城市地形图空间时态数据库建库设计
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摘要：城市大比例尺地形图是城市面貌的真实反映，它是城市规划、设计、施工等各项工作必不可少的基础资料。随着各大中城市大比例尺地形图数据库建设的完成，城市大比例尺地形图数据的现势性问题成为用户关注的热点问题，用户对城市大比例尺地形图数据库提出了“持续更新”的要求。本文分析了地形图要素的空间时态变化，提出了地形图空间时态数据库设计应遵循原则、设计方法和步骤等。
关键词：空间时态数据库；地形图更新；目标操作日志表；数据恢复
中图分类号： S611 文献标识码： A
1 空间时态数据库设计
1.1空间时态数据库的设计原则
传统GIS 是静态GIS，空间数据的组织考虑空间数据的语义信息和几何特征。空间时态数据库包括地理目标的空间信息和时间信息，笔者认为在空间时态数据库设计时应遵循以下原则：
（1）数据的完整性：包括空间信息、属性信息和时间信息的完整性。空间信息、属性信息的完整性是指一个地理目标的空间信息应该完整，不能有裂缝（如地形图接边造成）或属性项的缺漏以及属性项取值的不正确（如以目标的局部属性值代替目标整体属性值等）。时间信息的完整性是指应包括地理目标的即除包括地理目标的现状信息、历史信息以及保持这些信息的时间区间等所有时间版本信息；
（2）地理目标的可追溯性：可以追溯现状目标或历史目标的过去或未来的变化情况；
（3）地理目标增量的可知性：可以快速求出某两个不同时刻数据库地理目标增量；
（4）数据的现势性：可以快速将新增目标追加到现状数据库，发生版本变化目标更新到最新版本；非现状目标或目标版本存入历史数据库；
（5）语义、几何特征类型相同原则和生命周期相同原则：空间要素分层时，应将具有相同语义、几何特征及相近生命周期的空间要素分在一层。
1.2 空间时态数据库的设计方法
根据地形图空间时态数据特点和空间时态数据库的建库原则，作者提出以下地形图空间时态数据库的设计方法或步骤：
（1）设计现状数据集和历史数据集存放地形图的现状空间数据和历史空间数据。两个数据集存放的数据层或专题类型完全相同；
（2）设计现状数据集或历史数据集的图层或专题。现状数据集或历史数据集之图层或专题设计时应考虑以下因素：①要素的语义信息和几何特征：同一图层或专题要素的语义信息和几何特征基本相同。②要素的空间分布范围：同一图层或专题要素的空间分布范围相差不大。③要素的更新频率或生命周期：同一图层或专题要素的更新频率或生命周期大致相同。
基于以上考虑，现状数据集或历史数据集可以分为以下41 层：1 居民地面层，2 居民地附属建筑线层，3 居民地附属建筑点层，4 垣栅线层，5 工矿设施线层，6 工矿设施点层，7 农业及气象设施线层，8 农业及气象设施点层，9 公共设施线层，10 公共设施点层，11文物古迹、具有纪念意义的建筑物、宗教设施线层，12 文物古迹、具有纪念意义的建筑物、宗教设施点层，13 城墙与长城线层，14 铁路线层，15 铁路附属设施线层，16 铁路附属设施点层，17 道路中线层，18 道路面层，19 道路边线及桥涵线层，20 道路附属设施点层，21 电力线及附属物线层，22 电力线及附属物点层，23 电信线及附属物线层，24 电信线及附属物点层，25 管线及附属物线层，26 管线及附属物点层，27 水系面层，28 水系边线层，29 水利设施线层，30 水利设施点层，31 境界线层，32 等高线层，33 等高线点层，34 地貌及土质线层，35 地貌及土质点层，36 植被线层，37 植被面层，38 植被点层，39 测量控制点层，40 其他要素线层，41 其他要素点层。
（3）定义每个图层地理目标的数据结构
由于地形图图面的属性信息非常有限，因此每个地理目标的数据结构是点、线、面矢量数据结构外加分类代码和有限的属性项。另外考虑采用面向对象的方法，每个目标有唯一的目标标识。有的目标可能有版本变化，每个目标应有版本号。新增目标初始版本号为1，同一目标每变更一次，版本号加1。每个图层或专题地理目标的数据结构如表1 所示。
表1
（4）定义每个图层或专题增加目标以及删除目标日志表地理目标的数据结构中没有地理目标的时间信息，目标新增、删除或版本变更的时间信息存放到了增加目标和删除目标日志表（表2 和表3）中，这样做的好处是：地理目标的空间信息和时间信息进行了分解，空间分析时操作现状数据集或历史数据集，时间（时态）分析时操作增加目标和删除目标日志表。另外增加目标和删除目标日志表中还存有目6标增删的原因，可用于时态信息数据挖掘。
表2
表3
通过这两类日志表，还可以快速求出某个图层两个给定时间段间空间变化增量。
例1. 若t0 为当前状态，t1 为过去某个状态，求出t0至t1间指定专题空间变化的增量以及t1 时刻指定专题空间数据的状态。
（1）从表2 查出t1~t0 间增加的目标集合{added objects}，从表3 查出t1~t0 间删除
的目标集合{deleted objects}。删除目标集合减去增加目标集合即t1~t0 间的空间变化增量δ1。
（2）当前状态现状库指定图层中删除集合{ added objects }中的元素，增加{deletedobjects}中的元素即t1 时刻指定专题空间数据的状态。
2 空间时态数据库的建立过程
地形图空间时态数据库的建设包括了地形图空间时态数据库的设计、建立与维护。地形图空间时态数据库的建立过程如图1 所示。
图1 地形图空间时态数据库的建立过程
3 空间时态数据采集与现状数据入库
城市大比例尺地形图空间时态数据的采集可采用内外业一体化数字测图方法、直接数字化已有地形图方法、编绘方法、高分辨率卫星遥感影像图像处理方法或直接数字化已有地形图方法。应用商业软件将采集的现状地形图空间时态数据导入地形图现状库中。
4 空间时态数据库的更新维护
4.1 寻找变化信息
寻找变化信息是通过现状与已有数据对比实现的。目前寻找变化信息的办法主要有两种：（1）外业巡视（2）航空、航天影像与现有数据比较寻找变化（3）竣工测量数据比照现有数据寻找竣工测量区域的数据变化。
4.2 采集变化信息
变化信息的采集方式主要有：手工采集、交互式采集和全自动采集。其目的都是得到变化的增量信息。
4.3 数据库的更新维护
城市大比例尺地形图空间时态数据库数据分层组织的，其更新维护也是分层进行的。由于各层数据组织的基本单位都是完整的点、线、面目标，目标的变更类型包括新增、删除、版本变化。更新时各图层的维护操作是一致的：首先寻找变更目标，找到变化目标后，判断变更目标属于两种基本动作的哪一种？（1）如果是目标新增则将所有新增目标信息录入7到现状库，并在新增目标日志中增加记录，描述新增目标的目标标识、版本号、增加日期和增加原因（2）如果是目标删除，将该删除目标从现状库剪切到历史库，并在删除目标日志中增加记录，描述删除目标的目标标识、版本号、删除日期和删除原因(下文是地形图空间时态数据库更新维护的具体实现过程)。数据更新时一般从现状数据库中按图幅提取修测范围的数据，数据库中所有要素有目标标识和版本标识，该标识在地形图更新时能被保留。对于只含在一个图幅内的要素如点状地物，可直接寻找变化进行数据更新；对于跨越多个图幅的要素如建筑物、道路等，应在数据接边形成完整目标后寻找并描述变化，然后进行数据库更新。
5 空间时态数据库的历史数据恢复与可视化
5.1 历史数据恢复
某一历史时期历史数据的恢复，需从历史库和现状库中分别进行提取合成。具体是：
（1）、分别从增加目标日志表和删除目标日志表中查出tHistory 至今增加的目标集合{added objects}和删除的目标集合{deleted objects}。
（2）、从现状库中删除集合{ added objects }中的元素，增加集合{deleted objects}中的元素即tHistory 时期现状数据库状态；从当前的历史数据库中删除{deleted objects}中的元素即tHistory 时期历史数据库状态。
5.2 空间时态数据的可视化
实现空间时态数据的可视化，首先需要同时加载现状库和历史库的数据层。然后分别对增加、删除目标日志表中增、删目标日期和按一定规则进行分级，给分处不同级别的要素配置不同的符号或不同色相或同一色相不同的饱和度。从而表现出现状数据生存的时间和历史数据距今的远近。
（1）设计一个房屋使用时间与颜色的对照表：如1 年20%灰、2 年40%灰、3 年60%灰、4年80%灰、5 年及以上黑；
（2）从增加目标日志表中找出距今1 年、2 年、3 年、4 年、5 年及以上的目标标识；
（3）从现状数据库中找出相应目标标识的目标并根据（1）可视化现状房屋要素。如图2是某新建小区各栋楼房使用时间的可视化图形，从图面效果来看，房屋使用时间越长，房8屋颜色越陈旧；
（4）设计一个房屋拆除时间与颜色的对照表：如1 年90%灰、2 年70%灰、3 年50%灰、4年30%灰、5 年及以上10%灰；
（5）从删除目标日志表中找出距今1 年、2 年、3 年、4 年、5 年及以上的目标标识；
（6）从历史数据库中找出相应目标标识的目标并根据（4）可视化拆除房屋要素。房屋拆除的年代愈久，房屋颜色愈淡，对现在的影响愈小。
参考文献
[1] 王育红，蒋捷.基础地理信息的客户更新服务问题.中国地理信息系统协会第八届年会论文集，北京，2004 年11 月:304-309.
[2] Fritsch D. GIS Data Revision-visions and Reality. Keynote Speech in Joint ISPRSCommission Workshop on Dynamic and Multi-dimensional GIS. Beijing:1999.
[3] 罗晓燕，袁燕岩等.大比例尺地形图数据库更新一体化技术综述，北京测绘，2004（2）:20-23.