孫 群，溫伯威，陳 欣

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052

地理空間數(shù)據(jù)是人類社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一切帶有地理空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，是地理實(shí)體空間特征和屬性特征的數(shù)字描述，包含了地理實(shí)體幾何定位、屬性語義和空間關(guān)系等信息[1]。近年來，隨著地理空間數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理空間數(shù)據(jù)數(shù)量呈現(xiàn)日益增長的趨勢。多源地理空間數(shù)據(jù)的多時(shí)相、多尺度、異質(zhì)、異構(gòu)等特征也使得多源地理空間數(shù)據(jù)之間常常存在著矛盾和問題，具體表現(xiàn)為地理實(shí)體的幾何特征、屬性特征和空間關(guān)系特征在多源地理空間數(shù)據(jù)中存在著不一致，產(chǎn)生的主要原因有：

(1) 地理空間數(shù)據(jù)獲取的方式、類型和時(shí)間不同，使地理空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)形式、內(nèi)容、現(xiàn)勢性等方面有很大差別，表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的表達(dá)方式、幾何位置、尺度、時(shí)相和形狀等方面存在矛盾和不一致；再加上受地表變化快慢不一及生產(chǎn)方式、作業(yè)經(jīng)費(fèi)和生產(chǎn)周期等方面的限制，地理空間數(shù)據(jù)的獲取、處理和更新難以達(dá)到高效、持續(xù)、動態(tài)、準(zhǔn)確和一致的要求。地理空間數(shù)據(jù)的豐富多樣、時(shí)相不一和內(nèi)容詳略不同給數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用往往帶來一定的困難。

(2) 不同部門和單位在地理空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新時(shí)采用地理信息標(biāo)準(zhǔn)不同，也會使地理空間數(shù)據(jù)的形式和內(nèi)容存在一定的差異性。相關(guān)部門和單位根據(jù)各自需要，制定了自己的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)處理要求，這樣就會造成地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)分類體系和數(shù)據(jù)存儲格式存在差異，使得地理空間數(shù)據(jù)在不同部門和單位之間共享出現(xiàn)困難。

(3) 地理空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新過程中作業(yè)方式方法不同、作業(yè)要求不同及操作時(shí)的誤差也會引起多源地理空間數(shù)據(jù)之間的矛盾和問題，產(chǎn)生的原因體現(xiàn)在作業(yè)資料、作業(yè)軟件、作業(yè)方式、作業(yè)流程和作業(yè)要求等多個(gè)方面。另外隨著比例尺的縮小，多源地理空間數(shù)據(jù)要進(jìn)行制圖綜合，制圖綜合過程對地理要素和實(shí)體所進(jìn)行的取舍、化簡、概括、合并、移位、夸大等操作，勢必將改變要素和實(shí)體幾何特征、屬性特征和空間關(guān)系特征，尺度越小這種變化將更加明顯。

多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理就是要科學(xué)合理地解決地理要素和實(shí)體在多源數(shù)據(jù)中的不一致性，通常從幾何一致性處理、語義一致性處理、空間關(guān)系一致性處理3個(gè)方面入手，最終得到符合一致性要求的、更新、更合理、更可靠、更實(shí)用的地理空間數(shù)據(jù)。具體處理流程如圖1所示。

圖1 多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理流程

本文從幾何一致性處理、語義一致性處理、關(guān)系一致性處理3個(gè)方面分析多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理的基本內(nèi)容、研究思路、相關(guān)方法，并結(jié)合理論和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對其面臨的挑戰(zhàn)及可能的應(yīng)對方案做出分析，最后對其發(fā)展做出展望。

1 幾何一致性處理

多源地理空間數(shù)據(jù)要素和實(shí)體的幾何特征主要表現(xiàn)為其位置和形狀。一方面地理實(shí)體本身在不同時(shí)間下具有不一致的空間表現(xiàn)；另一方面地理實(shí)體在抽象為地理數(shù)據(jù)過程中的實(shí)體抽象和信息重構(gòu)會帶來要素空間的移位，因此多源地理信息數(shù)據(jù)不可避免地存在空間上的幾何不一致。幾何一致性處理就是要解決和消除多源地理空間數(shù)據(jù)中同名要素和實(shí)體幾何特征的差異，包括外在形式的幾何一致性處理和內(nèi)在形式的幾何一致性處理兩方面，如圖2所示。其中，外在形式的幾何一致性處理屬于數(shù)據(jù)在表面上的對齊和位置上的對準(zhǔn)；內(nèi)在形式的幾何一致性處理則重點(diǎn)解決多源地理空間數(shù)據(jù)中同名實(shí)體的位置修改和形狀調(diào)整。進(jìn)行幾何一致性處理的基本思路是先進(jìn)行外在形式的幾何一致性處理，對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成對準(zhǔn)后再進(jìn)行內(nèi)在形式的幾何一致性處理，以得到空間定位上更可靠、形狀更一致的地理空間數(shù)據(jù)。

圖2 幾何一致性處理流程和主要內(nèi)容

1.1 外在形式幾何一致性處理

地理空間數(shù)據(jù)外在形式幾何一致性處理包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、地圖投影變換、高程基準(zhǔn)統(tǒng)一以及點(diǎn)位配準(zhǔn)等，核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)格式一致和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一致，目的是對不同來源、不同格式、不同數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的多源地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行形式和位置上的統(tǒng)一。目前上述內(nèi)容國內(nèi)外研究較多，且較為成熟[2]，如用于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的三參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、用于地圖投影變換的解析變換法和數(shù)值變換法[3]、基于全局[4-6]和基于局部[7-9]的空間配準(zhǔn)方法等。

經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和投影變換等處理后，多源地理空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了形式上的統(tǒng)一和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的一致，為內(nèi)在形式一致性處理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也為地理空間數(shù)據(jù)的互操作和共享[10]創(chuàng)造了條件。然而由于外在形式轉(zhuǎn)換并沒有涉及單個(gè)要素實(shí)體位置修改和形狀調(diào)整，故同一要素實(shí)體仍然可能存在空間上、邏輯上的幾何不一致，因此需要進(jìn)一步對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)在表達(dá)上的幾何一致性處理。

1.2 內(nèi)在表達(dá)幾何一致性處理

內(nèi)在表達(dá)幾何不一致表現(xiàn)為同名要素和實(shí)體在多源地理空間數(shù)據(jù)中形態(tài)不一致，可進(jìn)一步劃分為“橫向”形態(tài)不一致和“縱向”形態(tài)不一致。其中，“橫向”形態(tài)不一致指同比例尺情況下，地理空間數(shù)據(jù)由于來源不同或數(shù)據(jù)庫版本差異引起的要素幾何位置不一致和形狀不一致；“縱向”形態(tài)不一致指跨比例尺情況下，由于尺度變換、制圖綜合引起的要素表達(dá)形式不一致，也主要表現(xiàn)在幾何位置不一致和形狀不一致兩個(gè)方面。針對以上兩種情況，內(nèi)在表達(dá)幾何一致性處理通常有同名要素和實(shí)體匹配與沖突檢測、幾何位置與形狀一致性處理兩個(gè)過程。由于實(shí)際生產(chǎn)情況復(fù)雜多樣，產(chǎn)生了適用于不同情況、解決不同問題的相關(guān)算法。

1.2.1 同尺度內(nèi)在表達(dá)幾何一致性處理

同尺度的幾何一致性處理主要任務(wù)是解決數(shù)據(jù)幾何表達(dá)差異，依產(chǎn)生的原因分為兩種處理方法：一是可靠性較高的新的多源地理空間數(shù)據(jù)與原有地理空間數(shù)據(jù)的不一致，通過數(shù)據(jù)更新、位移、形狀修改等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增量更新；二是由于數(shù)據(jù)來源可靠性不一及多源數(shù)據(jù)異質(zhì)性引起的多版本數(shù)據(jù)幾何不一致，需要首先對多源地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行可靠性和可用性評價(jià)，再通過數(shù)據(jù)合并、融合和編輯等方式消除差異。

當(dāng)新獲取、新收集的多源地理空間數(shù)據(jù)資料可靠性較高時(shí)，如經(jīng)糾正的遙感影像、最新發(fā)行的地圖集和國家基礎(chǔ)地理信息平臺上發(fā)布的地理信息數(shù)據(jù)等，能夠直接用于更新已有版本的地理空間數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為新增要素的補(bǔ)充和變化要素的修改。此時(shí)對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性處理的方法分為兩種：一種是利用現(xiàn)勢性好的矢量數(shù)據(jù)或?qū)ｎ}數(shù)據(jù)更新原有矢量要素幾何形態(tài)與定位信息[11-12]；另一種從圖像解譯角度出發(fā)，以已有矢量數(shù)據(jù)為先驗(yàn)知識，設(shè)計(jì)算法對圖像中增量區(qū)域進(jìn)行識別和定位，隨著計(jì)算機(jī)性能增長，深度學(xué)習(xí)方法成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)[13]。多種實(shí)現(xiàn)算法的差異主要體現(xiàn)在基本檢測單元選擇和一致性描述規(guī)則的設(shè)計(jì)上，基本檢測單元可分為要素實(shí)體和幾何剖分單元等，一致性描述規(guī)則分為基于全局度量參數(shù)[14-16]、局部度量參數(shù)[17-19]和拓?fù)淠Ｐ蚚20-24]的規(guī)則。

而當(dāng)多源地理空間數(shù)據(jù)資料可靠性不一時(shí)，先進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量評估，再進(jìn)行幾何一致性處理。當(dāng)使用互聯(lián)網(wǎng)眾源數(shù)據(jù)時(shí)，通常存在區(qū)域異質(zhì)性和精度質(zhì)量低等情況，貢獻(xiàn)者數(shù)量、區(qū)域發(fā)展程度、質(zhì)量控制方式等因素[25-27]都會對其數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響，可通過對數(shù)據(jù)來源、要素圖面表現(xiàn)類型、要素共現(xiàn)關(guān)系[28-31]等進(jìn)行分析和融合處理去偽存真。針對數(shù)據(jù)特殊情形，如海量粗糙定位數(shù)據(jù)[32]等，應(yīng)結(jié)合人地關(guān)系特征和要素之間合理性判斷規(guī)則等技術(shù)進(jìn)行處理。

1.2.2 跨尺度內(nèi)在表達(dá)幾何一致性處理

跨尺度內(nèi)在表達(dá)幾何不一致由尺度變換引起，主要表現(xiàn)形式有兩種：一是要素形式的不一致，即比例尺縮小后要素在圖面載負(fù)量和視覺清晰度限制下的消失或降維；二是要素形態(tài)的不一致，即由于制圖綜合引起的要素形變。上述問題的主要解決方法是：對于點(diǎn)要素多尺度表達(dá)主要是對點(diǎn)的選取，對于線要素多尺度表達(dá)主要是選取、化簡、位移等，對于面要素多尺度表達(dá)主要是選取、化簡、合并、位移等。

在解決跨尺度表達(dá)幾何一致性問題時(shí)，常用的思路和方法有兩種：一是將多尺度表達(dá)看作連續(xù)化簡的問題，即從要素形態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)方法入手，多層次提取、抽象、描述要素形態(tài)，實(shí)現(xiàn)要素在函數(shù)參數(shù)約束下的多尺度表達(dá)，其中小波變換、分形理論、傅里葉分解等都是常用的數(shù)學(xué)表達(dá)函數(shù)[33-34]，針對面要素閉合環(huán)的特點(diǎn)，可考慮構(gòu)建中間參數(shù)或目標(biāo)降維等[35]，通過轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)化簡；二是建立要素多層次表達(dá)，分析地圖要素在多尺度地圖中形態(tài)的變化規(guī)律，從全局-局部、高層次-低層次等角度全方位構(gòu)建地圖要素的描述特征[36-40]，以保持多尺度空間幾何表達(dá)相似性基礎(chǔ)上的一致性，如面目標(biāo)凹口比例、凸殼周長相對增量及最小外包圓面積相對增量等幾何特性[41-43]，面群目標(biāo)密度、聚集度、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)等鄰域特性[44-46]。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、知識工程等智能技術(shù)的發(fā)展，近年也出現(xiàn)了很多智能學(xué)習(xí)的算法、模型，如將多尺度變化規(guī)律抽象為知識，構(gòu)建知識庫或?qū)＜蚁到y(tǒng)以實(shí)現(xiàn)要素多尺度表達(dá)[47]。也有學(xué)者使用圖卷積方法計(jì)算要素特征點(diǎn)空間特征，進(jìn)而在超參數(shù)的控制下達(dá)到較好的處理效果[48]。但目前的研究多見于理論和方法層面，還不夠成熟，且方法存在依賴試驗(yàn)數(shù)據(jù)和區(qū)域特征、普適性不夠強(qiáng)的問題，仍需深度理解多尺度表達(dá)的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)而更好地設(shè)計(jì)智能學(xué)習(xí)算法。另外，面要素在尺度變化過程中其維度變化、形態(tài)變化情況更為復(fù)雜，目前研究相對欠缺，仍需基于地理規(guī)律和視覺認(rèn)知深層次理解沖突機(jī)制。

2 語義一致性處理

當(dāng)前，出于不同構(gòu)建需求和應(yīng)用目的，各行各業(yè)對地理現(xiàn)象理解的出發(fā)點(diǎn)、描述方法不盡相同，不可避免地造成多源地理空間數(shù)據(jù)存在語義不一致，這種不一致體現(xiàn)在多源地理空間數(shù)據(jù)的概念模型、邏輯模型、物理模型的差異，也反映了人們對地理空間認(rèn)知的差異。依照語義粒度將語義一致性處理劃分為地理要素類、地理實(shí)體、屬性特征項(xiàng)3個(gè)層次，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建不同層次的語義關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換機(jī)制。

2.1 地理要素類的語義一致性處理

地理要素類的語義不一致主要由地理空間數(shù)據(jù)要素分類不同造成的，一方面表現(xiàn)為命名方式不同造成的地理類別名稱差異，另一方面表現(xiàn)為由于地理概念差異造成的地理類別劃分差異[49]。地理要素類的語義一致性處理主要解決由地理概念認(rèn)知差異引起的語義鴻溝問題，即如何統(tǒng)一對地理概念分類的認(rèn)知，重點(diǎn)是要建立不同地理類別概念的語義映射關(guān)系。

早期傳統(tǒng)方法多基于專家經(jīng)驗(yàn)或知識，人工構(gòu)建要素類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，此類方法雖然較為可靠穩(wěn)定，但對專家能力要求較高，且難以處理大規(guī)?？珙I(lǐng)域情況，不適合數(shù)據(jù)密集型范式下的數(shù)據(jù)處理要求。因而現(xiàn)階段主要采用以下兩種思路和方法：一是針對地理類別名稱差異，直接以要素類別或描述的文本為對象，基于本文相似性衡量方法建立映射關(guān)系；二是針對類別劃分差異，基于類別概念本體構(gòu)建形式化的知識表達(dá)模型，而后量化類別概念間相似性。對于前者，實(shí)質(zhì)上是對文本的拆解和相似性度量，可借助自然語言處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)目的，有學(xué)者直接從要素類別名稱或定義描述知識入手，建立一種基于其字面相似度的地理信息分類映射轉(zhuǎn)換方法[50-53]，此外也有學(xué)者將類別語義映射至向量空間，從而在向量空間衡量語義向量相似性[54]，但是此類方法并沒有真正做到充分拆解概念內(nèi)涵，因此仍然具有一定的局限性。于是有學(xué)者在第2種思路和方法的基礎(chǔ)上，對地理信息本體建模并對知識形式化表達(dá)，通過本體匹配以實(shí)現(xiàn)地理本體的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換，有基于應(yīng)用圖論和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法度量語義相似度[55-57]；還有基于特征向量相似性的、使用權(quán)重概念格、粗糙集、矢量空間模型等方法度量概念相似性[58]；以及從信息熵的角度出發(fā)，把概念的比較轉(zhuǎn)換為信息量的比較[59-60]進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本體匹配。目前地理本體的研究逐漸成為熱點(diǎn)，基于知識表示、知識推理的方法也逐漸呈現(xiàn)出較大的潛力。

2.2 地理實(shí)體的語義一致性處理

地理實(shí)體語義不一致表現(xiàn)為同名實(shí)體在多源地理空間數(shù)據(jù)中的要素編碼不一致。地理要素類分級差異和編碼方式差異是造成同名實(shí)體編碼不一致的主要原因，本質(zhì)上要解決地理要素分級不一致的問題。分級是對同一類組對象按某方面量上的差別進(jìn)行區(qū)分[8]，不同行業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)中關(guān)心的應(yīng)用領(lǐng)域知識不同，故產(chǎn)生不同分級和編碼方式，一要解決同名實(shí)體匹配問題，二要解決編碼語義轉(zhuǎn)換的問題。

同名實(shí)體匹配理想方法是基于實(shí)體語義，學(xué)者相繼提出了屬性相似性計(jì)算和語義匹配方法，如基于多語義特征約束的匹配方法[58]、基于本體的同名實(shí)體匹配方法[10]及語義增強(qiáng)的地理信息服務(wù)匹配算法[61]等。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量不一、語義歧義等問題，單獨(dú)的基于屬性的匹配方法難以得到較為理想的效果，因此往往使用基于幾何或者混合的方法進(jìn)行同名實(shí)體匹配。要解決編碼轉(zhuǎn)換問題，轉(zhuǎn)換過程中，往往出現(xiàn)編碼一對一、一對多、多對一等復(fù)雜情況。目前常見的分級方法主要有線分級法、面分級法和混合分級法。線分級法具有明顯層次性、邏輯性，但是結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定難以修改；面分級法依據(jù)對象固有屬性劃分為互不交叉的多個(gè)面，雖然便于修改但易產(chǎn)生冗余；混合分級法則考慮到客觀事物復(fù)雜性，在要素編碼中使用較少。在分級方式影響下，不同數(shù)據(jù)也有不同的編碼方式，可基于屬性信息、要素相互關(guān)聯(lián)[62-63]分析不同編碼體系的內(nèi)在一致性，設(shè)計(jì)編碼轉(zhuǎn)換規(guī)則，如有學(xué)者基于外部控制表的語義轉(zhuǎn)換方法，解決了同一存儲格式下不同語義編碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，如圖3所示。隨著知識工程領(lǐng)域發(fā)展，基于實(shí)體的語義推理和關(guān)系識別[64-65]方法也逐漸展現(xiàn)優(yōu)勢。

圖3 基于外部控制表的實(shí)體編碼轉(zhuǎn)換

2.3 屬性特征項(xiàng)的語義一致性處理

由于地理空間數(shù)據(jù)面向不同應(yīng)用背景，故屬性特征項(xiàng)的組成不一致、描述不一致、存儲結(jié)構(gòu)不一致。組成不一致是不同數(shù)據(jù)集面向不同需求，使得采集的屬性信息類型、精度不同；描述不一致是各行業(yè)對同一問題的理解認(rèn)識不同，使得屬性項(xiàng)的定義不一致；存儲結(jié)構(gòu)不一致是不同數(shù)據(jù)模型采用不同的數(shù)據(jù)存儲類型、不同的精度標(biāo)準(zhǔn)。若使用屬性項(xiàng)并集融合多源地理空間數(shù)據(jù)屬性信息，將直接導(dǎo)致多源地理空間數(shù)據(jù)屬性項(xiàng)冗余、屬性項(xiàng)缺失、屬性類型不一等問題。

因此，屬性特征項(xiàng)的語義一致性處理要解決兩個(gè)問題，一是屬性語義消歧，二是屬性數(shù)據(jù)一致性表達(dá)。對于屬性語義消歧，要解決由認(rèn)知和應(yīng)用差異引起的屬性項(xiàng)差異，為新數(shù)據(jù)集構(gòu)建新的屬性項(xiàng)并進(jìn)行屬性語義轉(zhuǎn)換。通常在分析屬性項(xiàng)含義的基礎(chǔ)上匹配屬性項(xiàng)，再通過轉(zhuǎn)換規(guī)則或映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)屬性語義一致性處理。如文獻(xiàn)[58]基于數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)特征制定產(chǎn)生式規(guī)則，對屬性轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)計(jì)了模板化表達(dá)方法，文獻(xiàn)[66—67]設(shè)計(jì)了程序控制的轉(zhuǎn)換方法。基于規(guī)則的方法雖然更為靈活，但是對程序依賴較大，穩(wěn)定性不夠高。因此實(shí)踐中通常構(gòu)建外部文件進(jìn)行屬性字段的映射，如文獻(xiàn)[68—69]使用外部屬性轉(zhuǎn)換控制表進(jìn)行語義轉(zhuǎn)換，使得轉(zhuǎn)換過程脫離了對程序的依賴。對于屬性數(shù)據(jù)一致性表達(dá)，主要是解決由數(shù)據(jù)模型差異引起的數(shù)據(jù)含義和存儲類型差異，本質(zhì)上是屬性信息重構(gòu)的問題，主要手段是屬性字段的替換、更新和屬性取值的統(tǒng)一[70]，如強(qiáng)制轉(zhuǎn)換字符型為整數(shù)型、統(tǒng)一小數(shù)位、標(biāo)準(zhǔn)化屬性值區(qū)間等。

但是在面向基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)生成更新的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，情況則往往更為復(fù)雜多樣，需要應(yīng)對和處理的問題往往更加復(fù)雜，如屬性缺失嚴(yán)重、區(qū)域異質(zhì)性較大、虛假數(shù)據(jù)等[70]，有時(shí)要混合使用多種屬性一致性處理方法，進(jìn)而達(dá)到較為理想的結(jié)果。

3 關(guān)系一致性處理

空間關(guān)系一致性處理旨在解決多源地理空間數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)集內(nèi)部存在的關(guān)系不一致和邏輯不一致問題，主要表現(xiàn)為單要素實(shí)體之間的拓?fù)錄_突和多要素實(shí)體之間的邏輯沖突，其中單要素的關(guān)系一致性處理主要關(guān)注空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的探測和消歧問題，多要素的關(guān)系一致性處理主要關(guān)注多要素的協(xié)同問題，關(guān)系一致性處理研究內(nèi)容包括要素實(shí)體之間關(guān)聯(lián)約束關(guān)系的描述、探測和處理方法，使得地理實(shí)體之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系符合邏輯，如圖4所示。

圖4 關(guān)系一致性處理流程與思路框架

3.1 基于單要素拓?fù)錄_突的關(guān)系一致性處理

單要素拓?fù)潢P(guān)系不一致性探測與關(guān)系一致性處理旨在發(fā)現(xiàn)不同尺度矢量地理空間數(shù)據(jù)同類要素中不同實(shí)體拓?fù)浔磉_(dá)的矛盾和沖突，進(jìn)而消除拓?fù)潢P(guān)系沖突、維護(hù)要素實(shí)體間空間關(guān)系的合理性。按照要素實(shí)體形態(tài)可將其歸納為點(diǎn)目標(biāo)拓?fù)湟恢滦蕴幚?、線目標(biāo)拓?fù)湟恢滦蕴幚怼⒚婺繕?biāo)拓?fù)湟恢滦蕴幚?。線要素拓?fù)錄_突主要解決線要素不連續(xù)、相互交叉等問題，其一致性處理的方法有移位、局部變形、刪除等。面要素拓?fù)錄_突主要解決面要素之間的互相壓蓋問題，通常以局部空間為約束，對面要素個(gè)體進(jìn)行移位。

單要素拓?fù)錄_突的關(guān)系一致性處理主要由確定處理單元和設(shè)定約束條件微調(diào)要素兩步組成。線要素通常以特征點(diǎn)、Delaunay三角網(wǎng)、道路stroke、CDT骨架線等作為處理單元，面要素常以空間剖分Voronoi圖[71-73]作為處理單元。相關(guān)研究較為豐富，現(xiàn)有方法基本可分為兩大類：基于規(guī)則的移位算法和基于優(yōu)化的移位算法。前者通常一步到位，而后者需要迭代運(yùn)算以逼近最佳結(jié)果?；谝?guī)則的方法先總結(jié)沖突表現(xiàn)和規(guī)律，再消解沖突，如構(gòu)建拓?fù)錄_突規(guī)則[74-75]進(jìn)而制定相應(yīng)規(guī)則解決沖突，如基于規(guī)則的沖突消解[76-77]等，但此類方法只能處理已有情況，應(yīng)對復(fù)雜情況能力有限。而基于優(yōu)化的算法則更為靈活，其通過目標(biāo)函數(shù)驅(qū)動優(yōu)化方程達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果，常用的目標(biāo)函數(shù)有能量函數(shù)[78-80]、彈性力學(xué)函數(shù)[81]等，優(yōu)化方程的選擇會影響函數(shù)的收斂速度和運(yùn)算效率，常用的有漸進(jìn)式優(yōu)化算法[82-83]、遺傳算法及衍生方法[84-87]、粒子群算法[88]等。近期深度學(xué)習(xí)算法[48]也成為學(xué)者嘗試和研究的熱點(diǎn)，一方面可以將矢量轉(zhuǎn)換至柵格圖像空間，使用經(jīng)典圖像處理網(wǎng)絡(luò)解決要素沖突；另一方面則直接對矢量要素建模，使用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決沖突。雖然目前基于深度學(xué)習(xí)方法尚未完全達(dá)到理想的效果，但其作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動型的算法，既可以從大量樣本案例庫中提取專家知識，進(jìn)行知識表達(dá)和推理，又可以借助強(qiáng)大算力求解優(yōu)化問題，在未來將會有巨大潛力。

3.2 基于多要素協(xié)同關(guān)聯(lián)的關(guān)系一致性處理

相比于單要素的關(guān)系一致性處理，多要素協(xié)同的一致性處理近年才逐漸成為熱點(diǎn)。多要素協(xié)同是將多個(gè)地理對象統(tǒng)一處理，通過協(xié)同考慮、總體控制，確保綜合后各要素間仍保持空間關(guān)系與屬性聯(lián)系的一致性[89]，多通過固定參考要素移動目標(biāo)要素或協(xié)同移動多要素的方式保持多要素的邏輯一致性。依據(jù)對多要素的建模方法可將方法分為基于約束規(guī)則的方法、基于多智能體的方法、基于連續(xù)空間優(yōu)化求解的方法。

基于約束規(guī)則的方法是將多要素的空間關(guān)系和邏輯關(guān)聯(lián)抽象為一定的規(guī)則，進(jìn)而在參考要素約束下對目標(biāo)要素的編輯處理。約束規(guī)則與相關(guān)要素特征密切相關(guān)，如基于建筑區(qū)域密集程度的多層次位移處理規(guī)則[90]，基于彎曲控制、網(wǎng)眼控制的道路與其他要素位移規(guī)則[91-92]，針對點(diǎn)注記配置的探測規(guī)則[93]，以距離、角度和面積作為約束條件下的建筑物移位規(guī)則[94-96]?；谶B續(xù)空間優(yōu)化求解的方法是將要素位移看作求最優(yōu)解的過程，通過建立可量化的數(shù)學(xué)模型，不斷迭代逼近要素最優(yōu)目標(biāo)，依據(jù)優(yōu)化空間范圍可將方法分為全局最優(yōu)和局部最優(yōu)[96]兩大類。固定參考要素移動目標(biāo)要素的情況則為單目標(biāo)求解問題，若協(xié)同優(yōu)化多要素則情況更為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的多變量優(yōu)化函數(shù)。基于多智能體的方法是將多要素實(shí)體看作具有一定推理和行為能力的智能體，通過對智能體知識、行為、環(huán)境、交互等信息建模和表達(dá)，使得要素實(shí)體實(shí)施一定空間行為，難點(diǎn)是對目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)和對智能體行為屬性的設(shè)計(jì)，如有學(xué)者初步嘗試將智能體模型運(yùn)用到制圖綜合[97]，隨后，多位學(xué)者展開對多智能體[98]、智能體交互規(guī)則的研究[99]，并在制圖綜合中初步體現(xiàn)出智能體方法的優(yōu)勢，但該方法也存在難度較大、設(shè)計(jì)煩瑣等問題，有學(xué)者針對復(fù)雜情況對方法進(jìn)一步完善[100-101]，但是方法距離理想結(jié)果仍然有一定的距離。

總體來說，現(xiàn)有單要素沖突算法研究較多，但是算法較孤立，未能系統(tǒng)化、整體化對空間沖突機(jī)理進(jìn)行分析；多要素協(xié)同問題研究仍然不夠透徹，對協(xié)同的內(nèi)在機(jī)理、協(xié)同關(guān)聯(lián)方式、協(xié)同強(qiáng)度等問題研究仍然不足?？臻g沖突作為一個(gè)系統(tǒng)性、整體性的問題，需要多層次、多尺度的協(xié)同沖突處理方法解決。

4 多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理面臨的挑戰(zhàn)

一致性處理技術(shù)是多源地理空間數(shù)據(jù)融合過程中的重要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著多源地理空間數(shù)據(jù)不斷豐富，地理空間數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用逐漸深入，對多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理提出了新的要求，也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。

(1) 理論研究需要進(jìn)一步深入。目前針對地理空間數(shù)據(jù)融合雖然已有較多研究，也形成了很多研究成果，但理論體系不夠堅(jiān)實(shí)，仍需開展全面系統(tǒng)的深入研究。要加強(qiáng)對新的地理空間數(shù)據(jù)模型和地理本體的研究，使其能有效表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的等級結(jié)構(gòu)和地理實(shí)體的不同特征，適應(yīng)地理空間數(shù)據(jù)存儲和多樣化應(yīng)用要求。要加強(qiáng)對元數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用，充分利用元數(shù)據(jù)相關(guān)信息加速地理空間數(shù)據(jù)一致性處理問題的解決。目前很多算法都是針對數(shù)據(jù)處理具體環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化完善，沒有從整個(gè)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程角度出發(fā)去研究問題，缺乏整體性和系統(tǒng)性，整個(gè)過程缺乏有效的控制，要加強(qiáng)各個(gè)部分之間的聯(lián)系和配合，多從整體和全局的角度去研究問題，形成多源地理空間數(shù)據(jù)一致性處理理論體系和方法。另外，現(xiàn)有算法大都針對異源同構(gòu)數(shù)據(jù)，面向異構(gòu)數(shù)據(jù)的研究較少。要深入理解地理空間數(shù)據(jù)特征、多源地理空間數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更合理的、系統(tǒng)的、全過程控制的算法。同時(shí)，由于各行業(yè)使用不同的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的地理信息生產(chǎn)流程，遵循不同的地理信息采集要求，并且沒有統(tǒng)一的過程控制和誤差控制機(jī)制，故地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量不一，這為地理空間數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用帶來了較大的困難和挑戰(zhàn)。要進(jìn)一步統(tǒng)一各行業(yè)地理信息標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范生產(chǎn)作業(yè)流程和要求，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)性，減小多源地理空間數(shù)據(jù)共享協(xié)同的難度。地理空間數(shù)據(jù)一致性處理理論要結(jié)合多種實(shí)際應(yīng)用，完善方法，改進(jìn)算法，使數(shù)據(jù)一致性處理過程更加精準(zhǔn)、實(shí)用和高效，在屬性一致性和關(guān)系一致性處理中更加有所作為。要進(jìn)一步總結(jié)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)、方法和規(guī)律，發(fā)揮機(jī)器計(jì)算優(yōu)勢，提高工作效率。

(2) 數(shù)據(jù)處理技術(shù)手段進(jìn)一步向自動化、智能化方向發(fā)展。隨著智能化時(shí)代來臨，多源地理空間數(shù)據(jù)融合處理由技術(shù)密集型向數(shù)據(jù)密集型、知識密集型轉(zhuǎn)變，這使得研究對象、研究思路、研究方法都發(fā)生相應(yīng)變化。以往人們對地理信息幾何特征研究較多，近年逐漸關(guān)注地理空間數(shù)據(jù)語義信息、關(guān)系信息。目前對多要素協(xié)同機(jī)理、多要素沖突處理方法的研究仍然不夠完善，模型較少從多要素協(xié)同內(nèi)在機(jī)理深入理解問題，并且少有考慮尺度變化情況下的多要素協(xié)同方式。當(dāng)前多源地理信息數(shù)據(jù)特征更加多樣、語義更加豐富、關(guān)系更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步理解分析多源地理空間數(shù)據(jù)在幾何、語義、關(guān)系的相互聯(lián)系和內(nèi)在規(guī)律，解決復(fù)雜情況，提升算法自動化程度。新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)使得地理空間一致性處理技術(shù)更加實(shí)用，數(shù)據(jù)分析技術(shù)有助于多源地理空間數(shù)據(jù)在幾何位置和形狀以及屬性上實(shí)現(xiàn)更深層次的相互印證、相互補(bǔ)充和相互關(guān)聯(lián)。另外，在數(shù)據(jù)處理智能化方面，也有不少學(xué)者將智能化方法引入地理信息數(shù)據(jù)融合處理過程中，挖掘了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域較為成熟的智能化算法在地理信息領(lǐng)域的潛能，數(shù)據(jù)處理正在朝著智能化趨勢不斷發(fā)展，這要求研究者充分理解地理信息內(nèi)在規(guī)律和智能算法內(nèi)在機(jī)理，才能深入結(jié)合兩者，推進(jìn)地理信息數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步向智能化發(fā)展。

(3) 地理空間數(shù)據(jù)一致性處理要更加關(guān)注尺度變化的研究。尺度變化勢必要對地理要素和實(shí)體進(jìn)行選取和形狀上的化簡與概括，會帶來數(shù)據(jù)內(nèi)容多少和詳細(xì)程度的變化，此時(shí)進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)一致性處理時(shí)，既要認(rèn)真研究空間數(shù)據(jù)在尺度變化時(shí)引起的要素和實(shí)體幾何位置與形狀的變化，研究其幾何差異性，形成合理的判定標(biāo)準(zhǔn)和與之對應(yīng)的處理方法，又要研究具有不同尺度地理空間數(shù)據(jù)中屬性信息(描述空間實(shí)體的屬性信息可能采用不同的詳細(xì)程度)一致性的處理方法，要認(rèn)真研究和解決以下兩個(gè)方面的問題：一是當(dāng)?shù)乩砜臻g數(shù)據(jù)的尺度發(fā)生變化后，就有可能需要對原有的某些屬性信息進(jìn)行聚類、歸并和重新修改填補(bǔ)；二是當(dāng)多個(gè)地理空間數(shù)據(jù)集的尺度基本一致，而屬性信息的詳細(xì)程度不一致時(shí)，就需要通過幾何匹配和屬性匹配技術(shù)找到同名實(shí)體，然后進(jìn)行屬性信息的一致性處理。通過多源地理空間數(shù)據(jù)行之有效的幾何一致性處理、屬性一致性處理以及尺度變化處理研究，檢測多源地理空間數(shù)據(jù)的局部變化，有效實(shí)現(xiàn)地理空間空間數(shù)據(jù)的持續(xù)和快速更新。

5 結(jié)束語

多尺度地理空間數(shù)據(jù)之間的一致性對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)有著重要意義，同時(shí)新時(shí)代智能化測繪、多源地理空間數(shù)據(jù)協(xié)同等的逐漸深入也對多源地理信息數(shù)據(jù)一致性處理技術(shù)提出了迫切需求和新的挑戰(zhàn)。

“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，爆炸式增長的海量多源多尺度地理空間數(shù)據(jù)之間的一致性問題給地理空間數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用帶來了新挑戰(zhàn)。無論是多源多尺度地理空間數(shù)據(jù)集成與融合、地圖要素變化檢測與更新，還是多尺度地理空間數(shù)據(jù)的深層次應(yīng)用都需要一致性處理技術(shù)作支撐。一致性處理技術(shù)在目前研究的基礎(chǔ)上，也隨著時(shí)代的發(fā)展而發(fā)展，呈現(xiàn)出自動化、智能化的趨勢。同時(shí)，地理信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)也在與其他領(lǐng)域不斷融合發(fā)展，推動各個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)向共享性更強(qiáng)、知識服務(wù)能力更好、更加標(biāo)準(zhǔn)可靠的方向邁進(jìn)，充分提升了多源地理信息數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。