基于转换集模型实现地理数据再利用

薛 睿,郭 霄,张 萌,常晓滢

(1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710061; 2.解放军61363部队,陕西 西安 710000)

建立地理数据库的数据来源主要由纸质地图、实测数据、已经存储的系统数据与遥感影像数据等组成[1],地理数据库数据对于地图制图有十分重要的作用。随着不同行业部门对于地图制图的需求,利用专业共享数据是地形图更新中的一个重要环节[2],但现有的数据库数据使用与制图存在以下局限:(1)海量的数据共享不足使得数据得不到充分利用,同时导致部门之间数据使用存在藩篱。(2)原有纸质数据的矢量化耗时巨大,实测数据与遥感影像获取耗费人力,现有的数据要素组成又难以满足不同的制图要求。在地图需要更新或数据组成难以满足新的制图需求时,需测绘人员实地测量或使用遥感影像对地理数据库中数据进行修改,不利于提高制图的效率。(3)如何使用地理数据库中数据进行制图,还没有统一的原则,使得制图时数据使用混乱,不同部门之间交接困难进而阻碍了生产。

针对以上问题,研究使用MapStore平台对转换集模型进行了阐述,该模型旨在利用现有的地理数据库中数据,在不对数据更新的前提下满足不同部门制图的需求,实现数据再利用。同时在使用转换集模型的基础上,制定地理数据库中数据改化的原则与改化的技术路线方便制图的交接,为开展大规模数据之间的改化及联动更新提供技术支持[3]。

1 转换集模型

1.1 模板基本结构

在MapStore平台中,模板是制图的关键,而转换集是模板重要的组成部分,模板是按照空间数据字典与符号数据字典对要素的信息化描述,是对空间要素的完整定义,可定义要素的空间部分(几何类型和属性)及地图符号生成规则[4]。模板由数据要素集与转换集组成,数据要素集用于定义成图要素分类,其结构如图1所示。

图1 数据要素集结构Fig.1 Data elements set structure

实体模板组相当于成图要素层,一般分为测量控制点、水系、居民地及设施、交通、管线、境界、地貌、植被与土质和注记九大要素类,每一类分为点线面3层,因此实体模板组大多由27个要素层组成[5]。基本实体模板相当于一个存储符号的容器,既可以用于存储图廓与表格,也可以存储地图要素符号。图廓、表格与要素符号通过单元符号模板下标准符号模板组与辅助定义组共同定义。标准符号模板组下可以定义点状、线状、表格与自由标注符号模板,辅助定义组可通过定义标准符号模板组中使用到的值与线段起始辅助符号的制作[6],其结构如图2所示。

图2 数据要素集示例Fig.2 Example of a data elements set

每一个实体模板组都有自己的属性值,模板提供属性的自定义功能适用于不同项目的需求。模板组一旦建立,每一图层地图要素的几何类型、属性、符号表达、优先级也就同时确定。

数据要素集建立完成后,点击数据集创建转换集。转换集的作用在于规定不同数据之间的转换规则,包括要素与属性的对应。

1.2 制图原理

地理数据库经过多年完善,已基本覆盖全国,但由于各地采集地理数据格式不同,制图方式差异使得不同省份与部门之间不能共享数据,导致其他部门制图时需专门的数据采集人员重新采集符合自己部门制图的数据,进而导致数据采集入库的工作重复[7]。研究将现有的数据称为国标数据,成图要素数据称为目标数据[8]。

MapStore采用拓扑地图模型[9],使得制图入库一体化,这里采用DLGM(数字线划地图)数据进行制图,制图员将现有的国标mdb数据导入软件后,通过转换集将国标中的DLG数据通过国标编码与目标数据编码相对应,通过转换集形成国标数据的“进口”与“出口”。另外,国标数据与目标数据的属性可以经属性表自定义转换,显然转换集起到国标数据与目标数据的映射作用[10],而模板数据集起到对原始数据“印刷”的作用——即为原始的国标线划数据“印刷”上对应的目标地图符号,将原数据从一个模型转换为另一个模型[11]。

通过转换集对应后的数据形成了实体DLG,其中每一个线划都对应着模板中的实体即目标数据,通过目标数据编码找到对应实体符号自动生成地图符号,图3为制图的完整过程。

图3 制图过程Fig.3 Mapping process

2 数据改化原则

不同格式数据本质上是对同一区域地理现象的不同方式的表达。在传统的意义上地理现象可以分为除注记外的八大类,不同格式的数据在这一方面是有高度一致性的,这就为数据的改化提供了理论上的可行性。

但不同格式数据也存在应用目标的差异和对地理现象的建模上的差异,按照信息学的基本概念,信息是由描述现象的特征(语义)及一定表达方式(语法)构成[12]。因此国标与目标数据之间的改化可以从3个方面考虑其原则。

2.1 数据集改化原则

图4展示的是国标要素与目标要素之间的关系,二者之间存在相同的要素与不同的要素。当某一要素在国标数据集中存在而目标数据中不存在,可以扩大模板中目标数据集。例如,国标数据中不存在人行天桥,可以添加人行天桥的基本实体模板。相反当某一要素在国标数据中存在而目标数据中不存在时,转换集实体类型外码(国标编码)可不填写。图5为转换集映射自定义表。

图4 要素数据集问题Fig.4 Elements dataset relation

2.2 语义原则

语义即语言所蕴含的意义,其具有领域性,地图要素的名称属于地理语义的表达。不同格式数据的差异很大部分表现在语义异构,当国标数据与目标数据对同一地理实体采用不同的解释方法时,就产生了数据改化的语义问题,研究将这种差异分为3类,见表1。

图5 转换集数据映射Fig.5 Transition set data mapping

表1 语义差异分类表

国标数据分火车隧道与汽车隧道,目标数据中只有隧道要素,这时要合并国标数据集中要素,形成多对一的情况。此外,桔与橡胶共同对应目标数据中的经济林,这就导致2个不同要素对应着相同的符号,此处借助桔=[SQL∶GB=="220125"],TYPE=桔/[SQL∶GB=="220125"],TYPE=橡胶,即导入的桔和橡胶按照GB码都对应目标数据的经济林,成图时也表现相同的符号,制图时图上通过标记文字“桔”、 “橡胶”来区分,效果如图6所示。国标语义范畴大于目标数据语义范畴需要根据情况对国标数据进行拆分,例如国标数据中园林要素在目标数据中对应着森林、经济林、经济作物地、旱生作物地与水生作物地,通过Sql语句进行区分,例如区分森林通过森林=[SQL∶(GB=="810400"&&TYPE=="银杏")||(GB=="810400"&&TYPE=="黄花梨")]即银杏、黄花梨都按照GB码810400森林导入,通过属性值type区别类型。国标等于目标数据的情况可直接转换。

图6 多对一案例Fig.6 Many-for-one cases

2.3 语法原则

我们将描述地理现象的各部分信息称为构成语义的语法。语法包括描述特征的方式与表达信息的模型,描述特征的方式包括编码、属性、几何类型等。在描述地理数据方式上不同格式数据基本采用点、线、面与属性的组合模型。由描述方式异同可以总结出语法问题有:①编码对应问题;②属性的对应问题;③属性值的对应问题。

编码作为地理数据的唯一标识符,可以唯一确定国标中要素,通过编码对应可以实现上述中语义的对应[13]。转换集生成后每一实体模板组对应转换集层属性都会形成属性对应表,其结构见表2。

表2 属性对应

表2中外部字段名为国标中数据的属性值,当前模板字段名为目标数据属性,通过上表实现不同格式数据的属性与属性值对接。

当2种数据要素的语义相同时,同样存在表达模型的差异。例如国标数据中等级道路的几何类型模型是路面+中线+边线。目标数据中可能表达模型为中线+边线,所以面数据在这里不使用转换集转换。

3 技术路线

由于地理数据库涉及的数据量大,在使用转换集模型对原有数据改化时需考虑研究中提到的语义对应、属性对应、表达方式对应等很多问题。每一次数据改化开始前涉及到大量的文档制作与原始数据的检查修改。因此为提高效率提出了技术路线的几个基本要点:

(1) 工作内容上划分板块,根据区块需求,自由组合,不影响整体工作不另起炉灶。

(2) 技术流程上,划分环节性,各自负责,责任明确,分工明确,质量明确。便于各个单位责、权、利的明晰。

(3) 技术方法上,广泛采用成熟的最先进的技术,提升数据转化的自动化水平,以确保质量、时间及控制投入的人力物力。技术路线如图7所示。

模块1转换改化技术控制是改化整体工作的一个技术重点,是质量控制的主要内容,大致分为2项内容。转换参数确定:包括了要素转换,属性转换,取值转换的确立与制作模板。改化参数的确立:对转换后的目标基础数据到目标成果数据之间还有差距,涉及到大量专题项处理,如注记指针一对多的要素判定处理等。

图7 技术路线Fig.7 Technical route

模块2国标数据提供模块国标基础地理信息的产品生产年代规格在同一地区是存在差异的,在地图制图时常含有部分更新的要求。该模块最终的数据是遵从一个标准的符合地方相关质量要求,资料完整(合格元数据)的地图数据。

模块3转换改化模块是核心工作,它只接受按照技术设计要求的合格数据。经过转换、改化编制形成质量合格的目标数据。

4 结论

通过MapStore平台详细阐述了基于转换集模板实现现有数据再利用的原理,并制定了细致的改化原则与技术方案,将该模型与研究制定的原则方案成功运用于云南省数据改化,事实表明转换集模型与研究制定原则方案显著提高了地理数据库数据资源的利用率,制图速度明显加快,制图效果良好,对全国制图领域的发展有重要的推动意义。