国家级基本地理实体构建技术设计与实践

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国家级基本地理实体构建技术设计与实践

郑毅、田海波、张元杰、李雪梅

(国家基础地理信息中心 北京 100830)

概括:

针对传统测绘产生的矢量元数据以现实世界的二维数字抽象表达形式存在的问题,难以完全满足三维空间分析、计算和使用的实际需要。维度数字空间。 本文以我国1:5万地理信息元数据为主要数据源,研究设计了国家级基础地理实体数据建设的生产流程和关键技术。 结合工程实践,详细阐述了地理实体数据的改造与重构、语义信息的补充与完善、实体语义关系的构建等关键技术的实现过程。 形成了一套实用的地理实体构建技术流程,充分发挥地理实体在信息承载、表达、共享、关联等方面的优势。 首批国家级基础地理实体数据产品表明,本文描述的生产流程能够快速、有效地构建地理实体数据,可以为国家级多尺度地理实体的连接和集成提供数据和技术支撑。 、省、市两级。

0 前言

地理实体是人类用来描述和表达地理世界中特定空间范围、形式、过程、关系和相关属性的地理现象的物化抽象。 其独特的数据形式以及有效承载其他专业信息的能力,使其具有与各政府部门整合、共享和交换信息的潜力。 基本地理实体是指在基本测绘职责范围内描述和表达的地理实体,是其他地理实体及相关信息的定位框架和承载基础[1]。

世界上一些发达国家很早就进行了基础地理信息数据的物化和集成处理,形成了易于与专题信息衔接的公共地理框架数据,可以视为基础地理实体的雏形[2] 。 美国政府于1994年颁布第12906号行政命令,要求建立国家空间数据基础设施(NSDI),并颁布了《地理信息框架数据内容系列标准》,涉及地籍、行政单位、水系统、交通、数字正射影像、七大领域规定了框架数据的类别,包括高程和大地控制,其中前四类均采用面向实体的数据模型[3]。 2007年,欧洲议会通过了建设欧盟空间信息基础设施(INSPIRE)的决议。 目前INSPIRE已经推出了一系列数据规范。 与FGDC的框架数据规范类似,这些数据也尽可能采用面向实体的数据模型[4]。 英国地形测量局于2000年开始实施“数字国家框架”计划,打造新一代数据产品MasterMap。 其中,所有地表图元都被赋予唯一且永不改变的识别码TOID,通过TOID组合相关图元,实现地理实体的识别[5]。

近年来,针对数字中国建设、国土空间治理现代化等新的发展形势和战略需求,我国开展了许多与地理实体相关的基础理论研究和应用探索。 例如:文献[6]从地理角度描述地理实体,将地理实体分为现有地理实体、规划地理实体、建设地理实体和管理地理实体。 提出从部门应用角度对地理实体进行细粒度分割。 浙江省提出利用地理实体编码实现多尺度表达空间数据的联动更新[7]。 江苏省对所有地理实体和兴趣点信息进行统一分类编码,探索利用地理实体概念来描述和表达基础地理信息[8]。 作为较早试点城市,武汉市将地理实体产品和地理场景产品设计为新型基础测绘产品,并升级了城市基础地理信息数据库[9]。 上海结合特大城市治理和自然资源管理对地理信息的新需求,构建基于地理实体的新型基础地理信息时空数据库[10]。

国内外现有的地理实体研究和探索主要局限于某些类型的土地类型或局部大范围区域。 但围绕国家级基础地理实体数据宏观层面的内容、模型结构、应用需求等与现有研究存在较大差异,迫切需要开展国家级基础地理实体数据建设的技术设计。国家级基本地理实体数据[11]。 本文主要以我国现有的1:5万基础地理要素数据为基础,结合数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)及相关专题数据,依靠自动化转换重建、语义信息补充和完善,和实体语义关系。 构建等技术打造国家级基础地理实体数据产品,为全国范围内统一规范的数据联动更新和综合信息挖掘提供基础[12]。

1 总体技术思路

按照“利用现有资源、引入增量”的总体思路[13],充分利用现有基础测绘成果,根据需要补充完善相关数据内容,开展国家级测绘基础设施建设。级地理实体基础数据。 总体技术思路如图1所示。

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1)尽可能转动。 对于1:50 000基础地理信息元数据中具有实质性意义的地理信息元,构建实体数据,无实质意义的仍以要素形式保存,作为制图辅助信息,确保1:50 000个基础地理信息元数据具有内容完整保存,可用于实现基于基础地理实体数据的制图表达。

2)无缝连接。 考虑到1:50 000基础地理信息特征数据和基础地理实体数据在一段时间内会并行存在,且1:50 000基础地理信息特征数据不断更新,通过唯一的方法建立1:50要素代码(FEAID值)000基础地理信息元数据与基础地理实体数据一一对应,保证更新后的1:50 000基础地理信息元数据可用于快速更新基础地理实体数据。未来。

3)多粒度表达。 将1:5万基础地理信息元数据转换生成的具有实体意义的最小粒度单元作为国家级基础粒度实体数据,如路段、河流段等。同时,根据根据宏观应用的需要,将一些基础实体数据进行组合,形成更大粒度的组合实体数据。

4)构建实体语义关系。 基于知识图谱,构建基础地理实体数据的实体语义关系,达到人机兼容理解和更快分析应用基础地理实体数据的目的。 对于专业应用,可以在此基础上扩展基础地理实体和专业实体之间的关系。 语义关系满足工业部门应用[14]。

2 主要工艺流程

利用1:5万基础地理信息元数据,对具有地理实体意义的要素进行物化、转化和重构,包括数据采集与分析、数据转换、地理实体编码、实体关系构建等,最终得到基础地理实体数据结果形成。 ,整体流程如图2所示。

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1)数据收集和分析。 收集整理1:5万基础地理信息元数据、DOM、DEM等自然资源调查监测数据以及相关专题数据,并对各类数据的质量、时效性、可用性进行分析。 其中,1:5万基础地理信息元数据是构建国家级基础地理实体数据的主要数据源。 数据覆盖全国陆地和主要岛屿,涉及9大类、470多个子类要素,包括34个数据层。

2)数据转换。 主要包括三个步骤:建立基础地理实体数据层和属性字段; 制作地理信息要素与基本地理实体的映射表; 根据映射关系将特征数据统一转换为基础地理实体数据。

3)补充和完善语义信息。 利用DOM、DEM、专题素材等数据,通过识别信息关联、空间位置匹配、语义融合等方式补充和完善地理实体的语义信息。

4)地理实体编码。 包括基本地理实体的分类代码、空间位置代码和实体唯一识别代码。 其中,分类码用于标识地理实体的类别信息,空间位置码用于描述地理实体的空间位置,实体唯一识别码用于区分识别实体,地理实体唯一识别码用于实现地理实体与相关社会经济、自然资源信息的联动[15]。

5)实体语义关系构建。 基于地理实体数据,结合图像等参考资料,构建实体语义关系,主要包括组合实体组成关系、组合实体和实体关联关系。

3 关键技术 3.1 实体数据转换与重构技术

1)国家级基础地理实体数据模型构建

创建国家级基础地理实体数据模板,用于存储转换后的实体数据、组合实体数据和制图辅助要素。 图层和属性信息应满足基础地理实体数据的要求,保证转换后数据存储的规范性。 实体数据集的属性字段由基本属性字段和专有属性字段组成。 制图辅助特征数据集的属性字段与1:5万基础地理信息特征数据字段的属性结构和空间表达内容一致。

2)地理信息要素和基本地理实体的制图

将1:5万基础地理信息元数据中具有地理实体意义的要素相应转换为自然地理实体、人工地理实体和管理地理实体。 其他元素保留作为制图的辅助元素,不进行物化转换。 根据国家级基本地理实体转换内容,建立地理信息要素与基本地理实体的映射表、地理信息要素与制图辅助要素的映射表,规范地理信息图形与属性信息的对应关系数据转换过程中的要素和基本地理实体。 。

3)实体数据自动转换与重构

根据地理实体基础数据层和属性需求、地理信息要素和基础地理实体映射表,开展自动化转换重构工作。 根据建立的地理信息要素与基础地理实体的映射表以及地理要素与制图辅助要素的映射表,将1:5万基础地理信息要素数据中需要物化的要素转换为实体数据集,制图辅助要素也被转换为制图辅助要素数据集。

3.2 语​​义信息补充和改进技术

1)根据识别信息关联获取语义信息

通过实体名称、行业代码等唯一标识信息,将地理实体数据与专题数据进行匹配,建立基础地理实体与专题数据(如路网、水网等)的映射关系。 基于数据之间的映射关系,利用专题数据所包含的属性来补充和完善地理实体的语义信息。

2)基于空间位置关联获取语义信息

将地理实体数据与参考资料的空间坐标系统一起来。 基于匹配的空间位置信息,建立地理实体与参考数据之间的映射关系。 根据数据之间的映射关系,利用参考数据所包含的属性来补充和完善地理实体的语义信息[16]。

3)基于语义融合获取语义信息

将地理实体数据与参考数据中的相似数据进行语义融合。 例如,水系统实体“河流”和参考分类“河流表面”指的是同一类型的地理对象。 如果两类数据中的河流对象具有相同的空间位置信息,则两类数据所表达的地理对象是同一条河流。 ,实现语义融合。 语义融合参考数据中包含的属性将用于补充和完善地理实体的语义信息。

3.3 基于知识图谱的实体语义关系构建技术

实体语义关系类型主要包括实体组合关系和实体关联关系。 实体组合关系存储组合实体与其组成部分之间的关​​系。 实体关联关系存储实体之间的归属、从属、邻接、连接、经过、流经、流入等各种关系。 实体关系按照不同的类别(分类和编码顺序)进行有序的整理。 在所有具有关系的两个实体之间,相同的关系仅记录一次。 实体关系以关系表的形式记录,并以“三元组”的形式标准化。 国家级基本地理实体重点构建水系、海洋、交通、政治区域等实体语义关系,语义关系如图3至图6所示。

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4 工程实践

2022年,启动国家级基础地理实体数据试制。 数据覆盖黄河流域青海、甘肃部分地区,总面积约20.2万平方公里。

国家级基础地理实体数据成果主要包括水系、居住区及设施、交通、管道、边界和政治区域、自然和人工地貌、部分植被和土壤质量等地理实体类型。 结果规格及指标见表5。

表5 国家级基本地理实体绩效规范和指标

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5 结论

国家级基础地理实体数据建设以我国1:5万基础地理信息要素为主要数据源,采用自动转换重构、语义信息补充完善、实体语义关系构建等技术,地理实体产品是对现有国家级基础地理信息数据的创新利用。 也是实现测绘产品从传统要素数据向实体数据转换升级的重要实践。 国家级基础地理实体数据建设是现实三维中国建设的重要任务,也是今后国家、省级多尺度地理实体互联互通工作的重要基础和市级。 (原文已被删除)

作者简介:郑毅(1986—),男,湖北仙桃人,高级工程师,博士。 主要研究方向为地理时空信息处理。

邮箱:619318155@qq.com

引用格式:郑毅,田海波,张元杰,等.国家级基本地理实体构建技术设计与实践[J]. 测绘科学, 2023, 48(3): 25-29.

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