梁發(fā)宏，楊 帆

(西安測繪總站，陜西 西安710054)

在Web 2．0的大環(huán)境下，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)和移動終端技術(shù)的發(fā)展，地理信息傳遞和服務(wù)的模式經(jīng)歷著深刻的變化。網(wǎng)絡(luò)用戶不僅被動地消費(fèi)信息，也開始自己創(chuàng)建或編輯網(wǎng)頁內(nèi)容。相應(yīng)的一些項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量顯著增加，如維基百科、Flickr、YouTube等。

通用數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)常常被稱為用戶生成內(nèi)容(usergenerated content，UGC)，如維基百科條目或博客文章。UGC中有一種包含地理組件的特例，被稱為眾源地理數(shù)據(jù)［2］或協(xié)同地理信息［3］，更常見的名稱為自發(fā)地理信息(volunteered geographic information，VGI)［1］。筆者以O(shè)penStreetMap為例，側(cè)重于數(shù)據(jù)及貢獻(xiàn)者分析的方法和結(jié)論，介紹了協(xié)作收集地理數(shù)據(jù)和相應(yīng)的貢獻(xiàn)者模式，全面回顧了VGI研究的現(xiàn)有成果，并展望其前景，指出需要解決的問題。

一、自發(fā)地理信息簡介

自發(fā)地理信息由Goodchild［1］在2007年提出，他認(rèn)為VGI是指使用工具創(chuàng)建、收集、傳播個人自發(fā)提供的地理信息。目前關(guān)于VGI還沒有形成一個統(tǒng)一的定義。維基百科中對VGI的定義是指用戶通過在線協(xié)作的方式，以普通手持GPS終端、開放獲取的高分辨率遙感影像，以及個人空間認(rèn)知的地理知識為基礎(chǔ)參考，創(chuàng)建、編輯、管理、維護(hù)的地理信息。李德仁等［4］從廣義和狹義兩個角度對VGI進(jìn)行了解釋，認(rèn)為狹義的VGI是由大量非專業(yè)用戶利用3S技術(shù)自發(fā)創(chuàng)建的地理信息;廣義的VGI是與狹義的VGI相關(guān)的概念、模式、方法和技術(shù)。

筆者認(rèn)為VGI的主要特征為:①向VGI平臺貢獻(xiàn)的信息必須匹配地理位置，地理位置既可以通過地理參考航空影像跟蹤采集，也可以通過指定設(shè)備主動收集GPS軌跡來獲取;②數(shù)據(jù)收集具有公眾自發(fā)性和非專業(yè)性，沒有專業(yè)技能的用戶也可以基于個人目的貢獻(xiàn)地理信息，協(xié)作完成空間數(shù)據(jù)處理。

1．近期代表性VGI平臺

近年來VGI急速發(fā)展，表1中列出了5種不同的VGI項(xiàng)目的比較，比較不包括一些廣泛使用的LBS平臺，如谷歌地圖，因?yàn)槠銿GI功能有限。VGI項(xiàng)目之間的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)許可證類型和信息可用性。

表1 VGI項(xiàng)目比較

2．OpenStreetMap(OSM)

OSM項(xiàng)目于2004年啟動，主要數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)托管在倫敦大學(xué)的多個服務(wù)器。所有創(chuàng)建和共享OSM數(shù)據(jù)的服務(wù)器和接口主要由志愿者開發(fā)和管理。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是建立一個免費(fèi)的全球地理信息數(shù)據(jù)庫。貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)前必須注冊并創(chuàng)建一個賬戶。新注冊的會員在注冊后就可以立即添加、修改或刪除OSM數(shù)據(jù)庫中的地理對象。而對于其他VGI項(xiàng)目，如Google Map Maker，新會員所作的編輯首先要通過審查。最初幾年，OSM地理信息收集大多是應(yīng)用GPS手持設(shè)備。2007—2011年間，雅虎地圖、微軟Bing Map均對其進(jìn)行影像數(shù)據(jù)支持，這對OSM新對象的收集有很大的影響。此外，一些地區(qū)通過導(dǎo)入商業(yè)或政府?dāng)?shù)據(jù)集獲取了大量數(shù)據(jù)，如荷蘭、奧地利、美國、西班牙和法國。近年來，隨著OSM項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展，一些公司全部或部分地將其地圖應(yīng)用轉(zhuǎn)換為OSM，如蘋果、Flickr和foursquare。

二、自發(fā)地理信息研究熱點(diǎn)及成果

1．?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量分析

(1)路網(wǎng)評估

OSM質(zhì)量分析多為道路網(wǎng)絡(luò)評價，多數(shù)是將政府或商業(yè)數(shù)據(jù)集作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。2008年Haklay［5］將英國的OSM數(shù)據(jù)與軍械測量局(OS)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，OSM覆蓋英國面積的29．3%。2009年重復(fù)了這項(xiàng)分析，覆蓋范圍提高到65%［6］。OSM在英國的數(shù)據(jù)質(zhì)量和覆蓋率顯示出明顯的區(qū)域差異，城市地區(qū)路網(wǎng)密度高，但缺少街道名稱等細(xì)節(jié)，而有些農(nóng)村地區(qū)完全沒有數(shù)據(jù)。Girres等［7］對法國進(jìn)行了研究，重點(diǎn)為路網(wǎng)，也包含其他要素，如興趣點(diǎn)、水系和海岸線。該研究表明，法國OSM數(shù)據(jù)集也具有類似的區(qū)域差異。對德國2007—2011年OSM數(shù)據(jù)集的綜合分析［8］表明，如果比較機(jī)動車路網(wǎng)，OSM比專有數(shù)據(jù)少9%;如果包括人行道和小路時，OSM超過專有數(shù)據(jù)集27%，但專有數(shù)據(jù)集中包含的其他重要信息，如轉(zhuǎn)彎限制，在OSM數(shù)據(jù)集中常常缺失。

2011年，Zielstra等［9］將整個佛羅里達(dá)州(美國)OSM數(shù)據(jù)集與TomTom和Navteq的專有數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。與之前在歐洲的發(fā)現(xiàn)不同，在佛羅里達(dá)州農(nóng)村地區(qū)，OSM具有較強(qiáng)的覆蓋，而在城市地區(qū)也比專有數(shù)據(jù)表現(xiàn)出更好的覆蓋。研究人員認(rèn)為這是由于2008/2009年美國TIGER/Line普查數(shù)據(jù)導(dǎo)入了OSM。

總體來看，OSM路網(wǎng)數(shù)據(jù)在不同區(qū)域質(zhì)量差別較大，城市優(yōu)于農(nóng)村，局部地區(qū)數(shù)據(jù)非常詳細(xì)。是否應(yīng)該使用OSM或其他VGI資源，需要針對興趣區(qū)域和項(xiàng)目目標(biāo)進(jìn)行評估。

(2)興趣點(diǎn)(POI)評估

導(dǎo)航過程中，將描述地點(diǎn)的地址或文本準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為一個地理位置非常重要，這個過程被稱為地理編碼。Amelunxen［10］將谷歌地圖的地理編碼功能與OSM進(jìn)行了比較，對于市政、街道、門牌號碼，OSM都沒有達(dá)到足夠的詳細(xì)程度來支持空間分析。Jackson等［11］將OSM與其他專有數(shù)據(jù)集的點(diǎn)要素地址信息比較，顯示出類似的結(jié)果。Mashhadi等［12］對倫敦(英國)和羅馬(意大利)來自專有數(shù)據(jù)集的POI數(shù)據(jù)與OSM進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在地理位置精度方面基本一致。

OSM中志愿者收集的非傳統(tǒng)興趣點(diǎn)與專有數(shù)據(jù)庫有差別，詳細(xì)程度不足，位置精度基本一致。

(3)數(shù)據(jù)信任和人為破壞

為了簡化數(shù)據(jù)評估，建立某種形式的信任機(jī)制非常必要。一些研究人員提出將志愿者作為一種質(zhì)量測量參數(shù)。Bishr等［13］探討了基于社交網(wǎng)絡(luò)信任評級的解決方案。Kessler等［14］基于貢獻(xiàn)對象的歷史來確定信任值。

OSM項(xiàng)目的普及也帶來了一些需要注意的問題，特別是人為破壞。Coleman［15］總結(jié)了如何驗(yàn)證貢獻(xiàn)者及其空間信息的一些方法，Neis等［16］自動檢測人為破壞，在OSM數(shù)據(jù)庫中每天至少檢測到一起人為破壞，有的是故意破壞，有的是操作失誤。

2．貢獻(xiàn)者分析

VGI研究的第二大方向是項(xiàng)目貢獻(xiàn)者行為，可以將用戶分為普通用戶(使用數(shù)據(jù)或在線信息)、注冊會員(擁有VGI項(xiàng)目賬戶)和貢獻(xiàn)者(積極為VGI項(xiàng)目做貢獻(xiàn))［24］。普通用戶數(shù)量基本無法確定，注冊會員和貢獻(xiàn)者數(shù)量可以從OSM數(shù)據(jù)庫確定或分析。

(1)參與不均衡

參與不均衡的現(xiàn)象在開源項(xiàng)目或以在線社區(qū)為基礎(chǔ)的項(xiàng)目中往往類似。Nielsen［17］以90－9－1規(guī)則描述了這種現(xiàn)象，即90%的用戶從來沒有對項(xiàng)目作出貢獻(xiàn)，只是充當(dāng)“潛水者”，9%的貢獻(xiàn)者不定期地增加信息，1%的貢獻(xiàn)者提供了項(xiàng)目收集到的幾乎所有的信息。OSM也有類似現(xiàn)象［18－19］。

2010年，注冊會員人數(shù)增至30萬，其中近5%(16 500)按月積極為項(xiàng)目做貢獻(xiàn)，所有成員中僅占3．5%(12 000)的會員貢獻(xiàn)了占98%的數(shù)據(jù)量［8］。圖1表示了注冊會員的增長及其活動，可以看出注冊會員與活躍貢獻(xiàn)者在數(shù)量上的巨大差異。

Neis等［18］進(jìn)行的研究還按周和日分析了貢獻(xiàn)者的活動。結(jié)論為平日貢獻(xiàn)模式相似，周日數(shù)據(jù)編輯的人數(shù)略多，而下午和晚上是OSM一天的活動高峰期。

(2)區(qū)域分布

OSM貢獻(xiàn)者的區(qū)域分布表現(xiàn)出與前述數(shù)據(jù)質(zhì)量分析類似的區(qū)域差異。因?yàn)镺SM會員在項(xiàng)目注冊時不必提供位置信息，研究人員通過不同的方法確定會員的區(qū)域。Budhathoki［19］分析了貢獻(xiàn)者為不同國家加入注釋的數(shù)目，Neis等［18］關(guān)注貢獻(xiàn)者首次編輯或編輯最多的區(qū)域。這兩項(xiàng)研究顯示貢獻(xiàn)者中3/4位于歐洲，剩下的1/4分布在北美和亞洲，南美、非洲和大洋洲只有少量貢獻(xiàn)者?；钴S貢獻(xiàn)者在德國密度最高，德國OSM數(shù)據(jù)集也表現(xiàn)出了較高質(zhì)量。然而，OSM貢獻(xiàn)者并不只限定在自身區(qū)域收集數(shù)據(jù)，少數(shù)非?；钴S的OSM會員在至少兩個或更多的國家收集數(shù)據(jù)［18－19］。

圖1 2005—2015年OSM會員增長

(3)貢獻(xiàn)者動機(jī)、行為和人口因素

貢獻(xiàn)動機(jī)是研究人員調(diào)查的主要內(nèi)容。Budhathoki［19］認(rèn)為對特定區(qū)域的個體認(rèn)知是最顯著的動機(jī)，當(dāng)用戶看到他們所關(guān)心的領(lǐng)域信息空白或錯誤，往往會利用自己擁有的知識編輯數(shù)據(jù)。Coleman等［20］將VGI激勵因素分為積極和消極兩類。表2總結(jié)了上述研究中主要動機(jī)。

表2 VGI激勵因素

過去許多研究指出，VGI主要的貢獻(xiàn)者是非專家或未經(jīng)訓(xùn)練和不合格的志愿者［5］。但是，有調(diào)查顯示近50%的受訪者有相關(guān)學(xué)位或曾在地理、測繪、城市規(guī)劃或計算機(jī)/信息科學(xué)等領(lǐng)域工作，說明OSM社區(qū)并不像經(jīng)常猜測的那樣只有GIS愛好者［19］。Coleman等［20］將VGI項(xiàng)目成員分為新手、業(yè)余興趣、專業(yè)人士、專業(yè)專家和權(quán)威專家等。

對貢獻(xiàn)者人口因素也有詳細(xì)的分析，如項(xiàng)目參與者的年齡、性別或教育背景。研究表明，大多數(shù)OSM貢獻(xiàn)者(97%以上)為男性［21］。對于其他門戶網(wǎng)站，數(shù)據(jù)并沒有顯示出這種性別偏向，但引入地理信息時女性參與率大幅下降［22］。OSM大多數(shù)貢獻(xiàn)者(＞60%)在20～40歲之間，大約20%為40歲以上［21－22］。63%—78%有大專、本科及以上學(xué)歷［21－22］。

三、自發(fā)地理信息應(yīng)用前景

1．構(gòu)建世界范圍地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

VGI的優(yōu)勢源于其開放式數(shù)據(jù)收集方法，可以說VGI是最廉價的地理信息來源，往往也是唯一的來源。尤其是對于世界范圍而言，其豐富的數(shù)據(jù)內(nèi)容和形式，是對現(xiàn)有地理信息數(shù)據(jù)的一個很好的補(bǔ)充和完善。

2．應(yīng)急響應(yīng)輔助決策支持

OSM和其他VGI項(xiàng)目的另一潛力是危機(jī)及災(zāi)害等應(yīng)急響應(yīng)行動中的輔助決策支持功能。2011年海地地震期間，志愿者基于OSM最新衛(wèi)星影像和移動GPS設(shè)備采集道路及興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)，標(biāo)注救護(hù)站、帳篷和倒塌的大橋，在48 h內(nèi)構(gòu)建了最 完 整 的“Haiti OpenStreetMap”［23］。VGI在洪災(zāi)損失評估［25］、野生消防疏散［26］和其他重要的風(fēng)險及自然災(zāi)害管理和響應(yīng)［27－29］等方面也已顯示出很多潛力。

3．地理監(jiān)測

地理監(jiān)測工作量大，現(xiàn)勢性要求高。VGI用戶分布廣泛，貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)類型多樣(矢量數(shù)據(jù)、圖片、視頻等)，客觀性和現(xiàn)勢性強(qiáng)，獲取周期短，成本低，未來的地理國情監(jiān)測完全可以借助VGI手段。

4．特殊用途地圖應(yīng)用

近年來涌現(xiàn)出許多基于OSM的應(yīng)用程序、在線地圖及可打印地圖，志愿者協(xié)同收集地理信息，滿足特殊需求，如貨車、自行車、滑雪、輪椅、盲道及公共交通。如Wheelmap共享公共場所輪椅無障礙信息，OpenRouteService提供自行車和貨車路徑查詢功能。

5．三維應(yīng)用

隨著三維應(yīng)用的日益普及，研究人員測試了OSM對三維應(yīng)用程序或三維基于位置服務(wù)的適用性［30］，有文獻(xiàn)探討如何將OSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到規(guī)范的城市地理標(biāo)記語言(CityGML)模型［31］或室內(nèi)疏散模擬［32］。

四、結(jié)束語

本文首先介紹了VGI的概念和特征，比較了有代表性的幾個VGI平臺，重點(diǎn)介紹了其中影響最大的OSM;接著全面回顧了VGI研究熱點(diǎn)，研究工作分為兩個主要領(lǐng)域:數(shù)據(jù)質(zhì)量和貢獻(xiàn)者分析，詳細(xì)討論了每個領(lǐng)域的最新文獻(xiàn)中闡述的各項(xiàng)研究的方法和結(jié)果;最后展望了VGI的應(yīng)用前景。

VGI的發(fā)展很快，但也存在許多亟需解決的問題:數(shù)據(jù)質(zhì)量不可預(yù)測，數(shù)據(jù)分布不均，連續(xù)性和一致性不能保證;沒有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)規(guī)范或質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如何有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制需要進(jìn)一步研究;VGI數(shù)據(jù)來源多樣，類型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，如何管理這樣的海量多源數(shù)據(jù)，需要設(shè)計簡單、高效、擴(kuò)展能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理方案;如何基于數(shù)據(jù)集中的現(xiàn)有對象導(dǎo)出其他類型的地理要素，或是通過多源數(shù)據(jù)融合集成并豐富當(dāng)前的數(shù)據(jù)集，未來的研究都可以詳細(xì)探討。VGI數(shù)據(jù)可能會涉及個人隱私、知識產(chǎn)權(quán)與國家安全，需要出臺和完善相應(yīng)的法律法規(guī)，以保證數(shù)據(jù)安全。VGI的持續(xù)性依賴于志愿者，相關(guān)部門也需要制定政策鼓勵志愿者加入。

現(xiàn)有的VGI系統(tǒng)主要集中在西方發(fā)達(dá)國家，對語言的支持也比較單一，大多數(shù)僅支持英語。其他地區(qū)服務(wù)穩(wěn)定性不高，用戶數(shù)量有限。與國外的研究相比，當(dāng)前國內(nèi)VGI的研究仍處于初始階段。但作為完全開放的免費(fèi)數(shù)據(jù)源，我們可以看到其巨大潛力，VGI這種日益普遍的新現(xiàn)象正在改變著地理信息數(shù)據(jù)獲取、傳遞和應(yīng)用的傳統(tǒng)模式。

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