一种基于要素自动生成地理实体的方法

邹磊，高健，曹文涛

(1.广东南方数码科技股份有限公司，广东 广州 510665； 2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 背景与现状分析

按照自然资源部《全国基础测绘中长期规划纲要(2015-2030年)》文件的要求，到2030年需全面建成新型基础测绘体系[1]。目前，我国多个城市和地区都在探索新型基础测绘相关工作，积极申报试点，从各个方面探索新型基础测绘系统的工作[2，3]。虽然各地试点内容不尽相同，所采取的方法与技术手段也有差异，但地理实体产品的生产工作，都是整个试点工作的重要组成部分，也是新型基础测绘工作中的重点内容[4，5]。

目前已有的研究工作显示，当前地理实体产品生产方法，主要分为存量数据转换和全息采集两个大类[6]。存量数据转换是利用现存的满足精度要求并且现势性较好的数据，进行提取和转换为图元数据，再由此生产地理实体；全息采集则是利用倾斜摄影、激光点云等现代化的手段，测量并采集绘制图元数据，之后再生产地理实体。可见，无论是哪种地理实体生产方法，其逻辑都是先得到图元数据，之后在图元数据的基础之上构建地理实体。

现有的地理实体数据构建方法主要是在设计的图元数据和地理实体数据库标准上，由图元数据依赖于软件平台人工手动构建或基于FME半自动构建加部分人工的方式生产[7]。现行方案具有较强的人工依赖性，导致生产效率低下。一方面，在现行图元和地理实体数据库标准上，作业人员从图元数据构建地理实体数据时，不可避免人工参与，导致效率低下；另一方面，对于FME半自动构建的方式，在更改或优化地理实体数据库设计的标准后，须反复修改FME的方案，也会造成地理实体数据生产的效率低下。

因此，本文重点研究从地理要素，自动化生产地理实体的方法，使得在地理实体标准发生变化，或者需要针对不同需求生产不同地理实体时，能够快速高效地生产数据。

2 自动化生产地理实体方法

2.1 由图元生产地理实体

在《新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件(1-4)》中，地理实体被定义为现实世界中占据一定且连续空间位置和范围、单独具有同一属性或完整功能的地理对象[8]。而图元数据则是地理实体的构成部分[9]，是构建地理实体的基本数据，是地理实体数据生产的必要数据，其包括根图元(构建地理实体数据必要数据)、主体图元、构件图元[6]。按照组成分类，地理实体可以分为单地理实体、组合/聚合地理实体。单地理实体由一个根图元，或者一个根图元加若干个主体图元、构件图元组成，组合/聚合地理实体除拥有和单地理实体相同的组成部分以外，还有其子级关系的地理实体(以下称子实体)组成。图1展示了地理实体与图元之间的组成关系。

图1 地理实体与图元的组成关系

需要注意的是，在不同的标准规范下，或者在不同的应用需求下，单地理实体、组合/聚合地理实体的组成关系并不唯一，即在不同的需要下，同一份图元数据，可能需要生产出不同的单地理实体数据和组合/聚合地理实体数据，这也增加了从图元生产地理实体的复杂性。

2.2 自动化生产方案

从上文描述的地理实体与图元数据的关系可以看出，根图元与地理实体存在一一对应关系，因此在自动化构建地理实体时，可以以根图元为单位，依次构建单地理实体，进而构建出组合/聚合地理实体，形成完整的地理实体产品数据。此过程的逻辑如图2所示。

图2 从图元构建地理实体的方式

实现从图元数据构建地理实体的自动化，需要让上面的流程批量化自动执行，因此可以借助于ETL(Extract Transform Load，ETL)工具，以根图元为单位，按照数据流的形式执行。需要执行的流程如图3所示，主要步骤如下：

图3 图元自动生产地理实体流程图

(1)依据地理实体和图元的设计标准，自动化生成单图元的构建方案、子实体的构建方案以及组成关系约束规则。其中，单图元构建方案负责构建地理实体的图元组成部分，子实体构建方案负责地理实体的子实体组成部分，组成关系约束规则负责对地理实体构建过程进行约束，使其符合标准规范要求。

(2)单地理实体构建。单地理实体构建又分两种情况，一种是仅有根图元的情况，另一种是有根图元和主体图元、构件图元的情况。仅有根图元的情况，仅需要根据根图元与实体的对应关系，进行一对一的单元构建，之后赋值地理实体唯一标识码，即可实现单地理实体的构建；有根图元和主体图元、构件图元的情况，需要采用范围线构建的方式，即以根图元为单位，按照能够包络图元范围的轮廓线，依据组成关系约束规则，得到其组成部分的主体图元和构件图元，与根图元一起赋值地理实体唯一标识码，实现地理实体的构建工作。

(3)组合/聚合地理实体构建。在得到单地理实体后，可以对单地理实体进行添加子实体的方式构建组合/聚合地理实体。根据子实体构建方案，以能够包络地理实体范围的轮廓线为单位，依据组成关系约束规则，得到其组成部分的子实体，添加到实体组成关系中，实现组合/聚合地理实体的构建工作。

需要注意的是，有些情况下，单地理也可能是最后的产品，因此第三步组合/聚合地理实体的构建步骤，需要按照具体的需要执行。

2.3 组成关系约束规则

从上述图元数据自动化构建地理实体的流程中可看出，组成关系约束规则起到了关键作用，不同的组成关系约束规则，可构建出不同的地理实体数据。

组成关系约束规则，即在给定的范围内，按照规定的查找方式和过滤条件，寻找到需要的数据部分。

其中，过滤方式即地理实体允许的组成部分，可依据地理实体和图元的标准规范，自动生成。比如房屋可以由屋顶面、阳台组成，但不能由河流组成，当在给定的范围内查找到不允许的组成部分，比如河流，需要将其过滤掉。

查找方式即在指定的范围内按照哪种方法查找需要的组成部分。从存量数据生产地理实体和全息采集地理实体可以采用不同的查找方式实现地理实体的自动构建工作。

存量数据生产地理实体，一般是从存量数据的要素批量转换为图元，因此这过程中无法给图元指定关系。此时可以通过能够包络根图元的范围线，给予一定的缓冲区，在范围内搜索全部图元，之后进行组成关系过滤。这种方式完全无须人工干预，效率极高，但对于图元非常密集的区域，可能会出现多余的组成关系。

全息采集生产地理实体，一般是从倾斜模型、激光点云等数据上直接绘制图元数据，在绘制图元的过程中，即可指定包含关系，例如将绘制出来的屋顶图元和阳台图元标记为一组，这样在自动化生产地理实体时，可在规定的范围内，直接搜索与根图元同在一组的图元，即得到地理实体的组成部分。这种方式在图元的绘制过程中，需要少量的人工干预，但后期处理效率和精确程度都非常的高。

3 实践案例

本文作者在iData数据工厂软件以及其提供的ETL工具SME模块上[10]，按照数据流的形式实现了从图元数据到地理实体的自动化生产SME方案，并应用在国家新型基础测绘武汉试点中。

方案的流程图如图4所示，首先由项目中设计的地理实体标准，自动生成地理实体的构建方案(包括单元构建和范围线构建)以及地理实体的组成关系约束(图元、地理实体的关系和地理实体之间的关系)，之后在全部数据中，逐个选取根图元，在组成关系约束条件下，构建单地理实体，最后再给单地理实体搭建子实体关系，赋值标识码并保存关系，得到地理实体数据。当地理实体的规则发生变化时，则可以快速地重新执行该流程，得到新的地理实体数据。

图4 图元自动生产地理实体的SME方案流程图

图5是自动化生成的SME方案的部分截图，图6是地理实体和图元的组成关系约束配置截图，图中最左侧分类列出了各类地理实体，中间和右侧分别表达了左侧地理实体允许被选中的子实体、图元来组成，以此配置组成关系约束。

图5 图元自动生产地理实体的SME方案截图

图6 地理实体和图元的组成关系约束配置截图

在iData数据工厂软件中执行该方案，即可得到需要的地理实体数据。图7展示了一个自动构建的房屋地理实体的示例，示例房屋是一个由5个图元组成的单地理实体，2个屋顶面、2个雨罩和1个表达自然幢的房屋面共同组成一个房屋地理实体，同时示例房屋还有一个机关团体用地的父实体(即机关团体用地实体是包含了这个房屋实体的聚合实体)。

图7 自动生成的房屋地理实体示例

在国家新型基础测绘武汉试点项目中，该SME方案运行效率较高，主流配置的笔记本电脑上，3分钟即可构建大约10万条地理实体数据。

4 总 结

依据本文的分析和实践，从要素到图元，再自动化生成地理实体数据的过程可以通过ETL工具自动化实现，根据此流程设计的基于iData数据工厂的SME方案在国家新型基础测绘武汉试点中，快速完成了地理实体构建和建库工作。

该方法可以在地理实体组成规则发生变化时，快速地构建出符合新规则要求的地理实体数据，因此也适合地理实体数据的按需组装。当需要按需组装时，仅需修改组成规则，之后执行SME方案，即可快速得到新的地理实体数据。

可见，该方法既能够应用于从图元数据构建地理实体并建库，也能够应用与不同需求场合下获得不同的地理实体库，具有较强的实用价值。