曹亞妮，王麗君，吳芳華,李嘉星

(1.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043； 2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.61363部隊，陜西 西安 710054； 4.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 5.西安測繪研究所，陜西 西安 710054)

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一種任務(wù)自適應(yīng)的空間關(guān)系缺陷自動識別方法

曹亞妮1,2，王麗君3,4，吳芳華2,5,李嘉星3

(1.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043； 2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.61363部隊，陜西 西安 710054； 4.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 5.西安測繪研究所，陜西 西安 710054)

針對現(xiàn)有的空間關(guān)系缺陷識別方法和算法通用性較差，不能適應(yīng)不同任務(wù)需求的問題，提出了任務(wù)自適應(yīng)的空間關(guān)系缺陷自動識別方法。首先提升改進(jìn)了傳統(tǒng)的模板匹配法，提出了基于功能的基本算子剖分方法；然后研究了模板與算子重組方法；最后進(jìn)行了相關(guān)試驗，對上述方法進(jìn)行了驗證。

任務(wù)自適應(yīng)；空間關(guān)系；缺陷；自動識別

一、引 言

矢量地圖數(shù)據(jù)的空間關(guān)系缺陷是矢量地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷中的一種，即不符合矢量地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)規(guī)范(如《1∶50 000數(shù)字地形圖編輯出版作業(yè)細(xì)則》《數(shù)字地圖矢量數(shù)據(jù)模型及格式》等)的空間關(guān)系質(zhì)量問題。這些質(zhì)量問題可能會造成地圖數(shù)據(jù)形式混亂，或造成地理目標(biāo)間的空間關(guān)系不能正確表達(dá)現(xiàn)實世界對應(yīng)地理實體間的空間關(guān)系，從而不便于生產(chǎn)、管理、發(fā)布、更新、共享及應(yīng)用。矢量地圖數(shù)據(jù)空間關(guān)系缺陷自動識別方法研究的意義重大，不僅有利于提高空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而且有利于提升地理信息服務(wù)的廣度和深度[1-2]。

目前，眾多學(xué)者對空間關(guān)系缺陷的自動識別方法進(jìn)行了研究，主要有3種：基于空間關(guān)系計算的方法、基于拓?fù)湟?guī)則約束的方法和基于規(guī)則發(fā)現(xiàn)的方法[3-5]。但是，由于矢量地圖數(shù)據(jù)空間關(guān)系缺陷產(chǎn)生的原因復(fù)雜多樣，存在于數(shù)據(jù)采集、生成、處理及應(yīng)用各個環(huán)節(jié)，與所采用的編碼、規(guī)范、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采集標(biāo)準(zhǔn)、具體要求等多種因素關(guān)系密切，這就導(dǎo)致現(xiàn)有的空間關(guān)系缺陷識別方法和算法通用性較差，不能適應(yīng)不同的任務(wù)需求。因此，需要研究能夠適應(yīng)不同任務(wù)的矢量地圖數(shù)據(jù)缺陷識別方法，以提升缺陷識別的靈活性和適應(yīng)性，從而提高矢量地圖數(shù)據(jù)缺陷自動識別的效率。

二、基本思路

通過對矢量地圖數(shù)據(jù)空間關(guān)系缺陷識別方法的研究可知，缺陷識別方法之間存在一定的共性。如等高線落水和道路落水缺陷的識別，在語義關(guān)系方面，都需要確定落水面要素集、落水線要素集；在空間關(guān)系判斷算法方面，都是線—面關(guān)系判斷，算法具有一定通用性。

以實現(xiàn)的功能為指標(biāo)對識別方法剖析可得，空間關(guān)系缺陷識別一般有兩個步驟：確定參與計算的地理實體(語義關(guān)系確定)和計算地理實體間的空間關(guān)系(空間關(guān)系計算)。其中，空間關(guān)系計算方面，進(jìn)一步剖析可知每個空間關(guān)系計算算法都由若干基礎(chǔ)算子按照一定的規(guī)則組合而成，同時這些基礎(chǔ)算子在功能上有著重復(fù)性。無論空間關(guān)系計算算法能夠?qū)崿F(xiàn)多復(fù)雜的功能，歸根到底都可以將其分解為若干個能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能的算子的組合。當(dāng)分析出這些基本算子時，在一定的原則指導(dǎo)下，就可以通過這些基本算子的重新嵌套、組合得到各種復(fù)雜的缺陷識別算法。

因此，可以得出以下任務(wù)自適應(yīng)的空間關(guān)系缺陷識別的基本思路，如圖1所示。首先，針對每個空間關(guān)系缺陷識別任務(wù)，依據(jù)相應(yīng)的缺陷識別規(guī)則，可以得知其語義關(guān)系和空間關(guān)系；進(jìn)一步的，采用模板匹配法，通過地理要素編碼確定參與空間關(guān)系計算的地理實體；接著，在基于功能的基本算子剖分方法的支撐下，選擇進(jìn)行空間關(guān)系計算的基本算子；最后，將模板與基本算子按照一定方法進(jìn)行組合，即可實現(xiàn)對空間關(guān)系缺陷的識別。

圖1 任務(wù)自適應(yīng)的空間關(guān)系缺陷自動識別的基本思路

1.空間關(guān)系缺陷自動識別的模板匹配法

模板匹配法是借助模板文件來識別數(shù)據(jù)缺陷的方法。模板文件記錄了某類要素的共有特征，主要是根據(jù)作業(yè)細(xì)則、圖式規(guī)范、數(shù)據(jù)模型、地理信息要素編碼、制圖規(guī)則等來詳細(xì)確立，不同比例尺地圖數(shù)據(jù)采用的模板不同。模板匹配法不僅可以對照模板上定義的規(guī)則進(jìn)行屬性項真值的比對檢查，而且可以依據(jù)實際需求非常靈活地設(shè)定各種模板來輔助空間關(guān)系缺陷的識別。模板匹配法有以下幾種：

(1) 真值模板匹配法

真值模板匹配法是對具有固定取值的屬性項缺陷進(jìn)行識別的方法。其實質(zhì)在于把需要檢查的屬性項的正確取值(真值)按一定的形式存儲在模板中形成規(guī)則，缺陷識別時依據(jù)讀取規(guī)則與待檢內(nèi)容進(jìn)行逐項比對。此時，模板中記錄的內(nèi)容只有屬性項的真值，屬性項的數(shù)目可以依據(jù)具體需要靈活設(shè)置。

此類方法適用于對真值確定的屬性項進(jìn)行缺陷識別，如元數(shù)據(jù)項、各類編碼、注記顯示規(guī)范等。常見模板有元數(shù)據(jù)模板、注記模板、車站代碼模板、省道編碼模板、國道編碼模板、河流編碼模板、類型碼模板、行政區(qū)劃代碼模板等。其中，注記模板中包含了編碼、注記類型、字大1、字大2、字體1、字體2、字體3、字體4、字型1、字型2、字色1、字色2、字色3共13項內(nèi)容，圖2為1∶5萬注記模板。

(2) 約束模板匹配法

約束模板匹配法的實質(zhì)在于把被約束的目標(biāo)編碼、屬性項、相應(yīng)的閾值按一定的形式存儲在模板中形成規(guī)則，缺陷識別時依據(jù)編碼和約束條件對待檢內(nèi)容進(jìn)行判斷。此時，規(guī)則中記錄的內(nèi)容為編碼、要素名稱和閾值。

圖2 1∶5萬注記模板

本方法適合于對有固定閾值約束的屬性項進(jìn)行檢查。常見模板有最小面積模板、最小長度模板等。圖3為最小面積模板，其中記錄了一些需要進(jìn)行最小面積判斷的地理要素及其最小面積閾值，包括代碼、要素名稱、閾值3個屬性項。

圖3 最小面積模板

(3) 要素集模板匹配法

要素集模板是記錄某些具有共同性質(zhì)的地理要素的集合。在缺陷識別時，依據(jù)規(guī)則中記錄的要素編碼和名稱，逐項檢查。此時，規(guī)則中記錄的內(nèi)容為需要進(jìn)行某項缺陷識別的要素編碼和名稱。

要素集模板匹配法不僅適用于屬性缺陷和元數(shù)據(jù)缺陷的逐項識別，還適用于空間關(guān)系缺陷的輔助識別，常見模板有注記散列檢查模板、非落水面模板、非法進(jìn)街區(qū)的線要素模板、落水面模板等。如圖4為非法進(jìn)街區(qū)線要素模板。

圖4 非法進(jìn)街區(qū)線要素模板

2.基于功能的基本算子剖分方法

基本算子是各種空間關(guān)系缺陷識別算法建立的基礎(chǔ)。要對識別算法進(jìn)行系統(tǒng)的剖分，才能得到全面、準(zhǔn)確的基本算子?？紤]到矢量地圖數(shù)據(jù)空間關(guān)系缺陷識別面向生產(chǎn)任務(wù)的特點，按照算子的功能性對其進(jìn)行剖分。對基本算子進(jìn)行剖分時，應(yīng)按照粒度適宜、個數(shù)有限的原則。前者關(guān)系到基本算子組合的靈活性，后者關(guān)系到具體算法實現(xiàn)的可能性。

目前剖分出來的基本算子有仿射變換算子、比較算子、鏈的外接矩形算子、點到線段的距離算子、兩點間的距離算子、鏈中刪除點算子、鏈中增加點算子、鏈的連接算子、面域點的坐標(biāo)算子、逆向點算子、落入算子、交點算子、平行線算子、夾角算子等，部分算子及其基本功能見表1。

表1 剖分出的基本算子(部分)

3.任務(wù)自適應(yīng)的模板與算子重組方法

以等高線與面狀水域之間的空間關(guān)系缺陷識別為例，說明任務(wù)自適應(yīng)的模板與算子重組方法。重組步驟如下：

(1) 語義關(guān)系抽象

依據(jù)缺陷識別規(guī)則，產(chǎn)生缺陷的要素必須是水系與等高線，具體來說，所屬的地理要素集模板如圖5所示。

圖5 等高線與面狀水域之間的空間關(guān)系缺陷識別模板

(2) 空間關(guān)系抽象

依據(jù)以上規(guī)則，此缺陷可抽象為線要素與面要素的關(guān)系判斷問題，進(jìn)一步可以抽象為點要素與面要素的關(guān)系判斷問題，以及線要素與線要素的關(guān)系判斷問題。

(3) 基礎(chǔ)算子的選擇

依據(jù)上述步驟分析，識別此缺陷應(yīng)當(dāng)選擇以下基礎(chǔ)算子：點與多邊形關(guān)系的落入算子、最小外接矩形算子、角度算子或面積算子或距離算子。

(4) 基礎(chǔ)算子的重組

在缺陷識別時，依據(jù)以下步驟把基礎(chǔ)算子重組：

1) 依據(jù)要素屬性編碼找到參與關(guān)系判斷的地理實體。

2) 采用基礎(chǔ)算子對空間關(guān)系進(jìn)行判斷。首先利用最小外接矩形算子計算出多邊形與線的最小外接矩形，利用最小外接矩形排除大量不必參與計算的點；然后利用點是否在多邊形中的落入算子判斷當(dāng)前點是否落入水域面中，若落入，則進(jìn)一步用閾值來精確判斷。

3) 利用閾值來精確判斷時就需要選擇角度算子或面積算子或距離算子來計算相應(yīng)的度量關(guān)系。

4) 有時，也可以采用以閾值為半徑，作面的內(nèi)外緩沖區(qū)，判斷線與緩沖區(qū)之間的關(guān)系的方法來判斷要素落水的空間關(guān)系缺陷。這樣，就不需要進(jìn)行度量值與閾值的比較判斷，是另外一種考慮了閾值的空間關(guān)系判斷方法。

常見空間關(guān)系缺陷識別任務(wù)的模板與基礎(chǔ)算子重組關(guān)系見表2。

這樣根據(jù)不同的地圖數(shù)據(jù)缺陷識別任務(wù)，如不同比例尺、不同質(zhì)量要求、不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，不用修改軟件系統(tǒng)，只需要按以上步驟進(jìn)行分析，裝載合適的檢查模板、選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)算子就可以進(jìn)行缺陷識別。

表2 任務(wù)自適應(yīng)的模板與算子重組表(部分)

三、空間關(guān)系缺陷自動識別試驗

依據(jù)上述基本思路，可實現(xiàn)空間關(guān)系缺陷的自動識別。首先對自動檢查項進(jìn)行設(shè)置，然后依據(jù)需要識別的空間關(guān)系缺陷讀取相應(yīng)的模板文件。比例尺不同，模板不同，如圖6所示。在實際應(yīng)用過程中，用戶可以依據(jù)實際任務(wù)需求對模板進(jìn)行設(shè)置和更改，具有很大的靈活性。

圖6 不同比例尺空間關(guān)系缺陷識別的模板文件

點擊“自動檢查及格式轉(zhuǎn)換”，系統(tǒng)在后臺通過基本算法的分解和重組，對地理要素目標(biāo)間的空間關(guān)系進(jìn)行計算。依據(jù)計算結(jié)果可判斷是否產(chǎn)生空間關(guān)系缺陷，如圖7(a)為水曲矛盾缺陷的自動識別結(jié)果，圖7(b)為道路落水的識別結(jié)果。

通過試驗可知，采用本文方法，可極大地提高缺陷自動識別的靈活性和通用性，能夠滿足不同空間關(guān)系缺陷自動識別任務(wù)的需要。

圖7

四、結(jié)束語

在地理信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)遍地開花， 各類地圖產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的今天，地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量問題已經(jīng)成為影響地圖數(shù)據(jù)使用價值的主要因素之一。本文方法已經(jīng)應(yīng)用于地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新的具體實踐，取得了良好的效果。下一步，應(yīng)當(dāng)深入分析缺陷產(chǎn)生的原因，探索缺陷自動處理與消除的方法，從而更好地為提高地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量服務(wù)。

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A Method of Spatial Relationship Defects Automatic Identification Based on Task Adaptivity

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10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0212

2014-05-05

地理信息工程國家重點實驗室開放基金(SKLGIE2013-M-4-2)

曹亞妮(1986—)，女，博士，主要研究方向為地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、地理可視分析。E-mail：nierde@163.com

P208

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：0494-0911(2015)07-0062-04