楊　敏，艾廷華，晏雄鋒，楊　偉，周校東，周　啟

1. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 四川省第二測(cè)繪地理信息工程院，四川 成都 610100

?

疊置運(yùn)算支持下的跨比例尺城區(qū)居民地?cái)?shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)與更新

楊敏1，艾廷華1，晏雄鋒1，楊偉1，周校東2，周啟3

1. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 四川省第二測(cè)繪地理信息工程院，四川 成都 610100

摘要：以城區(qū)居民地為例，提出了一種面向跨比例尺新舊地圖數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)與更新方法。首先，從產(chǎn)生效應(yīng)、發(fā)生源頭、依附上下文關(guān)系、更新策略4個(gè)方面剖析大比例尺新數(shù)據(jù)與小比例尺舊數(shù)據(jù)間的變化；在此基礎(chǔ)上，引入疊置運(yùn)算與數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法構(gòu)建變化信息提煉與融合模型，形成“疊置分析與變化發(fā)現(xiàn)→增量提取→增量融合更新”的技術(shù)框架；最后，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明了方法的有效性，以及可擴(kuò)展性強(qiáng)、適于圖層級(jí)批處理更新等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)更新;變化發(fā)現(xiàn);跨比例尺地圖;地圖疊置;數(shù)據(jù)增強(qiáng)

不論是基礎(chǔ)空間設(shè)施數(shù)據(jù)建庫(kù)與維護(hù)[1]，還是大數(shù)據(jù)環(huán)境下多種來(lái)源數(shù)據(jù)集成融合[2]，現(xiàn)勢(shì)性更新一直是關(guān)注的熱點(diǎn)。矢量地圖數(shù)據(jù)的更新劃分為兩種情形：①利用影像對(duì)大比例尺地圖實(shí)施變化測(cè)定與更新，這在遙感領(lǐng)域廣受關(guān)注；②基于最新大比例尺地圖數(shù)據(jù)對(duì)小比例尺舊數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，即新舊數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)變化并將變化更新到舊數(shù)據(jù)中，這屬于地圖制圖核心課題。

近年來(lái)，學(xué)者們圍繞矢量地圖更新問(wèn)題展開了深入研究。在概念層次上，文獻(xiàn)[3]從時(shí)空變化建模角度引入面向?qū)ο笏枷霕?gòu)建更新模型；文獻(xiàn)[4]考慮拓?fù)潢P(guān)系一致性，提出拓?fù)渎?lián)動(dòng)的增量更新方法；文獻(xiàn)[5]從數(shù)據(jù)完整性維護(hù)出發(fā)提出自適應(yīng)更新模型；文獻(xiàn)[6]在建立同名目標(biāo)關(guān)聯(lián)關(guān)系基礎(chǔ)上提出傳遞式的跨比例尺級(jí)聯(lián)更新方法。更多研究則圍繞更新的關(guān)鍵技術(shù)展開，包括：①同名目標(biāo)匹配，針對(duì)居民地、道路、河流等要素，文獻(xiàn)[7—9]提出概率統(tǒng)計(jì)最優(yōu)匹配模型，文獻(xiàn)[10]骨架線傅里葉變換匹配模型[10]，文獻(xiàn)[11]提出中誤差與鄰近關(guān)系組合匹配模型，文獻(xiàn)[12]提出多層次蔓延匹配模型等；②增量信息提取，文獻(xiàn)[13]提出基于快照差的變化分類與形式化描述，文獻(xiàn)[14]提出區(qū)分時(shí)空邊界不一致影響的增量信息提取方法，文獻(xiàn)[15]探討了變化數(shù)據(jù)快速定位方法；③更新后一致性關(guān)系維護(hù)，文獻(xiàn)[16]提出多邊形共享邊界一致性改正方法，文獻(xiàn)[17]提出廣義捕捉算法的地理邊線不一致改正模型，文獻(xiàn)[18—19]針對(duì)更新后地形等高線與水系數(shù)據(jù)存在的邏輯沖突提出空間知識(shí)約束的探測(cè)與改正方法。

已有研究大多服務(wù)于增量縮編更新策略,即對(duì)大比例尺的新舊地圖數(shù)據(jù)比較得到增量信息，然后縮編增量信息來(lái)更新小比例尺舊數(shù)據(jù)。實(shí)施這一策略需要完備的多比例尺數(shù)據(jù)庫(kù)，表現(xiàn)為不同比例尺表達(dá)目標(biāo)關(guān)聯(lián)并且時(shí)態(tài)一致[20]。考慮到空間數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的測(cè)繪機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)任務(wù)與周期不同等現(xiàn)狀，無(wú)法滿足上述條件。因此，更合理的模式應(yīng)采用新舊數(shù)據(jù)疊加縮編更新，即直接疊加大小比例尺的新舊數(shù)據(jù)提取變化信息，然后對(duì)小比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行更新協(xié)調(diào)。雖然該方法也需要建立不同比例尺表達(dá)目標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但是不需要事先建立同一時(shí)態(tài)的多比例尺數(shù)據(jù)庫(kù)。這在網(wǎng)絡(luò)眾源數(shù)據(jù)成為重要更新數(shù)據(jù)源的背景下尤為重要。但是這一策略實(shí)施時(shí)仍存在不少技術(shù)難點(diǎn)。以居民地?cái)?shù)據(jù)為例，表現(xiàn)為：①不同比例尺新舊數(shù)據(jù)間，除地理實(shí)體本身狀態(tài)發(fā)生變化外，還有地圖綜合引起的表達(dá)變化，兩種變化的區(qū)分具有一定難度；②變化信息與舊數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，除添加、刪除、修改等常規(guī)操作外，還涉及聚合、降維、化簡(jiǎn)等地圖綜合操作，實(shí)施時(shí)需要依據(jù)變化類型、幾何特征、語(yǔ)義關(guān)系等多重上下文因子進(jìn)行推理決策。上述問(wèn)題已經(jīng)引起了相關(guān)學(xué)者注意，如文獻(xiàn)[21]提出通過(guò)目標(biāo)匹配獲取新舊數(shù)據(jù)間的差異信息，然后結(jié)合地圖綜合知識(shí)過(guò)濾尺度變化部分，最終獲取真正的實(shí)體變化信息。

在此基礎(chǔ)上，本研究重點(diǎn)從兩個(gè)方面展開：①?gòu)亩鄠€(gè)角度分析跨比例尺新舊居民地?cái)?shù)據(jù)間變化信息類型及表現(xiàn)形式，為變化發(fā)現(xiàn)與更新決策提供更加全面的依據(jù)；②建立完備的變化信息提煉與融合更新的技術(shù)框架，并設(shè)計(jì)相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)模型。

1跨比例尺新舊地圖間居民地目標(biāo)變化分析

實(shí)施數(shù)據(jù)更新，需要對(duì)變化信息進(jìn)行深度剖析、認(rèn)知與歸納。以圖1為例，本文研究從產(chǎn)生的效應(yīng)、發(fā)生的源頭、依附的上下文關(guān)系、更新的行為策略4個(gè)方面對(duì)跨比例尺新舊地圖數(shù)據(jù)間的變化信息進(jìn)行系統(tǒng)分析，梳理形成如圖2所示的認(rèn)知模型。

1.1變化產(chǎn)生的效應(yīng)

從變化產(chǎn)生的效應(yīng)上看，變化信息可區(qū)分為：

(1) 正向變化。表現(xiàn)為房屋目標(biāo)數(shù)量增加、面積擴(kuò)張等積極的變化，如①、④、⑥、⑦、⑧、⑩。

(2) 負(fù)向變化。表現(xiàn)為房屋目標(biāo)數(shù)量減少、個(gè)體面積減小甚至消失等消極的變化，如②、③、⑤、⑨。

1.2變化發(fā)生的源頭

從變化發(fā)生的源頭上看，變化信息可區(qū)分為：

(1) 客觀世界地理實(shí)體狀態(tài)發(fā)生改變的真實(shí)變化。如房屋新建引起目標(biāo)新增(如④、⑥、⑧)、房屋擴(kuò)建引起目標(biāo)面積擴(kuò)張(如⑦)、房屋拆除引起目標(biāo)面積縮小(如⑨)乃至消失(如⑤)等。

(2) 表達(dá)上地圖綜合引起的變化。小比例尺地圖數(shù)據(jù)由大比例尺地圖數(shù)據(jù)綜合而來(lái)，該過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生變化信息。對(duì)于城區(qū)居民地?cái)?shù)據(jù)而言，主要表現(xiàn)為幾何結(jié)構(gòu)與圖形形狀變化，包括因面積太小被刪除的引起變化(如⑩)、距離太近被合并引起的變化(如③)、輪廓線化簡(jiǎn)引起的變化(如①)、鄰近道路移位引起的變化(如②)等。(注：⑩既可能是綜合選取引起的變化，也可能是新建的房屋引起的變化，此處定義為前者以系統(tǒng)說(shuō)明地圖綜合引起的變化類型。)

1.3變化依附的上下文關(guān)系

從變化依附的上下文關(guān)系上看，變化信息可區(qū)分為：

(1) 個(gè)體變化，表現(xiàn)為單個(gè)目標(biāo)的新增、消失、局部擴(kuò)張或內(nèi)縮，以及地圖綜合形狀化簡(jiǎn)、移位等引起的幾何形狀與位置變化(如①、②、④、⑤、⑩)。

(2) 群體變化，表現(xiàn)為群體式的擴(kuò)張、內(nèi)縮、地圖綜合鄰近目標(biāo)聚合引起的變化等(如③、⑥、⑦、⑧、⑨)。同時(shí)，依據(jù)變化關(guān)聯(lián)目標(biāo)對(duì)象的來(lái)源還可進(jìn)一步劃分為新數(shù)據(jù)變化(目標(biāo)對(duì)象來(lái)自于新數(shù)據(jù)集，如④、⑥、⑩)、舊數(shù)據(jù)變化(目標(biāo)對(duì)象來(lái)自于舊數(shù)據(jù)集，如⑤)、新舊數(shù)據(jù)混合變化(目標(biāo)對(duì)象來(lái)自新舊兩種數(shù)據(jù)集，如①、②、③、⑦、⑧)。

1.4變化更新的行為策略

從變化更新的行為策略上看，首先需要剔除正向變化及負(fù)向變化中由地圖綜合引起的變化，如①、②、③、⑩，獲得真正的增量信息；然后將增量信息與舊數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，既包括新目標(biāo)添加(如④)、聚合(如⑥)以及舊目標(biāo)刪除(如⑤)等操作，也包括新舊目標(biāo)間的合并(如⑦)、聚合(如⑧)、裁切(如⑨)等操作。

圖1　同區(qū)域不同比例尺居民地新舊數(shù)據(jù)Fig.1　Buildings in updated larger-scale map and to-be-updated smaller-scale map

圖2　跨比例尺新舊居民地?cái)?shù)據(jù)變化信息認(rèn)知與分類Fig.2　Classification of building changes implied in updated larger-scale map and to-be-updated smaller-scale map

2疊置分析支持下的跨比例尺居民地?cái)?shù)據(jù)更新模型

本文首先利用地圖疊置運(yùn)算初步派生出新舊居民地?cái)?shù)據(jù)間的變化信息；然后在地圖綜合知識(shí)指導(dǎo)下通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)實(shí)施變化提煉，形成增量信息；最后將增量信息與舊數(shù)據(jù)融合導(dǎo)出小比例尺新數(shù)據(jù)。假設(shè)大比例尺新數(shù)據(jù)和小比例尺舊數(shù)據(jù)分別表示為N和O，對(duì)應(yīng)的比例尺分母分別為Sf、St。

2.1疊置分析與變化發(fā)現(xiàn)

疊置分析是指將主題相關(guān)的圖層疊置在一起，通過(guò)邏輯交、邏輯差、邏輯并等運(yùn)算派生出新圖層信息。具體到本文研究可利用邏輯差運(yùn)算提取新舊居民地圖層間的差異部分，獲得正向變化和負(fù)向變化信息。如圖3所示，其中Cp表示正向變化信息，Cn表示負(fù)向變化信息，邏輯差在GIS軟件中采用Erase算子實(shí)現(xiàn)。

2.2增量信息提取

2.2.1正向增量信息提取

2.2.1.1變化內(nèi)融合

對(duì)抱團(tuán)分布且鄰近距離小于閾值dm的正向變化多邊形進(jìn)行聚合處理，如圖4(a)中多邊形a、b和c組合形成圖4(b)中的多邊形d，其中dm=Stμ，μ表示圖面視覺可分辨最小距離，文獻(xiàn)[22]建議μ取0.4 mm。結(jié)合圖5采用的具體方法如下：

圖3　疊置分析獲取正向信息與負(fù)向變化信息Fig.3　Calculation of change information by using overlay operation

圖4　正向增量信息提取Fig.4　Extraction of positive updates

圖5　鄰近多邊形目標(biāo)探測(cè)與聚合Fig.5　Detection and aggregation of adjacent polygons

(1) 提取正向變化多邊形邊界節(jié)點(diǎn)，建立約束Delaunay三角網(wǎng)，僅考慮多邊形區(qū)域外三角形；(由于居民地邊界節(jié)點(diǎn)稀疏，為避免狹長(zhǎng)三角形導(dǎo)致鄰近關(guān)系探測(cè)失效，采用文獻(xiàn)[23]方法對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密處理。)。

(2) 保留連接不同多邊形且連接邊平均長(zhǎng)度小于dm的三角形，然后依據(jù)三角形邊的連接關(guān)系獲得鄰近分布的目標(biāo)群。

(3) 針對(duì)每個(gè)目標(biāo)群探測(cè)連接三角形的外圍邊(如p1p2、p3p4、p5p6)作為不同目標(biāo)間的連接“橋梁”，依據(jù)“橋梁”連接結(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)邊界進(jìn)行分解(如多邊形a邊界分解為弧段e1和e2)，舍棄有三角形連接的弧段，并建立剩余弧段與“橋梁”間的拓?fù)溥B接關(guān)系。

(4) 任選一條“橋梁”作為“種子”(如p1p2)，按順時(shí)針?lè)较蛞来芜B接剩余弧段以及其他“橋梁”，直至形成閉合的多邊形鏈(如p1p2→e1→p3p4→e4→p5p6→e1)，最后構(gòu)成結(jié)果多邊形。若生成多個(gè)閉合的多邊形鏈，則取面積最大的作為外環(huán)，其余作為島嶼，構(gòu)成復(fù)雜多邊形。

2.2.1.2微變化過(guò)濾

即剝離由地圖綜合引起的“微變化”，包括：①因面積太小被舍棄的目標(biāo)，如圖4(b)中的e；②實(shí)施形狀化簡(jiǎn)引起的碎片多邊形，如圖4(b)中的f；③實(shí)施移位產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)多邊形，如4(b)中的g。

對(duì)于類型①和②微變化，引入文獻(xiàn)[24]提出的“自然法則”進(jìn)行甄別。依據(jù)“自然法則”規(guī)律，當(dāng)大比例尺多邊形目標(biāo)(或細(xì)節(jié)特征)在小比例尺圖面表達(dá)尺寸小于最小可視單元SVO尺寸時(shí)，目標(biāo)(或局部細(xì)節(jié)特征)將被舍棄。SVO以直徑為lm的圓表示，lm可由式(1)計(jì)算得到

(1)

反向推理，這種目標(biāo)選取或細(xì)節(jié)特征化簡(jiǎn)引起的變化信息尺寸在SVO尺寸范圍內(nèi)。因此，采用面積指標(biāo)sm(式2)作為過(guò)濾參數(shù)，即當(dāng)正向變化多邊形面積小于sm時(shí)予以刪除

sm=π(lm/2)2

(2)

類型③綜合移位產(chǎn)生的微變化，表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的多邊形，其短邊長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于移位距離。因此，定義變化多邊形短邊長(zhǎng)度參量wid=area/(0.5·peri)，其中area和peri分別為變化多邊形的面積和周長(zhǎng)。綜合移位主要是針對(duì)因間距太小導(dǎo)致表達(dá)擁擠的目標(biāo)，通過(guò)移位使得目標(biāo)間距離滿足視覺可分辨最小距離μ的要求，即理論上移位產(chǎn)生的變化多邊形短邊長(zhǎng)度wid應(yīng)小于Stμ。由此推理，當(dāng)變化多邊形wid≤Stμ時(shí)實(shí)施刪除。

2.2.2負(fù)向增量信息提取

圖6　負(fù)向增量信息提取Fig.6　Extraction of negative updates

2.2.2.1微變化過(guò)濾

負(fù)向微變化包括地圖綜合形狀化簡(jiǎn)產(chǎn)生的碎片多邊形以及目標(biāo)移位產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)多邊形，如圖6(a)中的h和i。采用與正向增量信息提取中微變化過(guò)濾相同的方法進(jìn)行過(guò)濾。

2.2.2.2主特征提取

地圖綜合引起的負(fù)向變化更多表現(xiàn)為由多邊形聚合產(chǎn)生的狹長(zhǎng)多邊形。復(fù)雜情形下，這種變化與房屋拆除等真實(shí)變化相結(jié)合構(gòu)成章魚狀多邊形結(jié)構(gòu)，如圖6(b)中的j所示。此時(shí)，需要提取蘊(yùn)含真實(shí)變化的主特征部分，剝離狹長(zhǎng)分枝。采用上文同樣方法對(duì)負(fù)向變化多邊形構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)，只考慮多邊形內(nèi)部三角形，依次對(duì)每個(gè)多邊形展開分枝搜索與主特征提取。具體步驟如圖7所示，其中A4為負(fù)向變化多邊形，A1、A2和A3是大比例尺新數(shù)據(jù)集中參與疊置運(yùn)算生成A4的居民地目標(biāo)，與A4形成邊界拓?fù)湎嗲嘘P(guān)系。

(1) 對(duì)A4內(nèi)部三角形實(shí)施“剪枝”操作，保留連接周邊不同多邊形目標(biāo)(A1、A2和A3)并且連接邊平均長(zhǎng)度小于視覺可分辨最小距離μ的三角形。

(2) 按連通關(guān)系對(duì)剩余三角形進(jìn)行分組，提取每組三角形處于A4內(nèi)部的外圍連接邊(圖7(b)中的ac、df)，并以此為界切除A4中三角形覆蓋區(qū)域。

(3) 對(duì)切口處進(jìn)行直角化后處理。以切邊ac為例(圖7(c))，將與ac相連的兩條邊分別延長(zhǎng)至交點(diǎn)b，以ab及bc替換切邊ac，得到保留的主特征A5(圖7(d))。

圖7　負(fù)向變化主特征提取Fig.7　Extraction of main-shape features in negative changes

2.3增量信息融合

最后將提取的正向及負(fù)向增量信息融合到小比例尺舊數(shù)據(jù)中，從而導(dǎo)出更新后的小比例尺新數(shù)據(jù)。具體過(guò)程如圖8所示。

圖8　增量信息融合Fig.8　the integration of updates and old buildings at smaller-scale

(3) 輪廓化簡(jiǎn)。小比例尺舊數(shù)據(jù)更新結(jié)果輸出前，還需要對(duì)發(fā)生改變的多邊形目標(biāo)進(jìn)行形狀化簡(jiǎn)。居民地輪廓化簡(jiǎn)已提出多種方法[25-26]，本文采用ArcGIS提供的化簡(jiǎn)模型，該方法基于最小二乘原理，化簡(jiǎn)結(jié)果能夠較好地保持居民地目標(biāo)主體結(jié)構(gòu)特征。

3試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

基于ArcGIS平臺(tái)搭建試驗(yàn)原型系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用1∶2000和1∶10 000兩種比例尺版本的城區(qū)居民地?cái)?shù)據(jù)。其中，1∶2000版本數(shù)據(jù)集現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，由作業(yè)人員通過(guò)遙感影像對(duì)比、局部實(shí)地補(bǔ)測(cè)、房屋竣工圖導(dǎo)入等多種方式動(dòng)態(tài)維護(hù)；后續(xù)比例尺數(shù)據(jù)(如1∶10 000)則通過(guò)相鄰比例尺數(shù)據(jù)間比較實(shí)施周期性級(jí)聯(lián)式更新。圖9顯示了局部區(qū)域更新過(guò)程的中間數(shù)據(jù)與最終結(jié)果。其中，圖9(a)為更新前的新舊居民地?cái)?shù)據(jù)；圖9(b)顯示了疊置分析獲得的正向變化信息和負(fù)向變化信息；圖9(c)則顯示了實(shí)施數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理后獲得的增量信息，與圖9(b)相比較可以發(fā)現(xiàn)大量地圖綜合引起的變化信息被過(guò)濾掉，獲得的增量信息與新舊數(shù)據(jù)對(duì)比反映出的真實(shí)變化基本一致；圖9(d)表示正負(fù)增量信息與小比例尺舊數(shù)據(jù)融合后獲得的更新結(jié)果。

采用定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。定性評(píng)價(jià)上將大比例尺新數(shù)據(jù)與更新后的小比例尺數(shù)據(jù)疊加顯示，從縱向表達(dá)的一致性，判別變化是否有效識(shí)別并完成更新。如圖9(d)所示，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)更新后的小比例尺居民地與大比例尺居民地表達(dá)上基本吻合，表明該方法在變化發(fā)現(xiàn)與更新上的有效性。定量評(píng)價(jià)上對(duì)分布密度及變化程度不同的街區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中，ρ表示街區(qū)房屋分布密度，λ為房屋增量信息比率(增量多邊形與房屋多邊形面積比值)，η表示更新結(jié)果準(zhǔn)確率(與人工更新結(jié)果一致的目標(biāo)比率)。如圖10所示，發(fā)現(xiàn)如下趨勢(shì)：①房屋分布密度越小，更新結(jié)果質(zhì)量越好。房屋分布密集時(shí)微變化大量存在，干擾增量信息的提取。②增量信息比率過(guò)高時(shí)(λ>0.30)，自動(dòng)更新結(jié)果與人工更新結(jié)果差異較大。典型的情形如圖11所示，由于新舊數(shù)據(jù)融合時(shí)采用的聚合算子僅考慮了距離因子，而忽視了分布上的模式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更新結(jié)果的不合理現(xiàn)象。

4結(jié)論

數(shù)據(jù)更新本質(zhì)是變化信息的發(fā)現(xiàn)、提取與融合處理，跨比例尺新舊數(shù)據(jù)間由于尺度表達(dá)因素的存在導(dǎo)致大量“偽變化”噪音，增加了這一過(guò)程的難度系數(shù)。本文首先對(duì)跨比例尺新舊居民地?cái)?shù)據(jù)間的變化信息進(jìn)行系統(tǒng)梳理，在此基礎(chǔ)上利用疊置及數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法建立變化信息發(fā)現(xiàn)與更新模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變化信息“粗探測(cè)→精提煉→智融合”的思想方法。下一步工作包括：①引入地圖代數(shù)思想，對(duì)提出的模型進(jìn)行形式化、標(biāo)準(zhǔn)化改造。本文提出的方法本質(zhì)是對(duì)新舊兩種地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析并派生出新的信息(變化信息)，這與地圖代數(shù)思想不謀而合。因此，可以將地圖代數(shù)經(jīng)典思想與地圖數(shù)據(jù)更新實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，建立形式化的跨比例尺數(shù)據(jù)更新的代數(shù)模型。②對(duì)模型框架及具體算法進(jìn)行廣度與深度的擴(kuò)展改造。廣度是指更新數(shù)據(jù)對(duì)象除城區(qū)居民地外，還需要考慮農(nóng)村居民地、城鄉(xiāng)接合部居民地以及水系、道路等其他要素更新情形，同時(shí)泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下異源異構(gòu)化顯著的跨比例尺地圖數(shù)據(jù)間的變化更新還需要考慮其他因子；深度是指結(jié)合更多的地圖綜合知識(shí)，增強(qiáng)變化信息發(fā)現(xiàn)、提取以及融合算法的準(zhǔn)確性與智能化水平。

圖10　更新結(jié)果定量分析Fig.10　Quantitative analysis of updating results

圖11　與人工識(shí)別更新結(jié)果對(duì)比不同處示例Fig.11　Some differences between the automatic updating results and manual updating results

參考文獻(xiàn)：

[1]陳軍, 王東華, 商瑤玲, 等. 國(guó)家1∶50 000數(shù)據(jù)庫(kù)更新工程總體設(shè)計(jì)研究與技術(shù)創(chuàng)新[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2010, 39(1): 7-10.

CHEN Jun, WANG Donghua, SHANG Yaoling, et al. Master Design and Technical Development for National 1∶50 000 Topographic Data-base Updating Engineering in China[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(1): 7-10.

[2]RUIZ J J, ARIZA F J, UREA M A, et al. Digital Map Conflation: A Review of the Process and a Proposal for Classification[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2011, 25(9): 1439-1466.

[3]張豐, 劉南, 劉仁義, 等. 面向?qū)ο蟮牡丶畷r(shí)空過(guò)程表達(dá)與數(shù)據(jù)更新模型研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2010, 39(3): 303-309.

ZHANG Feng, LIU Nan, LIU Renyi, et al. Research of Cadastral Data Modelling and Database Updating Based on Spatio-temporal Process[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(3): 303-309.

[4]陳軍, 周曉光. 基于拓?fù)渎?lián)動(dòng)的增量更新方法研究:以地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)為例[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2008, 37(3): 322-329, 337.

CHEN Jun, ZHOU Xiaoguang. Incremental Updating of Spatial Database Based on Topological Linkage: Taking Cadastral Database’s Updating as an Example[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2008, 37(3): 322-329, 337.

[5]張新長(zhǎng), 郭泰圣, 唐鐵. 一種自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(4): 613-619.

ZHANG Xinchang, GUO Taisheng, TANG Tie. An Adaptive Method for Incremental Updating of Vector Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(4): 613-619.

[6]許俊奎, 武芳, 錢海忠. 多比例尺地圖中居民地要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其在空間數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(6): 898-905, 912.

XU Junkui, WU Fang, QIAN Haizhong. The Establishment and Usage of the Neighborhood Scale Settlement Features’ Links in Spatial Data Updating Process[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 42(6): 898-905, 912.

[7]童小華, 鄧愫愫, 史文中. 基于概率的地圖實(shí)體匹配方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2007, 36(2): 210-217.

TONG Xiaohua, DENG Susu, SHI Wenzhong. A Probabilistic Theory-based Matching Method[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2007, 36(2): 210-217.

[8]趙東保, 盛業(yè)華. 全局尋優(yōu)的矢量道路網(wǎng)自動(dòng)匹配方法研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2010, 39(4): 416-421.

ZHAO Dongbao, SHENG Yehua. Research on Automatic Matching of Vector Road Networks Based on Global Optimization[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(4): 416-421.

[9]張?jiān)品? 楊必勝, 欒學(xué)晨. 利用概率松弛法的城市路網(wǎng)自動(dòng)匹配[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(6): 933-939.

ZHANG Yunfei, YANG Bisheng, LUAN Xuechen. Automated Matching Urban Road Networks Using Probabilistic Relaxation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(6): 933-939.

[10]黃智深, 錢海忠, 郭敏, 等. 面向居民地匹配骨架線傅里葉變化方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(6): 913-921.

HUANG Zhishen, QIAN Haizhong, GUO Min, et al. Matching Algorithm of Polygon Habitations Based on Their Skeleton-lines Using Fourier Transform[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 42(6): 913-921.

[11]胡云崗, 陳軍, 李志林, 等. 地圖數(shù)據(jù)縮編更新的模式分類與選擇[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2007, 23(4): 22-24.

HU Yungang, CHEN Jun, LI Zhilin, et al. Study on Modes of Map Data Updating Based on Generalization[J]. Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(4): 22-24.

[12]田文文, 朱欣焰, 咼維. 一種VGI矢量數(shù)據(jù)增量變化發(fā)現(xiàn)的多層次蔓延匹配算法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2014, 39(8): 963-967, 973.

TIAN Wenwen, ZHU Xinyan, GUO Wei. A VGI Vector Road Data Increment Distinguishing Research Based on Multilevel Spreading Algorithm[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(8): 963-967, 973.

[13]陳軍, 林艷, 劉萬(wàn)增, 等. 面向更新的空間目標(biāo)快照差分類與形式化描述[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(1): 108-114.

CHEN Jun, LIN Yan, LIU Wanzeng, et al. Formal Classification of Spatial Incremental Changes for Updating[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(1): 108-114.

[14]林艷, 陳軍, 趙仁亮, 等. 顧及時(shí)空目標(biāo)邊界不一致性的增量識(shí)別計(jì)算[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(4): 411-418.DOI:10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0061.

LIN Yan, CHEN Jun, ZHAO Renliang, et al. Increments Recognition and Calculation Considering the Constraints of Spatio-Temporal Boundaries[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(4): 411-418.DOI:10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0061.

[15]羅國(guó)瑋, 張新長(zhǎng), 齊立新, 等. 矢量數(shù)據(jù)變化對(duì)象的快速定位與最優(yōu)組合匹配方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(12): 1285-1292. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0191.

LUO Guowei, ZHANG Xinchang, QI Lixin, et al. The Fast Positioning and Optimal Combination Matching Method of Change Vector Object[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(12): 1285-1292. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0191.

[16]艾廷華, 毋河海. 相鄰多邊形共享邊界的一致化改正[J]. 武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 25(5): 426-431.

AI Tinghua, WU Hehai. Consistency Correction of Shared Boundary between Adjacent Polygons[J]. Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 2000, 25(5): 426-431.

[17]鄧敏, 劉文寶, 馮學(xué)智. GIS中地理邊線不一致性的處理[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2005, 9(4): 343-348.

DENG Min, LIU Wenbao, FENG Xuezhi. Dealing with Inconsistency between Digital Geographic Lines from Multi-data Sources in GIS[J]. Journal of Remote Sensing, 2005, 9(4): 343-348.

[18]楊敏, 艾廷華, 劉鵬程, 等. 等高線與水網(wǎng)數(shù)據(jù)集成中的匹配及一致性改正[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(1): 152-158.

YANG Min, AI Tinghua, LIU Pengcheng, et al. The Matching and Consistency Correcting in the Integration of Contour and River Network[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(1): 152-158.

[19]李國(guó)輝, 許文帥, 龍毅, 等. 面向等高線與河流沖突處理的多約束移位方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(11): 1204-1210. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0189.

LI Guohui, XU Wenshuai, LONG Yi, et al. A Multi-constraints Displacement Method for Solving Spatial Conflict between Contours and Rivers[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(11): 1204-1210. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0189.

[20]劉坡, 張宇, 龔建華. 中誤差和鄰近關(guān)系的多尺度面實(shí)體匹配算法研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(4): 419-425.DOI:10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0062.

LIU Po, ZHANG Yu, GONG Jianhua. Root Mean Square Error and Neighbouring Relation Matching Approach for Multi-scale Areal Feature[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(4): 419-425.DOI:10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0062.

[21]QI Huabing, LI Zhanling, CHEN Junnan. Automated Change Detection for Updating Settlements at Smaller-scale Maps from Updated Larger-scale Maps[J]. Journal of Spatial Science, 2010, 55(1): 133-146.

[22]MULLER J C. Fractal and Automated Line Generalization[J]. The Cartographic Journal, 1987, 24(1): 27-34.

[23]艾廷華, 郭仁忠. 基于約束Delaunay結(jié)構(gòu)的街道中軸線提取及網(wǎng)絡(luò)模型建立[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2000, 29(4): 348-354.

AI Tinghua, GUO Renzhong. Extracting Center-lines and Building Street Network Based on Constrained Delaunay Triangulation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2000, 29(4): 348-354.

[24]LI Zhilin, OPENSHAW S. A Natural Principle for the Objective Generalization of Digital Maps Data[J]. Cartography and Geographic Information Systems, 1993, 20(1): 19-29.

[25]劉鵬程, 艾廷華, 鄧吉芳. 基于最小二乘的建筑物多邊形的化簡(jiǎn)與直角化[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 37(5): 699-704.

LIU Pengcheng,AI Tinghua, DENG Jifang. Simplification and Rectangularity of Building-polygon Based on Least Squares Adjustment[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 37(5): 699-704.

[26]許文帥, 龍毅, 周侗, 等. 基于鄰近四點(diǎn)法的建筑物多邊形化簡(jiǎn)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(6): 929-936.

XU Wenshuai,LONG Yi,ZHOU Tong,et al.Simplification of Building Polygon Based on Adjacent Four-point Method[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 42(6): 929-936.

(責(zé)任編輯：張艷玲)

修回日期： 2016-01-05

First author： Yang Min(1985—), male, PhD, lecturer, Majors in map generalization and multi-source data integration.

E-mail： yangmin_whu@163.com

Change Detection and Updating by Using Map Overlay for Buildings on Multi-scale Maps

YANG Min1,AI Tinghua1,YAN Xiongfeng1,YANG Wei1,ZHOU Xiaodong2,ZHOU Qi3

1. School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079，China； 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China； 3. The Second Surverying, Mapping and Geoinformation Engineering Institute of Sichuan Province，Chengdu 610100, China

Abstract：This study aims to develop a method of change detection and updating for urban building features at smaller-scale maps from updated larger-scale maps. Firstly, an in-deeper and comprehensive analysis of changes between maps at different times and scales was discussed. Then, a technical framework of change extraction and updating was proposed based on the functions of map overlap and data enrichment. Finally, real-life data were used to verify the effectiveness of the proposed method, and results also showed that our method is flexible and suitable for layer-level updates.

Key words：data updating; change detection; multi-scale maps; map overlap; data enrichment

第一作者簡(jiǎn)介：楊敏(1985—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)榈貓D綜合、空間數(shù)據(jù)匹配集成及更新。

收稿日期：2015-06-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41401447;41531180);地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(SKLGIE2014-M-4-5);數(shù)字制圖與國(guó)土信息應(yīng)用工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(DM2014SC12)；四川測(cè)繪地理信息局2014年科技項(xiàng)目(J2014ZC15)

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)04-0466-09

Foundation support： The National Natural Science Foundation of China (Nos.41401447；41531180); State Key Laboratory of Geo-information Engineering (No.SKLGIE2014-M-4-5); The Foundation of National Administration of Surveying, Mapping and Geo-informaiton Engineering Laboratory in Digital Cartography and Land Management (No.J72014ZC15); The Foundation of the Science and Technology Plan of Sichuan Bureau of Surveying, Mapping and Geoinformation (No.J2014ZC15)

引文格式：楊敏，艾廷華，晏雄鋒,等.疊置運(yùn)算支持下的跨比例尺城區(qū)居民地?cái)?shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)與更新[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(4)：466-474. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150302.

YANG Min,AI Tinghua,YAN Xiongfeng,et al.Change Detection and Updating by Using Map Overlay for Buildings on Multi-scale Maps[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(4):466-474. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150302.