張新長，陳家鴻，郭泰圣

(中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

?

基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構融合研究與實現(xiàn)

張新長，陳家鴻，郭泰圣

(中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

摘要：隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展，基礎地理數(shù)據(jù)在測繪、國土、規(guī)劃、交通等國民經(jīng)濟重要部門及國防建設領域發(fā)揮著越來越重要的作用。但是當前大多數(shù)城市的基礎地理數(shù)據(jù)存在CAD和GIS的多種數(shù)據(jù)格式并存的現(xiàn)狀，無法高效地進行數(shù)據(jù)共享。針對上述問題，為充分利用已有的數(shù)據(jù)資源并提高地形圖數(shù)據(jù)的共享性，本文提出了一種基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構融合的技術方案，在此基礎上，編程實現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的可逆轉換與融合。

關鍵詞：異構融合；可逆映射；數(shù)據(jù)檢查；數(shù)據(jù)轉換

基礎地理數(shù)據(jù)是國家基礎設施建設和地球科學研究的支撐性成果，是國民經(jīng)濟、國防建設中不可缺少的重要資源，是“數(shù)字城市”“智慧城市”建設的基礎，對社會可持續(xù)發(fā)展起著重要作用[1]。

地形圖數(shù)據(jù)作為基礎地理數(shù)據(jù)的重要組成部分，按照一定的分類，利用不同的圖式符號反映地球表面的空間地物，是國家建設、社會發(fā)展的基礎性資料[2]。但是，當前我國大多數(shù)城市的地形圖數(shù)據(jù)存在CAD和GIS的多種數(shù)據(jù)格式并存的現(xiàn)狀，地形圖數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多源異構性，這使得現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)無法高效地進行數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)孤島[3]的弊端已經(jīng)愈演愈烈。因此，如何高效地對多源異構地形圖數(shù)據(jù)進行融合，提高地形圖數(shù)據(jù)的共享性就成為當前亟待解決的一個重要問題。

一、異構融合的原理

1. 異構融合的定義

異構融合作為一種數(shù)據(jù)綜合處理技術，實際上是許多傳統(tǒng)學科和新技術的集成和應用，若從廣義的數(shù)據(jù)融合定義出發(fā)，包括通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化技術、計算機科學、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡等。異構融合的目的是提高數(shù)據(jù)質量、補充數(shù)據(jù)信息，并最終實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的共享。將其拓展到地形圖數(shù)據(jù)領域，郭黎給出了如下定義：地形圖數(shù)據(jù)融合是指將不同來源的地形圖數(shù)據(jù)，采用不同的方法，重新組合專題屬性數(shù)據(jù)，統(tǒng)一地物的分類分級和屬性，進一步完善地物的信息，提高地形圖數(shù)據(jù)的質量和可共享性[3]。

2. 異構融合的基本框架

地形圖數(shù)據(jù)異構融合一般包括4個基本內(nèi)容：規(guī)則建立、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)轉換和接邊融合。異構融合的基本框架如圖1所示，可以采用八元組(M，R，I，C，E，X，B，D)表示。

圖1　異構融合基本框架

1)M表示原始數(shù)據(jù)的集合。

2)R表示融合規(guī)則。

3)I表示融合規(guī)則的嵌入。

4)C表示待融合數(shù)據(jù)的檢查，包括編碼檢查、屬性檢查、拓撲檢查。

5)E表示待融合數(shù)據(jù)的編輯，包括屬性編輯、符合編輯、拓撲編輯。

6)X表示含有融合規(guī)則的數(shù)據(jù)。

7)B表示融合過程，包括數(shù)據(jù)轉換、接邊融合。

8)D表示融合后的數(shù)據(jù)，其中Dr為融合結果數(shù)據(jù)，Dm為待融合數(shù)據(jù)。

二、基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構融合

1. 技術路線

本文的異構地形圖數(shù)據(jù)是指竣工測量CAD地形圖數(shù)據(jù)、未入庫GIS地形圖數(shù)據(jù)或已入庫的GIS地形圖數(shù)據(jù)。本文主要針對同級比例尺的異構融合研究，融合數(shù)據(jù)預處理操作是指在融合前依據(jù)數(shù)據(jù)標準，對數(shù)據(jù)進行坐標系、數(shù)據(jù)結構及拓撲關系的檢查與修正處理[4]，以產(chǎn)生符合融合標準的數(shù)據(jù)。異構融合方法是對要素進行編碼賦值、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)轉換，再利用要素的幾何距離與屬性相似度進行對象匹配，之后進行接邊融合。其技術路線如圖2所示。

圖2　技術路線

2. 可逆映射的建立

數(shù)據(jù)可逆映射關系是指兩個數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)元素之間的可逆對應關系。首先根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)的實際情況，可以按數(shù)據(jù)的不同層次將數(shù)據(jù)抽象為3種層次：數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)對象。

假設原始數(shù)據(jù)為Ds，按照數(shù)據(jù)融合標準的目的數(shù)據(jù)為Dt，數(shù)據(jù)映射關系為F，則三者之間的關系為

F(Ds)=Dt

(1)

根據(jù)數(shù)據(jù)的層次關系，F(xiàn)由數(shù)據(jù)集間的映射關系GC、數(shù)據(jù)層間的映射關系GL和數(shù)據(jù)對象間的映射關系GO復合而成，即

F=GC·GL·GO

(2)

數(shù)據(jù)對象間的映射關系本質上就是數(shù)據(jù)對象的屬性結構或數(shù)據(jù)模式間的映射關系，它是數(shù)據(jù)映射中最為核心和復雜的部分。GC、GL、GO的定義分別如下[5]：

1) 數(shù)據(jù)集合間映射關系GC。假設原始數(shù)據(jù)集合為(S1,S2,S3,…)，融合后的數(shù)據(jù)集合為(T1,T2,T3,…)，則

GC(S1,S2,S3,…)=(T1,T2,T3,…)

(3)

2) 數(shù)據(jù)層之間的映射關系。數(shù)據(jù)層之間的映射關系是對數(shù)據(jù)集進行解構之后數(shù)據(jù)層之間的映射關系，即圖層間的映射關系GL。假設原始數(shù)據(jù)層為

(S1(x1,x2,x3,…),S2(x1,x2,x3,…),

S3(x1,x2,x3,…),…)

(4)

融合后的數(shù)據(jù)模式為

(D1(y1,y2,y3,…),D2(y1,y2,y3,…),

D3(y1,y2,y3,…),…)

(5)

則

GL(S1(x1,x2,x3,…),S2(x1,x2,x3,…),

S3(x1,x2,x3,…),…)=(D1(y1,y2,y3,…),

D2(y1,y2,y3,…),D3(y1,y2,y3,…),…)

(6)

3) 數(shù)據(jù)對象間映射關系。數(shù)據(jù)對象映射關系本質上即數(shù)據(jù)模式間的映射關系。假設原數(shù)據(jù)模式為

(f1,f2,f3,…)

(7)

目標數(shù)據(jù)模式為

(8)

由原數(shù)據(jù)到目標數(shù)據(jù)間的映射關系為GO，則兩者之間的關系為

(9)

基于上述抽象映射關系，DWG格式的CAD數(shù)據(jù)和SHP格式的GIS數(shù)據(jù)在圖層級別[6]可以構建如圖3所示的可逆映射關系。

圖3　圖層級別可逆映射

3. 數(shù)據(jù)轉換

由于地形圖數(shù)據(jù)由幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分組成，因此在進行數(shù)據(jù)轉換時，需要對幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別進行轉換[7]。

(1) 圖形轉換

地形圖數(shù)據(jù)中的點要素是由坐標信息構成的，在進行點轉換時對于BlockReference、DBPoint等點類型的實體，可以直接讀取坐標信息，基于X、Y坐標信息進行構點[8]。

線轉換涉及的圖形類型較多，其基本原理是讀取圖形的各個節(jié)點信息，然后以點構線。對于簡單類型(如Line)，通過讀取起點和終點坐標即可直接構線；對于復雜類型(如Arc)，需要通過讀取起點和終點坐標、Arc的起始角度及總角度、弧長等信息構造弧上的點，然后進行構線[9]。

面轉換主要涉及Polyline、Polyline2d、Circle3種類型的實體，其基本原理是通過讀取圖形的節(jié)點等相關信息，進行構面[10]。

(2) 屬性轉換

在DWG格式轉SHP格式過程中，圖形的屬性信息存儲在其擴展字典下自定義字典的擴展屬性中，因此在進行數(shù)據(jù)轉換時，先讀取存儲在實體中的屬性信息，然后與GIS中Feature的屬性字段進行匹配，最后將屬性值寫入到GIS中Feature對象的對應屬性中[10]。

在SHP轉DWG格式過程中，先通過程序讀取存儲在GIS中Feature的屬性字段，然后與CAD圖層中擴展屬性進行匹配，最后將屬性值寫入到AutoCAD圖層中對應的擴展屬性中。

4. 接邊融合

接邊融合關鍵技術包括確定接邊對象和接邊融合。目前常用的接邊方法是通過搜索鄰近要素及比較屬性來確定接邊對象[12-13]。在實際操作中，通常會根據(jù)要素類型分別進行接邊融合操作。

(1) 線要素接邊

線要素常用的接邊方法有平均法、強制法、優(yōu)化法。其中，平均法是取圖形兩邊待接點的坐標均值作為接邊后點的坐標。強制法是把一條待接邊的待接點強制附和到另一條待接邊的待接點上，因其精度不高，很難確認哪條邊是比較準確的，故不常用。優(yōu)化法是將接邊產(chǎn)生的拐點消除，達到接邊后的圖邊兩端線段，既要共點又要共線[14]。

線要素接邊首先搜索融合范圍邊界處需要接邊的對象，具體搜索過程如下：

1) 通過屬性匹配，篩選出與待融合線要素屬性相似度最高的線要素集合A；

2) 給定一個閾值d，以d為半徑，以原要素與接邊線的交點為圓心生成緩沖區(qū)；

3) 通過空間查詢得到A中與緩沖區(qū)相交的線要素，即接邊對象。

接邊對象確定之后即要對數(shù)據(jù)進行接邊融合操作，線要素的接邊融合可以通過比較融合數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的精度來確定，接邊到精度較高的數(shù)據(jù)上。若數(shù)據(jù)間的精度相差不大，則可選用平均接邊法進行接邊。

(2) 面要素接邊

面要素接邊首先搜索融合范圍邊界處需要接邊的對象，具體搜索過程如下：

1) 通過屬性匹配，篩選出與待融合面要素A屬性相似度最高的面要素集合M；

2) 給定一個閾值d，以d為半徑，對接邊邊界線兩側進行緩沖，生成一個緩沖區(qū)；

3) 通過空間查詢得到M中與緩沖區(qū)相交的面要素，即為接邊對象[15](如圖4所示)。

圖4　搜索參與接邊的面要素

面要素接邊采用精度平移的方式，精度低的數(shù)據(jù)平移至精度高的數(shù)據(jù)，精度接近的數(shù)據(jù)則讓兩個對象分別平移坐標偏移量的一半[16]。以居民地面對象為例：假設居民地面是具有4個節(jié)點的規(guī)則矩形，在待融合數(shù)據(jù)中居民地面是兩個獨立對象;比較鄰近的節(jié)點的坐標，計算出坐標偏移量；同比例尺下對象精度相近，因此把節(jié)點分別平移坐標偏移量的一半；最后利用4個新節(jié)點重新構面，即可得到融合之后的居民地面對象。

(3) 屬性融合

在要素完成幾何接邊后，需要進一步對要素的屬性信息進行融合。在接邊融合操作中對象的屬性信息融合通常有3種方式：

1) 以融合要素的屬性信息作為融合后對象的屬性信息；

2) 以待融合要素的屬性信息作為融合后對象的屬性信息；

3) 綜合考慮融合要素和待融合要素，通過某種融合規(guī)則，如屬性疊加的方式來得到融合對象的屬性信息[16]。

三、試驗分析

1. 試驗數(shù)據(jù)概況

本文選取了1∶1000地形圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為DWG格式(如圖5(a)所示)和SHP格式(如圖5(b)所示)。

圖5　原始的試驗地形圖數(shù)據(jù)

2. 試驗結果

首先將DWG格式的CAD數(shù)據(jù)轉換為SHP格式的GIS數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6　DWG格式轉換為SHP格式

完成格式轉換后，數(shù)據(jù)的格式已經(jīng)統(tǒng)一，且都具備編碼信息，即可進行接邊融合操作，將二者融合為一張圖，如圖7所示。

圖7　接邊融合

3. 精度評價

在異構融合的過程中，考慮到保證數(shù)據(jù)的精度，專門設計了編碼檢查和拓撲檢查的功能。編碼檢查可以檢查出是否有編碼缺失、編碼類別錯誤的情況；拓撲檢查可以檢查線相交、線重疊、線自相交、面重疊的拓撲錯誤。通過對多組不同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)進行試驗，結果表明融合精度較高(見表1)。

表1　精度評價　(%)

四、結束語

本文根據(jù)目前國土信息化的發(fā)展趨勢，提出了基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構融合技術方案，選題來自實際生產(chǎn)部門的現(xiàn)實需要，通過與生產(chǎn)人員的詳細交流獲得非常重要的經(jīng)驗，并得出研究的總體框架。本研究圍繞地形圖數(shù)據(jù)的特點、地形圖數(shù)據(jù)異構融合的建設需要、多源異構地形圖數(shù)據(jù)的融合方法等方面展開研究，主要研究內(nèi)容如下：

1) 根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)生成應用的總體需求，參考目前在多源異構數(shù)據(jù)融合中使用最為廣泛的數(shù)據(jù)融合技術，設計了基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)融合技術方案。

2) 基于上述技術方案，構架了DWG格式數(shù)據(jù)、異構GIS格式數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)映射模式，為實際的異構地形圖數(shù)據(jù)融合提供了方法。

本研究構建基于可逆映射的數(shù)據(jù)融合機制，從國土生產(chǎn)部門的主要情況和研究的工作量角度考慮，僅構建DWG格式與SHP格式數(shù)據(jù)間的可逆映射關系；而國土生產(chǎn)部門可能還存在其他類型的數(shù)據(jù)。因此，總結國內(nèi)外更好的科研成果，考慮更多類型的異構數(shù)據(jù)模型將是本文下一步的研究內(nèi)容。

參考文獻：

[1]焦煦,朱文英,黃瑞峰.基礎地理數(shù)據(jù)在智慧城市建設中的分析與應用[J].信息技術2012(2):55-61.

[2]楊伯剛.城市基礎地形圖數(shù)據(jù)建庫技術方法研究[J].測繪通報,2005(9):44-46.

[3]崔翰川.面向共享的矢量地理數(shù)據(jù)安全關鍵技術研究[D].南京:南京大學，2013：3-10.

[4]郭黎.空間矢量數(shù)據(jù)融合問題的研究[D].鄭州：信息工程大學,2003.

[5]齊立新, 基于映射關系的城鄉(xiāng)規(guī)劃數(shù)據(jù)集成與同步[D].廣州:中山大學,2014.

[6]郭黎,崔鐵軍.空間數(shù)據(jù)融合方法的探討[C]∥中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會論文集2002年會論文集.[S.l.]:[s.n.]，2002.

[7]陳年松.基于FME的CAD與GIS數(shù)據(jù)共享研究[D].南京：南京師范大學，2008.

[8]謝祖明.基于CAD數(shù)據(jù)生產(chǎn)ArcGIS制圖數(shù)據(jù)的研究與應用[J].測繪與空間地理信息,2012,35(8): 121-126.

[9]劉志輝,肖海威,梁子震.淺析城市信息化地形圖的入庫數(shù)據(jù)質量檢查[J]．城市勘探,2012(5): 53-56．

[10]袁源林,張新長.CAD地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整入庫的研究與應用[J].測繪通報,2013(5):44-48.

[11]陳家鴻,張新長,郭泰圣. AutoCAD與ArcGIS數(shù)據(jù)轉換研究與應用[J].地理信息世界,2014(5):46-50.

[12]戴相喜,周衛(wèi),高磊.DLG數(shù)據(jù)任意范圍接邊算法及實現(xiàn)[J].測繪通報,2008(7)：32-35.

[13]曹鍵,李國忠,徐效波,等.基于ArcGIS Engine的多圖幅數(shù)字地形圖接邊算法研究[J].測繪與空間地理信息,2010,10(3):76-78.

[14]孫麗娜,李吉之,陳靜.基于AO的同比例尺地形圖無縫接邊技術及其實現(xiàn)方法[J].測繪工程, 2007(6):49-53.

[15]熊湘琛.城市基礎矢量地形數(shù)據(jù)建庫與增量更新研究[D].廣州：中山大學, 2009.

[16]張新長,郭泰圣,唐鐵.一種自適應的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法研究[J].測繪學報,2012,41(4):613-619.

Heterogeneous Integration Research and Implement for Topographic Map Data Based on Reversible Mapping

ZHANG Xinchang，CHEN Jiahong，GUO Taisheng

收稿日期：2015-06-02

基金項目：村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)技術應用集成與示范研究(2013BAJ13B06)；國家自然科學重點項目基金(41431178)；高等學校博士點專項基金(20120171110030)。

作者簡介：張新長(1957—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為數(shù)字城市與智慧城市理論方法與技術應用。E-mail：eeszxc@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0026-04

引文格式： 張新長，陳家鴻，郭泰圣. 基于可逆映射的地形圖數(shù)據(jù)異構融合研究與實現(xiàn)[J].測繪通報，2016(6)：26-29.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0183.