OpenStreetMap數據下的空間數據更新方法

丁建勛，劉亞楠，張新長，楊文杰

(1. 珠海市測繪院，廣東 珠海 519015； 2. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；3. 廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075)

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OpenStreetMap數據下的空間數據更新方法

丁建勛1，劉亞楠1，張新長2，楊文杰3

(1. 珠海市測繪院，廣東 珠海 519015； 2. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；3. 廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075)

摘要：針對利用專業測繪數據對空間數據庫更新中存在的現勢性問題，提出了利用OpenStreetMaps數據對空間數據庫進行更新的方法。闡述了基于OpenStreetMap數據的空間數據更新方法的關鍵理論與技術，特別是OpenStreetMap數據與專業測繪數據的變化要素檢測算法:基于格網的匹配檢測算法和基于幾何量算的變化要素檢測。在此基礎上，利用珠海市的專業測繪數據與相應區域的OpenStreetMap數據作為試驗數據，編程實現了基于OpenStreetMap的空間數據更新。

關鍵詞：OpenStreetMap；空間數據；變化要素檢測；數據更新

隨著網絡技術與GIS技術的快速發展，用戶對地理數據的現勢性要求越來越高[1]。如何保持空間數據的現勢性已經成為目前GIS界面臨的重要課題，新興的自發地理信息(volunteeredgeographicinformation,VGI)為這個重要的課題提供了一個全新的解決思路。

VGI是地理信息數據獲取的一種全新方式，該數據由用戶進行編輯提供，用戶既是數據的使用者，又是數據的提供者，即充分發揮公眾的參與性，填補了當前地理數據采集的不足，同時其現實性高、細節豐富、獲取免費。目前比較成功的VGI平臺有OpenStreetMap(OSM)、GoogleMapMarker、維基地圖[2]，本文主要結合OSM數據進行更新方法的研究。

一、關鍵技術分析

1. OSM數據預處理

為了使OSM數據與專業測繪數據的匹配最優化，在進行更新操作之前需要對OSM數據進行預處理，通過分析OSM數據可以發現其具有以下特點：

1)OSM數據中道路數據比較豐富，其他類型的數據信息量并不豐富。

2) 道路數據分為不同的等級，包括一級道路、二級道路、居民地道路、高速公路、人行道等。

3)OSM數據中道路線不僅用單線表示，部分道路線還會用雙線表示。

4)OSM數據中通常一個要素代表一條道路，與專業測繪數據中差別比較大。

鑒于以上的數據特點，OSM數據的預處理主要包括以下4個部分：①根據需要提取OSM中的有效數據；②提取雙線道路數據的中心線；③減少OSM數據和專業測繪數據之間的幾何誤差；④對OSM數據節點分割，使OSM數據和專業測繪數據的匹配盡可能達到1∶1[3]。

2. 變化要素檢測

OSM數據與專業測繪數據的變化要素檢測是整個更新流程的核心部分，變化要素檢測算法要求能精確、快速地查找出OSM數據相對于數據庫中專業測繪數據的變化部分。

本節基于自發地理信息數據更新的特點提出了適用于自發地理信息數據更新的變化要素檢測方法，分別介紹了格網的劃分方法、利用線要素經過的格網面積計算重疊度，以及根據重疊度的數值判斷要素的變化情況[4]。

(1) 格網的劃分

首先需要建立完全覆蓋OSM數據與專業測繪數據的格網，建立格網的步驟如下：

1) 對比要進行變化要素檢測的OSM數據與專業測繪數據的邊界范圍，選取范圍的標準如下

(1)

式中，c表示專業測繪數據；p表示OSM數據。

2) 選定格網的范圍后，對數據范圍區域進行劃分?？紤]到區域連續性、一致性和完整性，根據OSM數據和專業測繪數據的大小將整個區域等分成若干相鄰的等正方形[5]，等分成的小正方形的數量可用下式表示

(2)

式中，Xmax、Xmin分別表示數據范圍的X坐標的最大值和最小值；Ymax、Ymin表示數據范圍Y坐標的最大值和最小值；numX表示X軸方向格網的列數；numY表示Y軸方向格網的行數；width表示格網的寬度；height表示格網的高度。

(2) 線目標格網索引幾何確定

本文采用的線要素經過格網的集合與線要素的緩沖區具有圖形上的相似性，可以將格網面要素的集合當作線要素的變異緩沖區，而線要素經過的格網的集合是與線要素相交的格網的集合，不需要重新建立線要素的緩沖區[6]。

設線要素的可用節點的幾何表示為{node1,node2,…,noden}，與線要素相交的格網索引可表示為{Grid1,Grid2,…,Gridm}，如圖1所示。

圖1　線要素相交格網集合

利用相交格網的方法比利用緩沖區的方法更適用于自發地理信息與專業測繪數據的變化檢測匹配，該方法能夠過濾變化較小的要素，因為當格網的邊長設置一個合理的值時，即使要素發生較小的變化，相交的格網仍然相同或僅有很小部分的差別?？梢园l現，由于道路數據發生了微小的改變，但OSM數據的相交格網僅發生了一個格網的變化，深色框中的格網消失，新增了淺色框中的格網，如圖2所示。

圖2　較小變化的線要素相交格網集合

(3) 重疊度計算

變化區域的專業測繪數據要素集合為A{a1,a2,…,an}，變化區域的OSM數據要素集合為B{b1,b2,…,bn}。本文利用雙向匹配檢測法對變化要素進行匹配檢測，首先利用專業測繪數據對OSM數據進行搜索，檢測出專業測繪數據相對于OSM數據中刪除的變化類型要素；然后利用OSM數據對專業測繪數據進行搜索，檢測出OSM數據相對于專業測繪數據要素新增、移動、合并、分割等變化類型[7]，見表1。

表1　搜索類型表

本文將要素的變化類型歸為兩類：新增和刪除。

進行搜索匹配前，需建立一個臨時庫并新建一個要素類，變化檢測中變化的要素將存儲在臨時庫的變化要素類中，此變化要素類保留了專業測繪數據和OSM數據中的屬性字段，同時新建了兩個屬性字段，分別用來存放變化要素在專業測繪數據和OSM數據中的ID及要素變化類型。

利用專業測繪數據線要素的相交格網集合{Grid1,Grid2,…,Gridm}與OSM數據線要素的相交格網集合{grid1,grid2,…,gridn}作為操作對象。

首先利用專業測繪數據對OSM數據進行搜索匹配，即遍歷專業測繪數據中的線要素，判斷OSM數據中是否有要素的相交格網集合與專業測繪數據中的相交格網集合相交。如果專業測繪數據的某個要素的相交格網集合與OSM數據中的所有要素的相交格網集合均沒有相交，則判定參考數據中的該要素已經在匹配數據中刪除，將該要素存入臨時庫中并將該要素的操作類型賦值為“刪除”。

遍歷OSM數據中的線要素，獲得線要素的相交格網集合，判斷專業測繪數據中是否有要素的格網集合與其相交，如果專業測繪數據中不存在，則此要素為新增要素，將該要素存入臨時庫并將其操作類型賦值為“新增”；如果專業測繪數據中存在要素的格網集合與OSM數據中的要素的格網集合相交的要素，則需要計算數據之間要素的重疊度，重疊度的計算公式如下

S=Area[Grid(Ai)∩Grid(Bi)]/

Area[Grid(Ai)∪Grid(Bi)]

(3)

式中，S表示重疊度；Ai表示專業測繪數據中的要素；Bi表示OSM數據中的要素，此要素的格網集合與Ai的格網集合相交；Grid(Ai)表示專業測繪數據中要素Ai的相交格網集合；Grid(Bi)表示OSM數據中的要素Bi的相交格網索引；Area[Grid(Ai)∩Grid(Bi)]表示相交格網集合Grid(Ai)與Grid(Bi)的交集面積；Area[Grid(Ai)∪Grid(Bi)]表示相交格網集合Grid(Ai)與Grid(Bi)的并集面積。

在理想情況下，若專業測繪數據中的要素和OSM數據中的要素相比沒有發生變化或發生較微小變化時，重疊度S應等于1[8]。如果專業測繪數據中的要素相對于OSM數據中的要素中發生了小范圍的移動，則S的范圍在0～1之間(不包括0和1)，但在實際工作中，由于數據精度等的原因，通常會有上下閾值。

重疊度S根據數據的特點可以分為以下的情況：

1) 重疊度S=0，說明OSM數據中的要素為新增的要素。

2) 重疊度0

3) 重疊度Q1

4) 重疊度Q2

5) 重疊度S=1，說明OSM數據中的要素與專業測繪數據中的要素完全匹配，并沒有發生任何變化。

當檢測到要素發生變化時，將專業測繪數據中的要素存入臨時庫，將操作類型賦值為“刪除”，然后將OSM數據中的要素存入臨時庫，在操作類型中標注為“新增”。

3. 空間沖突檢測

在利用OSM數據對空間數據庫進行更新時，需要對更新后的道路線數據進行空間沖突的檢測與處理，使最終的數據結果符合現實地理實體的表達。

(1) 沖突約束規則表達式

本文在研究空間沖突檢測方法的基礎上，結合空間完整性約束表達式，增加幾何約束規則和屬性約束規則，用約束集合的形式表示沖突規則的約束[9]。

rule={ID，FeaTureClass1，FeatureClass2，

TopoRule，GeoRule，AttriRule}

(4)

式中，ID表示沖突規則的編號；FeaTureClass1和FeatureClass2表示規則約束的要素類；TopoRule表示拓撲沖突約束規則；GeoRule表示幾何度量沖突約束規則；AttriRule表示屬性沖突約束規則。

(2) 沖突約束規則

根據數據間的特點，制定了道路網常用的沖突規則約束。設更新后的道路線要素類為A，沖突檢查要素類為B，A中的要素集合可表示為{a1,a2,…,an}，B的要素集合可表示為{b1,b2,…,bm}。

規則一：當更新后的道路要素類中兩個道路線要素的交點多于閾值時，判定為發生沖突的要素。

規則二：當更新后的道路線要素類中兩個道路線的相鄰交點間的距離小于閾值時，則判定為發生沖突的要素。

規則三：當沖突檢測要素類為居民地面數據時，若存在道路線要素穿過居民地要素，則判定為發生沖突的要素。

規則四：當沖突檢測要素類為河流線數據時，若存在道路線要素與河流線要素的夾角小于某個角度，則判定為發生沖突的要素[10]。

二、試驗分析

本文選取珠海市某區域作為研究對象，試驗數據分別為珠海小比例尺專業測繪數據和從網上獲取的OSM數據，如圖3所示。

圖3

可以發現，OSM數據相對于專業測繪數據有要素發生了變化：①道路線消失；②新增了若干條道路線；③部分OSM道路線形狀和專業測繪數據大致相同，但發生了少量偏移；④部分OSM數據相對于專業測繪數據形狀大致相同，部分細節有所差別。其中①、②屬于道路線新增和刪除，③、④屬于OSM中“偽更新”的要素數據；①、②屬于需要更新的變化要素，③、④屬于不需要更新的變化要素。

1. 基于格網的變化要素檢測結果

試驗中首先利用基于緩沖區的變化要素檢測對要素進行變化要素的檢測匹配，經過處理的OSM數據仍然在細節方面與專業測繪數據有很大差別。而利用基于格網的變化要素檢測，通過設置合適的格網大小，能去除變化檢測中較小變化的影響，去除結果如圖4所示。

圖4　基于格網的變化要素檢測

2. 基于幾何信息量的變化要素檢測結果

基于格網的初次匹配檢測能去除一部分細小變化影響，但不能去除所有的“偽更新”要素，通過幾何信息量算對初次匹配檢測的結果進行再次匹配檢測，檢測結果如圖5所示。

圖5　去除“偽更新”要素后的新增要素

三、結束語

本文在基于自發地理信息數據的空間數據更新方面進行了相關的研究工作，提出了一些實現方法，設計了技術路線，并在自發地理信息數據和專業測繪數據變化檢測匹配中提出了相應的方法，作了一些利用自發地理信息數據作為更新數據源更新空間數據庫的嘗試。然而，基于自發地理信息數據的空間數據更新仍然處于剛剛起步的階段，現階段的研究相對較少，因此，本文提出的方法難免出現一些問題，需要深入研究和進一步完善。

參考文獻：

[1]趙仁亮,陳軍.數字環境下的數據縮編更新方法[J]. 地理信息世界，2008(3)：17-21.

[2]李德仁,錢新林.淺論自發地理信息的數據管理[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2010,35(4):379-383.

[3]HAKLAY M. How Good is Volunteered Geographical Information? A Comparative Study of OpenStreetMap and Ordnance Survey Datasets [J]. Environment and Planning B Planning and Design, 2010 (37): 682-703.

[4]田文文.基于自發地理信息的空間數據變化發現與更新方法研究[D].武漢：武漢大學,2013.

[5]陳玉敏,龔健雅,史文中.多尺度道路網的距離匹配算法[J].測繪學報,2007, 36(1):84-90.

[6]郭泰圣,張新長,梁志宇.神經網絡決策樹的矢量數據變化信息快速識別方法[J].測繪學報,2013,42(6):937-944.

[7]張新長，郭泰圣，唐鐵.一種自適應的矢量數據增量更新方法研究[J].測繪學報，2012，41(4)：613-619.

[8]陳舒燕.基于OpenStreetMap的出行可達性分析與實現[D].上海：上海師范大學,2010.

[9]羅國瑋,張新長,齊立新，等.矢量數據變化對象的快速定位與最優組合匹配方法[J]. 測繪學報,2014,43(12):1285-1292.

[10]宋振.線目標空間沖突自動檢測研究現狀[J].測繪,2009(6)：246-248.

Research on Updating Spatial Data Combined with Open Street Map

DING Jianxun,LIU Yanan,ZHANG Xinchang,YANG Wenjie

收稿日期：2016-03-07

基金項目：國家自然科學基金重點項目(41431178)

作者簡介：丁建勛(1973—)，男，高級工程師，主要研究方向為城市測量新技術應用與管理。E-mail：djxrr@126.com

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0094-04

引文格式： 丁建勛，劉亞楠，張新長，等.OpenStreetMap數據下的空間數據更新方法[J].測繪通報，2016(6)：94-97.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0199.