地理信息公共平台非涉密专题数据拓扑关系精确计算研究

李 胜

(中山市基础地理信息中心，广东 中山 528403)

一、引 言

地理信息公共平台是数字城市建设的重要内容，依托基础地理信息数据，采用先进的地图服务发布手段与前沿的空间数据处理技术，通过在线方式满足用户对地理信息和空间定位、分析的基本需求。其中数据共享与安全是地理信息公共平台的核心问题[1]，即既要不影响数据安全和保密，又要满足用户对服务的需求。为此，地理信息公共平台根据用户的不同，分为基础版、政务版、公众版3个版本，分别运行在涉密网、政务网和公众网[2]，后两者的数据经过了保密处理，以解决保密与公开应用的棘手难题。

空间查询、检索、空间分析和数据挖掘等空间信息利用方法均基于一定的空间关系[3]，而拓扑关系是空间关系中最基础的关系，具有广泛的应用，特别是对于政务版用户，其应用常涉及经济利益及重大工程决策，对地理信息数据的精确拓扑关系具有较强的需求。

政务版用户的数据来源有两类：一类是基础地理信息数据，经过了保密处理；第二类是用户拥有的非涉密专题数据，也必须经过保密处理，才能与第一类数据一起使用[4]。但是直接使用经过保密处理的专题数据计算拓扑关系，误差较大，经常难以满足用户的精确计算需求。本文针对政务版地理信息公共平台非涉密专题数据拓扑关系计算不精确的问题，分析了服务器端精确计算拓扑关系的可行性，基于面向服务的思想，研究了一种无需网络传输保密数据的精确拓扑关系计算方法。

二、问题分析

根据国家有关保密政策要求，将近90%的基础测绘成果属于涉密范围，公开使用有碍国家安全。为此，国家规定包括政务版和公众版地理信息公共平台在内的互联网地图数据必须进行保密处理，即人为地对原始地形图的坐标引入非线性偏移。该偏移在一定范围内相对不变，空间关系相对稳定，能满足精度不高的应用需求[2]。但是由于该偏移具有不确定性，即不同地区偏移方向和偏移程度均不相同，基于保密处理后数据计算的拓扑关系难以满足高精度专题应用的要求。

只能定性地认为拓扑关系的这种变化在两矢量距离较近时，保密处理前后的拓扑关系近似不变，当两矢量距离增大时，拓扑关系发生变化的可能性也增大。由于非线性偏移处理算法和参数保密，难以对拓扑关系的变化定量分析。因此，研究出一种无需传输保密数据的拓扑关系精确计算方法，具有较强的理论意义和实用价值。

图1 两圆保密前后的拓扑关系

三、精确拓扑关系计算方法

1. 公网传输专题数据用户端计算的方法

政务版专题数据拓扑关系精确计算问题的一种解决方法是将未经保密处理的精确矢量数据加密后在公网传输，然后在用户端进行解密，利用专题数据的精确坐标计算精确拓扑关系。该类方法需要在互联网传输包含精确坐标的专题数据，数据易被截获破解或在客户端被非法利用[5]，从而增加了泄密风险。

2. 双级服务器精确计算方法

(1) 算法可行性

为同时克服数据保密和精确计算的问题，将专题数据服务器分为精确版和加密版，分别存储加密前后的专题数据。基于面向服务的思想，将精确拓扑关系的计算交给服务器，由服务器提供相关服务。客户端向加密版服务器发送拓扑关系精确计算请求，当该服务器接到请求后，再向精确版服务器转发精确计算请求，精确版服务器计算完成后，将结果通过加密版服务器反馈给用户。在该方法中，精确专题数据存储在精确版服务器，该服务器只接受来自加密版服务器的服务请求，精确计算也在加密版服务器完成，从而避免了专题数据在网络的传输，能同时满足拓扑关系精确计算和数据保密的要求。

(2) 算法流程

精确拓扑关系计算的系统结构及处理流程如图2所示，包括3个部分：专题数据服务器精确版和加密版、互联网和用户。两个服务器之间使用专线连接，且有防火墙隔离，精确版服务器只与加密版服务器相连，用户无法直接访问精确版服务器。加密版服务器维护着加密版和精确版数据库同名矢量的ID映射表，并提供ID转换服务。具体流程如下:

1) 用户向服务器发送拓扑关系精确计算请求，参数为待计算矢量对A、B的加密版ID。

2) 加密版服务器收到请求后，查询矢量ID映射表，得到A、B精确版的ID，并以该ID为参数向精确版服务器转发拓扑关系精确计算请求。

3) 精确版服务器收到请求后，从精确专题数据库查询得到A、B的精确坐标，计算拓扑关系，并将结果返回给加密版服务器。

4) 加密版服务器收到响应后，将结果通过互联网反馈给用户。

四、试验结果与分析

1. 非线性偏移对精确拓扑关系影响的模拟分析

采用非线性偏移方法，对表1中9个点的地理坐标进行保密处理

偏移前后的位置如图3所示，其坐标为6°带高斯投影，横坐标减去了19 700 km，纵坐标4400 km。从图3和表1可知，不同位置点偏移的方向和偏移量均是随机的。表中相距约10 km的点形成的矢量，如线段AC偏移前后长度分别为4.3 km和5.1 km，三角形BDE偏移前后面积分别为11.8 km2和13.0 km2，经过处理后长度、面积和拓扑关系均发生一定的变化。

图2 精确拓扑关系计算的系统结构及流程

表1 模拟非线性偏移前后坐标

图3 非线性偏移处理前后的位置

2. 新方法的有效性试验与分析

为验证方法的有效性，搭建了模拟的原型系统，并在图3所示的区域内，随机生成了30个点、10条线段和12个多边形，如图4所示。使用新方法和偏移后数据计算了这些矢量数据的常用拓扑关系，结果见表2。分析可知，直接基于偏移后的数据，拓扑关系均出现不同大小的错误率；基于新方法拓扑关系可以达到100%的正确率。

通过比较发现拓扑关系的错误，如相离变相交、内含变相交、相交变相离、相交变内含等，常发生在多边形或线段的顶点位于另一多边形某较长条边的中点附近，原因在于该情况下保密处理前后相关3点偏移的大小和方向不一致。针对这一问题，新方法采用两级服务器存储数据，其中精确版服务器基于精确矢量通过加密版服务器向用户提供精确计算服务，避免了保密数据在互联网的传输，降低了数据泄密风险，同时解决了保密处理带来的精确拓扑关系错误的问题。

图4 模拟矢量数据

表2 两种方法拓扑关系计算准确率对比

五、结束语

本文针对政务版地理信息公共平台非涉密专题数据拓扑关系计算不精确的问题，设计了一种基于双级服务器的计算方法，避免了在网络传输精确矢量数据，降低了数据使用过程中的泄密风险；开发了原型系统，使用模拟的矢量，分析了非线性偏移加密算法的影响，并进行了试验，结果表明新方案的可行有效。新方法还可用于解决政务版专题数据面积、长度的精确计算问题，进一步满足用户对精确计算服务的需求。

参考文献：

[1] 李德仁, 邵振峰.论新地理信息时代[J]. 中国科学(F辑:信息科学)，2009, 39(6): 579-587.

[2] 李维森.浅析数字城市地理空间框架建设中的创新[J]. 测绘通报，2011(9):1-5.

[3] 邓敏, 李成名,刘文宝.利用拓扑和度量相结合的方法描述面目标间的空间关系[J]. 测绘学报，2002,31(2): 164-169.

[4] 曾元武, 陈泽鹏, 钟远军.数字城市地理信息公共平台应用模式研究[J]. 测绘通报，2013(3): 36-39.

[5] 张成成,李钢, 李成名.测绘科学数据共享服务建设应用研究[J]. 测绘与空间地理信息，2008, 31(2): 91-93.