基礎測繪地理信息數據庫更新方法研究

葉 程

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000）

0.引言

隨著基礎測繪框架體系的不斷完善和實景三維中國的深入推進，如何利用國家、省市縣現有的地理國情普查和全國第三次國土調查等重大項目的成果數據進行地理信息數據庫快速更新工作是基礎測繪工作中面臨的主要問題之一。按照測繪法，國家對基礎測繪成果實行定期更新制度，更新的周期可根據當地國民經濟、社會發展、生態保護等實際需要以及城市地物更新變化情況來綜合確定。其中，1∶100萬至1∶5 000國家基本比例尺地圖、影像圖和數字化產品至少5年更新一次。各省、市（州）、縣（市、區）也會通過地方性法規和規章來明確基礎地理信息數據庫更新周期，并在實踐中通過城市基礎地理空間數據庫年度更新等項目，持續投入經費以開展基礎測繪數據的更新工作。甘翠[1]通過多源衛星遙感影像相關的技術，實現1∶10 000基礎地理信息數據庫的更新；邵軒[2]通過無人機技術來實現小范圍大比例尺地理信息數據庫的更新。本文在前人研究基礎上，通過傾斜攝影和激光雷達等三維全息測繪，實現基礎地理信息數據的快速更新。

1.基礎地理信息數據更新技術路線

基礎地理信息數據更新的主要技術路線如下：

（1）對變化區域進行航空攝影和全息測繪，獲取該范圍的遙感影像、傾斜模型、激光點云等數據。

（2）以采集的全息測繪數據為基礎，對范圍內房屋建筑、道路、水系、植被要素進行數字化，并由質量檢查組對數字化成果進行檢查，確保數據的準確性。

（3）數字化完成后，對影像和地形圖進行接邊。

（4）利用一體化平臺對數字化及接邊成果進行規范化整理，最終實現數據入庫。

1.1 已有資料收集

收集變化區內原有衛星遙感影像、數字高程模型、地形圖、互聯網地圖數據或導航路網數據等相關資料，用于參與變化區域智能變化檢測分析等工作。

1.2 變化檢測

變化檢測即基于AI智能圖像識別技術對多期遙感影像進行分析，高效快速判斷發生變化的地表物理特征和地物變化情況。盡量選擇前后分辨率一致的遙感影像，如，高分系列、資源三號、吉林一號、北京三號等國產遙感衛星拍攝的影像；同時，影像分辨率越高，AI識別的精度越高。利用常用遙感圖像處理軟件可完成變化檢測工作，此處以ERDAS為例說明整個變化檢測流程：

（1）將兩幅影像數據導入ERDAS中，啟動Image Geometric Correction工具進行幾何配準。

（2）打開DeltaCue智能變化檢測模塊，創建工程文件。

（3）輸入前后兩幅影像，進行影像裁切。

（4）進行影像歸一化處理。

（5）選擇變化檢測算法和參數，此過程需要啟用“光譜分割”選項。

（6）開始執行變化檢測，并輸出變化檢測結果。

1.3 數據采集與更新

1.3.1 全息數據生產

（1）數據獲取

采用傾斜攝影測量、無人機航攝等智能化技術高效采集更新范圍內的傾斜數據、激光點云等全息數據。

（2）數據處理

利 用Context Capture、Agisoft PhotoScan、Smart3D、PhotoMesh、Mirauge3D等平臺對傾斜攝影數據進行空三處理、三角網構建和紋理映射，生成標準OSGB格式的實景三維模型[3]。同時利用Orima等專業的攝影測量平臺對傾斜影像數據進行光束法空中三角測量、正射糾正等一系列處理[4]，生成標準格式的正射影像，如，tif、img。利用Terrasolid等點云處理工具對點云進行糾正并輸出為標準的LAS格式。

1.3.2 數字化測圖

基于測區內的傾斜影像或激光點云，采用裸眼3D方式進行測圖。目前市面上主流的裸眼3D測圖軟件包括清華山維EPS、天際航DP-Modeler及南方數碼的iDATA 3D[5]。將實景三維模型或激光點云數據導入測圖軟件，采編DLG地形圖數據。

（1）道路中心線數字化更新

道路基于中心線進行數字化表達，要求同一條道路應確保聯通性，且同一條道路線本身必須完整，不能斷開；道路線不能有穿越建筑物的情況出現；道路應有等級之分，在其屬性字段中需明確標識。

道路數字化過程中應盡量減少線的節點，在道路拐彎處一定要保持圓滑，盡量不存在尖角現象。

數字化道路中心線應注意道路的類別選擇，各道路等級盡量與實際情況保持一致。

（2）房屋建筑物數字化更新

先將房頂數字化，再將其移動至影像圖房屋底部，確保地基位置的準確性。

根據影像判斷房屋形狀，如果房屋輪廓明顯，則根據輪廓勾畫房屋結構；如果不明顯，則以矩形代替，盡量保證房屋角度相對垂直、形狀規則。

（3）水系與植被數字化更新

水系數字化過程中，盡量沿水系岸邊進行數字化，不要僅沿水涯線，需注意線型的圓滑性。

當水系穿過道路時應保持其連續性。

根據遙感影像對植被進行數字化過程中，盡量明確植被的范圍，同時注意線型的圓滑。

（4）拓撲錯誤檢查更新

房屋建筑物不能與道路交叉，特殊情況例外。特殊情況為類似收費站性質的居民地等，道路是可以穿過房屋的。

房屋建筑物（如，圍墻、臺階）附屬設施不能與道路沖突。

水系不能與房屋沖突，除個別特殊情況。

植被不能與房屋沖突，但植被可包括房屋。

水系與植被要合理地表示：二者間不能互相沖突,但可互相包含。

水系與道路的表示：除遇橋，一般情況水系不允許與道路沖突。

房屋等要素要用面狀完整體現，不要存在線形的面要素，否則會影響數據的后期轉換。

1.4 數據預處理

數據預處理主要包括兩方面工作：

（1）范圍內地形圖數據接邊

將原始地形圖與更新的地形圖數據進行接邊處理。涉及范圍內外地形圖數據的接邊工作以CAD軟件處理為主。將兩份數據同時導入CAD軟件中，在數據交接處，對其進行接邊處理，處理完成后，相同圖層數據合并成一份成果，最終得到更新后的地形圖數據。

（2）數據格式轉換

將DWG格式數據在CAD中轉換成shp格式矢量數據。

1.5 數據質檢

完成數據處理后，需要對數據進行質量檢查。檢查內容包括幾何精度、屬性精度、拓撲精度、完整性、邏輯一致性等指標。

（1）幾何精度，檢查更新后的影像數據和地形圖數據精度是否有損失。

（2）屬性精度，檢查更新后的地形圖數據的屬性字段名稱、字段類型、字段內容等內容是否有丟失。

（3）拓撲精度，將房屋建筑物、道路、植被、水系分圖層進行整理，在ARCGIS軟件中進行拓撲檢查，確保數據拓撲無錯誤。

（4）完整性，檢查數據轉換后的完整性，確保格式轉換后數據無缺漏。

（5）邏輯一致性，檢查接邊后的數據銜接是否一致。

1.6 數據入庫與管理

通過數據入庫與管理，實現對更新后影像數據和地形圖數據的建庫，此過程主要通過GIS數據庫管理系統完成。在數據建庫過程中，不僅可以將更新的數據導入數據庫進行管理，而且會基于數據庫實現數據版本及數據元數據的管理；同時，數據庫管理系統也內置數據質檢流程與功能。

2.數據庫管理系統設計

GIS數據庫管理系統是基于ArcGIS進行二次開發實現，該系統使用ArcGIS SDE引擎連接商業數據庫（如，Oracle和Microsoft SQL Server）來實現。系統的功能模塊邏輯關系如圖1所示。

圖1 數據庫管理系統功能模塊邏輯關系圖

2.1 數據入庫管理流程

數據庫管理系統的數據入庫管理流程包括以下步驟：

（1）通過數據入庫模塊實現對所有基礎地理信息數據的入庫，包括矢量數據入庫、影像數據入庫、文檔數據入庫，以及其他資料的入庫。

（2）通過數據質檢模塊，對入庫后的數據實現質量檢查，包括數據組織方式檢查、數據格式檢查、數據類型檢查、空間參考系和空間投影檢查、數據命名規范性檢查、屬性一致性檢查，以及屬性項閾值檢查。

（3）通過質檢的數據即可開展數據更新、元數據入庫和版本管理等操作，實體數據將聯動更新并存儲在數據庫中，更新過程中會記錄日志信息。

（4）對未通過質檢的數據需進行編輯，并使用數據入庫模塊重新入庫，直至質檢通過。

2.2 數據更新模式

數據庫管理系統支持兩種數據更新模式，包括要素級更新和范圍級更新。

（1）要素級更新

與現有數據庫中的數據圖層（包括房屋、建筑物、水系、道路、植被等不同大類的矢量數據，以及柵格數據）進行對比，檢查新數據與舊數據的差別，根據差異性自動進行數據的添加、修改、刪除等更新操作，最終實現要素級數據的自動化更新。

（2）按范圍更新

根據人工或已有矢量范圍線確定待更新的數據范圍，從而實現地形圖矢量數據或影像數據的更新。該范圍內的原有數據被轉移至歷史庫中，同時利用元數據字段記錄數據版本和更新時間等元數據日志。

支持在二維地圖中繪制矢量面作為更新的范圍，實現基礎地理信息數據按照范圍更新。

支持增量更新模式，即通過一鍵式導入數據包的方式，將多個更新的數據批量導入數據庫中。此過程提供信息面板，實時監控錯誤日志信息。

支持元數據信息管理，包括元數據信息的添加、刪除、修改、查看、導出為第三方數據格式（包括csv和gdb等標準數據格式），實現對入庫數據的元數據進行全面而直觀的信息管理和瀏覽。

3.結束語

本文在傳統基礎測繪地理信息數據庫更新方法的基礎上，提出基于三維全息數據的地理信息數據庫更新方法，并對該技術的總體技術路線進行詳細分析；設計數據庫管理系統，實現按不同模式進行數據更新，并滿足更新過程中元數據和版本管理的需求。該方法不僅適用于城市大比例尺的數據更新，同時也適用于中小比例尺的數據更新，應用前景廣闊。