一種面向基礎地理信息資源數據庫的框架實體索引方法

宋玉兵，黃 健，顧 芒，王冬升，陸藩藩

(1.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；2.江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引 言

基礎地理信息資源是電子政務、公眾服務等領域地理信息服務的重要數據支撐，是各行各業最公共、最基礎的空間信息資源。基礎地理信息數據建設應充分顧及社會的應用需求。但是建立兼顧各行各業需求、涵蓋所有地理要素的全要素地理信息數據庫，是一項非常復雜而龐大的系統工程；數據獲取、管理和維護都很難實現，這一直是制約地理信息推廣應用的一個瓶頸[1]。

全要素基礎地理信息數據包括定位基礎、水系、居民地及設施、交通、管線、境界、地貌、植被與土質、注記等多要素數據。其中交通、水系、行政區劃等專題要素對區域的空間位置具有確定方位的骨架作用，是重要的基礎地理信息框架要素。為了提升基礎地理信息數據生產、管理、應用、服務中的效率和質量，很多國內外同行關注到框架數據的重要性，許多省市先后開展了相關研究工作。北京市測繪設計研究院提出北京市基礎地理信息框架數據概念，開展基于框架數據的制圖與可視化表達技術及數據更新機制研究[2]。重慶市地理信息中心建成包括境界、交通、水系、地名等基礎圖層的框架數據，弱化地形、地貌等測繪專業要素，滿足政府管理需要[3]。山東省國土測繪院提出基于框架數據建立省市多比例尺基礎框架數據庫的聯系，通過增量更新的模式完成省市兩級基礎框架數據庫聯動更新的方法[4]。新型國家基礎地理信息數據庫建設提出了產品形式升級、數據模型升級等方面的升級改造思路，發展融合交通、水利、管線、民政等框架數據，同時融合社會經濟、人文信息等多方面屬性信息[5]。

雖然基礎地理信息、地理國情要素、專題管理要素信息、基礎地理信息框架等數據維護等項目生產和服務中，均涉及交通、水系、行政區劃等框架要素數據的生產，但是，由于受傳統紙質地圖使用方式的影響，現有基礎地理數據主要強調地理要素的幾何形態和空間位置的描述，對于地理實體本身特性及相互關系的建模和表達考慮較少，不同比例尺數據集中的地理要素之間缺乏必要的相互關聯。數據標準不同、要素定義不同、語義表達不清晰，導致框架要素本身就存在數據聯動難、關聯難、共享難，其必然會影響基礎地理信息資源價值的發揮。

為了謀劃“十四五”期間省級基礎測繪轉型升級的目標，江蘇省自然資源廳啟動了規劃編制前的研究工作，作者所在課題組針對基礎地理信息資源更新要求開展了相關研究，在總結我省“十三五”時期基礎地理信息資源現狀，了解自然資源管理各部門和社會各行業對于“十四五”時期我省基礎地理信息資源更新的需求基礎上，提出基于框架實體索引建設基礎地理信息數據的新思路[6]，采用要素簡約、屬性標準化、實體編碼等方法，對交通、水系、行政區劃等框架數據進行抽象、建模，構建由框架實體數據、分精度全要素基礎地理信息數據、標準比例尺地形圖數據等共同構成的基礎地理信息資源。通過框架實體索引，建立不同類型、不同尺度、不同要素數據和資源間的關聯關系，實現數據資源的集約、共享、融合。

1 框架實體的分類與編碼

框架地理實體要成為各類地理信息的載體，滿足地理信息整合和共享交換的需要，應對框架要素以地理實體為對象進行建模。本文以建立空間地理索引為目標，對交通、水系、行政區劃、定位基礎等框架數據，采用要素簡約、屬性標準化、實體編碼等方法進行抽象、建模，框架實體模型建立如圖1所示。以“地理要素”為基本表達單元,實現基于要素的操作、統計，并記錄實體的生命周期,以滿足要素增量更新及實體歷史變化記錄與追蹤[7]。

圖1 框架實體模型建立圖

1.1 屬性項標準化

對框架地理實體的描述與表達，采用語義、位置、幾何、過程、關系和屬性等6個維度進行全空間、全信息表述，形成新型的GIS數據模型，解決地理信息數據資源的聚合問題。針對不同類型、不同幾何形態的復雜性多樣性，本文引入地理實體對象的語義描述、空間定位、幾何形態、演化過程、要素關系、專題屬性特征等六要素[8]進行完備表述，實現地理空間實體屬性的標準化。其中：

(1)語義描述，是對現實世界地理實體概念和含義的描述，體現地理實體的本質屬性或領域特征。

(2)空間定位，是對地理實體存在絕對位置、相對位置、地名地址等所處空間的描述。

(3)幾何形態，描述地理實體的結構與形態，以點、線、面、體、像素、體素等存在的幾何特征，表現形式有矢量、三維、影像、DEM等。

(4)演化過程，通過不同時點的觀測結果，對地理實體隨著時間推移的運動和變化及其全生命周期的行為和事件的描述。

(5)要素關系，描述地理實體之間的空間、時間、順序、隸屬等聯系。

(6)專題屬性，描述地理實體的物理、化學、生物、人文、社會、經濟等相關特征的信息。

以河流為例，對河流實體的屬性描述示例如表1所示。

表1 框架實體六要素屬性內容

1.2 唯一性編碼

框架地理實體的實體編碼應該是唯一的。在設計框架地理實體的唯一性編碼中，一方面應顧及地理實體分類的目標是服務對實體對象的管理，所以應繼承現實世界實體管理的需求、知識、經驗和成果。其次，地理實體數據主要來源于基礎地理信息數據，地理實體分類應顧及基礎地理信息數據的地形要素分類。另外，框架地理實體還應進行層次等級劃分，應結合國家、省、市(縣)政府分級管理的要求進行分級。

本文面向省級管理的框架實體，以體系性、唯一性進行編碼設計，確定編碼的規則。不同類型的框架實體，統一編碼示例如下：

(1)交通實體：312國道實體編碼為“320000000-G312”，由行政區劃代碼加公路編碼組成。

(2)河流實體：秦淮河干流段(區域性河流)實體編碼為“A-FA-Q-0017-2-A”，由工程類別、流域編碼、河流類別、河流編號、河流等級、河段編碼組成，共15位。

(3)湖泊實體：高郵湖實體編碼為“L-EB-320000-A-04”，由工程類別、二級水系編碼、所屬行政區域、化學性質、湖泊編號組成，共17位。

(4)行政區劃實體：泰州市泰興市河失鎮編碼為“321283112”，采用民政部門頒布的行政區劃代碼。

1.3 對象化簡約處理

地理實體數據屬性隨著管理的程度會不斷膨脹，信息間存在大量的冗余，不利于信息的管理。框架實體索引是對框架實體的簡約和抽象，需要完成屬性壓縮，提煉面向管理的最基本的空間要素屬性，從而達到空間索引的需求，滿足基礎地理信息資源間的空間關系建立的需要。如交通要素，針對管理部門的管理需求，通過“道路中心線”對其幾何形態以進行抽象，實現“名稱、編號、起點、終點、長度”等屬性簡約表達；行政區劃、湖泊等要素，通過“湖泊面、行政區劃面”對其幾何形態以進行抽象，實現“名稱、編號、范圍、面積”等屬性簡約表達。

2 框架實體索引建立

地理實體在不同的管理層級、空間尺度、時間節點的表達方式是不同的。例如，一個法人單位，在縣級尺度索引上是一個宗地要素( 面要素)，如在省級尺度索引上可能僅是一個點要素。框架實體是為了解決地理信息數據資源的聚合而引入的，為了滿足從宏觀到微觀的管理與分析，特定尺度、時點的框架實體抽象的圖形應該是確定的、唯一的，多時間點的圖形序列表達框架實體時空演變。為滿足基礎地理信息數據建設和維護的需要，本文設計的框架實體索引采用省、市、縣三級尺度，三種尺度數據集并存，多次描述共同構成。

2.1 省級框架實體數據的內容

省級框架實體索引是面向基礎地理信息數據資源建設和管理，顧及民政、交通、水利等管理部門的業務管理需求，以及傳統地理信息數據管理的分類和組織方法，對交通、水系、行政區劃和定位基礎等類型的框架實體，按省、市、縣三級進行對象化處理，形成的框架實體數據集。通過基礎測繪項目的生產試驗，省級框架實體對象約6 866個，具體內容如表2所示，省級框架實體數據圖形如圖2所示。

表2 省級框架實體內容

圖2 省級框架實體數據

市、縣框架實體索引建立中，應顧及專業部門行業管理的程度和能力，以鎮江市實體要素處理為例，其對象內容如表3所示。

表3 市級框架實體索引對象化處理內容

2.2 框架實體數據屬性

框架實體數據的空間要素和屬性要素是其最基本的特征，空間要素指的是其幾何形態及其與其它地理空間實體的空間關系，屬性要素則指的是地理空間實體的社會意義。交通、水系、行政區劃、定位基礎等框架數據也是基礎地理信息數據的重要組成部分，其數據屬性應滿足基礎地理信息數據屬性要求。按照地理空間實體屬性的標準化要求，對框架實體數據屬性項進行設計，如表4所示。

表4 框架實體數據屬性表

2.3 框架實體索引技術應用

圖3 基礎地理信息框架實體索引式數據管理系統

框架實體索引技術，就是以框架地理實體為基本單元，以框架地理實體分類為組織結構，以唯一實體標識碼為關聯因子，建立一種框架實體索引式基礎地理信息數據組織與管理方法。通過該技術的應用，可以非常便捷地對區域內的水系、行政區域、公路等實體要素進行各種分類統計和查詢，如圖3所示，通過查詢的結果可以快速定位，滿足各級部門對基礎數據的應用需求。利用實體編碼與水利、交通、民政、電力等相關行業數據數據建立索引關系，減少數據由于標準不一致產生的互相轉換工作，可以最大程度地發揮基礎地理數據的底圖作用；通過索引關系的建立，可以提高數據后期更新及維護的效率，為基礎地理信息數據增量更新、快速更新提供一套切實可行的技術方法。

3 結 語

“十四五”期間，江蘇省計劃構建以基礎地理信息框架實體數據、分精度全要素基礎地理信息數據、標準比例尺地形圖數據和專題地理信息數據等共同構成的省級基礎地理信息資源；按要素生產組織的框架實體數據，豐富了傳統基礎測繪產品內容，將按尺度分級的基礎地理信息數據庫向按地理實體分級的基礎時空信息資源庫轉變；通過框架實體索引，實現DLG、 DEM、 DSM、 DOM基礎地理信息數據，以及自然資源管理、地理國情監測等專題數據關聯。基于框架實體數據的聯動更新機制，建立省市縣及相關部門間的地理信息資源的共享和關聯，優化基礎地理信息更新流程，融合影像對比分析變化發現、互聯網信息挖掘變化等多源數據變化發現技術，實現基礎地理信息的增量更新。從而實現政府部門和行業間聯動配合，建立地理信息政務協同、行業協同、社會公眾參與等全方位協作更新的新方式。