胡斌斌，王 紅，2，姚君蘭

(1．湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062;2．區(qū)域規(guī)劃與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430062)

我國(guó)正逐步在國(guó)家、省、地、縣4級(jí)建立具有電子地圖功能，包含地名、區(qū)劃、界線矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)地名數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)內(nèi)已建成1∶50 000、1∶250 000和1∶1 000 000的地名數(shù)據(jù)庫(kù)，湖北、山西等省份建立了1∶10 000的地名數(shù)據(jù)庫(kù)，個(gè)別城市，如北京、上海、沈陽(yáng)、貴陽(yáng)等建立了市級(jí)的地名數(shù)據(jù)庫(kù)［1］。根據(jù)地名管理的需求，省、市、區(qū)、縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、村等各級(jí)名稱均包含在地名數(shù)據(jù)庫(kù)中。但區(qū)劃、界線信息僅覆蓋到縣一級(jí)，鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、村等僅有注記信息，并無(wú)空間范圍信息。鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、村等多屬于農(nóng)村地區(qū)，包含大量散列式居民地。根據(jù)在政治、經(jīng)濟(jì)和文化等方面的意義，居民地可分為城市式和農(nóng)村式兩大類。農(nóng)村式居民地相較于城市式居民地其居民地所占面積較小，通常不超過(guò)50%，分布密度低且分布相對(duì)分散［2］。農(nóng)村式居民地根據(jù)不同的制圖區(qū)域、地形特點(diǎn)，其圖形結(jié)構(gòu)可分為街區(qū)式居民地、散列式居民地、分散式居民地和特殊形式居民地等。散列式農(nóng)村居民地未經(jīng)規(guī)劃，房屋大多依地形而建，相對(duì)集中，沒(méi)有明確的街道，外圍輪廓十分不明顯［3］。為補(bǔ)充散列式居民地邊界信息的不完備，本文結(jié)合散列式居民地的特點(diǎn)提出基于地名數(shù)據(jù)庫(kù)的散列式居民地邊界提取方法。

一、地名及邊界提取現(xiàn)狀

邊界提取的首要問(wèn)題在于要素提取，以往要素提取大多依賴查詢屬性信息的完成。當(dāng)前中國(guó)正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展時(shí)期，新生地名快速涌現(xiàn)，舊有地名變更頻繁，地名數(shù)量多，更新速度快［4］。在舊有地名變更或新生地名產(chǎn)生時(shí)，地名數(shù)據(jù)庫(kù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)若無(wú)法同步更新，將出現(xiàn)地名數(shù)據(jù)庫(kù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)屬性無(wú)法對(duì)應(yīng)的情況，依據(jù)傳統(tǒng)的屬性選取方法可能無(wú)法提取變更后或新生地名所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)要素。為解決地名數(shù)據(jù)庫(kù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)因地名變更而導(dǎo)致的要素提取困難，本文通過(guò)空間位置信息對(duì)地名數(shù)據(jù)庫(kù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立地名數(shù)據(jù)與DLG數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基于地名數(shù)據(jù)庫(kù)的要素提取。

完成要素提取需進(jìn)一步對(duì)所提取要素進(jìn)行邊界提取，通過(guò)建立凸殼形成凸多邊形構(gòu)成點(diǎn)群的外圍輪廓線提取邊界是相對(duì)簡(jiǎn)單的一種方法，應(yīng)用也較普遍。計(jì)算平面點(diǎn)集的凸殼算法主要有:卷包裹法、格雷厄姆方法、分治算法、增量算法、實(shí)時(shí)算法、快速算法和周培德的Z3-8算法等［5］。居民地邊界形狀復(fù)雜多樣，而凸殼方法僅能生成凸多邊形，無(wú)法表達(dá)居民地整體形狀輪廓。如圖1所示，黑色邊界通過(guò)格雷厄姆法建立凸殼形成，包含大量無(wú)居民地要素的空白區(qū)域，并且遺漏了重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為應(yīng)對(duì)居民地邊界形狀復(fù)雜多樣的特性，本文通過(guò)聚合面方法提取邊界。聚合面是一種制圖綜合操作，將指定距離內(nèi)的面要素合并成新的面要素，在居民地要素分布類型發(fā)生變化時(shí)通過(guò)改變聚合距離確保所提取邊界正確表達(dá)居民地形狀輪廓，適用性更強(qiáng)。

圖1 凸殼法邊界提取結(jié)果

二、基于地名數(shù)據(jù)庫(kù)的居民地要素提取

本文以地名數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，首先通過(guò)地名檢索獲取地名注記相關(guān)屬性項(xiàng)，并以此關(guān)聯(lián)地名數(shù)據(jù)和DLG數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后，以地名注記點(diǎn)建立泰森多邊形，通過(guò)按位置選取判斷地名注記、泰森多邊形、居民地要素三者的位置關(guān)系，提取地名所含居民地要素，流程如圖2所示。

圖2 居民地要素提取流程

1．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)概況

本文地名數(shù)據(jù)庫(kù)依照國(guó)家地名數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，屬性項(xiàng)設(shè)置包括:標(biāo)準(zhǔn)地名、少數(shù)民族民族書寫、羅馬字母拼寫、地名發(fā)音、別名、簡(jiǎn)稱、類別名稱、使用時(shí)間、地理位置、語(yǔ)種、密級(jí)、地名含義、來(lái)歷、歷史沿革等內(nèi)容［6］。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)命名根據(jù)圖上區(qū)域?qū)?yīng)地圖分幅編號(hào)給定，散列式居民地包含依比例尺、半依比例尺和不依比例尺各類建筑物，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中分別存儲(chǔ)為面狀要素、線狀要素和點(diǎn)狀要素。面狀要素對(duì)應(yīng)于依比例尺的建筑物或街區(qū)建筑，線狀要素對(duì)應(yīng)半依比例尺獨(dú)立房屋，點(diǎn)狀要素對(duì)應(yīng)普通不依比例尺房屋與窯洞等特殊不依比例尺房屋。

2．居民地要素提取方法

基于地名數(shù)據(jù)庫(kù)的要素提取流程主要包括地名數(shù)據(jù)與DLG數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系建立和建立泰森多邊形進(jìn)行要素提取。

(1)建立地名數(shù)據(jù)與DLG數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1)在地名數(shù)據(jù)庫(kù)檢索指定地名，獲取指定地名屬性項(xiàng)中類別名稱信息和地理位置信息，如圖3所示。

圖3 地名檢索

2)以地理位置信息計(jì)算圖幅編號(hào)獲取其對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)名稱。

3)通過(guò)將類別名稱信息與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)分層標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，獲取地名注記在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中要素對(duì)應(yīng)圖層。

(2)基于泰森多邊形選取要素

1)以居民地注記點(diǎn)圖層生成泰森多邊形如圖4所示，每個(gè)泰森多邊形內(nèi)包含一個(gè)注記點(diǎn)，且泰森多邊形內(nèi)所包含的點(diǎn)到該注記點(diǎn)的距離最近［7］。

圖4 創(chuàng)建泰森多邊形

2)根據(jù)地名檢索選定注記點(diǎn)，以按位置選取，提取出包含該注記點(diǎn)的泰森多邊形，如圖5所示。

圖5 泰森多邊提取

3)通過(guò)按位置選取，分別提取點(diǎn)、線、面居民地圖層中被泰森多邊形所包含的居民地要素。即可提取出指定注記點(diǎn)所含居民地要素，實(shí)現(xiàn)基于地名數(shù)據(jù)庫(kù)的居民地要素提取，結(jié)果如圖6所示。

圖6 居民地要素提取結(jié)果

三、基于聚合面的邊界提取

聚合面可將彼此緊密臨近的面要素(包括相鄰面在內(nèi))進(jìn)行合并。該方法將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格，然后查找指定距離內(nèi)的要素將其連接，最后將結(jié)果重新轉(zhuǎn)換為具有正確的新邊界構(gòu)造的矢量數(shù)據(jù)即為所提取結(jié)果，流程如圖7所示。

圖7 邊界提取流程

1．要素轉(zhuǎn)換

由于散列式居民地包含多類型要素，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中按點(diǎn)、線、面3種類型存放在不同圖層中。在對(duì)點(diǎn)、線居民地要素進(jìn)行聚合面操作前需將不依比例尺的點(diǎn)、線居民地要素轉(zhuǎn)換為面，并與依比例尺的面狀居民地要素進(jìn)行合并。

本文通過(guò)建立緩沖區(qū)的方法將點(diǎn)、線居民地要素轉(zhuǎn)換為面。根據(jù)1∶50 000地形圖圖式中居民地要素符號(hào)尺寸的相關(guān)規(guī)定，不依比例尺的普通點(diǎn)狀房屋在圖上符號(hào)半徑為0．4 mm，以20 m(0．4 mm×50 000)為半徑建立緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為面，特殊點(diǎn)狀房屋窯洞在圖上符號(hào)半徑為0．8 mm，40 m(0．8 mm×50 000)為半徑建立緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為面;半依比例尺的線狀獨(dú)立房屋在圖上寬度為0．4 mm，以20 m(0．4 mm×50 000)為半徑建立緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為面。

2．閾值判定

如圖8所示，居民地注記所含要素可能密集分布或離散分布。為使本方法適用性更強(qiáng)，需針對(duì)居民地要素分布狀況給定不同聚合距離，確保注記所含要素中存在離散要素時(shí)所提取邊界能反映此特征，正確表達(dá)居民地分布狀況。本文以迭代法判斷獨(dú)立閾值判定聚合距離，判定過(guò)程如下:

1)通過(guò)臨近分析獲取目標(biāo)注記各個(gè)要素中心點(diǎn)與臨近要素中心點(diǎn)之間的最近距離，可得有序數(shù)列(L1，L2，L3，…，Ln)。

2)以Ln為半徑，以各個(gè)居民地要素中心點(diǎn)為圓心，掃描面要素?cái)?shù)量，可得整型有序數(shù)列(N1，N2，N3，…，Nn)，其中Nn=1。若N1、N2、N3、…、Nn－1均大于1，則說(shuō)明Ln所對(duì)應(yīng)居民地要素距離其他居民地要素最遠(yuǎn)，且相對(duì)獨(dú)立，需單獨(dú)提取，以Ln－1為聚合距離。

3)若Nn=1不唯一，則以Ln－1為半徑，掃描面要素，到整型有序數(shù)列(N1，N2，N3，…，Nn－1，Nn)，其中Nn=0，Nn－1=1。若Nn－1=1唯一，則以Ln－2為聚合距離。若Nn－1=1不唯一，則繼續(xù)上述過(guò)程，直至Nn－a=1(0＜a＜n)唯一，以Ln－a－1為聚合距離。

圖8 居民地分布圖

以此方法所得閾值作為聚合距離進(jìn)行聚合面，可在居民地存在離散分布要素時(shí)避免離散要素與密集區(qū)域連成整體，從而使所提取邊界能正確反映居民地疏密狀況和形狀輪廓。

四、邊界提取結(jié)果分析

為驗(yàn)證邊界提取結(jié)果的合理性，本文以某地單幅1∶50 000地形圖為數(shù)據(jù)源，依據(jù)所述數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作地名數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，圖上包含點(diǎn)狀窯洞、線狀獨(dú)立房屋及面狀建筑在內(nèi)的大量農(nóng)村散列式居民地。以本文所述方法進(jìn)行試驗(yàn)，分別輸入居民地名稱“仁里府”與“李家河”進(jìn)行檢索，最終邊界提取結(jié)果如圖9所示。

圖9 聚合面法邊界提取結(jié)果

圖9(a)說(shuō)明該地名注記所含居民地要素存在離散分布，最終結(jié)果分界顯示;圖9(b)說(shuō)明該地名注記點(diǎn)同時(shí)包含面狀依比例尺居民地要素(獨(dú)立房屋)及點(diǎn)狀不依比例尺居民地要素(窯洞)，最終結(jié)果將所有要素包含在內(nèi)。

以上結(jié)果說(shuō)明:聚合面邊界提取方法適用于多類型散列式居民地要素，能針對(duì)不同居民地的要素密集程度生成單個(gè)或多個(gè)邊界，所提取邊界能真實(shí)反映居民地輪廓形狀。

五、結(jié)束語(yǔ)

散列式居民地作為居民地的重要組成部分，在農(nóng)村廣泛存在，但目前針對(duì)它的研究卻相對(duì)較少。本文依據(jù)現(xiàn)有地名數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合考慮居民地要素的多類型和所得邊界的合理性，以地名數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)要素選取，以迭代法確定聚合面方法聚合距離完成邊界提取，試驗(yàn)區(qū)域邊界提取結(jié)果與數(shù)據(jù)源吻合較好。

本文所述方法存在以下問(wèn)題有待進(jìn)一步研究:地名形狀特征各異，本文通過(guò)緩沖區(qū)將點(diǎn)狀、線狀居民地轉(zhuǎn)換為面的方法有待進(jìn)一步改進(jìn)，以使轉(zhuǎn)換結(jié)果能更準(zhǔn)確覆蓋各類地物;聚合面方法涉及柵矢轉(zhuǎn)換過(guò)程，效率較低，算法效率有待加強(qiáng)改進(jìn);居民地類型及分布十分多樣，本文并未考慮所有居民地類型和各種分布狀況，邊界提取過(guò)程如果能加入質(zhì)量控制能有效發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，使方法適用性更強(qiáng)。

［1］ 黃大寧，鄔群勇，滿旺，等．縣級(jí)地名時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)繪科學(xué)，2014，39(11):121．

［2］ 盛文斌．散列式居民地的自動(dòng)選取研究［D］．鄭州:信息工程大學(xué)，2010．

［3］ 祝國(guó)瑞，郭禮珍，尹貢白．地圖設(shè)計(jì)與匯編［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2010．

［4］ 中華人民共和國(guó)民政部．2005民政事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告［Z］．2006-04-03．

［5］ 周培德．計(jì)算幾何——算法分析與設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［6］ 姬煒，胡小勇，王建春．中國(guó)國(guó)家地名數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)淺析［J］．中國(guó)地名，2012(5):76-78．

［7］ 陳春，泰森多邊形的建立及其在計(jì)算機(jī)制圖中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪學(xué)報(bào)，1987，16(3):223-231．