尹 川，寧方馨

（1.首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048; 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

基于SVG道路網增量更新的提取、組織與表達

尹 川1，寧方馨2

（1.首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048; 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

針對道路網增量更新模式中增量更新文件的組織和表達等問題，對現(xiàn)有方法進行了比較和改進，提出一種基于可伸縮矢量圖形（SVG）數(shù)據格式增量更新文件的快速生成方法；重點研究如何在現(xiàn)有GIS軟件平臺下快速提取增量信息以及生成增量更新文件的關鍵技術。實驗結果表明，得到的SVG增量更新文件更適用于客戶端的數(shù)據更新操作，較傳統(tǒng)的XML格式有更好的表達顯示效果，驗證了該技術方案的可行性。

道路網；增量更新文件；提??；更新；SVG

隨著導航電子地圖應用的日趨廣泛，如何進行快速、準確地地圖數(shù)據更新就顯得格外重要。道路網增量更新模式由于其方式靈活且能更好地保證空間數(shù)據的現(xiàn)勢性，是未來數(shù)據庫更新的主要趨勢。增量更新模式的實質是通過增量更新文件實現(xiàn)服務器端和客戶端異構系統(tǒng)平臺間的地理空間數(shù)據的信息共享和互操作。隨著XML的不斷發(fā)展，地理信息科學領域利用其特點來實現(xiàn)空間數(shù)據的共享和互操作的應用也越來越多。在地圖增量更新模式的研究中，不少學者采用XML作為增量更新文件數(shù)據格式，但一般生成文件的操作方法比較復雜，加大了研究的難度[1-3]。SVG是基于XML的，用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式，可很好地解決以上的問題。本文在綜合分析XML數(shù)據結構和組織特點的基礎上,簡化了增量更新文件的操作步驟，提出了一種基于SVG的增量更新文件快速生成方法。

1 基本技術流程

如圖1所示，同一地區(qū)不同時間版本的兩個數(shù)據集（T1＞T0），服務器端獲取外部新版地圖數(shù)據，通過與舊版數(shù)據進行對比和匹配，完成對增量信息的識別和提取，提取的增量信息按照數(shù)據交互格式規(guī)范組織成增量信息文件。

2 服務器端生成SVG

服務器端基于目標匹配的方法完成增量信息的識別和提取，對增量信息依據《地球空間數(shù)據交換格式》相關標準進行數(shù)據組織。服務器端數(shù)據更新操作是在ArcGIS9.3環(huán)境下進行，增量信息的識別和提取利用ArcGIS Engine二次開發(fā)將需要的非幾何信息作為屬性數(shù)據寫入shape文件，最后由ArcGIS Desktop數(shù)據導出功能將shape文件生成SVG文件。

圖1 更新技術流程圖

2.1 增量更新文件的識別和提取

目標匹配是通過對目標的幾何、拓撲和語義進行相似性度量,識別出同一地區(qū)不同來源的空間數(shù)據集中的同一地物,從而建立兩個空間數(shù)據集間同名目標間的鏈接,以及探測不同數(shù)據集間的差異或變化[4]。

線狀目標幾何匹配時常用的度量指標有角度、分裂度、距離和重合度[5]。道路網數(shù)據在實際的匹配過程中，若源目標集合與待匹配目標集合數(shù)據集來自同一數(shù)據源，那么兩個數(shù)據集之間誤差較小，可對道路線要素采用重疊分裂度的方法進行匹配[6]；若兩個數(shù)據集不是來自同一數(shù)據源，誤差較大，就需要采用面積迭置率的計算。本文屬于后一種情況，此處面積迭置率定義為兩個面實體相互重疊的面積占各自總面積的比值[7-8]。

首先需要定義面積迭置率的指標。假設Ai和Bi是兩個待匹配的道路實體的面緩沖區(qū)，根據Sim（Ai，Bi）和Sim（Bi，Ai）來計算其面積迭置率，則它們之間的迭置率為：

式中，Area（Ai，Bi）為Ai與Bi緩沖區(qū)相交面積。當Sim（Ai，Bi）、Sim（Bi，Ai）中至少有一個大于某個閾值時，它們就存在匹配的可能性。當Sim（Ai，Bi）接近1時，表明Ai整體和Bi匹配；當Sim（Bi，Ai）接近1時，表明Bi整體和Ai匹配；當Sim（Ai，Bi）、Sim（Bi，Ai）同時接近1時，說明Ai與Bi是1∶1匹配的。這里的閾值采用最大類間方差進行計算得到，該方法得到的匹配閾值相對于經驗閾值具有更好的針對性和準確性[9]。

假設tl時刻的道路要素集合為t2時刻的道路要素集合為兩個對象圖形匹配允許閾值為e，遍歷道路對象集合OBJt1，設O為其中任意元素，對O以一定寬度作緩沖區(qū)A，在該緩沖區(qū)范圍內查找t2時刻內滿足匹配閾值大于e的元素，則根據t1、t2時刻匹配目標元素的數(shù)量，目標匹配的關系表達為1∶0、1∶1、1∶N、N∶1、0∶1、M∶N六種，則對線對象增量提取過程可以如下描述：

1）若目標匹配關系為1∶0，則變化類型為消失。

2）若目標匹配關系為1∶1，則需要分別通過判斷該對象t1時刻的面積迭置率Simt1和對應匹配對象t2時刻的面積迭置率Simt2與閾值e的大小關系來決定其對象變化類型。如果Simt1、Simt2同時大于e且屬性信息沒有發(fā)生改變，則變化類型為穩(wěn)定；屬性信息發(fā)生改變，則變化類型為屬性變化，將該對象寫入增量更新文件；如果Simt1＞e且Simt2＜e,則變化類型為變形；如果Simt1＜e且Simt2＞e，變化類型也為變形。

3）若目標匹配關系為1∶N，則變化類型為分割。4）若目標匹配關系為N∶1，則變化類型為合并。5）若目標匹配關系為0∶1，則變化類型為新增。6）若目標匹配關系為M∶N，則變化類型為重新分配。

2.2 增量更新文件數(shù)據格式

完整的空間矢量數(shù)據由圖形的定位屬性、圖形表現(xiàn)屬性和非圖形屬性組成。當空間矢量數(shù)據只包含圖形的定位屬性和圖形表現(xiàn)屬性時，可滿足電子地圖數(shù)據交換的需求；當空間矢量數(shù)據只包含圖形的定位屬性和非圖形屬性時，可滿足GIS數(shù)據交換服務的需求；當空間矢量數(shù)據3個屬性都包含時，既可滿足GIS數(shù)據交換服務，又可滿足地圖制圖數(shù)據轉換要求[10]。

本文設計的道路增量更新文件主要包括系統(tǒng)內部編號、道路ID、幾何信息、屬性信息、層名、地理變化類型和更新操作ID等，其對象組織結構關系如表1。

表1 增量文件組織結構表

系統(tǒng)內部ID為系統(tǒng)內部自動生成的遞增編號；道路ID為舊版地圖道路的ID，更新操作過程可通過該ID在舊版地圖中獲得待更新的道路要素；層名記錄當前道路要素所在的道路層名稱；地理變化類型為當前要素發(fā)生地理變化類型的編號，本文共定義8種（消失、穩(wěn)定、新增、變形、分割、合并、屬性變化和重新分配）。

2.3 轉換生成svg格式

目前，對于空間數(shù)據互操作的研究主要是基于XML規(guī)范的，即客戶端與服務器端的信息通信采用遵循XML的數(shù)據流，用XML語言描述空間對象的定義及具體表達形成，以實現(xiàn)不同GIS軟件之間數(shù)據的共享和互操作[11]?？臻g數(shù)據的互操作層次一般有3種：元數(shù)據層、數(shù)據層和語義層[12]。元數(shù)據結構相對簡單，利用XML來定義描述較容易，實現(xiàn)數(shù)據互操作相對可行。數(shù)據層由于基于XML的互操作涉及空間數(shù)據與空間關系描述的復雜性，現(xiàn)在還沒有較好的標準提出。語義層互操作涉及更廣泛、復雜的問題，已成為目前研究的熱點。

SVG共支持3種圖形對象，分別是文本、矢量圖形和點陣圖像。基本的圖形元素包括line、circle、polygon和path等，增量更新文件的幾何信息可用這些圖形要素來表達。增量更新文件中其他非幾何信息可用SVG的屬性數(shù)據來進行組織。目前獲得SVG圖形數(shù)據的方式一般有兩種：采用專業(yè)的支持svg格式的圖形圖像軟件生成SVG圖像；利用已有的GIS地圖數(shù)據通過格式轉換生成SVG圖像。本文先采用第一種方式在ArcGIS中通過格式轉換功能將shape文件生成標準svg格式，再通過第二種方式對標準SVG進行格式轉換生成移動客戶端支持的MSVG格式[13]。

基于ArcEngine二次開發(fā)技術，將提取的增量信息寫入相應的字段中，生成的增量信息文件為shape格式，屬性表如圖2所示。

圖2 shape格式增量更新文件

利 用ArcGIS工 具 欄 下 的“Data Interoperaility Tools”數(shù)據導出功能將shape文件以svg格式輸出，瀏覽器在安裝SVG相關插件后就可直接打開SVG文件，顯示效果如圖3。

圖3 shape轉換為標準SVG文件

3 SVG轉換為MSVG

標準的svg格式只能用在性能較高的PC機上，不支持移動設備，為此SVG開發(fā)團隊針對移動設備CPU速度慢、內存和顯示屏小等特點，對標準SVG文件進行了相應的縮減，取消了某些高級屬性和功能的支持，制定出MSVG規(guī)范。根據移動設備硬件的具體情況，MSVG分為兩個級別：SVG Basic和SVG Tiny[14]。

3.1 MSVG數(shù)據特點

SVG與MSVG同時支持的基本圖形元素有＜path＞、＜text＞、＜rect＞、＜circle＞、＜ellipse＞＜line＞＜polyline＞＜polygon＞。另外還包括＜image＞元素，支持外部SVG文件或圖形文件的嵌入；＜symbol＞和＜defs＞支持自定義圖形,利用＜use＞將其顯示在特定的位置。雖然MSVG是針對移動設備表達的SVG二維圖形指定的標準，但是由于移動設備本身硬件條件的限制，所以SVG很多的高級屬性（漸變、透明、剪貼、符號及濾鏡等），MSVG并不支持[15]。表2是MSVG對各種屬性的支持程度的簡要介紹。

3.2 數(shù)據轉換步驟

SVG具有設計完善的DOM接口，用戶可通過DOM接口對SVG進行存取和維護。DOM包含兩個關鍵的抽象概念：樹狀的層次結構和用來表示文檔內容和結構的節(jié)點集合。這些節(jié)點是SVG文檔的各個元素及屬性名，這樣就可通過該層次結構找到并修改某一特定節(jié)點的信息。標準SVG轉化為MSVG主要包括3個步驟：

表2 MSVG對各元素功能的支持表

1）由于標準SVG與MSVG命名空間不同，首先需要對其引用的命名空間進行轉換，標準SVG的命名空間為：

＜!-- Creator: ESRI ArcMap 9.3.0.1770 --＞

＜!DOCTYPESVG PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1// EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/SVG11. dtd"＞

＜SVG width="853.51181pt" height="621.01417pt" viewBox="0 0 853.51181 621.01417" enable-backgroun d="new00853.51181621.01417"version="1.1"xmlns="h ttp://www.w3.org/2000/SVG" xmlns:xlink="http://www. w3.org/1999/xlink" ＞

MSVG的命名空間為：

＜!-- Generator: Mobile Designer 2 2.0 --＞

＜SVG width="240" height="320" viewBox="-120 -160 240 320" stroke-miterlimit="2" xmlns="http:// www.w3.org/2000/SVG"xmlns:xlink="http://www. w3.org/1999/xlink"xml:space="preserve" version="1.1" baseProfile="tiny"＞

2）因為MSVG并不支持SVG規(guī)定的高級功能，在進行轉換時需將一些高級屬性，如漸變、透明、剪貼、符號及濾鏡等刪除。

3）經過ArcGIS對shape轉換后的SVG的某些屬性名稱會發(fā)生改變，如＜fme∶OBJECTID＞、＜fme∶NameUpdate="delete"＞等，在原有名稱前面加了frm∶，而MSVG屬性命名規(guī)則是不支持這樣命名的，所以需將含有特殊字符的屬性名字替換為符合MSVG命名規(guī)則的名稱。

3.3 客戶端驗證

將經過轉換得到的MSVG增量更新文件加載到客戶端，模擬瀏覽器顯示效果如圖4所示。由于SVG文件采用DOM樹結構，用戶能方便獲取所有文檔的標簽及它們的屬性，可間接地對地理對象進行訪問和管理。通過DOM接口獲取SVG的各個對象后，利用JavaScript可響應諸如鼠標移動、鍵盤操作等交互事件，可對增量更新文件的屬性數(shù)據進行查詢、選取和編輯等。這樣再進行客戶端更新操作就可達到更高的交互性，由于這方面的研究很多，技術比較成熟，不再過多闡述。

圖4 MSVG移動端顯示

4 結 語

在增量更新過程中，增量更新文件可根據實際情況靈活地采用多種格式，但是由于XML格式的優(yōu)越性，大多數(shù)研究者采用該格式。SVG是基于XML的一種數(shù)據格式，本文利用當前流行的GIS軟件直接生成SVG文檔，相對于傳統(tǒng)方法，省去了手工編寫XML文檔的過程，可把更多精力放在設計文檔數(shù)據結構或其他研究內容上。經過轉換后的MSVG增量更新文件更加輕量化，方便在客戶端進行數(shù)據顯示和更新操作。但由于本文實驗地圖數(shù)據范圍較小，當更新范圍較大時更新文件很難滿足需求，在下一步工作中就需要對更新文件數(shù)據組織進行相應的優(yōu)化和數(shù)據壓縮，以提高其實用性。

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本 刊 聲 明

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（本刊編輯部）

P208

B

1672-4623（2016）05-0014-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.005

尹川，博士，主要從事地圖數(shù)據更新、空間分析研究。

2015-03-17。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41371375）；國家科技支撐計劃資助項目（2012BAH33B03、2012BAH33B05）；北京市自然科學基金資助項目（8132018）。