村镇空间信息获取、集成与更新关键技术研究

王育红，张合兵，赵凯歌

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000）

一、引 言

近年来，以数字化、网络化为特征的信息化浪潮席卷全球，信息技术已经渗透到经济和社会的各个领域，成为提升产业发展水平、提高劳动生产率、推动经济增长、增强国家综合实力的最重要手段。在村镇规划、建设与管理领域，越来越多的国家和地区已经开始注重对信息技术的开发和应用，以此来建立城乡之间平等互动的信息传递与交换关系；提升农村发展速度，缩短城乡差距；改善村镇管理和服务水平，促进工业化、城镇化和农业现代化的协调发展；引导农民改变传统生产生活方式，促进农民享受现代社会文明成果，推动科技、文化、社会事业的全面可持续发展。

村镇空间信息是村镇信息化的前提和基础，直接关系着村镇信息化建设的进度与成败。这是因为村镇空间信息能为村镇的各项规划、建设与管理工作提供直观、精确、充分、科学的图形资料和决策依据，能为基于地理对象的多源村镇社会、经济与专题信息的空间可视化表达提供框架支撑，能为各种村镇业务信息系统实现基于地理位置的信息应用与共享提供服务保障［1］。

长期以来，我国空间信息获取与处理工作的重点是为国家基础设施建设、区域建设规划和城市建设发展提供保障服务，而针对广大农村村镇地区的工作则十分薄弱［2］。目前，村镇空间信息建设与应用整体水平仍普遍较低，数据基础差、覆盖不均衡、比例尺度小、现势性差、更新周期长、共享程度低、集成整合难等问题依然比较突出。

针对日益迫切的实现应用需求及当前面临的现状困境，本文在总结借鉴相关技术研究成果的基础上，结合当前研究热点及发展动向，紧密围绕村镇空间信息技术发展“低成本、讲效率、重实效”的基本要求，分别设计提出了适用于不同数据基础条件的村镇空间信息获取、集成及更新技术，以提高村镇空间信息的覆盖度、利用率和现势性，切实发挥空间信息在村镇信息化建设中的基础性作用。

二、RTK与全站仪协同的获取技术

RTK是英文real time kinematic（实时动态）的缩写［3］，是GPS载波相位差分定位技术的别称，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。GPS RTK系统主要由基准站、电台（数据链）、流动站及数据处理软件4个主要部分组成。其定位的基本原理是:在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将测站点坐标、载波相位观测值或改正数等数据发送给流动站；流动站一方面通过接收机接收GPS卫星信号，同时还通过无线电接收设备接收基准站传送的数据，然后根据载波相位相对定位的原理，通过差分处理解求载波相位整周模糊度，得到基准站和流动站之间的坐标差值ΔX、ΔY、ΔZ；坐标差加上基准站坐标就可以得到流动站点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个站点的平面坐标x、y和海拔高h。

与目前常用的全站仪相比，利用RTK采集要素特征点坐标具有灵活、高效、高精度的作业特点。不过RTK也有其局限性，易受多路径效应、电磁波干扰、高大建筑物及树木对接收机视野的限制等不利因素的影响，因此其不能完全取代全站仪。两种仪器协调配合作业，才能快速全面地采集测量各种要素的空间位置和形状信息。针对这种情况，本文提出了RTK与全站仪协同联合的村镇空间信息获取方法，其具体流程如图1所示。

图1 RTK与全站仪协同的获取技术流程

1.前期准备工作

采集前必须认真做好准备工作，这是决定能否多快好省地完成任务的第一关。准备工作包括作业依据和测量资料的收集、测量仪器和工具的检查和校正、接收机及相关数据处理软件的熟悉，以及在分析现有测量资料和测区实际情况的基础上，设计和制定出适合GPS RTK测量特点的操作规程、技术方案和实施计划，并组建作业队伍等。

2.GPS控制测量

利用RTK技术采集空间信息，测区内必须有一定数量的GPS已知控制点。如果测区内没有控制点，或数量不足、分布不均，则不利于RTK基准站的布设、流动站的初始化，以及测量结果的检核和校正。此时，必须采用精度较高的GPS静态定位技术进行引点或加密。

3.RTK特征点采集

在农田、晒场等上空开阔区域，可以直接采用RTK测量采集要素特征点信息。具体步骤如下:

1）在已知点上架设好GPS接收机和天线，按照要求连接好一切连线后，打开GPS接收机。

2）利用控制器手簿建立新任务，输入已知基准站地方坐标、高程、GPS天线高等信息，并启动基准站。

3）当接收机及电台均正常工作，控制器提示断开控制器与接收机电缆时，断开电缆，将控制器手簿与流动站GPS接收机相连，通过控制器选择RTK测量方式，启动流动站。

4）当流动站初始化后，首先检验基准站坐标及高程，误差在允许范围内即可开始要素特征点的采集工作。

4.全站仪特征点采集

在大片树林区域、高大建筑拐角处、无线电信号发射塔周围200 m的范围内、高压线下等遮挡或信号干扰区域，一般不宜使用RTK进行采点，而应使用全站仪采集特征点，如图2所示。全站仪采集特征点的基本原理和具体步骤如下:

图2 全站仪特征点采集原理

1）在RTK已测的图根控制点A上设站，后视已知点B，用已知点C作检核，无误后开始观测。

2）观测已知点A到未知要素特征点K的距离DAK。

3）观测已知方向AB与未知方向AK的夹角βK。

4）观测未知点K的垂直角αK。

5）根据已知点A的坐标（xA，yA，hA）、AB的方位角αAB、仪器高VA和棱镜高VK，按如下公式解算未知点K的坐标（xK，yK，hK），并记录在全站仪中。

5.内业数据处理和编辑

当利用GPS RTK或全站仪将村镇空间要素特征点测量完成后，要及时把所采集的数据传输到计算机内进行内业编辑与处理工作，以派生形成所测的村镇要素。内业数据编辑与处理通常有编码法及草图法两种。编码法要求在外业数据采集时，同时记录点的定位信息、连接信息及属性编码信息，根据连接信息内业自动连接特征点生成要素图形信息，该方法自动化程度高，但现场作业时间长；草图法则是在外业数据采集时，只记录特征点的名称和坐标信息，而把测点的连接和属性信息反映在草图上，内业对照草图调用通过人际交互编辑生成要素图形及属性信息，该方法简单便捷，外业时间短，是目前内业数据编辑与处理普遍采用的方法。

三、顾及语义差异的集成技术

随着村镇信息化建设进程的不断发展及空间信息技术的日益普及，越来越多的部门开始建立和使用基于空间信息的各种村镇业务专题信息系统，这样势必将累积形成较为丰富的村镇空间信息资源及图形图件资料。因此，很有必要研究这些已有数据的高效集成与整合问题，以提高数据利用率，避免重复采集，降低数据成本，为新系统的建立或综合性应用提供性能适宜、价格低廉的数据源。

由于应用目的和专业背景的不同，参与集成的各种源数据大多是基于不同的数据模型独立设计建设的，即使是对相同地理现象的模拟和表达，在抽象机制、建模方法等方面也可能存在多种不同类型的差别，甚至冲突［4］。为了保证集成结果的正确性、一致性、完整性和最小性，必须提出相应的方法和措施以发现、屏蔽和消除这些差异和冲突，以更好地对原有分散数据进行提取、转换、合并和关系协调。

相对于系统运行环境、坐标参考系统、数据文件格式等类型的差异而言，目前语义差异的识别和处理则更加困难和繁琐，相关研究也比较薄弱。基于这种情况，本研究设计提出了顾及语义差异的多源村镇空间信息集成技术，其具体实施流程如图3所示。

图3 顾及语义差异的集成技术流程

1）数据库设计。在数据集成过程中，首先应该选择设计一种合适的结构和方式来统一存储和管理来自多个数据源的数据副本。目前，空间数据的存储和管理主要有基于文件和基于数据库两种常见方式。基于文件的方式一般侧重于图形的存储，不便于属性数据的存储及以后的扩展，在进行空间分析等高级应用时存在着先天的不足，不利于数据的共享重用，以及高效、安全、快捷的管理，而基于数据库的方式则完全克服了这些缺点。

基于以上分析，笔者选择了当前比较流行的、功能强大的Geodatabase数据库来存储和管理集成结果。Geodatabase数据库设计的基本步骤是根据集成的目的和数据的用途，首先进行概念设计以确定各种实体、联系及其属性特征，然后将其转化为Geodatabase中相应的要素类（俗称图层）、表、关系类、属性字段等模式元素，在整体上确定集成结果的存储结构和逻辑框架［5］。

2）模式匹配。模式匹配的目的是识别和发现源数据和结果数据库之间语义相同或相关的模式元素，并显式声明彼此间的具体映射关系。

例如，对于图4中所示的两个相关要素类及其相关属性，可以根据集成结果的模式结构和表达要求，声明如下形式的映射关系:

要素类映射:LineRivers=（Select* from PolygonWaters where Type=“河流”）；

几何型映射:LineRivers.Geometry=Centerline（PolygonWaters.Shape）；

属性字段映射:LineRivers.Name=PolygonWa–ters.ENNM；LineRivers.Length=PolygonWaters.le-n/1000等。

图4 模式匹配示例图

3）要素提取、转换与上载。根据模式匹配所确定的映射关系，从相应的数据源中筛选提取所需要素的相关信息，并调用相应的转换处理函数对其中部分信息进行转换处理，以使其符合集成结果的表达要求，然后将其存放在结果要素类中的对应位置。

4）冗余要素发现与消除。由于多个彼此相对独立的数据源中可能同时记录了同一现实实体的相关数据，因此，经过提取、上载之后的结果要素类中往往包含着同一要素的多个重复冗余记录。为保证集成结果的最小性，必须采取一定的措施和手段及时发现和消除这些冗余要素。其中，冗余要素的发现可以通过比较要素记录在空间位置、几何形状、属性特征等方面的相似性加以实现，如果两个要素记录的相似值小于给定的阈值，则认为其是冗余要素［6-7］。冗余要素的消除可以采取“保留一个，删除其他”、“取平均值，合并生成一个新要素”等多种方式加以实现。

四、基于遥感影像的更新技术

当前我国村镇建设已进入关键阶段和快速发展时期，村镇区域地表及其附属物正发生着日新月异的变化，一些现有数据信息或图纸图件资料的现势性正逐年下降，有些甚至是面目全非，不能很好地描述反映现实世界的真实状况。因此，必须及时快速地对其进行更新，以确保已有数据信息、图纸资料的现势性、真实性和准确性。为克服传统野外实测更新方法周期长、人力多、成本高的不足，笔者设计提出了基于遥感影像的村镇空间数据更新技术，其基本流程如5所示。

1）数据预处理。数据预处理主要包括遥感影像的预处理和待更新图件资料的预处理。其中，影像预处理包括辐射校正、几何校正、图像增强、噪声消除、图像镶嵌或裁剪等内容；而图件预处理主要应用于以传统纸质地图形式存在的空间数据，为保持更新工作的便利及可持续性，将其扫描转化为数字形式的矢量数据。

图5 基于遥感影像的更新技术流程

2）影像与数据配准。所谓影像与数据配准是指依据一些相似性度量决定二者间的变换参数，将描述同一区域场景的、不同时期的影像与村镇空间信息转换到同一坐标系下，使得二者在空间位置上最佳地套合起来，即同一坐标位置上对应的地物一致，从而具有可比性。实现配准的基本方式是先依次从影像与待更新数据上选择若干对不同的同名控制点；然后将其代入坐标转换模型（如相似变换模型、仿射变换模型等），利用最小二乘原理反求出模型中的待定参数；最后根据模型对影像像素坐标进行转换，以与待更新数据坐标相吻合。

3）变化要素检测与统计。将显示比例调至适中数值，通过目视判读比较的方式，从叠置在一起的影像和信息数据上逐屏检查发现诸如新增、消失、分解、合并、聚集等各种类型的变化要素［8］，并统计计算待更新信息的变化率。如果变化较大，超出规定的阈值指标［9］，则应该采取重测的方法更新现有村镇空间数据；如果变化相对较小，则进入下一步的处理。

4）变化要素提取与更新。在影像上提取和勾绘变化要素的属性、位置、边界、中心线等信息，并据此对原有信息数据中对应的变化要素执行修改、添加及删除等操作。

5）更新冲突检测与处理。由于空间要素的高度相关性，要素的创建、删除和修改等操作将会对与之相关的其他要素的几何图形、属性特征产生影响，进而引起地物关系的重新调整，甚至会产生多边形不闭合、碎屑多边形、压盖等不同类型的冲突矛盾现象。因此，在信息更新后还应该及时地检测发现数据中的这些矛盾冲突，并作出进一步的修改调整和协调处理［10］。

五、结束语

目前，上述技术已在鹤壁、焦作、济源3个市级国土部门辖区内的16个乡镇、10个街道办事处得到了推广应用，有效提高了村镇空间信息及相关图纸资料的覆盖度、重用率和现势性，大大缩短了村镇空间信息建设工程工期，降低了应用系统开发资金成本，为土地利用规划和管理提供了直观、准确、科学的数据资料。依据这些信息数据资料，现已完成近10个乡镇的合理规划，通过规划使农田耕地更加集中连片、村镇体系布局更加合理、人文和自然景观更加美观、人居生态环境更加优越。

但是，考虑到中原地区国土面积广、村镇数量多、地域差别大、经济发展不平衡的实际情况，仍需要进一步加强现有相关技术的验证和完善工作，以确保其具有更加广泛的适用性和良好的整体协同性。

［1］ 卢卫华，蒋捷，黄蔚，等.村镇地理空间数据框架实现软件系统的设计与实现［J］.地理信息世界，2010，8（2）:12-16.

［2］ 李力，杨学聪.测绘为新农村建设描绘最美的蓝图［N］.经济日报，2009-06-23（13）.

［3］ 郭振华，孙喜平.实时动态测量中的难点与对策［J］.测绘通报，2005（6）:31-32.

［4］ 王育红.空间数据集成及冲突消解方法综述［J］.测绘科学，2011，36（2）:81-83.

［5］ ESRI.ArcGIS 9:Building a Geodatabase［M］.［S.l.］:ESRI Press，2009.

［6］ 敖成龙，苏英，龚元明.相似度在GIS对象比较中的应用［J］.计算机工程，2004，30（3）:89-91.

［7］ 郝燕玲，唐文静，赵玉新，等.基于空间相似性的面实体匹配算法研究［J］.测绘学报，2008，37（4）:501-506.

［8］ 王育红，牛亚辉，林艳.顾及语义差异的基础地理信息客户数据库更新实施模型［J］.地理与地理信息科学，2011，27（1）:1-6.

［9］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 14268—2008国家基本比例尺地形图更新规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［10］ 刘万增.GIS数据库更新中空间冲突自动检测方法［M］.北京:测绘出版社，2009.