包括決策層領導、各部門管理人員和廣大社會公眾在內的不同層次用戶提供感興趣的信息資源[3-5]。

2.5 制圖數據輸出

對圖庫一體數據進行質量檢查并修改，將檢查合格的數據分別輸出為庫數據和制圖數據。對制圖數據進行符號化和圖面整飾，對圖形文件進行圖廓整飾，根據提示輸入相應的圖廓整飾信息，即可得到符合標準的帶有圖廓的完整的制圖數據。

3 關鍵技術

3.1 時空DLG數據多序聯動處理平臺和檢查平臺

針對原有圖庫分離的數據特點，本文在“圖庫聯動、聯動更新”等方面進行了研究，在時空DLG數據多序可視化表達理論研究的基礎上，開發了一套時空DLG多序聯動處理平臺和檢查平臺，創新地實現了不同時期時空地理信息的實時空間位置定格，以及靜態存儲和動態綜合相結合的連續時序表達，成功解決了圖形模式和數據庫模式互逆表達的時空DLG數據一體化生產問題，能夠在數據采集與更新的同時，同步實現數據綜合、屬性錄入、數據編輯和數據檢查，實現了“先庫后圖、圖庫聯動、聯動更新”的技術轉型，推動了武漢市測繪研究院測繪生產模式的變革，提高了工作效率。

3.2 時空DLG數據多序組織的標準體系

在國家標準的基礎上，兼顧武漢市管理的應用要求，突破傳統空間信息數據組織方式，建立了集幾何信息、符號信息和屬性信息于一體的多層系多關聯的時空地理信息數據模型；科學合理地確定屬性信息數據內容、數據種類和精度標準，優化數據結構，制定了一套完整的基于多序數據組織的武漢市時空DLG數據建設的標準體系。對于同一地理實體，在不同比例尺空間數據中賦以唯一的地理實體標識和時間標識，通過地理實體標識實現與相關社會經濟、自然資源信息的掛接，通過時間標識實現與歷史版本的掛接[6]，實現了多尺度、多時相成果的對象化、網格化和信息化。該標準較國家標準擴充了近60%，新增和細化了近300 個地理要素對象，且在要素屬性信息中增加了時間屬性字段、特殊圖形表達屬性字段以及部分專題屬性字段，充實和完善了數據采集規則等內容，減少了應用過程中的轉換，有效地提高了工程成果的實用性。

3.3 多尺度時空DLG數據聯動生產更新機制

在項目實踐中，建立了完備的“四庫三聯”多尺度時空DLG數據聯動生產更新機制。其中，“四庫”為現勢庫（C）、歷史庫（H）、工作庫（T）和用戶庫（S）；“三 聯”為提取（E）、更新（U）、存儲（S）3類聯動更新操作（圖4）。

圖4 時空DLG 數據庫聯動更新作業模式流程圖

現勢庫存儲和管理現勢性較強的地理實體，歷史庫存儲更新后的時空歷史數據，工作庫臨時存儲更新過程中的過程數據，用戶庫主要用于存儲對外發布服務的應用數據。對應現勢庫的各圖層，相應地在工作庫中設計了3個聯動工作層，分別以E、U、S結尾命名。E層用于存儲從現勢庫中提取的對比數據；U層用于存儲從生產環節返回的更新數據；S層用于存儲從現勢庫中提取的接邊數據和更新處理的結果數據[7]。

3.4 “先庫后圖、圖庫聯動”的生產工藝流程

以ObjectData圖庫一體時空地理信息數據模型為基礎，圍繞“先庫后圖、圖庫聯動”，根據歷史數據，綜合利用空間定位與時間定格同步技術、數據更新與數據綜合同步技術、數據編輯與數據檢查同步技術，對時空地理信息數據庫進行更新以及對不同比例尺下的圖形數據進行綜合，實現時空地理信息建設的模型一體化、生產一體化、管理一體化、更新一體化以及產品一體化。具體流程如圖5所示。

圖5 作業流程設計圖

4 質量控制

DLG的質量決定了數字地形圖后續應用的準確性和可靠性。按照“方案—檢查—核對—定位—修改—評價”的空間數據質量控制模式，采取人機交互檢查、程序自動檢查和人工對照檢查的方式[8-9]，利用維思平臺檢查軟件，從圖形幾何關系檢查、入庫屬性字段檢查、交互核對、錯誤定位、編輯修改、質量評價等環節，對數據進行檢查和質量評價控制。同時加強對制圖數據及元數據的檢查，以滿足數據庫建庫和成圖的需要。

4.1 庫數據檢查

維思時空地理信息處理平臺中開發的數據檢查軟件（圖6）可對庫數據的投影參數、坐標范圍、數據結構一致性、要素編碼、必填字段、字典型屬性正確性、有向點方向值、無向點方向值、重復數字化、幾何錯誤、等高線相交等項進行批量或單獨檢查。

批量圖庫檢查可對多幅庫數據（或圖庫一體數據）進行質量檢查。檢查完成后，將自動生成一個記錄各圖文件名和上述對應檢查錯誤數目的Excel表格，且表格會自動標紅存在錯誤的記錄，這樣可以很直觀地看出整批數據的質量情況。

圖庫檢查可針對存在數據錯誤的圖幅進行單獨檢查，檢查結果不僅有詳細的錯誤說明，而且還可定位到對應的要素，以便及時修改。

圖6 維思2.0時空信息數據檢查平臺

另外，還要對庫數據進行接邊檢查。該軟件可對線狀、面狀要素進行接邊檢查，還能自動批處理一些簡單的接邊錯誤；較復雜的錯誤則需人工手動編輯。同時，將庫數據符號化后可發現，由于存在幾何或屬性錯誤，個別要素符號化不正確，這樣也可查出一些庫數據存在的問題。

4.2 制圖數據檢查

制圖數據的檢查主要通過人機交互和人工對照的方式進行，按照“圖式”及設計書的要求，其主要包括：要素的綜合取舍是否合理，更新的精度、接邊以及更新要素的銜接，檢查庫數據符號化輸出是否滿足制圖要求等。

4.3 文檔簿和元數據檢查

對檢查記錄及文檔簿填寫的完整性和正確性、元數據填寫的合理性、數據格式和結構等進行嚴格檢查。

5 結 語

“十二五”期間，武漢市測繪研究院組織完成了武漢市主城區1∶500、全市域1∶2 000、1∶10 000系列比例尺基本圖的要素更新，實現了屬性與時空數據的一體化管理，并具有動態和增量式建立、維護不同尺度空間對象的能力，制定了武漢市時空地理對象多序組織的標準體系，研制了時空地理對象多序聯動處理平臺、系列比例尺地形圖縮編系統，建成了完備的“四庫三聯”多尺度時空地理對象生產與更新機制，能為智慧城市時空地理信息的分析和挖掘提供數據基礎。形成的武漢市全市域要素級的基礎地理信息數據庫成果，不僅能服務于區域規劃、國土資源管理和基礎設施建設等方面，也將為武漢市集成應用的居民地、交通、水系、地貌等地理信息框架資源庫、城市基礎公益智庫提供良好的資源。

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[3]于峰.時空數據模型的研究及其在時空地圖可視化系統中的應用[D].北京:中國地質大學,2003

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P208

B

1672-4623（2017）07-0017-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.005

鄭鳳姣，正高職高級工程師，主要從事測繪管理與基礎地理信息數據建庫研究工作。

2016-03-25。

項目來源：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（PF2015-8）。