城市基础地理信息增量模型

张保钢，杨伯钢，夏 强

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

一、引 言

“十一五”期间，我国西部测图工程取得重大突破，结束了我国西部地区约200万km2国土无1∶50 000地形图的历史，基本建成了覆盖全国的基础地理信息数据库，但基础地理信息数据库建设与更新相对滞后。国家测绘地理信息局在测绘科技发展“十二五”规划中把基础地理信息动态更新列为地理信息自动化处理关键技术。国内各大中城市也非常重视基础地理信息的更新工作，纷纷采取措施加快地形图更新周期，如北京市基础地形图的更新周期由“二三四八”提高为“零五一一四”，天津市测绘院提出对城市地形图进行实时更新，一些导航公司也提出了一些增量更新导航电子地图的方法[1]。

基础地理信息库的更新包括批量式更新和增量式更新[2]。批量式更新是指在主数据库更新完成后，生产者通过数据拷贝的方式，将整个新版数据的副本提供给用户。批量式更新是指在主数据库更新完成后，只记录或提取新版数据中发生变化的要素及相关信息，然后将这些增量信息以增量文件的方式提供给用户，并集成到原来客户数据库中。

二、变化的描述与增量模型

T. Badard将地理信息数据库新旧版本的变化归纳为7种类型[3]：增加(add)、删除(delete)、几何信息修改或/和属性信息修改(modify)、分解(decompound)、合并(combine)、重分类或组合(reclassify)，变化过程与结果如图1所示。事实上，这7种变化类型不仅包括几何信息和属性信息的变化，还带来拓扑关系的变化(变化要素本身及其相关要素)。这7种变化也均可归于增加和删除，例如：

1) 几何信息、属性信息之一或全部修改：分解为对旧版要素删除 + 新版要素增加，删除和增加的要素具有相同的标识。

2) 分解：分解为对旧版一个要素的修改 + 新版增加n-1个要素。

3) 合并：分解为对旧版一个要素的修改 + 旧版删除n-1个要素。

4) 重分类或组合：分解为对m个旧版要素删除 +n个新版要素增加。

图1 新旧版本地理信息变化的描述

上述7种变化类型中，除了纯属性信息修改外，其他各种变化均可能导致拓扑关系的变化。

如果增加要素的几何信息用IAG表示，属性信息用IAA表示，自身拓扑信息用IAST表示，由增加要素引起的所有与其相关空间要素拓扑信息的变化量用IART表示，则要素增加变化的增量模型δA可表示为

δA= {IAG，IAA，IAST，IART}

(1)

如果删除要素的几何信息用IDG表示，属性信息用IDA表示，删除前其自身原有拓扑信息用IDST表示，由删除要素引起的所有与其相关空间要素拓扑信息的变化量用IDRT表示，则要素删除变化的增量模型δD可表示为

δD= {IDG，IDA，IDST，IDRT}

(2)

根据上文对修改的分析，其他4种变化的增量模型可表示为：

1) 修改，即

δM=δA-δD

(3)

2) 分解，即

δDE=δA1∪…∪δAn-1+δM=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD

(4)

3) 合并，即

δC=δM-δD1∪…∪δDn-1=δA-δD1∪…∪δDn-1∪δDn

(5)

4) 重分类或组合，即

δR=δA1∪…∪δAn-1∪δAn-δD1∪…∪δDn-1∪δDm

(6)

如果某空间区域增加了a个要素，删除了b个要素，修改了c个要素，d个要素进行了分解，e组要素进行了合并，f组要素进行了重分类或组合，则该空间区域地理信息变化的增量模型可表示为(a、b、c、d、e、f为≥0的整数)

(7)

当a、b、c、d、e、f其中之一或几个同时为0时，构成变化的特殊情况：如b—f均为0时，变化只有要素增加；a、c—f均为0时，变化只有要素删除等。

三、实 例

图2、表1是北京市城区行政区划变化的描述。其中图2反映了由于西城区(1)与宣武区(0)合并为西城区(1)、东城区(5)与宣武区(6)合并为东城区(5)引起的几何信息和属性信息的变化；表1则反映了相应拓扑关系的变化。

表1 合并引起的拓扑关系变化

图2 合并引起的几何信息和属性信息变化

从图2和表1可以看出，多边形0、1、5、6的几何信息、属性信息、拓扑关系发生了变化，而多边形3、4、7仅拓扑关系发生了变化。依据上文的增量模型，该区域完整的地理信息增量模型可表示为

δ=δ1n-δD0∪δD1+δ5n-δD5∪δD6=

{I1nG，I1nA，I1nST，I1nRT}- {I0G，I0A，I0ST，I0RT} -

{I1oG，I1oA，I1oST，I1oRT} + {I5nG，I5nA，I5nST，I5nRT} -

{I6G，I6A，I6ST，I6RT} - {I5oG，I5oA，I5oST，I5oRT}

(8)

增量模型(8)只包括几何信息和/或属性信息发生变化的地理要素，没有包括仅发生拓扑关系的地理要素。这是因为该模型中由增加或删除要素引起的所有与其相关空间要素拓扑信息的变化量IART或IADRT已经包含了仅发生拓扑关系地理要素的拓扑关系变化量。

四、应用增量模型更新基础地理信息数据库

基于城市基础地理信息增量模型编制了基础地理信息增量提取程序。图3所示为房屋层增量信息的可视化表示。图3(a)、图3(b) 分别是原始和发生变化后的房屋信息，通过两个版本数据的对比，得到了增量数据，其中增加的房屋如图3(c)所示，删除的房屋如图3(d)所示。图4是对某区域水系层增量信息的可视化表示，标注为负数的水系是删除的水系，标注为正数的水系是增加的水系。得到的各数据层的增量信息可以对客户数据库进行增量更新。

图4 水系层增量信息

五、结束语

本文分析了城市基础地理信息变化的描述，并给出了变化的增量模型；以北京市的行政区划变化为例，给出了包括几何信息、属性信息和拓扑关系在内的区域变化增量模型；对某区域的房屋数据层和水系数据层的增量信息进行了提取，应用这些增量信息可以对客户数据库的旧版本数据进行增量更新。应该指出的是，属性信息是附着在几何信息上的，拓扑关系与几何信息之间存在着依赖关系，地理要素几何增量信息最终分解为简单的增删，附着在几何信息上的属性信息增量也与地理要素是一一对应的，它们的表达和恢复相对简单，然而地理要素的拓扑关系不仅与地理要素有关，还牵涉相关地理要素，如何表达和恢复地理要素变化的拓扑关系是一个值得关注的问题。

参考文献：

[1] 盛秀杰，李宏利. 初探导航电子地图的增量更新[J]. 地理信息世界，2009，7(5)：51-55.

[2] 王育红，陈军. GIS客户数据库更新的基本问题[J]．地理信息世界，2008，6(1)：5-12.

[3] BADARD T. On the Automatic Retrieval of Updates in Geographic Databases Based on Geographic Data Matching Tools [C]∥Proceedings of 19th International Cartographic Conference.Ottawa: [s.n.], 1999:47-56.

[4] 王育红，陈军.基础地理数据库更新信息传播实施方法研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2010，35(9):1116-1120.

[5] 刘勖，蔡先华，李爱勤，等. 数据增量探测技术在电子地图更新中的应用[J]. 测绘通报,2007(11): 50-53.