4D產品元數據自動生成技術研究及應用

摘要：傳統的以人工填寫方式為主的4D產品元數據生產過程工作量巨大，是企業生產過程中的痛點。為了避免過于繁雜和重復性工作，企業需要設計界面美觀、交互友好、穩定安全，能批量化、自動化、精準化實現4D產品元數據生產的軟件系統。本文在充分研究4D產品生產工藝流程后，進行了軟件架構搭建及算法設計，利用C#.NET語言和Visual Studio 2019編譯器開發4D產品元數據自動生成軟件，并在實踐中進行了應用和驗證，證明了4D產品元數據自動生成技術的有效性。

關鍵詞：4D產品；元數據；自動生成；Visual Studio 2019

一、引言

元數據（MetaData）是關于數據的數據，測繪元數據是關于測繪數據和相關信息資源的描述性信息，它通過對測繪數據的內容、質量、條件、位置和其他特征進行描述與說明，幫助和促進人們有效地定位、評價、比較、獲取和使用測繪相關數據[1]。元數據不僅是準確描述空間數據的依據，而且是管理數據、發現數據和使用數據的重要工具。元數據文件是以行政區域、圖幅或其他單元為單位進行記錄，元數據信息量大、填寫格式要求嚴謹。

根據測繪行業標準，在數據驗收匯交時不僅要提供4D產品數據，而且要提供數據對應的元數據。大比例尺4D產品對應的圖幅數量較多，即使單一測區也往往包含上百個圖幅，每個圖幅又對應100個左右的數據項。傳統的元數據生成方法主要依靠人工逐一編輯Excel表格完成，耗費了大量時間而且極易出錯，這極大地降低了日常測繪數據生產與匯交的工作效率。因此研究4D產品元數據自動生成技術，對測繪企業節省人工和減少作業時間，以及提高企業數據生產的準確性和效率有很強的現實需求和意義。

二、目前國內外研究的現狀和趨勢

（一）在國外

歐洲發達國家為了給用戶提供便捷的信息服務，建立了網絡信息分發服務系統，用戶可以通過這些系統進行自主查詢、檢索、瀏覽以及下載數據。普通用戶可以在互聯網上很方便獲取地理信息元數據，甚至是數據實體。

美國FGDC建立了地理信息交換網絡，開發了滿足FGDC標準的元數據查詢、輸入、管理的軟件工具、數據交換網絡節點和網關軟件系統，并建立了一站式服務系統。美國FGDC采用數據庫模式實現了元數據的管理，該模式采用了多級分類目錄，并且可以對元數據進行檢索、篩選和插入操作，從而實現了元數據的自動生成。西班牙政府建立了“國家元數據中心”，該中心采用統一的元數據格式，實現了對不同地理信息資源的集成。英國MapInfo公司基于 VRML（virtual Relational Modeling Language）開發了“國家元數據中心”，該系統采用Web瀏覽器方式訪問，并可以對數據進行查詢、統計和分析。國外關于元數據自動生成的研究較多，在一定程度上提高了測繪生產效率。以上國家或地區建立元數據的方法主要基于國家標準、地方標準或者是自建標準，元數據生成的方法差異性較大。

（二）在國內

在國內，測繪產品屬于國家涉密數據，大比例尺地圖數據不能在網絡上直接處理或發布，因此元數據自動生成系統一般是單機版或局域網平臺系統。不少學者從不同角度對元數據進行了研究，如宋華偉等研究了國內外地理信息元數據的標準，提出建立地理信息元數據系統模型[2]；吳學峰等結合新疆基礎測繪項目，研究了元數據自動化生產的方法[3]；陳明東針對人工管理元數據效率低的問題，提出基于MDB的4D產品信息庫設計方案[4]；王漢財依據元數據信息獲取的方式和檢查內容進行分析、探討，通過編程實現元數據質量控制[5]。這些研究制作元數據時創建的表結構相對固定，沒有實現元數據表的動態定制，只針對屬性數據進行處理，沒有將空間數據和屬性數據相關聯，在處理方式上尚不夠靈活[6]。目前關于4D產品元數據自動生成的研究主要針對測區內的空間數據，對于測區以外的非空間數據，如柵格數據、元數據文件等則沒有專門的研究。此外，國內對4D產品元數據自動生成的研究主要是針對產品所對應的圖幅、屬性數據進行研究，對于測區以外非地圖類型的4D產品元數據自動生成還沒有深入研究。針對以上問題，本文提出4D產品元數據自動生成技術，主要是針對測區內多幅地圖類型的4D產品，自動生成相應比例尺的圖幅接合表，并在此基礎上實現對4D產品元數據的自動提取、驗證、更新和匯交。

三、研究內容

（一）圖幅接合表生成方法

圖幅接合表是表達某一測區多幅地圖之間相關位置關系的略圖，是生產元數據最基本的數據，研究開發適用于各類比例尺數據的圖幅接合表，包括7種國家基本比例尺和3種大比例（1：500、1：1000、1：2000）的4D產品數據，其中國家基本比例尺數據分幅屬于“梯形分幅”，3種大比例（1：500、1：1000、1：2000）4D產品數據分幅屬于“矩形分幅”，結合表須按“西南角坐標公里數編號法”生成。因此，需重點分析不同比例尺下地圖分幅基準與編號規則，并研究各類比例尺圖幅接合表生成的算法和流程。4D產品元數據自動生成技術重點研究幾何圖形的鄰接關系、關聯關系、距離關系、方向關系等算法，以實現4D產品元數據的自動化提取、驗證、更新和匯交。幾何圖形的鄰接關系是指地圖平面位置與其周邊像素位置之間的關聯關系，主要有最小鄰接多邊形和最大鄰接多邊形，其中最小鄰接多邊形是指圖幅圖名與其周邊像素坐標之間的最小距離，最大鄰接多邊形是指圖幅圖名與其周邊像素坐標之間的最大距離。關聯關系主要有拓撲關聯和非拓撲關聯，是指兩個相鄰圖形之間存在某種特定的幾何關系，如方向、距離、比例等。

（二）元數據生成方法

4D產品元數據自動生成技術需重點研究幾何圖形的鄰接關系、關聯關系、距離關系、方向關系等算法，從而實現自動化完成每個圖幅對應空間參考信息、標識信息、質量信息、生產信息及分發信息，以上5大類信息又可分為相同類信息、讀取類信息、計算類信息和分析類信息。其中相同類信息是指每幅圖都相同的參數，如比例尺、分辨率、坐標參考、高程基準、采集日期、生產單位等，可一次性在元數據模板中設置完成；讀取類信息是每幅圖都有不同的參數，如圖幅名稱和圖幅號等，這些信息通過程序遍歷圖幅接合表獲得；計算類信息是指在元數據模板和圖幅接合表中不能直接讀取的信息，如每個圖形東北、西北、西南、東南角點的“圖廓坐標”，這類信息可通過計算每個圖形的圖廓角點幾何坐標得到；分析類信息則需要復雜的分析和邏輯判斷才能得到，如基于拓撲空間分析，判斷每個圖幅8方位相鄰圖幅（東、西、南、北、東北、西北、西南、東南）的“圖幅名稱”和“圖幅號”。

（三）軟件系統設計與研發

為解決企業生產過程中的痛點，提升作業人員工作效率，企業需設計界面美觀、交互友好、穩定安全，能批量化、自動化、精準化實現4D產品的元數據生產的軟件系統。本文基于設計好的技術方案，進行軟件架構搭建及算法設計，利用C#.NET語言和Visual Studio 2019編譯器開發4D產品元數據生成軟件。軟件架構如圖1所示，程序分為4個層，運行環境層是軟件使用的基礎環境，除具體在window操作系統環境外，還需配備專業軟件運行環境ArcGIS10.2或ArcGIS Engine10.2，這是程序系統二次開發的基礎平臺；數據層是軟件運行的血液，主要是4D產品數據對應的圖幅接合表和元數據模板數據；業務層是軟件的核心功能層，通過一系列的流程化功能完成4D元數據生成；展示層是用戶和軟件交互的窗口，以“簡潔大方、模塊化作業、流程化指導”的原則設計操作界面，使得系統軟件方便易用，增強用戶體驗。

四、關鍵技術分析

（一）元數據生成技術流程設計

元數據自動生成技術的重點在于精準檢索判斷每個圖幅8方位相鄰圖幅，并分析計算相鄰圖幅的空間位置關系、坐標信息、接邊情況。針對此問題，團隊做了大量的研究，設計了兩種不同的方案：第一種方案是基于幾何拓撲關系判斷相鄰圖幅，在此基礎上獲得相應信息，但幾何圖形拓撲關系的建立難度較大；第二種方案是基于圖幅編號規則判斷相鄰圖幅，這種方法能快速推算相鄰圖幅的信息，但由于是推算出的信息，無法判斷是否真實存在該圖幅信息。因此，我們引入了第三種方案，即基于圖幅編號規則判斷相鄰圖幅，將該方法應用到元數據自動生成系統中。

本系統中，在圖幅編號規則基礎上，依據圖幅編號規則中的圖幅號進行查詢與匹配，判斷出相鄰的兩個圖幅是否存在相鄰關系，若不存在，則進行下一步操作；若相鄰關系存在，則結合圖形拓撲關系判斷相鄰圖幅之間是否存在關聯；若存在關聯，則從該圖幅編號開始逐一進行判定，分析相鄰圖幅之間的空間位置關系、坐標信息、接邊情況等信息。

（二）軟件算法實現

程序軟件設計的預期效果是高效、實用、易上手。但測繪4D產品數據最大的特點是數據源多、類型多、比例尺多、數據量大，這就對軟件算法實現提出了較高的要求，采用何種算法能較好地完成任務且不能占用太多的計算機資源是軟件算法實現過程中需要重點解決的問題。此外，程序軟件設計的算法主要和地理空間數據相關，涉及計算機圖形學領域拓撲關系判斷的算法設計，例如點和線、點和面、線和線、線和面位置關系及拓撲關系，這是研究突破的難點。在程序設計過程中，相關人員要合理地分配計算機資源，選用高效的算法，最大程度上提高效率。算法設計應從如下兩方面考慮。

效率問題：在有限的計算機資源條件下，在保證正確結果的前提下，盡可能地提高程序的運行速度。

功能問題：對程序的功能要求不高，但要能滿足用戶的需要。

采用基于ArcGIS平臺，以ArcMap為編程環境、 ArcView為圖形顯示界面，運用C++語言開發測繪4D產品數據處理軟件。通過對軟件算法實現過程分析可知，本系統設計的算法在滿足上述兩個要求的前提下，能達到功能要求。

五、結束語

元數據作為4D產品成果的重要組成部分，它不僅僅為描述或索引數據提供幫助，而且還是管理數據、發現數據和使用數據的一種重要的工具和手段。傳統的手工填寫方式，需要大量的人力和時間成本，還不能很好地保證數據的準確性。研究4D產品元數據自動生成軟件，能批量化、自動化、精準化實現4D產品元數據生產，簡化了元數據生產流程，實現了元數據的快速生產，極大地提高了測繪生產效率和數據準確性。

作者單位：陳維林 楊軍義 王俊鋒 甘肅工業職業技術學院

王慧 甘肅林業職業技術學院

李婷婷 天水昌盛園林有限公司

參 "考 "文 "獻

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