GIS数据库基础应用空间数据库的数据更新与地图修测课件

1、1内容： 一体化数据库的概念(CAD-GIS)1 重测与修测2 空间数据更新3 数据更新的途径4 多比例尺单库修测5 数据连续更新模式第1页，共80页。2一体化数据库的概念 初始建库 图形出库 土地信息系统 野外测绘 土地档案管理 地图修测 三维数码城市 图形入库 第2页，共80页。3一体化数据库的概念一体化数据库有以下几个特点：1）不仅能大范围的进行更新，而且可在各个业务处理过程中进行局部更新修测；2）实现与比例尺无关的地形地籍数据存储： 可在一种比例尺地形地籍地图输入数据库后输出多种比例尺的地图；3）面向对象的设计：可为不同的空间数据应用系统和生产系统提供全面支持，且使地图更新和修测有单一

2、明确的对象；4）时态数据库的特点：记录下数据库更新的全过程。第3页，共80页。4多比例尺单库 我们采用比例尺1:500来建库，但输出时可综合出其它大比例尺(1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000)地图的辅助信息，这些信息是制图和元数据信息。注：目前国内单位一般是每种比例尺都建一个独立的库，这样不仅费用高，麻烦的是今后的数据更新：用野外测量的实际数据很难对多种比例尺的多库进行自动更新。一体化数据库的概念第4页，共80页。5 图形出库: 多比例尺, 左图是1:5000,右图是1:1000变化的地物: 房屋,围墙,坎,铁丝网, 符号. . . . .一体化数据库的概念第5页，

3、共80页。6信息如何更新? 库建好了，工作只是刚刚开始。 今后的日常测量生产如何进行? 库中的信息如何更新? 目前国内许多单位在建库时不考虑以上问题，建成的库无法更新，或是更新非常麻烦、成本高，最后只好作废不用。我们建库采取的策略是:第6页，共80页。7 库不仅仅支持GIS和办公平台，同时也能支持CAD测绘平台: 库与CAD测绘平台有双向自动接口功能,即库中实测数据能全自动导入到CAD平台, 另外CAD平台的野外修测信息也能自动更新库中变化了的地物。库中不仅仅存放实测数据，同时也存放制图元数据信息；一体化数据库的更新方法第7页，共80页。8 我们针对修测(而不是新测)开发了专门的修测平台，修测

4、系统可充分利用库中已有的测绘信息，在野外只要对发生变化的地物或新增地物进行测量，到室内就可利用修测平台对库进行自动更新。 目前国内单位一般采用新测方式，而没有利用库中已有的测绘信息。新测的成本高、效率低；不符合现代测绘的要求。一体化数据库的建设更新方法第8页，共80页。91 重测与修测重测: 对所有地貌和地形进行重新测量，完全不利用原地形图数据。修测: 是以原测图为基础，对变化了的图形进行修改和补充。重测适用于原测图的地形变化很大（50%以上）的情况。一次全面的重测工作，将投入大量的人力物力，周期长，出图慢。显然重测不是一种经济、快捷的方法；而城市的发展日新月异，周期性长的重测工作难以及时跟踪

5、地物的变化情况。快速修测是必然趋势第9页，共80页。10快速修测是必然趋势： 现在的测图方式是以数字测图软件为工具，其空间数据的组织是以分幅图为单位，以文件方式组织管理的，为形成统一的空间，必须进行“拼图”和“接边”，而“接边”的工作往往无法由系统自动完成，人工编辑的工作量很大。 另一方面，这种以文件组织空间数据的方式只能是单一比例尺的，这也给快速修测增添了困难。 结论： 我们不能以测图软件生成的文件为基本单位， 而应该用空间数据库来组织和管理空间数据。 第10页，共80页。112 空间数据更新 用空间数据库存储和管理空间数据，则地形图修测问题就转化为库中空间数据的更新问题。空间数据的更新，有

6、以下方面的内容：增加新的空间数据，删除现有的空间数据，修改现有的空间数据，拓扑关系的重建，空间元数据的更新。第11页，共80页。12支持GIS应用和测图制图:空间数据库的建立不仅用于测图与制图，它还应能支持GIS应用。GIS对重要的空间对象，在一定程度上需要建立拓扑关系。对象发生变化时，其相应的拓扑关系也要发生变化，所以空间数据的更新也包括拓扑关系的重建。拓扑关系的重建要结合空间对象数据的更新同步进行。 第12页，共80页。13元数据:描述数据的数据.在空间数据库中定义了一些元数据表，它们是存放相应标准的描述数据的数据。所以空间数据的更新也包括空间元数据的更新。地形的变化是引起地形图老化的主要

7、因素，而技术标准的变更其周期很长，因此，本文重点放在地形的变化上。 第13页，共80页。14meta_code表中的部份数据 第14页，共80页。15空间数据更新方案： 地图动态修测较之传统作业方式有许多不同，涉及： 测绘方法、作业手段、工艺流程、以及数据管理等诸多方面。 笔者把传统的修测方案与新的及时更新方案列出来，加以比较，以期得出最佳的更新修测方案。 第15页，共80页。16方案1： 周期性更新周期性更新是依据地形图老化的程度，按一定的时间间隔进行的更新。这是传统的更新修测方法，大多数国家（包括中国）仍采用这种方案。周期性更新的时间间隔一般设置为4-8年，因为中小比例尺地形图老化较慢，这

8、样的时间周期基本能满足需求；但对大比例尺地形图，4-8年的时间间隔太大了。对于发达地区，特别是城市，要能满足地图现势性的要求，大比例尺的更新周期最好能定在半年之内；但这对财力物力有很高的要求，在中国是不现实的。第16页，共80页。17大比例尺地图的周期性更新的技术手段以摄影测量为主，全站仪测量为辅的方法。航空摄影的影像分辨率高，几何精度好，不仅可用于小比例尺地形图的修测，也可用于大比例尺地形图的修测；但对于地籍界址点，仍只能用全站仪进行测量。 第17页，共80页。18方案2：连续性的更新 对地面出现的变化，及时准确的进行更新。连续性更新也称为及时更新，或动态实时更新。对发达地区、快速发展的城市

9、，有必要采用此方法；这样才能保持大比例尺地形图的现势性。而这种更新往往是小范围内的，有选择性的局部更新，所以连续性更新的技术手段应该是以全站仪测量为主，其它方式（航测，GPS等等）为辅的方法。 连续性更新经常性投入较大，目前只有少数国家，对某种比例尺的地形图更新采用此方法。 第18页，共80页。19连续性的更新怎样解决数据实时更新与投入大的矛盾？更新的主要地物:自然地貌变化小，而地物,特别是人工建设地物变化大。更新的重点应放在地物上，而变化的地物主要是居民地、独立地物以及道路。 第19页，共80页。20对策1:对被测对象进行有针对性、有选择性地测量:对市政工程（如道路建设），开工前和完成后进行

10、竣工测量；对新建建筑物（如房屋建设）项目实行竣工测量，测量的成果既可为规划部门使用，也可为地籍、房产部门使用；在地籍变更时，测量变化的宗地。 这种方法可以避免成片测量中的盲目性、重复性和滞后性。也可减少由此带来的“投入”大的问题。 从法规和管理上将竣工测量制度扩大至所有建设项目。第20页，共80页。21对策2：对测量结果实施多重“利用”. 虽然竣工测量、地籍变更测量不是什么新生事物，许多城市勘测院，国土局的测量部门早己实施了多年;但据笔者调查所知，这些测量成果并没有物尽所用，测量单位往往以竣工图、竣工资料的形式提交给用户完事，而没有利用这些测量成果去更新数据库. Why?这里有三个方面的问题：

11、第21页，共80页。22三个方面的问题：a)更新无对象 没有建库，仅以文件方式管理成果。b)更新无手段 己建库，但没有更新手段。这是很普遍的情况。许多单位在建库时，仅仅考虑如何把库建好，如何利用库为GIS提供支持，但没有很好考虑今后如何对库中数据进行自动更新。c)更新无制度 己建库，有更新手段，但管理上无更新制度。由于竣工测量部门和GIS部门往往是独立核算的，竣工测量向甲方收取了费用，就仅仅用于竣工测量而产生的竣工资料，而GIS部门由于没有分享到这笔资金，就不愿意用此测量成果去更新库中的内容，而往往等待政府的集中财政投入来解决数据库更新问题。但对多数城市来说，一次性的财政拨款无法解决基础地图的

12、长期更新问题。结论：建立合理的制度，以鼓励测量成果的多次利用， 用每次的竣工测量成果去更新数据库。第22页，共80页。23无法共享测量成果：除了一个单位的各部门各自为政之外，单位与单位之间更是无法共享测量成果：一栋房屋建成之后，城市勘测院向甲方收费做竣工测量；地籍部门或房产测量部门要作产权登记，又要进行一次测量，甲方又得付费。而各单位的空间数据库只限于本单位、本部门使用，每次的测量成果也不能共享，利用率极低;“投入”大就是这样产生的: 重复建设、重复测量、重复收费，但就是不能更新数据，数据闲置、数据老化，导致数据库和以前的测量成果过时作废；过若干年，再准备向国家申请经费，重新建库，重新测量。

13、第23页，共80页。24解决之道这种恶性循环，直接导致我国测量相关行业的“高投入”和“低产出”。我们所讨论的问题c属于政府管理制度方面的问题。由于行业利益与体制的原因，政府尚未建立各部门之间实际可操作的空间信息共享的机制与政策，缺乏有效的政府协调机构与宏观管理机制。问题a,b属于技术方面的问题，这个问题也完全有解决之道。 第24页，共80页。253 数据更新的途径 3.1初始建库(为了保证今后修测工作的顺利进行)地形数据应以街道街坊组织入库，而不要按图幅来入库。 现在的测图都是按地物的自然边界来测量的，如用道路、河流的边界来划测区，这正好与街道街坊的组织相一致，图形的接边工作就简单多了。 街道

14、街坊包括了地物，这种包含关系在库中因有相应的索引字段来表示，以支持今后的出库操作。 虽然不以图幅来入库，但在入库任何一个地物时，要自动计算出它是属于哪一个或是哪几个图幅范围内的地物。计算出来的这种关系也是以索引字段方式存于库中，以方便今后以图幅为单位的查询和导出操作。虽然是按街道街坊组织入库，但仍有些地物，如河流、道路等大地物是跨街道街坊的，对这些地物在测图软件中按图形来拼接。第25页，共80页。263.2 空间对象出库根据修测的范围和内容，有选择地从库中导出相应的数据到测图平台，以供修测所用。从范围来看，应有以下4种选择：a)按某一街道街坊号导出数据; 这种方式导出的空间对象较多。从图幅来看

15、，从几幅到几十幅之间不等。由于在初始入库时是按街道街坊为单位组织入库的，有相应的索引，可较快导出数据。b)按某一图幅导出数据;c)按一定范围导出数据;d)按某宗地号导出数据。第26页，共80页。27导出数据有二个关键性的问题：a) 导出的空间对象不能有信息损失。b) 导出局部数据时，要按有关的索引来进行，否则速度会很慢。 由于目前绝大多数的测图软件都是基于传统的新测(或重测)模式，注重测图本身的功能，而忽视或没有入库/出库的功能，也没有专门的修测功能，故在出库时自然会出现信息损失的问题，我们把这种信息损失进行细分。 第27页，共80页。28信息损失和失真1) 点符号位置的偏移 2) 高程点的高

16、程注记偏移 3) 线状符号的变形和失真 3.1) 有方向的简单线型符号的失真 3.2) 复杂线型符号的失真 3.3) 偏移线状符号的失真4) 面状符号的失真 4.1) 面状地物内配置符号的失真 4.2) 面状地物边界线的失真5) 结构地物的失真第28页，共80页。29点符号位置的偏移点符号位置的偏移 不同测图系统所规定的主点存在一定的差异，这是因为这种规定还没有形成真正的标准，不同开发人员可能有不同的理解，导致不同系统中的主点有差异。 第29页，共80页。30高程点的高程注记偏移 注记没有严格的定位点，它们只是根据实际情况，配置在相应高程点的周围。入库前作业员为避开高程注记压盖等高线，特意把它

17、移到高程点的上方，但它从库中导出后，压盖了等高线。 解决方法：在高程点表中增加二个字段offset 和offangle，分别表示偏移距离和偏移角度。 第30页，共80页。31线状符号的变形和失真有方向的简单线型符号的失真规定：按前进方向的左手画符号。2) 复杂线型符号的失真方法：在库中不仅保存坡线和坡脚线，同时也保存示坡线。 3) 偏移线状符号的失真 如铁路、围墙等，其偏移的方向规定在不同系统中往往不一样；测图系统（南方，金球等）都是规定铁路测边线，另外的边线由前进方向的左手边按缺省宽度1.435米来自动完成。但在瑞得系统中规定按铁路的中心线测量，铁路的二条边线按+1.435/2米的距离自动生

18、成。方法：由于没有标准化，针对不同系统，对这些符号要做调整。 第31页，共80页。32面状符号的失真面状地物内配置符号的失真面状地物内的配置符号一般是由测图软件按一定的间距插入的点符号，作图员有时会编辑这些点符号，以美化图面；但入库时编辑过的信息往往没有保存下来，因为系统一般只保存面状地物的边界多边形，而不保存配置符号。解决办法: 保存面状地物内配置符号的定位点信息。第32页，共80页。33面状符号的失真2) 面状地物边界线的失真 面状地物的边界线都是封闭多边形，例如一段道路，见上图。 解决办法： 在库中的点线纪录中增加一个字节dottype，说明点与下一个点之间的线段是否要真实的画出来。 面

19、状地物出库时，相应的多边形根据节点的属性dottype来绘制。第33页，共80页。34结构地物的失真 结构地物主要是由一些人工建筑地物组成，如漏斗、龙门吊、桥等等，笔者己把它们归为两点地物、三点地物和四点地物，每类的画法也有相关的规定。由于这些符号的画法在点的顺序上并没有规范要求，所以不同测图系统的画法顺序就有差异。例如给出四点表示地下通道，就有以上四种画法。 第34页，共80页。35空间索引3.3 创建空间索引 没有空间索引，就需要对数据库中的每一个对象进行检查，以验证它是否符合空间选择标准。由于空间数据库规模很大，这类检查会很慢，在实际中难以接受。因此，需要空间索引来有效地查找所需要的对象

20、，而不必遍历库中的每一个对象。第35页，共80页。36空间索引R树已经在一些对象-关系模型的数据库(Oracle9i等)中实现了。但在传统的关系模型数据库中，仍然还是用一维的B树进行索引查找。例如在SQL Server中系统没有实现R树索引。许多空间数据库是在关系模型的数据库中构建的，如何在已有的关系数据库上实现空间索引？该问题有一定的现实意义。扩充方法是采用空间位置编码技术. 第36页，共80页。37空间位置编码技术 1）在所有实现线状或面状地物的表中添加四个字段（x1，y1，x2，y2），保存地物的MBR。在数据库中对（x1，y1，x2，y2）建立联合索引。 2）在所有地物表中，增添街道街

21、坊编码字段st_block，以支持按街道街坊进行的空间操作，并对st_block建立索引。街道街坊编码的确定是由地物落在其街道街坊的范围所决定，而大范围地物，如道路、河流，如果是跨街坊的，则st_block编码后而的block就空缺，表示它不属于具体的一个街坊。 3）增添一个按图幅进行空间索引的空间索引表idx_submapobj，该表项中索引为 (mapidxno, ObjectID), mapidxno是图幅的索引编号，ObjectID是地物在库中的唯一标识符。 第37页，共80页。384. 多比例尺单库修测 单一空间数据库有以下含义： 面向CAD制图与面向GIS的数据结构的统一。为实现它

22、，有地物空间数据建模的创新： a) CAD制图与GIS的元数据提取 把大比例尺范围内的多种比例尺制图信息提取出来，生成相应的元数据。 虽然空间元数据的提取与应用不是一个新的问题，国际上相关的组织已制定了一些包括元数据在内的标准。但在大比例尺地图表示方法上，国际与国内的标准不一样，所以国际上的元数据的标准并不能直接在国内采用。 第38页，共80页。39传统的分类方法 b) 面向对象的地物建模传统的分类方法是把地理信息的单个类别孤立出来，是一种静态的面向用途的分类法，其缺点是：缺陷a: 难以反映分类中一些动态变化的需求。 例如同样一种地物，它在1：500地形图中是用范围线和一独立地物符号表示，而在

23、1：2000的图中仅仅用一独立地物表示即可，而在1：10000图中根本就不表示它；而这种需求是实现多比例尺空间数据库的一个基本需求。缺陷b: 难以实现地理信息的多源性的表示。 例如导线控制点，它由点位、点位上的控制点符号、点名、高程以及水平分割线组成，而传统的分类法把它们分割成独立符号，字符串，数字以及线段，失去了这个实体的整体性。第39页，共80页。40面向对象的分类方法用面向对象的观点可把某一独立地物封装在一个可表示多尺度的独立地物类中：在1：500比例尺下用范围线和点状符号共同表示它，在1：2000下则把范围线信息隐藏起来，仅仅用点状符号表示之；而在1：5000或1：10000的地形图中

24、把全部信息都隐藏起来。我们把在不同比例尺下用不同符号的表示方法与地物的空间位置信息一同封装在一个类中，这样的封装方法可满足地物动态变化的需求，克服传统分类方法的缺陷a。封装多种属性就可对某一地物的多源性表示提供支持，克服了缺陷b. 见 SQL Server 表.第40页，共80页。41SQL Server 表Heightdot Doubleline RegionText 第41页，共80页。42空间数据类的层次关系图 第42页，共80页。43点状地物类与其子类的关系第43页，共80页。44线状地物类与其子类的关系第44页，共80页。45面状地物类与其子类的关系第45页，共80页。46结构地物类

25、与其子类的关系第46页，共80页。47地图的自动综合 用比例尺1:500的空间数据建库，其它比例尺由此自动综合生成。地图的自动综合是一个国际难题，到目前为止，普遍认为没有取得实际性的突破。城镇居民地的自动综合是地图自动综合中的一个主要部分。居民地各要素间联系紧密，关系复杂，显得尤为困难。建筑物的综合不仅仅是一个制图综合问题，它本质上是数据模型或智能数据结构的问题，从国际对该问题的研究上看，重点已从单一算法转到了知识工程上。 第47页，共80页。48建筑物综合基于数学形态学的建筑物综合 数学形态学的方法是以影像图形为基础，而库中地物是矢量图形，所以作者在最初提出的综合方法是把矢量图形（建筑物）变

26、换成二值影像。对二值影像地物进行数学形态学操作，最后得到综合的影像图，再把影像转为矢量图形，用以下图例说明：第48页，共80页。49腐蚀和膨胀操作 图1是原始的矢量图形建筑物 图2矢量建筑物的栅格图形 图3是腐蚀操作后的影像 图4是膨胀操作后的影像第49页，共80页。50腐蚀和膨胀操作 图5膨胀2操作后的影像 图6 腐蚀2操作后的影像 图7边缘检测得到的二值影像 图8 边缘二值影像转为矢量图 第50页，共80页。51该方法优点和缺点经过腐蚀和膨胀操作运算，小的凹部被填平，小的凸部被删除，近距离的建筑物与建筑物被和并。这种方法优点是综合过程简单化，它不像矢量综合法要对被综合的部分进行复杂的几何判

27、断。该方法缺点是： 建筑物的拐角部分经运算有一些变形， 影像结果图形变换到矢量图形也有一些变形， 腐蚀和膨胀运算顾及不了一些特殊情况的处理。第51页，共80页。52矢量的腐蚀、膨胀运算 带综合规则约束的矢量腐蚀、膨胀运算 基于以上优缺点的分析，作者提出一种矢量的腐蚀、膨胀运算，操作的对象是矢量地物，而不是影像。这种方法能克服以上缺点，又能拥有腐蚀、膨胀运算简单的优点。第52页，共80页。53空间库支持下的地图综合1) 1:2000比例尺的地物综合 基本上是符号的变换，以及面状符号插入间隔格变得稀疏；2) 1:50001:10000比例尺的地物综合 除了符号的变换外，更重要的是面状地物和线状地物

28、的综合。第53页，共80页。54符号的变换传输带铁路蒙古包1:5001:1000 1:2000 1:50001:10000第54页，共80页。555 数据连续更新模式 空间对象出库到什么样的系统做地图修测？ 到野外如何测绘？修测结果如何更新空间数据库？ 内外业一体化方式的连续更新模式 :GPS + 全站仪 + PDA + 测图修测软件 按GPS、全站仪、PDA三种硬件的不同特点， 综合它们的长处，形成空间数据连续更新的测量模式。为实现这种方式，有以下创新：第55页，共80页。56作业流程和工艺的创新在PDA平台下实现GPS、全站仪数据采集和数据融合，实现空间数据观测、作图、计算的统一；在CAD

29、平台下实现编图、修测、数据入库的统一。 1）建立大比例尺的单一空间数据库(1:500)，并在SQL Server数据库下实现它，把地形/地籍图数据导入到库中。 2）在AutoCAD平台下实现地图修测与地图更新的软件系统GBmap，实现更新与修测的统一。 3) 选用PDA作为连续更新测量模式的外业平台，PDA与全站仪，GPS实现双向通讯，两种仪器采集的数据在PDA的软件中实现融合：统一的数据结构，统一的处理方式，以及一致的用户界面。第56页，共80页。57已开展的工作:5.1) 江西省宜春市国土局地形地籍数据建库(2005年5月-2005年11月) 检查并整理宜春市70平方公里的1：500地形/

30、地籍图, 建立大比例尺的空间数据库(1:500)，并在SQL Server数据库平台下实现它，把地形地籍图数据导入到库中。5.2) 宜春市国土局地形地籍数据库和地形地籍图的修测(2006年2月-目前)在AutoCAD2002平台下实现地图修测与地图更新的软件系统，实现库更新与图修测的统一。第57页，共80页。58连续更新模式的采用5.3) 武汉市连续更新模式的采用(2003年-目前)GPS+全站仪+掌上电脑(PDA) 作为空间数据连续更新的测量模式。采用便携机加全站仪进行野外测量数据采集已广泛地在城市勘测中得到应用。但是，采用便携机仍具有重量大、不易携带的弱点，而用E500等记录器时，不能进行可视化测量，不能实现测图时“站站清”、“现场清”的要求，还要绘制草图来加以补充。针对这些弊端，我们研制开发了金球掌上电脑测图系统，简称金球系统。该系统能够很好地解决上述问题。 第58页，共80页。59金球掌上电脑测图 金球掌上电脑测图系统是一个集野外数据采集、测量计算及成图显示等多功能于一体的测图系统。该系统立足于测量作业内外业一体化，讲究实际、操作简便、实用可靠。总体功能分四大块，即：“测、算、管、工具” 第59页，共