多源地理矢量空间数据融合研究

杨 灿，汪齐松

(1. 湖南科技职业学院，湖南 长沙 410004； 2. 湖南省国土资源信息中心，湖南 长沙 410004)

2017年1月，湖南省人民政府发布《湖南省地理空间数据管理办法》，规定了地理空间数据汇集整理和共享使用的内容及参与各方的职责分工。为了充分发挥地理空间数据在经济建设和社会发展中的作用，迫切需要将不同来源、不同格式、不同部门获取的地理空间数据进行汇集与融合，实现地理空间数据共享与社会化服务。针对多源地理空间数据集成与融合的实际需求，湖南省自然资源厅正式立项了多源地理空间数据融合研究课题，拟通过对多源地理空间数据融合研究，为多源异构空间数据共享与应用提供一套解决方法。本文在对多源地理空间数据的融合进行分析与研究的基础上，构建了数据库模式融合与数据库实例融合为一体的数据融合流程与方法，并以基础地理信息、地理国情普查等实例数据进行了试验分析。

1 数据融合研究现状

多源矢量空间数据融合属于地球空间数据融合的范畴。自20世纪60年代以来，伴随着地理信息系统的出现和应用，多源矢量空间数据融合得到了广泛关注[1]，其研究主要集中在几何特征融合处理与属性特征融合两方面[2]。

1.1 多源矢量空间数据几何特征处理

几何特征融合是多源矢量空间数据集成融合的核心内容，旨在解决同名地物在不同数据库中地理位置不一致性的问题，通常包括同名实体匹配和不一致性处理两个过程。同名实体匹配利用相同地理实体在几何特征、拓扑关系和语义信息等方面的相似性，识别不同数据库中的同一地物。主要方法包括：基于几何特征的方法[3]、基于拓扑特征的方法[4]及基于属性特征的方法[5]。不一致性处理是对匹配后多源数据进行选取、化简、更新、关系协调等操作，使空间数据内容和质量准确可靠。主要方法包括：基于同名点三角剖分的地物调整方法[6]、基于拓扑关系的合并变换算法[7]、基于平差原理的地物调整方法[8]及基于多评价因素的调整变换算法[9]。

1.2 多源矢量空间数据属性特征融合

多源矢量空间数据属性特征融合是在几何特征匹配和不一致性处理的基础上，发现或计算不同来源数据的语义映射关系或相似度，解决不同语义之间的匹配问题，当前的主要方法包括基于映射转换规则的属性融合[10]与基于地理本体的属性融合方法[11]等。基于映射转换规则的属性融合方法主要通过建立不同源数据间的要素分类分级映射规则和属性特征项转换规则，实现语义层次上的属性特征关系映射和源数据集到目标数据集的属性特征项转换，进而完成数据属性融合[12]。基于地理本体的属性融合方法，旨在通过地理本体来实现不同来源的结构化地理信息间的语义映射及异构性消除，主要包括单一本体、多本体和混合本体等方式[13-15]。

2 融合流程

如图1所示，在研究过程中，本文将多源矢量空间数据融合问题分解为两个方面，即数据库模式融合与数据库实例融合。数据库模式融合首先对多源矢量空间数据的数学基础、可融合数据判别、数据分类分层、属性结构规整、属性编码统一等方面进行规范，从总体上对融合数据的组织和管理进行约束。数据库模式融合主要包括：融合数据选择与预处理、数学基础统一、数据分层与分类及属性结构规整与编码统一。数据库实例融合主要分别针对每种矢量空间数据实例(点、线、面)遵循先几何匹配再属性融合的原则，分步骤实现要素实例在几何和属性两方面的充分融合。数据库实例融合主要包括：要素匹配关系建立、基础要素融合和融合数据质量检查。

(1) 要素匹配关系建立：建立待融合数据源之间的要素匹配关系，分为1∶0或0∶1、1∶1、1∶M(一对多)或M∶1(多对一)、M∶N(多对多)4种基本匹配类型。

(2) 基础要素融合：首先确定要素优先级，再确定要素融合基准数据标准，进而对融合要素空间不一致性处理进行规定，最后指定属性更新操作规范。

(3) 融合数据质量检查：具体包括数学基础正确、属性表的字段名、长度正确与内容填写规范，属性精度应符合要求、完整性、数据逻辑一致、数据空间关系正确。

3 融合试验与分析

针对上述方法流程，采取基础地理信息数据与地理国情普查数据作为试验数据进行融合验证。两类数据的数学基础(坐标系统、高程基础、地图分幅和投影)已经统一且比例尺相同，但是二者建库标准不一、属性内容、采集精度和时效性存在差异。这两种数据进行融合时，先对要素进行整理，确定融合后要素包括境界、水系、交通、居民地及设施、土质与植被。

3.1 模式融合

首先分别以基础地理信息中境界、水系、交通、居民地及设施、土质与植被要素分类分层为基准，依据语义相似性，建立地理国情数据中相应分类分层与基础地理要素中境界要素分类分层关系，如图2所示(以水系为例)。然后通过对比基础地理信息和地理国情数据中境界、水系、交通、居民地及设施、土质与植被要素的属性表，将相同属性项合并，增加地理国情普查数据中的专有属性项，达到丰富属性表的目的，如图3所示要素属性统一(以水系为例)。

3.2 实例要素融合

以水系要素融合为例，将基础地理信息水系要素与地理国情水域要素融合时，会出现一对多或多对多的匹配情况，如基础地理信息数据中池塘实体和地理国情普查数据中坑塘实体要素融合时，出现了几何属性的不一致问题，对于这种不一致，可以进行要素的增补以尽可能保留详细信息，如图4所示。再如，将地理国情普查的地面支渠实体和基础地理信息的地面河流要素融合时，出现拓扑关系不一致的情况，可采用空间移位进行处理，如图5所示。

对数据分类分层统一、属性表统一、要素匹配与不一致性处理后，可以针对具体要素对象进行属性更新，通过质量检查要求后即可入库形成最终的融合成果。

4 结 论

针对地理空间数据多源、异构、不一致性的现状及特点，本文构建了以数据库模式融合与数据库实例融合为研究思路的多源地理空间数据融合基本流程与技术要求，并结合实例数据进行了验证分析，得出几点结论：

(1) 基于层次化思想，将几何特征融合与属性特征融合充分融合，提出了先从整体上进行数据库模式融合，再针对具体融合要素指定由几何到属性的数据融合操作流程。

(2) 在融合规范中需要制定不同要素类型、不同数据质量指标间的优先级别，应考虑同种要素与不同种要素间融合的不一致性处理问题，可有效提高多源矢量数据融合的可操作性。

(3) 数据融合有利于打通不同部门间空间数据共享与互操作间的壁垒，提高地理信息技术公众服务的水平和质量。