矢量地图数据空间关系冲突研究

吴芳华,曹亚妮,吉国杰,3

1.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052



矢量地图数据空间关系冲突研究

吴芳华1,2,曹亚妮2,3,吉国杰1,2,3

1.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052

矢量地图数据空间关系冲突是引起空间关系缺陷的主要原因，其冲突的自动检测方法是矢量地图数据质量控制需要研究的重要问题之一。本文从地图数据空间关系研究现状分析入手，提出了矢量地图数据空间关系冲突的定义，论述了空间关系冲突的分类方法，包括结构冲突、几何冲突、属性冲突和要素之间关系冲突等；根据矢量地图数据的特点，对矢量地图数据空间关系冲突的主要表现形式进行了归纳总结，旨在为质量检查软件中空间冲突自动检测模型的建立、自动检测方法的实现奠定基础。

矢量地图数据；空间关系；空间冲突；结构冲突；几何冲突

1 引 言

近十多年来，学术界对地理信息空间关系及其冲突检测的理论与方法进行了大量的研究，为空间数据建模、查询、分析、制图综合、质量控制等提供了方法和思路，取得了丰硕的成果[1-18]。对空间关系描述与计算方法进行细化、对空间关系冲突进行检测，以解决生产与工程实践中的数据质量控制问题，已成为当前地理信息空间关系的一个重要发展趋势。在地图数据采集、空间数据更新的过程中，由于种种原因，会造成数据中空间目标的几何结构破坏、属性项和属性值缺失或错误、要素关系发生改变等问题，从而破坏了空间数据的完整性或违反了生产作业规范的约束，导致地图数据对现实世界空间实体及其间关系的表达错误，产生数据冲突或数据缺陷；而空间关系冲突缺陷主要是地图数据缺陷，只有对这些缺陷进行检测与处理，才能保证地理空间信息的质量。

矢量地图数据中空间关系冲突的形成往往是拓扑关系、方向关系、度量关系与语义关系共同作用的结果。空间关系冲突是引起空间关系缺陷的主要原因，其冲突的自动检测方法是矢量地图数据质量控制需要研究的重要问题之一。识别空间关系冲突，应当确定矢量地图数据空间冲突的定义，研究空间冲突的表现方式，归纳矢量地图数据空间冲突的主要内容，计算和表达地理实体之间详细的空间关系；并考虑其间的语义关系，对空间关系冲突进行深入研究。但是，目前的研究存在的问题是：空间关系冲突分类不够系统；矢量地图数据空间冲突的内容归纳不够全面；空间关系集成表达方法描述的空间关系不够直观，不利于空间关系的比较和判断。本文通过空间关系研究现状分析，提出了矢量地图数据空间关系冲突的定义，从结构冲突、几何冲突、属性冲突和要素之间关系冲突等方面对空间关系冲突进行分类，并对矢量地图数据空间关系冲突的主要表现形式进行了归纳总结，为下一步研究空间冲突自动检测模型的建立和自动检测方法的实现奠定基础。

2 矢量地图数据空间关系冲突研究现状

学者们对空间关系及其冲突检测进行了较为深入的研究，包括空间关系的概念、空间关系冲突的定义与分类、空间关系冲突检测方法等。早期人们认为GIS空间关系主要分为顺序关系、度量关系、拓扑关系三大类[2-3]。顺序关系描述目标在空间的某种排序，如前后、上下、左右、东西南北等；度量关系是用某种度量空间中的度量来描述目标之间的关系，如目标间的夹角、距离等；拓扑关系指目标关系在旋转、平移与比例变换下的拓扑不变量，如连通关系。学者们认为，空间关系表达了空间数据之间的一种约束，其中度量关系的约束最为强烈，顺序关系次之，拓扑关系最弱[2]。其中，在空间关系的描述中，顺序关系和拓扑关系属于定性层面，度量关系为定量层面；而拓扑关系是其它空间关系的基础，即在空间关系集成表达时，应当在拓扑关系的基础上，逐步纳入顺序关系和度量关系[4-5]。有学者通过对大量空间关系进行的归纳和分类，得出5种基本空间拓扑关系：相离关系、相接关系、相交关系、包含于关系、交叠关系，并将这5种关系定义为空间关系的最小集。此外，为了便于使用，还定义了几个基本的空间拓扑关系：相等关系、包含关系、覆盖关系和被覆盖关系[6]。随着GIS空间关系研究和应用的不断深入，人们发现空间实体之间还存在着其它多种空间关系。例如，Gold把具有公共Voronoi边的两个空间目标定义为具有空间相邻关系[7]，赵仁亮等指出空间存在着k阶空间邻近关系[8]。空间实体之间还具有靠近等模糊空间关系、穿越与进入等反映实体运动状态的空间关系，以及实体之间的不确定性空间关系。当考虑时间因素时，空间拓扑关系具有一定的渐进变化规律，还有时空拓扑关系的概念。具体到空间目标的几何形态，拓扑关系类型之间还具有差异，如面-面之间的关系有相离、相接、相交、覆盖、包含、覆盖于、包含于、相等共8种[9]；而线-面之间的关系有相离、相接、交叉、覆盖于、包含于和边界上共6种[5]。

在空间冲突的定义方面，刘万增[10]等将空间冲突定义为：空间目标及其关系不符合空间数据库的空间完整性约束，造成目标间空间关系与现实世界对应地理实体间的空间关系不一致，或组成空间目标几何元素间的空间关系不能正确表达现实世界对应地理实体的结构特征。詹陈胜[11]认为，数据库系统自身提供了一些完整性检查机制，保证数据库的完整性，进而维护空间数据质量。空间完整性约束是对空间目标及其关系的强制性约束，如果空间数据不能满足这些约束条件，就会产生数据空间冲突。

在空间冲突的分类方面，可分为图形冲突和数据冲突两大类。关于图形冲突，美国学者Willian A[12]按照冲突双方的要素类型，将地图中的图形冲突简单分成三类，即点线冲突、点点冲突、线线冲突。刘纪平[13]基于这种思路，在数字地图生产过程中建立图形输出的层次关系，并将应该处理的图形冲突依次分为五类，即点线冲突、点面冲突、点点冲突、线线冲突、线面冲突。有关数据冲突，Kufoniyi、Ruas[14-15]等根据空间目标自身及其间空间关系将数据空间冲突划为两个层次：(1)几何结构冲突，其产生的原因是空间数据库采用的数据模型和数据结构不合理，不能有效而准确地表达现实世界空间实体的几何位置和几何形态特征；(2)语义冲突，其产生的原因是空间目标间的空间关系与语义约束条件不一致，与数据模型的执行过程有关。而Servigne[16]则将空间冲突分为三类：(1)结构冲突，数据结构不能执行数据模型对现实世界空间实体的正确表达；(2)几何冲突，数据模型自身不能真实表达现实世界中的空间实体及其关系；(3)拓扑语义冲突，依赖于目标语义，建立在目标形状基础上的拓扑关系不合理。Cockcroft[17]进一步将拓扑语义冲突细分为：拓扑关系冲突，如多边形的标记点必须位于多边形内；语义关系冲突，指与地图目标的几何、属性有关的冲突；用户自定义的关系冲突，为了满足特定行业的需要，用户自己定义的一些空间关系规则。

在对空间冲突的检测和处理方面，陈军[18]等研究了线目标间拓扑关系的细化计算方法；詹陈胜[11]研究了一种基于拓扑一致性的线目标空间冲突检测方法；刘万增[19]开展了线目标空间冲突自动检测方法研究；陈明辉[20]、陈军[21]等对空间数据动态更新的冲突自动检测处理方法进行了研究；还有学者对自动制图综合中的空间冲突及空间冲突的自动检测与处理方法进行了研究[22-23]。空间关系冲突检测方法主要有3种：(1)基于空间关系计算的空间冲突检测方法，其基本思路是：首先建立空间冲突的判断规则；其次对数据库中地理目标之间的空间关系进行计算和形式化表达；然后将计算出的关系与规则匹配，判断是否为空间冲突；最后对空间冲突进行确认。(2)基于拓扑规则约束的空间冲突检测方法，该方法通过建立或定义目标之间的拓扑规则约束，来检查目标之间的空间关系与它们的语义关系是否相矛盾。(3)基于规则发现的空间冲突检测方法，这是一种数理统计的方法。首先选择关系正确的图幅，采用4交模型计算目标间的拓扑关系；然后对计算结果进行统计分析，选择概率最大的关系作为目标间的关系规则；最后结合属性来检测目标之间的拓扑关系冲突。

空间冲突的自动检测和处理仍然是地图制图中自动化程度最低的方面之一。在目前地图数据生产与更新过程中，空间冲突的检测及处理技术与生产实践应用尚不成熟，大多还停留在手工阶段，即首先通过图形放大、移动屏幕、目视判断和专家确认等方式来发现空间冲突，然后通过图形编辑来处理空间冲突。这种原始的人工检测与处理方法，费事费力，而且容易造成误判和漏判。常用的空间冲突数据处理算法只关注了地图数据的几何性质而没有顾及属性数据及其语义特征，不能直接为地图数据空间关系缺陷检测所用。开展空间冲突自动检测和及时有效地处理研究，可以大大提高数据的有效性和适用性，对维护空间数据的质量具有重要意义。

3 矢量地图数据空间冲突的分类

矢量地图数据空间冲突是指矢量地图空间目标及其关系不符合矢量地图数据模型的完整性约束，从而造成目标间空间关系与现实世界对应地理实体间空间关系的不一致，或组成空间目标几何元素间的空间关系不能正确表达现实世界对应地理实体的结构特征。在地图数据质量控制中，矢量地图数据缺陷、空间冲突、数据不一致性等概念在本质上是相同的，都指数据中的数据质量问题。为了进行质量检查与控制，需要对矢量地图数据空间冲突进行分类，为空间冲突自动检测和处理奠定基础。不同类型的空间冲突对应不同的空间目标自身及其之间关系的矛盾，而且其涵义、判断规则、检测方法和确认手段也有所区别。本文建立了一种基于几何、结构及属性的目标自身以及目标之间的空间冲突分类方法，目标之间根据要素类型进行分类，如图1所示。

图1 空间冲突分类

3.1 目标内空间冲突

空间目标自身的空间冲突划为四个层次：结构冲突、属性冲突、几何冲突及属性几何冲突。

3.1.1 结构冲突

数据结构不能执行数据模型对现实世界空间实体的正确表达，具体包括：

(1)属性项多输、冗余；

(2)属性项漏输；

(3)属性与目标拓扑关系的冲突；

(4)复合目标指针的冲突；

(5)名称与地名指针的冲突；

(6)弧段与结点的一致性冲突；

……。

3.1.2 属性冲突

属性编码与其属性项内容的冲突，具体包括：

(1)属性编码与图形特征码的冲突。如编码为实体点，图形特征码为PG；折线与图形特征码为LS；简单面与图形特征码为AA等的冲突。

(2)属性编码与要素类型、类别之间的冲突。

(3)属性编码与属性项之间的冲突。

(4)属性项之间的冲突。

(5)属性编码与输入参数之间的冲突。

……

3.1.3 几何冲突

数据模型自身不能真实表达现实世界中的空间实体及其关系。目标自身几何冲突引起的缺陷包括：

(1)坐标点重复；

(2)线坐标串打结；

(3)线坐标有尖角；

(4)坐标冗余；

(5)坐标点采集过密；

(6)坐标点采集过疏；

(7)线目标只有一个点；

(8)面目标不闭合；

……。

3.1.4 属性几何冲突

属性编码、属性项与几何信息的冲突，具体包括：

(1)属性编码与坐标对个数的冲突。如110101三角点、实体点、几何坐标串有两对；140501点状桥梁、有向点、几何坐标串只有一对。

(2)属性编码与坐标的冲突。如线状目标只有一个坐标、面目标坐标点数少于4个。

(3)属性编码、属性项与坐标的冲突。如高程点的高程与所在的位置不匹配。

(4)属性项与坐标的冲突，如道路输入里程与坐标计算距离超限，测量控制点理论坐标与实际坐标不一致。

(5)属性值与坐标的冲突，如高程点位置不准确、等高线采偏。

……

3.2 目标间的空间冲突

目标间的空间冲突根据要素的类型进行细分，矢量地图数据包括点、线、面三类要素。为了发现和纠正要素之间的图形关系冲突，目标间空间冲突可归纳为点与点、点与线、点与面、线与线、线与面、面与面6种要素之间的冲突[24]。各要素间要符合一定的规则，否则引起的冲突就是错误或缺陷。在数字地图中，要素之间的关系相当复杂，有纯几何性的关系，也有需要与属性结合才能体现出的关系，在冲突检测时需要考虑各种因素。常见的要素间空间关系冲突归纳见表1。

表1 要素之间的空间冲突

要素关系关系冲突典型的空间关系缺陷点要素与点要素重复、相近、相离高程点重复、两圈形居民地很靠近点要素与线要素落入、相近、相离、独立房压公路、桥梁离开道路点要素与面要素落入、相近、相离、边界上房屋落水线要素与线要素重复、相交、连贯、相离、包含于隧道桥梁重复、等高线互相交、等高线不连贯线要素与面要素相离、相接、相交、覆盖于、包含于、边界上大车路进面状居民地面要素与面要素相离、相接、相交、覆盖、包含、覆盖于、包含于、相等面状居民地进植被

4 矢量地图数据空间关系冲突的表现形式

矢量地图数据空间关系冲突的表现形式多种多样，主要表现为要素之间、要素层之间、要素类型之间的冲突。判断其要综合考虑几何信息、属性信息和拓扑关系信息，即在语义关系的约束下，判别数据中要素间相互关系的合理性。常见的空间关系冲突主要体现在各要素与水系层、居民地层、交通层、植被层等要素之间相互关系的协调性。

4.1 与水系要素相关的空间关系冲突

与水系要素相关的空间关系冲突主要表现为“要素落水”。就“要素落水”这一空间关系冲突而言，将其定义为“不应该在水域面中包含的要素落到水域面中”，这里“水”指水域层中的面状要素，如海洋、常年河、水库、沼泽等。落水现象可分为：居民地及附属设施落在水中；陆地地貌及土质层要素如等高线落在水中；陆地交通要素落在水中；工农业社会文化设施要素落在水中；植被层要素落在水中；测量控制点层要素落在水中；航空要素落在水中等。图2为与水系要素相关的空间关系冲突情况。

图2 水系要素相关的空间关系冲突

但在实际情况中也有例外，如图3所示，图中等高线近似垂直地穿过双线河的要素落水是合理的；但图中公路、独立房落入水中是不允许的。又如，若道路通过桥梁近似垂直地穿过面状河流也是合理的。也就是说，应当与现实世界中的客观存在相结合来进行分析和定义空间关系冲突。

图3 要素落水的特殊情况

4.2 与居民地要素相关的空间关系冲突

与居民地相关的空间关系冲突主要有“道路不合理入(或出)街区”、“街区含点房(或线房)”、“池塘落入面状街区”、“点房(或线房)重合”、“居民地层点状要素与其他层点状要素重合”、“地、县界进入居民地”等，如图4所示。

图4 居民地要素相关空间关系冲突

4.3 与交通要素相关的空间关系冲突

与交通要素相关的空间关系冲突除了上文提到的“道路落水”、“道路不合理进(或出)街区”之外，还有“点目标没有落在相应的线上”冲突，具体指公路桥没有在公路上，铁路桥没有在铁路上，涵洞没有在道路上等，如图5所示。

4.4 与植被要素相关的空间关系冲突

与植被要素相关的空间关系冲突主要有“落入植被”冲突。冲突定义为不应进植被的要素(主要是面状要素)落入植被面，如面状居民地要素落入植被面、面状水系要素落入植被面、线状植

被要素落入植被面等，如图6所示。

图5 点目标没有落在相应的线目标上

图6 植被层的空间关系冲突

5 结束语

矢量地图数据空间冲突严重影响了地图空间信息表达的准确性、精确性与清晰性，只有对空间冲突进行快速、全面和有效地检测与处理，并进行相应的冲突消除，才可以大大提高数据的有效性和适用性，从而保证地图数据的质量。本文分析了地图数据空间关系研究现状，对矢量地图数据空间关系冲突的定义、分类及其表现形式进行了具体的论述，旨在为研究能够适用于矢量地图数据缺陷识别、空间关系查询与分析等领域的空间关系冲突检测与处理奠定基础。下一步将基于矢量地图数据质量控制需求，重点研究实用的空间冲突快速、准确和有效的检测方法以及空间关系冲突的判断规则，开发出适合生产作业的空间关系冲突自动检测功能模块，使其既能满足生产作业规范要求，又能操作方便、计算高效并便于计算机软件实现，为基础地理信息生产与更新提供软件和技术支撑。

[1]陈军，赵仁亮．GIS空间关系的基本问题与研究进展[J]．测绘学报，1999，28(2)：95-102．

[2]EGENHOFER M J and HERRING J.A Mathematical Frame work for the Definination of Topoloigcal Relationships[C]. Proceedings Of 4th Int. Symposium on Spatial Data Handling, In: Zurich K Brasseland KishimotoH,ed，1990．

[3]KLIPPEL Aand LIR. The Endpoint Hypothesis: A Topological-CognitiveAssessment of Geographic Scale Movement Patterns [C]. Conference on Spatial Information Theory (COSIT’09),Lecture Notes in Computer Science，2009.

[4]邓敏，李志林，祁华斌．GIS线目标间空间关系的集成表达方法[J]．测绘学报，2007，36(4)：421-427．

[5]邓敏，马杭英.线与面目标间拓扑关系的层次表达方法[J]．测绘学报，2008，37(4)：507-513.

[6]王家耀．空间信息系统原理[M]．北京：科学出版社，2001．

[7]GOLD CHRISTOPHER M.The Meaning of “Neighbor”[C]. Lecture Notes in Computer Science 639. Pisa: Springer-Verlag, 1992．

[8]ZHAO R L, CHEN J AND LI Z L. Voronoibased Generalized Spatial Adjacency. In: Li Deren,et al. , ed. The proceeding of RS, GPS, GIS, Their integration and applications[M].Wuhan Technical University of Surveying and Mapping Press. 1998.

[9]吴长彬，闾国年.线面拓扑和度量关系的细分描述和计算方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2009，21(11)：1551-1557.

[10]刘万增. GIS 数据库更新中空间冲突自动检测方法[M]. 北京:测绘出版社,2009.

[11]詹陈胜．多尺度数据库中空间冲突自动检测方法研究——以线要素为例[D]．郑州：信息工程大学，2012.

[12]WillianMackaness A，Peter Fisher F.Automaticreconition and resolution of Spatial ConflictsinCartographicSymbolization[J].AUTO-CART 8,1989：374-389.

[13]刘纪平. 地图数据库图形输出中要素关系处理[J].测绘学报,1994,23(3)：222-228.

[14]KUFONIYI O. Spatial coincidence modeling, automated database updating and data consistency in vector GIS [D]. International Institute for Aerospace Survey and Earth Science, 1995.

[15]RUAS A. Multiple paradigms for automating map generalization: Geometry, topology, hierarchical partitioning and local triangulation [A]. 12th International Symposium on Computer-Assisted Cartography, Charlotte, North Carolina, 1995.

[16]SERVIGNE S, UBEDA T, PURICELLI A, et al. A methodology for spatial consistency improvement of geographic database [J].Geoinformatica, 2000(1): 7-34.

[17]COCKROFT S. A taxonomy of spatial data integrity constraints [J]. Geoinformatica, 1997, 1(4): 327-343.

[18]陈军，刘万增，李志林等.线目标间拓扑关系的细化计算方法[J].测绘学报,2006,35(3)：255-260.

[19]刘万增，陈军，邓喀中等.线目标空间冲突自动检测方法研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(6)：767-771.

[20]陈明辉，张新长. 空间数据动态更新的冲突自动检测处理方法[J]. 地理空间信息，2013，11(3)：37-39.

[21]陈军，李志林，蒋捷等.基础地理数据库的持续更新问题[J].地理信息世界,2004,2(5)：1-5.

[22]吴小方，杜清运，徐智勇.多层次移位原则的道路与建筑物空间冲突处理[J].测绘学报,2010,39(6)：649-654.

[23]周启，艾廷华，张翔.面向多重空间冲突解决的移位场模型[J].测绘学报,2013,42(4)：615-620.

[24]吴芳华,周洪斌,吴娟.数字地图要素几何关系的自动检查方法[J].测绘科学与工程,2011(4)：1-5.

Research on the Spatial Relationship Conflict of Vector Map Data

Wu Fanghua1,2,Cao Yani2,3,Ji Guojie1,2,3

1.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 3. Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

The spatial relationship conflict of vector map data is the main reason which causes the spatial relationship defects. The automatic detection method for the conflict is one of the most important problems to need studying in quality control of the vector map data. Beginning from analyzing the current situation of spatial relationship conflict of vector map data, the paper provides the definition of spatial relation conflict of vector map data, and states the classification methods of spatial relation conflicts including construction conflicts, geometry conflicts, attribute conflicts and elements relationship conflicts, etc. Besides, the paper summarizes the main forms of the spatial relation conflicts of vector map data, which aims at laying the foundations for building the automatic detection models and implementing the methods of automatic detection for the spatial relation conflicts in quality checking software.

vector map data; spatial relationship; spatial conflict; construction conflict；geometry conflict

2014-12-08。

青年科学基金资助项目(41101445)。

吴芳华(1965—),女，研究员，主要从事GIS及地理空间信息质量控制与评估的研究。

P208

B