基于存量數據的基礎地理實體設計與生產研究

管 佳,閆保銀,孫在宏,2

(1.南京國圖信息產業有限公司,江蘇 南京 210036;2.南京師范大學,江蘇 南京 210023)

0 引 言

隨著新型基礎測繪與實景三維中國建設的提出,測繪地理信息行業越來越多的研究重心投入到實景三維建設中。實景三維作為數字中國的數據基礎,其生產包括地理場景和地理實體兩者的生產。目前DEM、DOM、激光雷達點云、傾斜三維模型等地理場景的生產繼承了原有的標準規范,而地理實體的數據標準、采集規范、技術方法等尚未成熟,導致實景三維建設出現了“重場景,輕實體”的生產傾斜?；A地理實體是地理實體中通過基礎測繪采集和表達的實體,因此本文對基礎地理實體構建開展了深入研究?；A地理實體的生產有兩種方式:① 通過存量基礎地理信息要素數據轉換生產;② 依據DEM、傾斜三維模型等地理場景數據重新采集。本文圍繞第一種生產方式研究了基于存量數據轉換生產基礎地理實體的技術路線和方法。

1 基礎地理實體設計

由于缺乏數據標準、采集規范等指導,在基礎地理實體生產前,首先進行基礎地理實體相關設計,通過概念模型、物理模型、語義化、結構化等設計構建了基礎地理實體的生產基礎。

1.1 概念模型設計

根據實體的自然形態和表達形式,在傳統二維平面形式的基礎上增加了可視化更強的三維空間體的形式,設計了基礎地理實體“一體多維”的概念模型,即每個基礎地理實體可同時由多個二維圖元(點、線、面圖元)及三維圖元(立體圖元)構成。實體與實體之間也存在相同圖元構成的情況。

1.2 物理模型設計

根據實體構建需要,設計了基礎地理實體“兩層三表”的物理模型(圖1)?！皟蓪印笔菆D元現狀層和圖元歷史層,分別記錄現狀圖元和歷史圖元的幾何屬性和空間信息;“三表”是實體屬性表、實體關系表、實體圖元關聯表,分別記錄基礎地理實體的屬性信息、實體與實體之間的關系信息、實體與圖元之間的關聯信息[1]。

圖1 “兩層三表”物理模型

實體設有實體標識碼,通過實體的“專有標識域+標準域+擴展域”三段式構成,對實體進行唯一身份標識;圖元設有圖元標識碼,是在基礎地理實體的類別編碼上結合圖元的行政單元、精度等級、幾何類型等,對圖元進行唯一標識。實體與構成該實體的圖元之間通過標識碼進行關聯,存在一對一或一對多的關系,如一個路燈實體由一個路燈圖元構成,一個房屋實體由房屋主體圖元和陽臺、柱廊等構件圖元共同構成。

1.3 語義化設計

語義化設計包括屬性設計和關系設計(圖2)。屬性設計根據圖元和實體的表達需要均設計了基本屬性和擴展屬性。圖元基本屬性設有圖元標識碼、圖元名稱、采集時間、幾何來源、屬性來源、圖元類型等,圖元擴展屬性按照不同的類別設有對應的屬性,如道路設有道路編號、技術等級、鋪設材料、車道數等。實體基本屬性設有實體標識碼、實體分類代碼、實體名稱、采集時間等,實體擴展屬性按實體類別不同設有不同的屬性,如河流設有起點、訖點、通行性質、等級、功能等。實體關系沿用國家標準中實體之間的四大關系:空間關系、類屬關系、時間關聯關系和幾何構成關系[2]。

圖2 語義化設計

1.4 結構化設計

實體采集時,優先采集建筑物、交通、水系三大實體,再采集其他實體,優先級為建筑物>交通>水系>其他實體。建筑物實體依據建筑物的獨立屬性或完整功能來劃分,應包括房屋主體圖元和陽臺、門頂等構件圖元。交通實體設計了鐵路、高速公路、城市道路、內部道路、鄉村道路等不同類別的圖元采集方式。水系實體在空間上連續分布,不因道路、橋梁等打斷,河流實體應提取連通交叉口。

2 基礎地理實體生產

2.1 數據提取和轉換

收集最新基礎地理信息要素(大比例尺地形圖)及國土變更調查數據,按基礎地理實體與基礎地理信息要素之間的映射關系、國土變更調查各類型與農林用地及土質單元實體之間的映射關系,分別提取不同類型的圖元[3]。但原基礎地理信息數據采集時側重于圖面表達,導致組成要素是分散的、孤立的,按照對照關系映射轉換后,需按各類基礎地理實體的空間粒度、空間表達形式進行編輯處理。

2.2 圖元編輯

圖元編輯是將基礎地理信息要素中無法直接轉換成基礎地理實體圖元的要素,按基礎地理實體的結構化設計要求,通過數據處理得到能夠真實完整表達基礎地理實體的位置、范圍和形態的圖元。圖形編輯處理主要包括圖形勾繪、按屬性合并、跨圖層合并、線轉面、提取中心線/點、面合并、面分割等方式[4]。

2.2.1 建筑物實體

主體結構獨立的房屋單獨構建房屋實體,即能夠獨立標識房屋外輪廓的封閉多邊形。房屋相關的陽臺、檐廊、門頂等作為附屬構件圖元共同構成房屋實體(圖3)。房屋相連但屬于不同權屬時應分別構面(圖4)。房屋由多個圖元組成且不同圖元的層數或建筑結構不相同時,提取外輪廓面作為房屋實體面,層數和建筑結構以最高房屋為準。

圖3 房屋的主體和構件圖元

圖4 相連但權屬不同的房屋

2.2.2 交通實體

按照道路名稱及起止點,利用道路邊線進行構面處理,對于按照中心線采集的,利用道路寬度進行緩沖構面處理。城際公路和城市道路在道路拐角處打斷并提取道路連通交叉口(圖5-圖6);城市輔路不打斷不提取交叉口,只保持圖元連續;內部道路根據線要素構面,并保持圖元連續;鄉村道路在分叉處打斷、不提取連通交叉口。鐵路路面在分叉處打斷、不提取連通交叉口;高速公路路面存在空間交叉、立面相交,提取匝道進行連通[5-6]。

圖5 提取道路連通交叉口(前)

圖6 提取道路連通交叉口(后)

2.2.3 水系實體

水系圖元保持連通性,如河流遇到橋梁不打斷,河流和橋梁是空間上的立交,分別提取各自的圖元;河流與河流相交時,河流圖元應在交匯處斷開,提取連通交叉口(圖7-圖8),連通交叉口錄入對應的所有交匯河流的屬性。溝渠只需要在分叉處打斷,不需要提取交叉口。

圖7 提取河流連通交叉口(前)

圖8 提取河流連通交叉口(后)

2.3 屬性編輯

屬性編輯是按照基礎地理實體的語義化設計要求,結合各類輔助數據得到能夠真實、完整表達地理實體的語義、時間、應用等各方面特征的屬性數據。屬性編輯主要有兩種:一種為手動賦值,一種是批量屬性掛接,即屬性復制或使用屬性映射等工具進行快速、自動批量賦值。

建筑物實體繼承房屋要素數據的層數、幢號、房屋結構等信息,同時參考地名地址數據、權籍調查數據核準和補充房屋的地址信息。交通實體依據交通專題數據,逐條核查道路的起訖點、走向等空間信息及名稱、編碼等屬性信息。河流實體依據權威名錄資料逐一核對河流的起訖點、走向、名稱、等級、長度等信息,參考水利普查、確權劃界、河長制數據等水利行業資料進行補充。

2.4 標識碼賦值

經編輯處理、屬性賦值后,對圖元進行編碼,通過圖元標識碼對圖元進行區分和識別。將圖元與基礎地理實體之間的關系存儲在實體圖元關聯表中,通過實體圖元關聯表中圖元標識碼和實體標識碼間的對應關系,將實體對應的所有圖元提取,實現實體表達。

2.5 實體關系構建

2.5.1 關系構建

基于知識圖譜,結合影像和其他專題資料,建立實體關系表,構建實體間關系。利用知識圖譜圖數據庫形式來存儲基礎地理實體關系、實體圖元關系等關系數據,實現人機兼容理解的目的,實現復雜的基礎地理實體數據的快速查詢、快捷分析。實體關系主要有依賴、連通、整部、相鄰等,常見的實體關系示例如表1所示。

表1 實體關系示例

2.5.2 實體組合

組合實體是把一定范圍內擁有相同管理權屬、在空間上保持連續的地理實體組合起來表達的實體。利用實體關系表存儲組合實體與組成部分的單個實體之間的關系,通過關系索引直接將單個實體組合成組合實體。構建組合實體的方式有按空間、按屬性、按關鍵字3種方式[7]。如院落按空間關系將院落內的房屋、圍墻、柵欄、內部道路、綠地、水系、附屬設施等地理實體提取構建實體(圖9-圖10);道路按相同的道路編碼屬性將被其他實體打斷的公路組合成一個實體;多個實體的某一屬性具有相同的關鍵字,可進行關鍵字模糊查詢并提取對應實體。

圖9 院落內的房屋、綠地、內部道路

圖10 院落實體

2.6 二三維實體關聯

二維形式表達的地理實體生產完成后,通過地理實體標識碼,將三維體圖元與二維地理實體一一關聯。每個二維地理實體都有對應的體圖元,體圖元具備對應地理實體的標識碼,通過標識碼作為連接的橋梁,可自動批量完成二維地理實體與三維體圖元的關聯融合,生成二三維形式表達的地理實體,實現二三維實體關聯。

3 結 語

本文通過基礎地理實體設計為實體生產奠定基礎,探索了利用存量基礎地理信息要素生產基礎地理實體的技術方法,對基礎地理實體生產過程中數據提取與轉換、圖元編輯、屬性編輯、標識碼賦值、實體關系構建、二三維實體關聯等關鍵環節進行了探討。充分利用存量基礎地理信息要素數據來進行生產,能夠提高實體生產工作效率,節約生產成本。