基础地理信息叠加更新模型研究

王英谋

摘 要：该文以基础地理信息更新为研究对象，研究提出了点、线、面三种矢量要素的叠加更新模型，论文首先分析了地理信息中的数据类型和变化特点，进而总结了空间数据和属性数据的变化形式，在此基础上，探讨了更新中的空间分析与图形操作的内容，最后，分别提出了针对点、线、面三个不同地形要素的更新模型。

关键词：基础地理信息 叠加 更新 模型

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0015-02

在GIS中地理事物或地理现象被抽象为点、线、面及其组合的表达，地理信息的更新实际上是对点、线、面数据的修改。该 文在分析基础地理信息的变化特点及点线面数据的变化形式的基础上，对不同的变化模型设计基础地理信息更新方式。

1 地理信息的数据类型及变化特点

1.1 地理信息中的数据类型

地理事物或地理现象在地理信息系统（GIS）中被高度抽象为点、线、面要素，复杂地物可通过其组合进行表达。点、线、面是GIS中最基本的数据类型，在GIS中分层管理。下面是对各类要素的描述。

1.1.1 面状地形要素

凡是在特定比例尺下（如1：10000）地形图中以多边形表示的地形要素均称为面状地形要素，如居民地类中依比例尺表现的独立房屋、普通房屋等；水系及附属设施类中，图上宽0.4以上依比例尺表示的河流，图上面积大于0.5～2的湖泊，小于0.5～2但有重要意义的湖泊（如位于国界附近的或作为河源的小湖及干早地区的淡水湖等）等都是面状形要素。在基础地理数据更新过程中，面状要素是重要的操作对象，在对面状要素进行更新的时候既要注意面状要素间的拓扑关系，又要注意面状要素与点状要素及线状要素之间的拓扑关系，面状要素也是更新过程中较难处理的对象。

1.1.2 线状地形要素

线状地形要素是指有一定长度而没有面积的对象，或者是在给定的地图比例尺（如1：10000）下形状非常狭窄的地形要素。

在1：1万地形图中线状地形要素包括几何线状地形要素和权属线状地形要素。几何线状地物是指具有一定面积与宽度的线状地物，主要包括交通及附属设施类中的铁路、不依比例尺的公路、其他道路；水系及附属设施类中的图上宽0.4mm以下的河、渠等。权属线状地形要素主要指境界线等。

1.1.3 点状地形要素

点状地形要素是指没有面积和长度的地理特征，或是相对于给定的比例尺来说边界太小以至于无法显示。在1：1万地形图中点状地形要素主要是指测量控制点，基础地理信息更新方法研究居民地类中的不依比例尺的普通房屋，工矿建（构）筑物及其他设施类中的开采的矿井中的竖井、斜井、小矿井等及其他一些以点形式表现的地形要素。

1.2 地理信息变化的特点

基础地理信息变化的特点在土地利用/覆被变化的规律中有具体的体现，科研人员对此做了大量研究，尽管由于区域差异性原因，除了自然地理因素外，人文因素作用显著，包括国家和地方政策的调控、经济发展等的影响无论在变化程度、变化格局和土地利用转移方向上都存在显著的区域差异性，总的来看表现在，城镇建设用地通过大量占用耕地而扩展，非城镇建设用地间结构变化明显，城镇用地扩展主要集中于老城区外围的城市边缘区，扩展强度指数最高的区域多位于主城区的边缘区即城乡交替地带。这个现象在规模相对小的人类聚居区也有类似的表现，如村镇的内部相对稳定在外围的区域则是建设的活跃地带，与城市相比而言特点类似只是规模大小有别。

2 地理信息变更模式

基础地理信息变化的原因多种多样，变化形式的丰富多彩，在以矢量模型抽象表达现实世界的地理信息中则表现为：代表客观实体的地理信息中的各种点、线、面要素的变化或是其各种要素变化的组合。

客观世界中各种不同的地理实体有着自己的发展变化规律，如：居民地，水系，道路等，从变化快慢上来说，由于我们国家目前处于高速发展时期，居民地，道路短时间内可能变化较大，而水体一般来说自然发展则相对缓慢；从GIS数据的变化方式上来看，又有所不相同，如居民地可能被拆迁改造从而使得记录它的空间数据和非空间数据都发生变化。地理信息变化可分为空间数据变化与非空间数据（属性数据）变化，它们不是截然分开，有时空间数据改变和属性数据的改变又是相互影响的，如，上面提到的，属性改变导致图层转移，其中也包含空间数据的改变，同样空间数据的改变也会造成地形要素分类的改变，其属性信息也就会改变。

2.1 空间数据变化形式

矢量表达的空间数据类型包括，面状要素、线状要素及点状要素，对它们的变化模型分别总结如下。

2.1.1 面状地形要素主要变化模型

（1）面状地形要素分割，即一个面状地形要素分割成两个或两个以上相同或不同类型的面状地形要素。（2）面状地形要素合并，指由两个或两个以上相同类型面状地形要素合并为一。（3）面状地形要素扩大，面状地形要素所表示的类型不变，而其边界变化，导致其范围变大，从而使面状地形要素面积增加。（4）面状地形要素缩小，面状地形要素所表示的类型不变，其边界变化，从而使面状地形要素所围面积减少。如面积减小到一定程度则使得其所属类别发生变化，这又会使得其属性发生变化。面状地形要素变窄使其向线状地物方向变化，或者面状地形要素面积减少而使其变为点状地形要素。反之点状要素、线状要素也会向面状要素发展。（5）面状地形要素的新增及消亡。

2.1.2 线状地形要素主要变化模型

（1）线状地形要素新增或消亡。（2）线状地形要素的延伸或收缩。

2.1.3 点状地形要素主要变化模型

点状地形要素增加或消亡。

2.2 属性数据变化

属性信息变化分为以下几种类型：（1）仅仅是其一个或几个属性信息发生变化，但其空间数据和所属分类没有发生改变，对此类改变仅仅需要修改其变化的属性信息即可。（2）几何形状没有太大变化，但其属性发生改变，使得其分类发生改变，这使得该要素不再属于某一图层，需要改变图层。如道路有一般道路改造后变为等级公路。（3）由于其几何数据变化而导致其表达形式发生变化，从而使得其所属分类改变导致图层转移。如沟渠变窄后，由以前的面状要素表达转为用线状要素表达使得其所属图层发生改变。

地理信息的变化情况在实践中非常复杂，上述的变化形式在更新过程中可能只是简单图形变化，也有可能同时发生，但是在数据更新实现中又不能同时操作所有的变化地类，只能对变化类型进行综合分析与分步处理，按一定的设计流程完成数据更新。在实际更新过程中，一种地理信息的变化必然导致其它地理信息在空间上发生相应的变化，因此通过对地理信息空间对象的变化特征的标识、聚集或复合，把地理信息的变更模式抽象地归并为扩展、收缩、消亡和新生四种模式，并在几何数据类型变化模型基础之上的建立相应的属性信息变化模型。涉及到两个及两个图层互动更新的，属性数据一般会有改变，因此把它们统一到属性数据更新中。地理信息更新过程中的属性变化和空间数据变化之间不是相互孤立的，而常常是相互掺杂在一起的，通过对地理信息变更模式的分析，制定数据更新的策略，设计更新流程与更新模型以有效方便的进行更新。在进行更新处理时，要求综合考虑引起变化的地物特征，采用各自分层和综合分析的方法，使得地理信息变化的相互影响及其复杂性在更新处理时得以有效解决。

3 更新中的空间分析与图形操作

地理信息更新是以空间分析为基础的，在空间分析的基础上进行空间图形操作。在单个实体更新过程中通过基本实体和比较实体的空间逻辑关系的比较实现空间几何图形的基本操作。空间实体之间的空间逻辑关系主要有：等价（Equal），包含（Contain），内含（Within），相交（Cross），相离（Disjoint），覆盖（Overlap），切触（Touch）。

基础地理信息更新中，空间分析判断新数据与旧数据之间的关系，还要靠几何图形操作实现数据更新，几种基本的空间操作实现几何图形的基本操作，包括：切割、差分、交集、并集。

3.1 切割（Cut）

指定一条切割曲线和一个几何图形，经过切割运算后，沿切割曲线方向把几何图形分成左右两部分；点与多点不能被切割，而面与线只有与切割曲线相交是才能进行切割运算。

3.2 差分（Difference）

确定参考几何图形和比较几何图形，经过差分运算后，返回那些用参考几何图形中的点减去比较几何图形中的点后剩下的部分。

3.3 交集（Intersect）

确定参考几何图形和比较结合图形，经过交集运算后，返回同时落在参考几何图形和比较几何图形中的部分，交集运算必须在同维之间进行。

3.4 并集（Union）

确定参考几何图形和比较几何图形，经过并集运算后，返回那些属于参考几何图形和属于比较几何图形的部分，并集运算必须在同维之间进行。

在地理信息更新过程中，一个地形要素的变化会导致到其他地形要素也会发生相应的改变，他们之间相互影响的复杂关系。

明确地理实体之间的逻辑关系，及拓扑操作，变更操作中空间实体之间的相互关系，为我们顺利进行基础地理信息更新奠定基础。

4 基础地理信息叠加更新模型

更新应用了GIS的空间分析功能，用第二章和第三章叙述方法获得新数据图层，先对新要素设定缓冲距离，与现状图层进行空间查询分析，得到与变化数据相关的点、线、面各层要素。新数据分别与相关点、线、面各层要素按变更模式作空间叠加更新，见图1。

在进行更新处理时，关键要考虑引起变化的地形要素特征及其空间相互关系，以满足基础地理信息更新需要为目标，更新过程中采用更新数据各自分层和综合分析的技术，使得地形要素变化的相互影响在更新处理时能很好解决，确保数据的一致性，提高数据质量。

基础地理信息更新主要的内容为：几何数据更新和属性数据更新。几何数据更新一般只是在某一层内对数据进行增、减，合并，分割等操作，属性数据更新要复杂一些，因为属性变化往往涉及到某一地理要素是否还属于某一层的问题，如果属性变化导致地理要素不再属于某个层，那么就要在不同层之间互动更新，这包含着空间数据操作。这时的数据更新可通过在几个图层之间应用空间数据更新操作实现。

4.1 矢量数据更新模型设计

以矢量方式表达基础地理信息更新模型是通过分别对面状要素、线状要素和点状要素更新实现的，根据地理信息系统中空间实体的关系给出地形要素的更新模型，见图2矢量数据叠加更新模型。

面状要素叠加更新是针对面而状地物发生变化的处理方法，以旧版基础地理信息为基础，与经过数据处理后的变化面状要素及线状地形要素进行空间叠加处理和更新，生成新基础地理信息。

叠加处理过程如图3所示。在对面状要素更新时会对与之相关的点、线、面要素有影响。包括旧图中点要素删除（消亡），线要素的删除（消亡）、变短（收缩）等，对面要素也会有类似的影响。在面状要素叠加处理时，要确保变化图层的属性字段与旧版现状图的属性字段完全一致，才能做到空间数据与属性数据的同时更新，避免数据操作出错。

4.2 属性信息更新模型

属性数据变化分为几种情况：（1）仅有属性数据变化的情况，如某某道路改名，某建筑物用途改变等，此时的空间数据没有变化，相应的分类也没有改变，此时数据更新操作就仅仅是修改属性数据中的某一个或几个字段值就可以了。（2）由于属性值的变化，而使其分类改变。更新中需要在不同的图层中联合删除和新建操作，即原图层删除（消亡模式）改地形要素，目标图层新增（新增模式）该要素。（3）由于其空间几何数据变化而导致其表达形式发生变化，从而使得其所属图层改变。

更新中除了有消亡模式和新增模式，外还要考虑使用增长或收缩模式，以适应表达形式的改变。

5 结语

基础地理信息的更新主要涉及矢量数据更新，以及与之关联的属性数据的更新，在矢量数据更新中，针对不同的空间操作，如切割、差分、交集和并集，对点、线、面三种不同要素有不同的处理方法。另外，属性数据更新和空间数据更新不是相对独立的，他们常常互相掺杂在一起，相互影响，属性数据更新是以空间数据更新为基础的，在更新过程中要综合考虑。

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