基于存量数据的基础地理实体设计与生产研究

管 佳,闫保银,孙在宏,2

(1.南京国图信息产业有限公司,江苏 南京 210036;2.南京师范大学,江苏 南京 210023)

0 引 言

随着新型基础测绘与实景三维中国建设的提出,测绘地理信息行业越来越多的研究重心投入到实景三维建设中。实景三维作为数字中国的数据基础,其生产包括地理场景和地理实体两者的生产。目前DEM、DOM、激光雷达点云、倾斜三维模型等地理场景的生产继承了原有的标准规范,而地理实体的数据标准、采集规范、技术方法等尚未成熟,导致实景三维建设出现了“重场景,轻实体”的生产倾斜。基础地理实体是地理实体中通过基础测绘采集和表达的实体,因此本文对基础地理实体构建开展了深入研究。基础地理实体的生产有两种方式:① 通过存量基础地理信息要素数据转换生产;② 依据DEM、倾斜三维模型等地理场景数据重新采集。本文围绕第一种生产方式研究了基于存量数据转换生产基础地理实体的技术路线和方法。

1 基础地理实体设计

由于缺乏数据标准、采集规范等指导,在基础地理实体生产前,首先进行基础地理实体相关设计,通过概念模型、物理模型、语义化、结构化等设计构建了基础地理实体的生产基础。

1.1 概念模型设计

根据实体的自然形态和表达形式,在传统二维平面形式的基础上增加了可视化更强的三维空间体的形式,设计了基础地理实体“一体多维”的概念模型,即每个基础地理实体可同时由多个二维图元(点、线、面图元)及三维图元(立体图元)构成。实体与实体之间也存在相同图元构成的情况。

1.2 物理模型设计

根据实体构建需要,设计了基础地理实体“两层三表”的物理模型(图1)。“两层”是图元现状层和图元历史层,分别记录现状图元和历史图元的几何属性和空间信息;“三表”是实体属性表、实体关系表、实体图元关联表,分别记录基础地理实体的属性信息、实体与实体之间的关系信息、实体与图元之间的关联信息[1]。

图1 “两层三表”物理模型

实体设有实体标识码,通过实体的“专有标识域+标准域+扩展域”三段式构成,对实体进行唯一身份标识;图元设有图元标识码,是在基础地理实体的类别编码上结合图元的行政单元、精度等级、几何类型等,对图元进行唯一标识。实体与构成该实体的图元之间通过标识码进行关联,存在一对一或一对多的关系,如一个路灯实体由一个路灯图元构成,一个房屋实体由房屋主体图元和阳台、柱廊等构件图元共同构成。

1.3 语义化设计

语义化设计包括属性设计和关系设计(图2)。属性设计根据图元和实体的表达需要均设计了基本属性和扩展属性。图元基本属性设有图元标识码、图元名称、采集时间、几何来源、属性来源、图元类型等,图元扩展属性按照不同的类别设有对应的属性,如道路设有道路编号、技术等级、铺设材料、车道数等。实体基本属性设有实体标识码、实体分类代码、实体名称、采集时间等,实体扩展属性按实体类别不同设有不同的属性,如河流设有起点、讫点、通行性质、等级、功能等。实体关系沿用国家标准中实体之间的四大关系:空间关系、类属关系、时间关联关系和几何构成关系[2]。

图2 语义化设计

1.4 结构化设计

实体采集时,优先采集建筑物、交通、水系三大实体,再采集其他实体,优先级为建筑物>交通>水系>其他实体。建筑物实体依据建筑物的独立属性或完整功能来划分,应包括房屋主体图元和阳台、门顶等构件图元。交通实体设计了铁路、高速公路、城市道路、内部道路、乡村道路等不同类别的图元采集方式。水系实体在空间上连续分布,不因道路、桥梁等打断,河流实体应提取连通交叉口。

2 基础地理实体生产

2.1 数据提取和转换

收集最新基础地理信息要素(大比例尺地形图)及国土变更调查数据,按基础地理实体与基础地理信息要素之间的映射关系、国土变更调查各类型与农林用地及土质单元实体之间的映射关系,分别提取不同类型的图元[3]。但原基础地理信息数据采集时侧重于图面表达,导致组成要素是分散的、孤立的,按照对照关系映射转换后,需按各类基础地理实体的空间粒度、空间表达形式进行编辑处理。

2.2 图元编辑

图元编辑是将基础地理信息要素中无法直接转换成基础地理实体图元的要素,按基础地理实体的结构化设计要求,通过数据处理得到能够真实完整表达基础地理实体的位置、范围和形态的图元。图形编辑处理主要包括图形勾绘、按属性合并、跨图层合并、线转面、提取中心线/点、面合并、面分割等方式[4]。

2.2.1 建筑物实体

主体结构独立的房屋单独构建房屋实体,即能够独立标识房屋外轮廓的封闭多边形。房屋相关的阳台、檐廊、门顶等作为附属构件图元共同构成房屋实体(图3)。房屋相连但属于不同权属时应分别构面(图4)。房屋由多个图元组成且不同图元的层数或建筑结构不相同时,提取外轮廓面作为房屋实体面,层数和建筑结构以最高房屋为准。

图3 房屋的主体和构件图元

图4 相连但权属不同的房屋

2.2.2 交通实体

按照道路名称及起止点,利用道路边线进行构面处理,对于按照中心线采集的,利用道路宽度进行缓冲构面处理。城际公路和城市道路在道路拐角处打断并提取道路连通交叉口(图5-图6);城市辅路不打断不提取交叉口,只保持图元连续;内部道路根据线要素构面,并保持图元连续;乡村道路在分叉处打断、不提取连通交叉口。铁路路面在分叉处打断、不提取连通交叉口;高速公路路面存在空间交叉、立面相交,提取匝道进行连通[5-6]。

图5 提取道路连通交叉口(前)

图6 提取道路连通交叉口(后)

2.2.3 水系实体

水系图元保持连通性,如河流遇到桥梁不打断,河流和桥梁是空间上的立交,分别提取各自的图元;河流与河流相交时,河流图元应在交汇处断开,提取连通交叉口(图7-图8),连通交叉口录入对应的所有交汇河流的属性。沟渠只需要在分叉处打断,不需要提取交叉口。

图7 提取河流连通交叉口(前)

图8 提取河流连通交叉口(后)

2.3 属性编辑

属性编辑是按照基础地理实体的语义化设计要求,结合各类辅助数据得到能够真实、完整表达地理实体的语义、时间、应用等各方面特征的属性数据。属性编辑主要有两种:一种为手动赋值,一种是批量属性挂接,即属性复制或使用属性映射等工具进行快速、自动批量赋值。

建筑物实体继承房屋要素数据的层数、幢号、房屋结构等信息,同时参考地名地址数据、权籍调查数据核准和补充房屋的地址信息。交通实体依据交通专题数据,逐条核查道路的起讫点、走向等空间信息及名称、编码等属性信息。河流实体依据权威名录资料逐一核对河流的起讫点、走向、名称、等级、长度等信息,参考水利普查、确权划界、河长制数据等水利行业资料进行补充。

2.4 标识码赋值

经编辑处理、属性赋值后,对图元进行编码,通过图元标识码对图元进行区分和识别。将图元与基础地理实体之间的关系存储在实体图元关联表中,通过实体图元关联表中图元标识码和实体标识码间的对应关系,将实体对应的所有图元提取,实现实体表达。

2.5 实体关系构建

2.5.1 关系构建

基于知识图谱,结合影像和其他专题资料,建立实体关系表,构建实体间关系。利用知识图谱图数据库形式来存储基础地理实体关系、实体图元关系等关系数据,实现人机兼容理解的目的,实现复杂的基础地理实体数据的快速查询、快捷分析。实体关系主要有依赖、连通、整部、相邻等,常见的实体关系示例如表1所示。

表1 实体关系示例

2.5.2 实体组合

组合实体是把一定范围内拥有相同管理权属、在空间上保持连续的地理实体组合起来表达的实体。利用实体关系表存储组合实体与组成部分的单个实体之间的关系,通过关系索引直接将单个实体组合成组合实体。构建组合实体的方式有按空间、按属性、按关键字3种方式[7]。如院落按空间关系将院落内的房屋、围墙、栅栏、内部道路、绿地、水系、附属设施等地理实体提取构建实体(图9-图10);道路按相同的道路编码属性将被其他实体打断的公路组合成一个实体;多个实体的某一属性具有相同的关键字,可进行关键字模糊查询并提取对应实体。

图9 院落内的房屋、绿地、内部道路

图10 院落实体

2.6 二三维实体关联

二维形式表达的地理实体生产完成后,通过地理实体标识码,将三维体图元与二维地理实体一一关联。每个二维地理实体都有对应的体图元,体图元具备对应地理实体的标识码,通过标识码作为连接的桥梁,可自动批量完成二维地理实体与三维体图元的关联融合,生成二三维形式表达的地理实体,实现二三维实体关联。

3 结 语

本文通过基础地理实体设计为实体生产奠定基础,探索了利用存量基础地理信息要素生产基础地理实体的技术方法,对基础地理实体生产过程中数据提取与转换、图元编辑、属性编辑、标识码赋值、实体关系构建、二三维实体关联等关键环节进行了探讨。充分利用存量基础地理信息要素数据来进行生产,能够提高实体生产工作效率,节约生产成本。