唐忠成，張麗，陶嵐，韓劍姿

(1.廣州市規(guī)劃和自然資源自動化中心，廣東 廣州 510060； 2. 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

地理信息公共服務(wù)平臺對于政府建設(shè)數(shù)字城市具有重要的現(xiàn)實意義，以4D產(chǎn)品為核心的多尺度、多類型地理空間數(shù)據(jù)已滲透到數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字治理和數(shù)字生活的方方面面[1]，而平臺的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)只有通過不斷的維護與更新才能滿足政府及各部門的應(yīng)用需求。熊湘琛等通過增量更新技術(shù)快速、有效、準(zhǔn)確地將建設(shè)的變化信息及時準(zhǔn)確地反映在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，加快了城市基本比例尺地形圖更新的速度[2]；周晟軒將空間數(shù)據(jù)一體化生產(chǎn)技術(shù)引入到大比例尺地圖數(shù)據(jù)的生產(chǎn)中，簡化了數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，提升了數(shù)據(jù)更新效率[3]；劉麗芬等研究了基于業(yè)務(wù)驅(qū)動的跨地域自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的快速更新技術(shù)，實現(xiàn)了海圖數(shù)據(jù)的自動化提取與在線協(xié)同更新[4]，但當(dāng)前的研究重點僅僅是針對某一類型數(shù)據(jù)的更新，缺乏一套系統(tǒng)化的針對多源數(shù)據(jù)的快速更新體系。

本文基于廣州市地理信息公共服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)更新項目，在分析了廣州市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的特點之后，結(jié)合動態(tài)變化檢測、智能解譯、多尺度數(shù)據(jù)級聯(lián)更新等關(guān)鍵技術(shù)、提出了一套系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)更新方案，完成了地理實體數(shù)據(jù)、多尺度政務(wù)電子地圖等多源數(shù)據(jù)的快速更新需求，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式和更新效率方面都有所突破，提高了地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)的使用價值，持續(xù)為廣州市提供豐富、優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)地理信息資源數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)更新體系

廣州市城市建設(shè)日新月異，地理實體數(shù)據(jù)、地名地址(含POI興趣點)數(shù)據(jù)的更新工作面臨著更新范圍廣、要素多、變化要素提取難度大的挑戰(zhàn)；同時隨著城市治理智能化的發(fā)展，多尺度政務(wù)電子地圖在城市建設(shè)、用地管理、疫情防控等方方面面發(fā)揮著重要作用，但也在各級空間尺度的應(yīng)用中出現(xiàn)了圖面負載量不均衡、多尺度級聯(lián)更新困難的問題。

針對以上問題，本文整合利用廣東省城市感知與監(jiān)測預(yù)警企業(yè)重點實驗室的sentinel雷達遙感數(shù)據(jù)和檢測技術(shù)，結(jié)合雷達影像和光學(xué)影像的主被動協(xié)同多元動態(tài)變化檢測與深度學(xué)習(xí)識別變化結(jié)果，篩選提取變化區(qū)域，再通過人工核檢的方式完成，為地理實體更新提供重要參照，提升更新效率；同時，基于制圖綜合原理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)、計算機圖形學(xué)等技術(shù)，通過人機交互半自動化的方式，完成 1∶500～1∶500 000的8級系列比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫級聯(lián)更新。這一整套數(shù)據(jù)更新流程完成了從“變化識別”到“變化解譯”到“變化更新”的快速轉(zhuǎn)變，具體的數(shù)據(jù)更新流程如圖1所示。

圖1 廣州市地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)更新流程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

廣州市地理信息公共服務(wù)平臺所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源主要包括廣州市2020版地理實體數(shù)據(jù)、廣州市2020版多尺度政務(wù)電子地圖和廣州市2020版市級節(jié)點天地圖等。此外，項目同時也包含了廣州市2021年高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、廣州市2021年國土規(guī)劃業(yè)務(wù)管理審批數(shù)據(jù)等作為更新數(shù)據(jù)源。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新所涉及的數(shù)據(jù)資料，由于其提供方及來源路徑并不一致，存在數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)格式和空間參考信息的差異，因此需要對多種數(shù)據(jù)源進行更新要素提取、數(shù)據(jù)范圍裁剪、空間參考轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)入庫等預(yù)處理操作，保障多源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)一致性。

2.3 變化檢測及解譯

基于已有的更新數(shù)據(jù)源，對比廣州市2020年、2021年兩個年度的衛(wèi)星影像，結(jié)合主被動協(xié)同的多元動態(tài)變化檢測技術(shù)進行建筑物、道路、水系、植被四種類型數(shù)據(jù)的對比分析，提取影像變化區(qū)域，然后結(jié)合雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的多特征融合的智能化解譯技術(shù)實現(xiàn)遙感影像變化類型的自動解譯，形成變化圖斑。

2.4 數(shù)據(jù)更新

根據(jù)獲得的變化圖斑范圍，分別按照確定型增量更新和變化型增量更新兩條路線完成基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的全域更新。確定型增量更新指在地理實體數(shù)據(jù)(基版)的基礎(chǔ)上，分別疊加各類增量(含新增、修改、刪除)數(shù)據(jù)源，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)進行判斷更新；變化型增量更新指在地理實體數(shù)據(jù)(基版)的基礎(chǔ)上，疊加變化圖斑數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感影像對疑似變化區(qū)域內(nèi)的實體地物進行人工核實，需要通過對遙感影像的目視判斷來判斷變化要素及變化類型，從而進行圖形和屬性的更新。

2.5 級聯(lián)更新

通過數(shù)據(jù)更新可獲得新的大比例尺的地理實體數(shù)據(jù)，本文以2021版地理實體數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，在2020版小比例尺基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對比兩個比例尺間新增、刪除，修改部分的區(qū)域，基于制圖學(xué)制圖綜合理論，針對系列比例尺制圖尺度差異、各區(qū)域地理特征異質(zhì)性、不同地理要素圖層等情況的綜合判斷，對建筑物、道路、水系和綠地面等不同的地物類型設(shè)立不同的綜合指標(biāo)，通過合并、選取、化簡等綜合操作完成系列比例尺地圖的增量更新[5]，實現(xiàn)廣州全域 1∶500～1∶500 000的8級系列比例尺的快速級聯(lián)更新。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于雷達與遙感主被動協(xié)同的多元動態(tài)變化檢測技術(shù)

動態(tài)變化檢測技術(shù)是數(shù)據(jù)更新過程中首要并且是最重要的步驟，即利用同一地區(qū)在不同時間或不同條件的遙感圖像中，識別和量化地表變化的類型、空間分布情況和變化量[6]。單一雷達影像(主動遙感)可以全天時全天候進行監(jiān)測，但雷達噪聲影響大、解譯困難，而單一光學(xué)影像(被動遙感)易于解譯、波段豐富但受天氣干擾較大。

因此基于雷達與遙感主被動協(xié)同的多元動態(tài)變化檢測，即主被動協(xié)同的地表動態(tài)監(jiān)測，將雷達與光學(xué)遙感影像相結(jié)合，依據(jù)主被動遙感互補協(xié)同的思路，完成時間維、影像維、解譯維的優(yōu)勢互補，準(zhǔn)確識別提取變化區(qū)域，排除由于光學(xué)影像受衛(wèi)星姿態(tài)，拍攝角度、云影等影響產(chǎn)生的偽變化，可從較大程度上提升遙感變化檢測的準(zhǔn)確程度。

3.2 基于雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的多特征融合的智能化解譯技術(shù)

本文研究的數(shù)據(jù)更新體系在遙感與雷達主被動協(xié)同變化監(jiān)測精準(zhǔn)提取變化區(qū)域，解決了“哪里變”的問題基礎(chǔ)上，還需要進一步解決遙感影像“變成什么”的問題。遙感圖像自動解譯作為一項復(fù)雜的工程、抽取穩(wěn)定、有效的特征是提高遙感圖像自動解譯精度的關(guān)鍵[5]。而隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的不斷進步，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在圖像識別方面取得重大進展、在遙感影像特征提取方面也應(yīng)用頗廣[7]。

本文通過將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到遙感影像解譯之中，利用數(shù)據(jù)的特點，提取像素及其鄰域的空間細節(jié)等高級特征，運用雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)方法，聯(lián)合變化圖斑的光譜-對象-時間特征進行模型訓(xùn)練和智能化解譯，這一方法比傳統(tǒng)方法更有效充分地學(xué)習(xí)到樣本數(shù)據(jù)前后變化的信息，提高識別的性能，通過構(gòu)建“技術(shù)—生產(chǎn)—反饋”的迭代機制，可實現(xiàn)變化圖斑類型的精準(zhǔn)識別。

3.3 多尺度海量時空數(shù)據(jù)的智能級聯(lián)更新

由于不同層次、政府、部門對數(shù)據(jù)的需求不同，為了滿足地圖表達需要，往往需要建立多種比例尺的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫。但當(dāng)數(shù)據(jù)庫太多時其建立和維護費時費力將耗資巨大，因此對最新的較大比例尺數(shù)字地圖進行自動綜合，派生出較小比例尺的數(shù)字地圖成為新的研究方向。

多尺度海量時空數(shù)據(jù)的級聯(lián)更新采用跨比例尺新舊數(shù)據(jù)疊加縮編更新的方式，即直接疊加大小比例尺的新舊數(shù)據(jù)提取變化信息，然后對小比例尺數(shù)據(jù)進行更新協(xié)調(diào)來解決海量時空數(shù)據(jù)中矢量數(shù)據(jù)的更新維護問題。針對點、線、面不同類型要素，制定多尺度新舊地圖數(shù)據(jù)變化信息發(fā)現(xiàn)、識別和級聯(lián)更新規(guī)則，開發(fā)面向房屋面、道路中心線、水系、興趣點等要素的多尺度更新的模型算法，為跨比例尺空間數(shù)據(jù)級聯(lián)更新提供技術(shù)支撐[8]。

4 平臺成果特點

本文提出的數(shù)據(jù)更新體系為新形勢下新型基礎(chǔ)測繪更新工作提供了參考，以廣州市地理信息公共服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)更新項目為例，由該體系建立起來的廣州系列比例尺地圖數(shù)據(jù)庫具有多源兼容、智能化快速更新、應(yīng)用場景多樣等特點[9]。

4.1 多源兼容

廣州市地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)來源多樣，且數(shù)據(jù)量龐大。本文針對多樣性的數(shù)據(jù)來源，通過統(tǒng)一編碼、對數(shù)據(jù)進行融合清洗、標(biāo)準(zhǔn)化處理；同時針對不同的類型的數(shù)據(jù)來源，定制模塊化數(shù)據(jù)更新流程，從而完成廣州全域范圍內(nèi)的多種數(shù)據(jù)類型，比如地理實體數(shù)據(jù)、地名地址(含POI興趣點)數(shù)據(jù)，多尺度政務(wù)電子地圖等的統(tǒng)一更新工作。

4.2 智能化快速更新

本文提到的數(shù)據(jù)更新體系通過結(jié)合高新技術(shù)、算法，實現(xiàn)了城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的智能化快速更新，數(shù)據(jù)更新效率和速度顯著提升。比如傳統(tǒng)的常規(guī)計算機+人工目視的整個廣州市的變化檢測，需要一個人至少七天的才可以完成變化圖斑識別，而通過結(jié)合多元動態(tài)變化檢測技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，則可以實現(xiàn)半天計算機識別，1小時人工精度評價；增量更新和智能化地圖綜合技術(shù)的融入也有效降低更新作業(yè)量，提升了作業(yè)模式的智能化程度。

4.3 應(yīng)用場景多樣

基于多尺度海量時空數(shù)據(jù)庫生成的政務(wù)電子地圖和天地圖·廣州等平臺數(shù)據(jù)成果，可有效支撐全市各委辦局信息平臺的空間數(shù)據(jù)應(yīng)用。由該數(shù)據(jù)更新體系建立起來的“一庫多用”的廣州系列比例尺地圖數(shù)據(jù)庫可支持城市地圖集App、廣州市標(biāo)準(zhǔn)地圖、云平臺公眾版等公共服務(wù)平臺的地理要素動態(tài)表達和交互式應(yīng)用場景，如圖所示為面向政務(wù)和公眾的不同風(fēng)格的系列比例尺政務(wù)電子地圖，在廣州市委市政府等地得到了廣泛應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 廣州市系列比例尺政務(wù)電子地圖

5 結(jié) 語

本文以廣州市地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)更新項目作為研究背景，提出了一套系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)更新體系。該數(shù)據(jù)更新體系通過結(jié)合多元動態(tài)變化檢測、深度學(xué)習(xí)和地圖綜合等關(guān)鍵技術(shù)，建立了一套可多源兼容，智能更新，應(yīng)用于多種場景的廣州系列比例尺地圖數(shù)據(jù)庫，解決了基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)在變化識別及提取、智能化綜合、聯(lián)動更新等方面的技術(shù)難題，可持續(xù)為廣州市地理信息公共服務(wù)平臺提供豐富、優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)支撐。

廣州市地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)更新體系雖然已經(jīng)取得了一定的成就，但數(shù)據(jù)更新領(lǐng)域的研究方興未艾[10]，下一步，希望通過將近幾年迅速發(fā)展的深度學(xué)習(xí)、群體智能、知識圖譜等人工智能技術(shù)與地圖變化檢測、地圖自動綜合等技術(shù)結(jié)合起來[11]，優(yōu)化提升基于基礎(chǔ)測繪、遙感變化檢測及新型測繪技術(shù)的全域覆蓋的智能化數(shù)據(jù)更新體系。