基础地理空间数据持续更新模式分析

周 炤，肖 强，赵国成,刘 刚

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052)

基础地理空间数据持续更新模式分析

周 炤，肖 强，赵国成,刘 刚

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052)

基础地理空间数据持续更新已经成为世界各国关注的热点及难点问题。文中对基础地理空间数据持续更新的3种主要模式：定期更新、增量更新和级联更新进行总结与探讨，分析这3种更新模式的概念、更新的方式方法、涉及的关键技术以及有待解决的问题等。通过对这3种更新模式的梳理，拓展基础地理空间数据持续更新的思路，为今后研究工作的开展奠定基础。

基础地理空间数据；定期更新；增量更新；级联更新

基础地理空间数据广泛应用于社会发展、经济建设和国防建设的方方面面，世界各国历来都非常重视基础地理空间数据的建设和维护工作。我国测绘工作者通过近40年来的不懈努力，已经完成了包括1∶1 000 000、1∶250 000和1∶50 000在内的基础地理空间数据库的“初始建库”工作，并陆续对这3个数据库组织实施了更新。2002年，国家测绘地理信息局主持完成了全国1∶1 000 000和1∶250 000基础地理空间数据库的更新工作[1-2]，2006年组织实施了全国1∶50 000基础地理数据库的更新，用5年的时间对除西部无图区之外的全国陆地范围内19 000余幅1∶50 000基础地理空间数据进行全面更新[3-4]。在2012年，国家测绘地理信息局又启动了国家基础地理信息数据库动态更新工程。与此同时，各个省、市、自治区测绘地理信息部门建立了更大比例尺的地理空间数据库，并已加快推进基础地理空间数据的持续更新工作[5]。由此看来，随着基础地理空间数据“原始积累”的逐步完成及广泛应用，基础地理空间数据持续更新已经成为测绘地理信息部门工作的重点。

基础地理空间数据持续更新的目的在于维持提升其现势性。所谓现势性是指基础地理空间数据与其所表达的现实世界的一致程度。基础地理空间数据对现势性的要求要高于其他类型的数据。现实世界时刻处在发展变化之中，而基础地理空间数据作为表达现实世界的一种快照模型，是静态的，它只能反映现实世界在某一时期或时间段内的状态。随着时间的推移，基础地理空间数据的现势性会越来越差，最终将影响其应用的价值及使用的广泛程度。因此，要维持提升基础地理空间数据的现势性则必须对其进行持续更新。

中国幅员辽阔，地表情况复杂，同时又处在经济建设和社会发展的高速时期，各种地物要素变化较快，因此如何有效维持提升基础地理空间数据的现势性，以更好地为国民经济建设与社会发展提供服务成为亟待解决的热点和难点问题。国内学术界给予了较高的关注，专家学者们提出了多种基础地理空间数据持续更新的方法和模型，以期能够有效缩短更新周期，提高其现势性。但总的来看，对于基础地理空间数据持续更新还没有形成一个明确的、统一的认识框架，所以有必要对基础地理空间数据持续更新的模式进行梳理和总结，以起到抛砖引玉的作用。

1 基础地理空间数据持续更新模式

目前采取及提出的基础地理空间数据持续更新模式主要包括以下3种，即定期更新、增量更新和级联更新。

1.1 定期更新模式

1.1.1 定期更新的概念

定期更新是我国目前主要采用的基础地理空间数据持续更新模式。所谓定期更新，又称周期性更新，是指在规定的年限内对一定尺度地形图上的地理要素实施更新。表1为我国对地形图更新周期给出的具体规定[6]。定期更新通常是全面更新，即以地形图图幅为基本更新单元，对图幅范围内所有的地理要素实施更新，所以它是一种批量性质的更新，是目前使用最多、最广泛，技术条件最成熟、更新流程最完备的一种基础地理空间数据更新方法。定期更新也是目前世界各国主要采取的更新模式。

表1 我国地形图更新周期

1.1.2 定期更新的主要方法

基础地理空间数据定期更新主要采用的更新方法可以概括为重测更新、修测更新和缩编更新3种。重测更新即对图幅区域重新进行测绘，这种方法适用于比例尺比较大，图幅范围内地理要素变化剧烈，且对原有数据实施更新困难的地形图。主要采用的方法包括：外业实地测量、数字摄影测量(利用数字摄影测量系统，采用以人工作业为主的三维立体测图并辅以内外业调绘，采用单景影像时可将数字正射影像与现有矢量数字地图、栅格数字地图叠加采集数字线划地图，并辅以野外调绘)。由于要进行重新测量，所以这种方法可能会使得数据更新的周期偏长。

修测更新即利用各种现势性资料，包括已有的纸质地图、矢量数字地图、栅格数字地图、遥感影像、车载GPS道路数据、野外实测数据、导航电子地图以及其他各种图文资料等，对待更新图幅内发生变化的那些地理要素实施更新。例如将高分辨率的正射影像与矢量数字地图叠加显示更新发生变化的地理要素，或者将车载GPS道路数据导入到更新系统中与原有道路数据进行比对实施更新等。在更新完毕后需与图上其他地理要素进行空间关系协调。修测更新的核心思想是对多源数据的融合及综合利用。这种方法适用于各种比例尺的矢量数字地图的更新。

如果需要更新的地形图比例尺较小，且原有数据的现势性较差，利用修测更新困难较大，不能满足用户需求或者达不到精度要求时，可采用缩编更新的方法。所谓缩编更新即首先利用较大比例尺的、现势性较好的矢量数字地图，按照欲更新的小比例尺地图的图幅范围进行拼接，然后对拼接得到的地图实施制图综合(概括)生成小比例尺地图，之后再利用其它现势性资料对综合得到的小比例尺地图实施更新，例如利用4幅1∶250 000地形图缩编更新一幅1∶500 000地形图。

定期更新的3种方法在实施过程中并没有十分明确的界限，在更新作业过程中各种情况都有可能出现，因此3种方法可能只使用其中的一种，也有可能会同时使用[3]，这需要根据作业的实际情况来具体确定。

1.1.3 定期更新模式的优点和缺点

由于定期更新是以地图图幅为更新基本单元，因此它的优点非常明显：①数据更新的组织实施相对简单，只要明确了需要更新的图幅，分析图幅区域内地理要素的变化情况，搜集相关的现势资料，制定好实施的技术方案，利用目前已经成熟的更新作业方法就可实施更新；②图幅内地理要素间的相互关系容易处理和保持，例如地理要素间的拓扑关系，完全可以在整幅地图都更新完毕后重新生成拓扑关系；③以图幅组织实施更新，比较容易进行外业调查核实和数据质量的检验，从而确保更新成果的质量。

定期更新的缺点也很突出：①更新周期偏长，基础地理空间数据的现势性问题依然存在。以1∶50 000基础地理空间数据库为例，国家测绘地理信息局于2006年启动的数据库更新工程，耗时5年完成对整个数据库的更新任务，显然最先更新图幅的现势性可能已经不能满足社会发展的需要而必须再次更新，而更大比例尺的基础地理空间数据库，这类问题将会更加突出。②在数据的组织管理上，由于是以地图图幅为更新基本单元，因此更新后的数据是以地图版本的形式进行存储和管理，这就造成了在地理空间数据库内可能同时存储有同一幅地图不同版本的数据，客观上造成了数据大量冗余；③在更新地图数据的分发上。定期更新往往只能将更新后的新版地图数据整体分发给用户，如果用户在基础地理空间数据的基础之上添加了满足自身需求的专业数据集，则用户将不得不面临两难的境地，要么在新版的基础地理空间数据之上重新添加专业数据集，要么在新版的基础地理空间数据中选出发生变化的地理要素更新添加专业数据集的数据库，显然这都将对用户数据的更新与维护带来困难。

1.2 增量更新模式

在基础地理空间数据在更新过程中，并非将图上所有地理要素都更新一遍，而是只更新那些发生变化的地理要素，因此如果能建立某种更新机制，能够对发生变化的地理要素做到及时发现、及时更新、及时发布，则将避免定期更新周期偏长的问题，从而有效提高地理空间数据的现势性。基于此，增量更新的概念逐渐被人们提出，并受到了国际和国内专家学者的高度重视。如国际制图协会(ICA)在1999年便成立了“增量更新和版本”(Incremental Updating and Versioning)工作组，紧接着在2000年，国际制图协会与国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)联合召开了以“增量更新和空间数据库版本”(Incremental Updating and Versioning of Spatial Data Bases)为主题的学术研讨会[7]，以促进在这一领域的研究与交流。国内在这一方面的研究起步稍晚，陈军教授(2004)负责主持的自然科学基金重点项目“GIS空间数据库更新的模型与方法研究”在多源遥感影像与矢量化地图自动配准、典型地理要素变化提取、用户数据库更新等方面开展了深入的研究[8]。中南大学周晓光副教授负责主持的自然科学基金项目“顾及拓扑关系一致性的空间数据库增量更新方法研究”重点从局部拓扑关系一致性维护方面进行了研究。杨兆升(2009)等采用基于邻接表的路网拓扑结构，实现了中心端和车载端的导航电子地图增量更新[9]。

1.2.1 增量更新的概念

增量更新是指当变化(图形或语义等)一经发现、测定便立即对基础地理空间数据库实施更新，并将更新后的数据(发生变化并实施更新的部分)持续发布给用户使用(用户对在基础地理空间数据的基础上添加了专业数据的数据库实施更新)的一种更新模式[5,10]，即实现对变化地理要素的“及时发现、及时测定、及时更新、及时发布”。从增量更新的概念可以看出，基础地理空间数据增量更新可以划分为3个阶段，即变化的发现与测定、更新基础地理空间数据库和更新用户数据库。增量更新的核心思想是当发现地理要素发生变化后在条件允许的情况下即对其实施更新，因此增量更新的基本单元应是单个地理要素，即在更新实施的整个过程中，从变化的发现测定、更新基础地理空间数据库，到将更新的内容传输给用户均是以地理要素为基本单元。基础地理空间数据库增量更新流程如图1所示。

图1 基础地理空间数据库增量更新流程

1.2.2 实现增量更新的方法及关键技术

1.2.2.1 变化的发现与测定

增量更新的前提是要能及时发现发生变化的地理要素，并对其变化进行测定。对于变化的发现主要有3种方法:①由专业人员进行实地调查发现并确认变化。这种方法需要耗费大量的人力、物力和财力，只适合于更新比例尺较大的基础地理空间数据。②利用多源遥感影像与矢量地图进行自动配准及变化检测[11-13]。这种方法是目前研究的热点，但主要针对的是地理要素的空间位置特征，对于地理要素属性特征变化的发现仍缺乏行之有效的手段。③通过相关的政府部门，如土地管理部门、建设规划部门等，或者通过新闻媒体、互联网等其他途径获取地理要素的变化信息。地理要素变化的发生、发展绝大部分都与人类的活动息息相关，如道路的扩建、居民地的拆迁、行政区划的改变等。即便是与人类活动无关的自然现象造成的地理要素发生变化，如地震、海啸、泥石流等，同样是“有迹可循”，因此第3种方法原则上是可行的，但需要建立起一套完善的地理要素变化发现采报机制。

变化的测定即对确定发生变化的地理要素进行空间位置信息和属性信息的获取。获取的途径包括：①通过人工采集，如野外实地测量、数字摄影测量等，该途径与定期更新中针对地理要素变化信息的获取方法基本相同，这里不再赘述。②自动或半自动的从遥感影像上提取(只能提取地理要素的空间位置信息)。从目前的研究成果看，变化的发现与测定还无法完全实现自动化或半自动化，是制约增量更新技术进一步向实用化方向发展的瓶颈。

1.2.2.2 基础地理空间数据的组织与管理

增量更新对基础地理空间数据的组织与管理提出了更高的要求。由于增量更新的基本单元是单个地理要素，因此应对地理要素的现势数据、工作数据和历史数据分别进行存储和管理。现势数据是指地理要素现势性最佳的地理空间数据。工作数据是指地理要素在实施更新过程中的数据，当更新完成后用于更新地理要素的现势数据。历史数据是指被更新地理要素不同时期的数据，对历史数据的存储与管理具有重要意义：①一旦发现地理要素更新错误，可以利用历史数据进行回溯，将更新地理要素的数据恢复到更新前的某一状态。②通过对历史数据的查询，可以对地理要素的历史状态进行回溯，探索其变化发展的客观规律，从而为研究时空对象的演化过程奠定基础。此外，还应建立地理要素现势数据、工作数据和历史数据间的相互映射机制。

1.2.2.3 地理要素间局部拓扑关系重建

地理要素间的拓扑关系是空间信息系统进行空间分析的基础。由于只对发生变化的地理要素实施更新，因此地理要素间的拓扑关系会轻易遭到破坏。如果每更新一个地理要素就将整个图层的拓扑关系重新构建，必然会带来大量的重复性工作，增加数据的处理时间，直接影响更新的效率，因此必须对地理要素间局部拓扑关系重建的思路与算法进行研究。

1.2.2.4 用户数据库增量更新

理想情况下，基础地理空间数据库更新完成后，应及时将更新的地理要素以增量更新包的形式发布给用户，用于更新用户数据库。增量更新包应采用与平台无关的形式来组织及表达增量信息，目前提出的方法主要是基于XML或GML来构建。第二个需要解决的问题是，增量更新包中的地理要素与用户数据库中同名地理要素如何匹配的问题，即如何用增量更新包中的地理要素数据去更新用户数据库中对应的地理要素。最直接的办法是建立地理要素的唯一标识符，利用唯一标识符进行地理要素的匹配，如英国军械测量局发布的新一代空间数据产品—MasterMap中设计的TOID属性字段[14]。此外，如果用户数据库中基础地理空间数据与专业数据进行了整合，没有做到完全分离，则会给用户数据库的更新带来困难，如何在不破坏用户数据库模型和专业数据的情况下完成对基础地理空间数据的更新也是需要关注的问题。

1.2.3 增量更新存在的问题

基础地理空间数据更新是一个非常复杂的过程，是一个综合利用多源数据相互比对、相互印证、综合判断的数据融合更新过程，在实施更新前需要收集大量的现势性资料。增量更新只对发生变化的地理要素实施更新，因此就存在着需针对不同的更新对象频繁收集相关资料的问题，与定期更新的只在更新完成前收集资料相比较，会给更新本身增加许多额外工作。此外，增量更新与定期更新一样，在同一时期通常都只能更新一个尺度的基础地理空间数据，难以实现对多个尺度的基础地理空间数据进行同步更新，存在着同一地理要素多尺度数据间无法保持一致性的问题。

1.3 级联更新模式

为满足不同层次应用的需要，基础地理空间数据以多个比例尺的形式存在，因此每一个尺度的数据都存在着持续更新的问题[15]。各比例尺的基础地理空间数据目前均采用定期更新的模式，由于更新周期的不同，将会导致不同尺度的数据间存在不一致甚至是矛盾，级联更新正是在这一背景下提出的，即通过实现多个比例尺数据之间的联动更新，以保证数据的正确性和一致性[16]。

1.3.1 级联更新的概念

级联更新是指在更新了较大比例尺基础地理空间数据的同时完成对多个较小比例尺基础地理空间数据的更新。理想情况下的级联更新是在大比例尺数据更新完成后，实施自动制图综合，从而生成多个小比例尺的基础地理空间数据，但从目前制图综合发展的现状来看，还无法实现。因此级联更新更现实一些的做法是在对某个较大比例尺基础地理空间数据更新完成的前提下，采用半自动化的制图综合及人机交互的方式联动更新较小比例尺的基础地理空间数据，如图2所示。

图2 级联更新示意图

1.3.2 级联更新的关键技术

1.3.2.1 自动制图综合技术

级联更新对制图综合技术提出了更高的要求。当大比例尺数据更新完成后，可将其作为更新源用于其他小比例尺基础地理空间数据的更新。对于某些类型的地理要素，如能实现同名地理要素多尺度数据间自动化或半自动化的制图综合将有效提高更新作业的效率，为实现多尺度基础地理空间数据级联更新奠定基础。因此，在自动制图综合技术上需有所突破，如果仍然主要依靠人机交互的方式来实施更新，则不能体现出级联更新的优势所在。

1.3.2.2 建立同名地理要素关联机制

要实现同名地理要素多尺度基础地理空间数据的自动(半自动)制图综合，则必须建立它们之间的关联关系。这种关联关系可以通过两种方式建立：①通过设计某种关联机制，如唯一标识符，建立同名地理要素间的关联关系。当大比例尺基础地理空间数据中地理要素发生变化并实施更新后，利用这种关联机制就可对其他较小比例尺数据库的同名地理要素实施更新，但这种方式需维护同名地理要素多比例尺数据间的关联关系。②通过动态匹配的方法，自动建立同名地理要素间的关联关系。动态匹配的实质是计算多比例尺数据中地理要素间的相似程度，以此来建立同名地理要素间的关联关系。主要的方法包括：基于地理要素几何形态的匹配和基于属性语义的匹配等。动态匹配的问题在于，通过计算得到的地理要素间的相似度，能否正确建立同名地理要素间的关联关系，如果关联关系建立错误或将导致级联更新的失败。

1.3.3 级联更新存在的问题

级联更新的核心思想是利用大比例尺基础地理空间数据缩编更新小比例尺数据。当前我国的基础地理空间数据是根据其比例尺按照规定的经纬度范围划分的图幅进行组织和管理，小尺度的基础地理空间数据所覆盖的地域范围与大尺度数据存在一定的数量关系。因此只有当相应数量的大比例尺数据更新完成，才能对小比例尺的数据实施级联更新，特别是对一些跨图幅的地理要素，例如陆地交通中的铁路、高速公路等。这就产生了新的问题：一是级联更新从什么比例尺的基础地理空间数据开始实施比较合适，是从规定的比例尺最大的数据还是其他什么尺度的数据；第二个问题是，级联更新能否使小比例尺的基础地理空间数据满足现势性的要求。级联更新的特点是当一定数据量的大比例尺基础地理空间数据更新完毕，才能更新一幅中比例尺的数据；当一定数量的中比例尺的数据更新完成才能对一幅小比例尺的数据实施更新，这样就可能会造成小比例尺的基础地理空间数据更新周期偏长，因此探索建立适合的基础地理空间数据级联更新机制是必须要面对的问题。

2 结 论

基础地理空间数据持续更新已经成为世界各国关注的热点及难点问题。本文对基础地理空间数据持续更新的3种主要模式：定期更新、增量更新和级联更新进行了梳理，对这3种更新模式的概念、更新的方式方法、涉及的关键技术以及存在的问题等进行分析和探讨。3种更新模式从概念上来看虽然略有区别，但涉及到的一些关键技术具有趋同性，解决好这些问题是提高基础地理空间持续更新自动化水平，提高基础地理空间数据现势性的根本所在。同时，对基础地理空间数据的持续更新，不仅仅要关注对数据本身的更新问题，更要关注如何为用户提供良好服务的问题，这才是基础地理空间数据持续更新的根本目的。

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[责任编辑：张德福]

Researchonfundamentalgeo-spatialdatadontinuousupdatingmodel

ZHOU Zhao, XIAO Qiang, ZHAO Guo-cheng, LIU Gang

(School of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)

Continuous updating of fundamental geo-spatial data has become a hot topic as well as a tricky problem all over the world. At present there are three dominant updating models, the periodic updating, incremental updating and multi-scale linkage updating. Research is made on the definitions, updating methods, essential techniques, and unsolved problems of the three updating models, laying foundation for the improvement and innovation of continuous updating of fundamental geo-spatial information.

fundamental geo-spatial data; periodic updating; incremental updating; multi-scale linkage updating

2013-05-07

国家自然科学基金资助项目(40401052)

周 炤(1978-)，男，讲师，博士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2014)01-0012-05