一种面向基础地理信息资源数据库的框架实体索引方法

宋玉兵，黄 健，顾 芒，王冬升，陆藩藩

(1.江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013；2.江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013)

0 引 言

基础地理信息资源是电子政务、公众服务等领域地理信息服务的重要数据支撑，是各行各业最公共、最基础的空间信息资源。基础地理信息数据建设应充分顾及社会的应用需求。但是建立兼顾各行各业需求、涵盖所有地理要素的全要素地理信息数据库，是一项非常复杂而庞大的系统工程；数据获取、管理和维护都很难实现，这一直是制约地理信息推广应用的一个瓶颈[1]。

全要素基础地理信息数据包括定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界、地貌、植被与土质、注记等多要素数据。其中交通、水系、行政区划等专题要素对区域的空间位置具有确定方位的骨架作用，是重要的基础地理信息框架要素。为了提升基础地理信息数据生产、管理、应用、服务中的效率和质量，很多国内外同行关注到框架数据的重要性，许多省市先后开展了相关研究工作。北京市测绘设计研究院提出北京市基础地理信息框架数据概念，开展基于框架数据的制图与可视化表达技术及数据更新机制研究[2]。重庆市地理信息中心建成包括境界、交通、水系、地名等基础图层的框架数据，弱化地形、地貌等测绘专业要素，满足政府管理需要[3]。山东省国土测绘院提出基于框架数据建立省市多比例尺基础框架数据库的联系，通过增量更新的模式完成省市两级基础框架数据库联动更新的方法[4]。新型国家基础地理信息数据库建设提出了产品形式升级、数据模型升级等方面的升级改造思路，发展融合交通、水利、管线、民政等框架数据，同时融合社会经济、人文信息等多方面属性信息[5]。

虽然基础地理信息、地理国情要素、专题管理要素信息、基础地理信息框架等数据维护等项目生产和服务中，均涉及交通、水系、行政区划等框架要素数据的生产，但是，由于受传统纸质地图使用方式的影响，现有基础地理数据主要强调地理要素的几何形态和空间位置的描述，对于地理实体本身特性及相互关系的建模和表达考虑较少，不同比例尺数据集中的地理要素之间缺乏必要的相互关联。数据标准不同、要素定义不同、语义表达不清晰，导致框架要素本身就存在数据联动难、关联难、共享难，其必然会影响基础地理信息资源价值的发挥。

为了谋划“十四五”期间省级基础测绘转型升级的目标，江苏省自然资源厅启动了规划编制前的研究工作，作者所在课题组针对基础地理信息资源更新要求开展了相关研究，在总结我省“十三五”时期基础地理信息资源现状，了解自然资源管理各部门和社会各行业对于“十四五”时期我省基础地理信息资源更新的需求基础上，提出基于框架实体索引建设基础地理信息数据的新思路[6]，采用要素简约、属性标准化、实体编码等方法，对交通、水系、行政区划等框架数据进行抽象、建模，构建由框架实体数据、分精度全要素基础地理信息数据、标准比例尺地形图数据等共同构成的基础地理信息资源。通过框架实体索引，建立不同类型、不同尺度、不同要素数据和资源间的关联关系，实现数据资源的集约、共享、融合。

1 框架实体的分类与编码

框架地理实体要成为各类地理信息的载体，满足地理信息整合和共享交换的需要，应对框架要素以地理实体为对象进行建模。本文以建立空间地理索引为目标，对交通、水系、行政区划、定位基础等框架数据，采用要素简约、属性标准化、实体编码等方法进行抽象、建模，框架实体模型建立如图1所示。以“地理要素”为基本表达单元,实现基于要素的操作、统计，并记录实体的生命周期,以满足要素增量更新及实体历史变化记录与追踪[7]。

图1 框架实体模型建立图

1.1 属性项标准化

对框架地理实体的描述与表达，采用语义、位置、几何、过程、关系和属性等6个维度进行全空间、全信息表述，形成新型的GIS数据模型，解决地理信息数据资源的聚合问题。针对不同类型、不同几何形态的复杂性多样性，本文引入地理实体对象的语义描述、空间定位、几何形态、演化过程、要素关系、专题属性特征等六要素[8]进行完备表述，实现地理空间实体属性的标准化。其中：

(1)语义描述，是对现实世界地理实体概念和含义的描述，体现地理实体的本质属性或领域特征。

(2)空间定位，是对地理实体存在绝对位置、相对位置、地名地址等所处空间的描述。

(3)几何形态，描述地理实体的结构与形态，以点、线、面、体、像素、体素等存在的几何特征，表现形式有矢量、三维、影像、DEM等。

(4)演化过程，通过不同时点的观测结果，对地理实体随着时间推移的运动和变化及其全生命周期的行为和事件的描述。

(5)要素关系，描述地理实体之间的空间、时间、顺序、隶属等联系。

(6)专题属性，描述地理实体的物理、化学、生物、人文、社会、经济等相关特征的信息。

以河流为例，对河流实体的属性描述示例如表1所示。

表1 框架实体六要素属性内容

1.2 唯一性编码

框架地理实体的实体编码应该是唯一的。在设计框架地理实体的唯一性编码中，一方面应顾及地理实体分类的目标是服务对实体对象的管理，所以应继承现实世界实体管理的需求、知识、经验和成果。其次，地理实体数据主要来源于基础地理信息数据，地理实体分类应顾及基础地理信息数据的地形要素分类。另外，框架地理实体还应进行层次等级划分，应结合国家、省、市(县)政府分级管理的要求进行分级。

本文面向省级管理的框架实体，以体系性、唯一性进行编码设计，确定编码的规则。不同类型的框架实体，统一编码示例如下：

(1)交通实体：312国道实体编码为“320000000-G312”，由行政区划代码加公路编码组成。

(2)河流实体：秦淮河干流段(区域性河流)实体编码为“A-FA-Q-0017-2-A”，由工程类别、流域编码、河流类别、河流编号、河流等级、河段编码组成，共15位。

(3)湖泊实体：高邮湖实体编码为“L-EB-320000-A-04”，由工程类别、二级水系编码、所属行政区域、化学性质、湖泊编号组成，共17位。

(4)行政区划实体：泰州市泰兴市河失镇编码为“321283112”，采用民政部门颁布的行政区划代码。

1.3 对象化简约处理

地理实体数据属性随着管理的程度会不断膨胀，信息间存在大量的冗余，不利于信息的管理。框架实体索引是对框架实体的简约和抽象，需要完成属性压缩，提炼面向管理的最基本的空间要素属性，从而达到空间索引的需求，满足基础地理信息资源间的空间关系建立的需要。如交通要素，针对管理部门的管理需求，通过“道路中心线”对其几何形态以进行抽象，实现“名称、编号、起点、终点、长度”等属性简约表达；行政区划、湖泊等要素，通过“湖泊面、行政区划面”对其几何形态以进行抽象，实现“名称、编号、范围、面积”等属性简约表达。

2 框架实体索引建立

地理实体在不同的管理层级、空间尺度、时间节点的表达方式是不同的。例如，一个法人单位，在县级尺度索引上是一个宗地要素( 面要素)，如在省级尺度索引上可能仅是一个点要素。框架实体是为了解决地理信息数据资源的聚合而引入的，为了满足从宏观到微观的管理与分析，特定尺度、时点的框架实体抽象的图形应该是确定的、唯一的，多时间点的图形序列表达框架实体时空演变。为满足基础地理信息数据建设和维护的需要，本文设计的框架实体索引采用省、市、县三级尺度，三种尺度数据集并存，多次描述共同构成。

2.1 省级框架实体数据的内容

省级框架实体索引是面向基础地理信息数据资源建设和管理，顾及民政、交通、水利等管理部门的业务管理需求，以及传统地理信息数据管理的分类和组织方法，对交通、水系、行政区划和定位基础等类型的框架实体，按省、市、县三级进行对象化处理，形成的框架实体数据集。通过基础测绘项目的生产试验，省级框架实体对象约6 866个，具体内容如表2所示，省级框架实体数据图形如图2所示。

表2 省级框架实体内容

图2 省级框架实体数据

市、县框架实体索引建立中，应顾及专业部门行业管理的程度和能力，以镇江市实体要素处理为例，其对象内容如表3所示。

表3 市级框架实体索引对象化处理内容

2.2 框架实体数据属性

框架实体数据的空间要素和属性要素是其最基本的特征，空间要素指的是其几何形态及其与其它地理空间实体的空间关系，属性要素则指的是地理空间实体的社会意义。交通、水系、行政区划、定位基础等框架数据也是基础地理信息数据的重要组成部分，其数据属性应满足基础地理信息数据属性要求。按照地理空间实体属性的标准化要求，对框架实体数据属性项进行设计，如表4所示。

表4 框架实体数据属性表

2.3 框架实体索引技术应用

图3 基础地理信息框架实体索引式数据管理系统

框架实体索引技术，就是以框架地理实体为基本单元，以框架地理实体分类为组织结构，以唯一实体标识码为关联因子，建立一种框架实体索引式基础地理信息数据组织与管理方法。通过该技术的应用，可以非常便捷地对区域内的水系、行政区域、公路等实体要素进行各种分类统计和查询，如图3所示，通过查询的结果可以快速定位，满足各级部门对基础数据的应用需求。利用实体编码与水利、交通、民政、电力等相关行业数据数据建立索引关系，减少数据由于标准不一致产生的互相转换工作，可以最大程度地发挥基础地理数据的底图作用；通过索引关系的建立，可以提高数据后期更新及维护的效率，为基础地理信息数据增量更新、快速更新提供一套切实可行的技术方法。

3 结 语

“十四五”期间，江苏省计划构建以基础地理信息框架实体数据、分精度全要素基础地理信息数据、标准比例尺地形图数据和专题地理信息数据等共同构成的省级基础地理信息资源；按要素生产组织的框架实体数据，丰富了传统基础测绘产品内容，将按尺度分级的基础地理信息数据库向按地理实体分级的基础时空信息资源库转变；通过框架实体索引，实现DLG、 DEM、 DSM、 DOM基础地理信息数据，以及自然资源管理、地理国情监测等专题数据关联。基于框架实体数据的联动更新机制，建立省市县及相关部门间的地理信息资源的共享和关联，优化基础地理信息更新流程，融合影像对比分析变化发现、互联网信息挖掘变化等多源数据变化发现技术，实现基础地理信息的增量更新。从而实现政府部门和行业间联动配合，建立地理信息政务协同、行业协同、社会公众参与等全方位协作更新的新方式。