陳明輝，張新長

（1.東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心， 廣東 東莞 523129；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 廣東 廣州 510275）

在空間數(shù)據(jù)更新的過程中，由于不同來源的采集數(shù)據(jù)其空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)不一，采集精度、采集時態(tài)、語義結(jié)構(gòu)等不同，數(shù)據(jù)間往往會產(chǎn)生空間沖突，表現(xiàn)為空間目標(biāo)圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沖突、屬性沖突和出現(xiàn)不符合空間數(shù)據(jù)庫約束規(guī)則的錯誤空間關(guān)系等。

這種多源空間數(shù)據(jù)的空間沖突檢測與處理是當(dāng)前國內(nèi)外GIS的前沿課題[1-2]，由于空間沖突的類型多樣性、計算復(fù)雜性、語義相關(guān)性等造成其難以檢測與處理，尤其在空間數(shù)據(jù)更新中面臨很多難題[3-5]。國內(nèi)外一些學(xué)者對此作了大量的研究，并得出一些理論研究成果，包括基于自定義約束規(guī)則的空間沖突檢測與處理方法[6]，基于空間目標(biāo)時空特性的空間沖突確認(rèn)方法[7]，還有從自動制圖綜合出發(fā)的空間沖突檢測模型[8]等。這些方法都有各自的局限性，通用性不強，很難應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

本文針對空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新中沖突的檢測與處理難題，分析了空間沖突的主要特征，提出空間沖突檢測與處理的難點與解決思路，并建立了相應(yīng)的空間沖突自動檢測與處理模型，最后實例進(jìn)行了驗證。

1 間沖突表現(xiàn)形式

Worboys從數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的角度提出了3種基本更新操作算子：建立、刪除和更新，其他更新操作都可以通過這3種基本操作來實現(xiàn)[9]。數(shù)據(jù)庫更新中這3個基本操作，都會對與之相關(guān)的其他空間目標(biāo)的空間關(guān)系造成影響，從而表現(xiàn)出不同的空間沖突。下面以簡單實例來分析其空間沖突表現(xiàn)：

1）增加空間目標(biāo)。如對數(shù)據(jù)庫中的居民地層進(jìn)行更新，增加一個房屋，但新增的房屋與居民地層中原有房屋出現(xiàn)了相互疊置的情況。一般來說，房屋之間正確的空間關(guān)系有相離與相接（局部邊界線重合）關(guān)系，而上述疊置關(guān)系屬于違反現(xiàn)實世界實體規(guī)則的錯誤關(guān)系，產(chǎn)生空間沖突，如圖1a所示。

2）刪除空間目標(biāo)。如對數(shù)據(jù)庫中的道路層進(jìn)行更新，刪除了一條道路，但是被刪除道路旁邊的道路配套設(shè)施（路燈、交通燈等）沒有同時刪除。在現(xiàn)實世界中，路燈等道路配套設(shè)施是依賴于道路而存在的，不可能獨立存在，因此上述的情況屬于錯誤的空間關(guān)系，產(chǎn)生了空間沖突，如圖1b所示。

3）修改空間目標(biāo)。如采集了某道路被整改后的竣工測量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新后，發(fā)現(xiàn)修改后的目標(biāo)道路落入了旁邊的水體，發(fā)生了不合理的空間關(guān)系，從而產(chǎn)生空間沖突，如圖1 c所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫更新中的3個基本操作產(chǎn)生的空間沖突表現(xiàn)

2 空間沖突檢測與處理

2.1 空間沖突檢測

現(xiàn)實世界地理實體的空間約束關(guān)系在GIS矢量數(shù)據(jù)庫中表達(dá)為要素之間的空間約束關(guān)系[10]。這種映射關(guān)系決定了在空間數(shù)據(jù)庫中空間目標(biāo)的幾何特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間位置、方向、屬性及其與其他空間目標(biāo)的空間關(guān)系等與對應(yīng)現(xiàn)實世界地理實體的相關(guān)特性間的一致性關(guān)系。

用Ai表示數(shù)據(jù)庫中的空間目標(biāo)，ai表示對應(yīng)現(xiàn)實世界中的地理實體，則兩者的映射關(guān)系可以表示為:

式中，fi表示制圖、更新編輯入庫一系列算子。

同時，數(shù)據(jù)庫中空間目標(biāo)之間的空間關(guān)系與現(xiàn)實世界中的地理實體之間的空間關(guān)系也存在一定的映射關(guān)系，假設(shè)數(shù)據(jù)庫中的空間目標(biāo)A,B之間的空間關(guān)系為T，即T(A,B)；對應(yīng)現(xiàn)實世界中的地理實體a,b之間的空間關(guān)系為T′，即T′(a,b)。它們的映射關(guān)系為：

式中，F(xiàn)表示映射函數(shù)。將式(1)代入式(2)得：

現(xiàn)實世界地理實體間的空間關(guān)系是真實存在的，因此式(3)中的T′(a,b)總為真關(guān)系，而對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中空間目標(biāo)間的空間關(guān)系T(f(a),f(b))則取決于其映射關(guān)系F。當(dāng)該映射關(guān)系表現(xiàn)為不合理時，T(f(a),f(b))就為偽關(guān)系，即產(chǎn)生了空間沖突。例如，現(xiàn)實世界中的某條道路a與某一建筑物b是相離關(guān)系T1，通過制圖更新入庫等抽象處理后，對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的道路線要素f(a)與建筑物面要素f(b)的空間關(guān)系變?yōu)榫€穿越面T2，出現(xiàn)不合理的映射關(guān)系F，造成空間沖突，如圖2所示。

圖2 不合理的空間映射關(guān)系造成空間沖突

現(xiàn)實世界地理實體跟數(shù)據(jù)庫空間目標(biāo)之間存在對應(yīng)的映射關(guān)系，而空間沖突的產(chǎn)生正是由于出現(xiàn)了不合理的映射關(guān)系，可以將現(xiàn)實世界地理實體間的真實空間關(guān)系以及真實的幾何語義特征作為判斷規(guī)則，再計算數(shù)據(jù)庫中更新空間目標(biāo)間的空間關(guān)系以及幾何語義特征，通過規(guī)則與計算結(jié)果的比對檢測空間沖突。因此，空間沖突檢測可以轉(zhuǎn)化為地理實體間空間關(guān)系與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫更新空間目標(biāo)間空間關(guān)系的比對過程，包括4個主要步驟：

1）根據(jù)現(xiàn)實世界地理實體間實際存在的語義關(guān)系、幾何特征和空間關(guān)系，明確實體與實體間的真關(guān)系與假關(guān)系集合，建立空間沖突的判斷規(guī)則；

2）計算數(shù)據(jù)庫中更新空間目標(biāo)的幾何、屬性特征、拓?fù)涮卣饕约翱臻g關(guān)系；

3）將計算出的空間關(guān)系及其他特征與判斷規(guī)則進(jìn)行比對，判斷有無空間沖突；

4）確認(rèn)空間沖突類型。

圖3 空間沖突檢測模型

2.2 空間沖突處理

根據(jù)空間沖突目標(biāo)數(shù)據(jù)類型的不同，可分為點與點、點與線、點與面、線與點、線與線、線與面、面與點、面與線、面與面9類空間沖突關(guān)系組合，本文對應(yīng)地設(shè)計了6種基本更新沖突處理方式，如表1所示。

表1 空間沖突關(guān)系組合與基本處理方式

上述基本的處理方式并不能處理所有空間沖突的情況，本文根據(jù)不同的沖突類型，針對性地給出了解決方案：

1）數(shù)據(jù)采集幾何精度與不確定性產(chǎn)生的空間沖突。如在采集精度范圍內(nèi)，出現(xiàn)房屋面之間的極小面積疊蓋、居民地線輕微伸入房屋面內(nèi)等情況。此類空間沖突可通過糾正精度誤差以消除空間沖突。

2）采集時態(tài)不確定性產(chǎn)生的空間沖突。如新測的房屋面與數(shù)據(jù)庫中舊房屋面相互疊置且疊置面積超過測量誤差、新測道路穿過數(shù)據(jù)庫中的湖泊等情況。此類空間沖突處理方式為更新沖突處理，以表1中的6種基本更新沖突處理方式為主。

3）增量采集造成的數(shù)據(jù)不完整性產(chǎn)生的空間沖突。如竣工測量采集的局部道路變更數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)庫完整道路的沖突、以圖幅為單位采集的某一圖幅不完整的邊界數(shù)據(jù)與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中完整數(shù)據(jù)的沖突等情況。此類空間沖突處理方式為拓?fù)湟恢滦蕴幚?，即為了保證數(shù)據(jù)的更新完整性，通過6種基本更新沖突處理方式處理后，對要素間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行修正，如屬于消除沖突后的多段線要素，由于實際上它們是同一條道路，因此還需要進(jìn)行接邊處理。

在實際工程操作中，很多的空間沖突都是上述幾種類型沖突的隨機組合，因此更新過程中必須要結(jié)合各種處理手段來綜合處理。

3 更新應(yīng)用實例

本實例在Windows環(huán)境下， 以Visual Studio 2008為開發(fā)工具，以O(shè)racle大型數(shù)據(jù)庫為支持，用C#語言開發(fā)并集成ArcEngine開發(fā)包，研制了空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新系統(tǒng)，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的動態(tài)更新以及空間沖突的自動檢測與處理等功能。本文對1∶1 000地形圖中道路的竣工測量數(shù)據(jù)，包括道路線數(shù)據(jù)（共480個要素）以及附屬綠地面數(shù)據(jù)（共44個要素）進(jìn)行更新實驗 (見圖4 )。

圖4 空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新實驗

針對新建設(shè)道路竣工后測量獲得的更新數(shù)據(jù)由于采集幾何精度與不確定性、采集時態(tài)不確定性、增量采集造成的數(shù)據(jù)不完整性造成各種空間沖突，系統(tǒng)應(yīng)用本文提出的空間沖突檢測與處理方法,通過相應(yīng)的智能算法完成絕大部分的空間沖突檢測處理工作,具體空間沖突檢測處理實驗結(jié)果如表2所示。

表2 空間沖突檢測處理試驗結(jié)果統(tǒng)計表

實驗結(jié)果顯示，空間沖突的正確檢測率為94.1%,空間沖突處理率為96.3%,但由于ArcEngine開發(fā)包的算法精度局限性、系統(tǒng)開發(fā)的不成熟性以及數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因,會出現(xiàn)空間沖突的錯檢、漏檢以及無法處理的情況,本次實驗漏檢率為5.9%，錯檢率為1.7%。

4 結(jié) 語

本文在分析空間數(shù)據(jù)更新中的空間沖突的表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，利用地理實體與數(shù)據(jù)庫空間目標(biāo)的映射關(guān)系，提出了空間沖突的檢測步驟，并給出了空間沖突檢測模型。同時，劃分出不同的空間沖突關(guān)系組合，設(shè)計了相應(yīng)的空間沖突基本處理手段，并考慮不同的沖突產(chǎn)生類型，針對性地給出了處理方案。最后通過自主開發(fā)的更新系統(tǒng)，以地形圖中竣工道路矢量數(shù)據(jù)作為更新數(shù)據(jù)，進(jìn)行了實例驗證，證實了本文方法的有效性。雖然該方法有較好的應(yīng)用效果，但由于開發(fā)應(yīng)用的一些限制和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響，空間數(shù)據(jù)更新中并不能完全檢測和處理所有的空間沖突，還需要結(jié)合人機交互確認(rèn)才能得到較好的結(jié)果。

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