CN109145173B - 一种基于相似度的矢量要素变化比对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，该方法包括以下步骤：第一步：数据归一化处理，使其拥有相同的空间参考；第二步：建立知识规则库，确定知识规则，主要包括数据分析和变化定义；第三步：数据比对与更新。本发明的有益效果：通过结合缓冲区、空间索引、关键属性和空间相似度，提高了目标识别的准确度和效率，保障了变化检测成果的可靠性；同时，本发明提出了一整体套基于相似度的要素比对和联动更新流程，可以直接指导矢量要素比对和更新生产活动。

Description

一种基于相似度的矢量要素变化比对方法

技术领域

本发明涉及地理数据更新技术领域，具体来说，涉及一种基于相似度的矢量要素变化比对方法。

背景技术

地理空间数据的更新已经取代地理空间数据的生产成为GIS发展的核心和瓶颈(Uitermark et al.,1998,Fritsch,1999)，因为数据的现势性直接影响着其应用价值，进而影响GIS的发展和应用。2005年修订的《中华人民共和国测绘法》第三章第十五条规定：“基础测绘成果应当定期进行更新，国民经济、国防建设和社会发展急需的基础测绘成果应当及时更新。基础测绘成果的更新周期根据不同地区国民经济和社会发展的需要确定。”国家测绘地理信息局制定的《2012年测绘地理信息工作要点》具体要求“推进数字省区建设，加快各级基础地理信息更新步伐，推动1:5万、1:1万基础地理信息数据动态更新和联动更新”。因此，地理空间数据的更新已经成为GIS领域研究和工作的迫切需要解决的重要难题和热点问题。数据更新人员过去通常根据数据集的类型和尺度对这些多重表达的数据集进行独立更新，这样既浪费劳动力、时间和财物，而且容易造成不一致性(Qi et al.,2010)。所以如何实现这些多源异构和多尺度数据集之间的联动更新是实现地理空间数据又快又好更新的又一难题。

其中检测和发现地理要素之间的映射和变化情况是数据更新的前提，也是这一问题的重点和难题，多源地理数据中空间要素的映射和变化情况较为复杂。目前主要通过要素属性和相似性来判定地理要素是否为同源要素以及地理要素是否在发生了变化。

相似性早期应用于模式识别、人工智能、信息检索等领域(Samal et al.,2004)，其中在模式识别和人工智能领域主要是为了计算模式之间或图形图像之间的相似性，在信息检索领域主要是为了判断文本之间的匹配程度。相似性在地理信息领域的应用较晚，大概起始于90年代，许多学者借鉴相似性在其他领域的研究成果，针对空间数据具有复杂的空间特性和属性特性，研究空间相似性的计算方法以及其在数据融合、地理信息检索、数据更新等多方面的应用。在数据更新方面，相似性主要用在两个方面，一是用于识别多源、多尺度数据集之间表达同名地物的目标，建立数据集之间的映射关系，二是用于多时相数据集进行对应目标之间相似性的计算来探测目标是否变化，发现变化信息，主要研究包括：Wang和Wei(2009)提出了一种基于实例相似性统计的自动模式匹配方法，通过计算两个数据集中实例的要素重叠度来获得要素类相似度矩阵，然后与给定阈值进行比较获得要素类的匹配关系，再计算匹配要素类的属性相似度获得多个属性相似度矩阵，再根据给定阈值进行过滤得到属性匹配关系，最后进行人工干预获得数据集之间的模式匹配，从而据此实现异构数据集之间的联动更新。Qi等(2009,2010)通过计算两个比例尺地图中对应目标之间的差异度，然后结合根据各类地物的变化分析所建立的6种对应类型(1:0，0:1，1:n，m:1，m:n，1:1)的规则，识别出更新地物，对小比例尺地图进行更新。应申等(2009)以道路数据为例，通过对目标建立缓冲区，计算不同版本数据库中目标缓冲区的重叠面积与各缓冲区的面积比，据此判断目标之间的关联关系和变化类型，进而提取变化信息，并针对目标匹配存在m:n、1:1、1:n、m:1的四种情况，提出了双向匹配方法。

基于相似度的矢量要素变化对比是正在解决的数据比对和数据更新问题的关键，通过计算地理要素之间的属性和空间相似度，探测出新旧时间版本数据之间的差异，标记同源和发生变化的目标(新增、变化、消失)，实现多源和多尺度数据之间的更新传播，以提高数据的现势性，保证数据之间的一致性。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，能够实现对多源异构和多尺度地理矢量数据的变化检测，进而实现对多源地理数据进行联动更新，以满足国民经济、国防建设和社会发展对基础测绘成果的现势性需求。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，该方法包括以下步骤：

第一步：数据归一化处理，矢量数据来源多，数据结构差异大，侧重点不一致，空间参考也不统一。需要对数据进行归一化处理，将数据整合到统一的数据载体上，使其拥有相同的空间参考。

第二步：知识规则确定，主要包括数据分析和变化定义：

数据分析是针对基础地理数据中各类要素如道路、水系、居民地等进行数据质量分析，确定每类要素的变化比例阈值和可能变化的情况，以及对特殊要素的处理等，并记录在知识规则库中。

变化定义是指对由于数据采集精度差异或者时态的原因，同名要素在不同来源的数据上几何存在差异，比如弯曲程度不同，长度不同，位置存在偏移等。为了达到较好的比对效果，定义在某个距离的缓冲区内，对象之间的重叠比例达到某个阈值，即可认定为未变化；重叠比例小于某个值即可认定为新增或删除；重叠比例在某个区间内可认为变化。明确了这些知识规则，再对地理数据进行下一步的比对分析。

第三步：数据比对与更新，主要包括四个步骤：

①确定比对范围：利用缓冲区确定比对范围，用给定的缓冲半径为待比对的对象生成平头缓冲区，确定要素进行比对的空间范围，存在该范围内的参考要素将是潜在的比对对象；

②确定潜在比对对象：利用空间索引快速定位潜在的比对对象，对参考层的对象构建空间索引(如格网索引、R树索引等)，利用待比对对象的最小外界矩形快速获取潜在的比对对象，缩小比对范围，提高效率；

③确定同名要素：通过对知识规则库中关键属性(如地理实体编码、地物关键编码或地物名称等)的匹配关系，确定待比对对象和比对对象是否为同名要素，如果是同名要素，进行比对，否则标记为删除对象或新增对象；

④要素比对：通过要素空间运算，计算待比对对象和比对对象间的夹角，确定是否进行比对，求取待比对对象和比对对象间的进行相似度计算，主要采用长度、面积以及缓冲区计算要素在空间上重叠或差异部分，进而判定出要素的匹配和变化情况。

⑤对已进行比对且发生变化的地理要素，按新增、删除或变化等标记进行数据更新。

本发明的有益效果：

1)本发明中比对方法结合缓冲区、空间索引、关键属性和空间相似度，提高了目标识别的准确度和效率，保障了变化检测成果的可靠性；

2)本发明提出了一整体套基于相似度的要素比对和联动更新流程，可以直接指导矢量要素比对和更新生产活动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种基于相似度的矢量要素变化比对方法中数据整合的流程示意图；

图2是根据本发明实施例所述的一种基于相似度的矢量要素变化比对方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，根据本发明实施例所述的一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，包括以下步骤：

S1对数据进行归一化处理，整合至统一的数据载体；

S2建立知识规则库，定义知识规则，包括：

S21确定基础地理数据中各要素的变化比例阈值及产生变化的情况，以及对特殊要素的处理；

S22对不同来源的同名要素在几何上的存在差异进行定义；

S3数据比对，具体包括：

S31利用缓冲区确定比对范围，用给定的缓冲半径为待比对的对象生成平头缓冲区，确定要素进行比对的空间范围，存在该范围内的参考要素为潜在的比对对象；

S32利用空间索引快速定位潜在的比对对象，对参考层的对象构建空间索引，所述空间索引包括格网索引、R树索引、二叉树索引，利用待比对对象的最小外界矩形快速获取潜在的比对对象；

S33通过知识规则库中关键属性的匹配关系，所述关键属性包括地理实体编码、地物关键编码或地物名称，确定待比对对象和比对对象是否为同名要素，如果是同名要素，继续进行比对；

S34基于相似度的空间要素比对，采用包括长度、面积、缓冲区在内的空间特征要素之间的重叠比例，同时结合知识规则库中的约定，明确要素的映射和变化情况。

作为优选，该方法进一步包括S4:对已进行比对且发生变化的地理要素，按新增、删除或变化标记进行数据状态更新。

进一步的，S2具体包括：通过对基础测绘数据中各类要素的分析，建立每类要素缓存区半径和相似比例阈值，以及特殊要素变化情况。

进一步的，S31具体包括：对原始图层中的要素集合建立整体缓冲区，使用缓冲区范围在参考图层中进行搜索，得到比对对象集合。

进一步的，S32具体包括：对原始图层中的任意地理要素A，快速获取A所在的格网索引{G1,G2..Gn}，并在参考图层中寻找格网索引{G1,G2..Gn}中的地理要素集合{a1,a2…an}，即为待比对要素集。

进一步的，S33具体包括：对原始图层和参考图层中待比对要素集中的地理要素，按知识规则库中约定中的关键属性进行属性比对，若一致则确定为同名要素。

作为优选，S33进一步包括：

S331对同一空间位置的非同名地物，原始图层中有而参考图层中无的地理要素，标记为删除要素；

S332对同一空间位置的非同名地物，原始图层中无而参考图层中有的地理要素,标记为新增要素。。

进一步的，S34具体包括：

对于点状要素类：计算原始对象和参考对象的空间距离，通过与知识规则库中该类地图的约定阈值比较判断，小于阈值的标记为同名地物，大于阈值的为变化要素；

对于线状要素类：按知识规则库中约定的缓冲半径对原始对象和参考对象建立缓冲区，对两类多边形进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中约定的该类要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值的确定为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分；

对于面状要素类：直接进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中约定的该类要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值标记为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，首先对不同来源的数据进行归一化处理、整合分析，如图1所示，可以看到首先分别对来源于省级和市县级的本底数据进行收集与分析，然后分别在省级和市县级的数据中选取合适的数据进行归一化处理，依照地理空间相关标准规范、借助于软件系统对数据分别进行一致性处理，分别得到省级和市县级的实体化赋码数据。

在进行省级和市县级数据融合前进行数据融合预处理，对数据进行对比分析，对图形、属性等进行融合，并执行质量控制，最后将经过预处理后的省级和市县级数据进行融合，获得融合后的数据。

其中，在进行数据比对时借助以下技术方案实现：

1)利用缓冲区确定比对范围，对原始图层中的要素集合(待比对对象集)建立整体缓冲区，使用缓冲区范围在参考图层中进行搜索，得到比对对象集合。

2)利用空间索引确定潜在的比对对象，对原始图层和参考图层中的地理要素，建立空间索引，常用的空间索有格网索引、二叉树索引、R树索引等。以格网索引为例，对原始图层中的地理要素A，快速获取A所在的格网索引{G1,G2..Gn}，并在参考图层中寻找格网索引{G1,G2..Gn}中的地理要素集合{a1,a2…an}，即为待比对要素集。

3)利用属性比对确定同名要素，对原始图层和参考图层中待比对要素集中的地理要素，按知识规则库中约定中的关键属性进行属性比对，例如地理唯一编码、地物编码、关键名称等，如一致可确定为同名地物。其中：a)同名地物进行下一步相似性比对；b)对同一空间位置的非同名地物，原始图层有而参考图层中无的地理要素，标记为删除要素；c)对同一空间位置的非同名地物，原始图层中无而参考图层中有的地理要素,标记为新增要素。

4)利用几何空间运算进行图形比对，基于相似度的空间要素比对，采用长度、面积、缓冲区等空间特征计算要素之间的重叠比例，并结合知识规则库中的约定，明确要素的映射和变化情况。其中：

a)点状要素类：对该类对象，计算原始对象和参考对象的空间距离，通过于知识规则库中该类地图的约定阈值判断，小于阈值的标记为同名要素，大于阈值的判断变化要素。

b)线状要素类:对该类对象，可先按知识规则库中约定的缓冲半径对原始对象和参考对象建立缓冲区，对两类多边形进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中的约定该类要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值的确定为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分。

c)面状要素类：对该类对象，直接进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中的约定该类要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值标记为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过结合缓冲区、空间索引、关键属性和空间相似度，提高了目标识别的准确度和效率，保障了变化检测成果的可靠性；同时，本发明提出了一整体套基于相似度的要素比对和联动更新流程，可以直接指导矢量要素比对和更新生产活动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1对数据进行归一化处理，整合至统一的数据载体；

S2建立知识规则库，定义知识规则，包括：

S21确定基础地理数据中各要素的变化比例阈值及产生变化的情况，以及对特殊要素的处理；

S22对不同来源的同名要素在几何上的存在差异进行定义；

S3数据比对，具体包括：

S31利用缓冲区确定比对范围，用给定的缓冲半径为待比对的对象生成平头缓冲区，确定要素进行比对的空间范围，存在该范围内的参考要素为潜在的比对对象；

S32利用空间索引快速定位潜在的比对对象，对参考层的对象构建空间索引，所述空间索引包括格网索引、R树索引、二叉树索引，利用待比对对象的最小外界矩形快速获取潜在的比对对象；

S33通过知识规则库中关键属性的匹配关系，所述关键属性包括地理实体编码、地物关键编码或地物名称，确定待比对对象和比对对象是否为同名要素，如果是同名要素，继续进行比对；

S34基于相似度的空间要素比对，采用包括长度、面积、缓冲区在内的空间特征要素之间的重叠比例，同时结合知识规则库中的约定，明确要素的映射和变化情况。

2.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，该方法进一步包括:S4对已进行比对且发生变化的地理要素，按新增、删除或变化标记进行数据状态更新。

3.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S2具体包括：通过对基础测绘数据中各类要素的分析，建立每类要素缓存区半径和相似比例阈值，以及特殊要素变化情况。

4.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S31具体包括：对原始图层中的要素集合建立整体缓冲区，使用缓冲区范围在参考图层中进行搜索，得到比对对象集合。

5.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S32具体包括：对原始图层中的任意地理要素A，快速获取A所在的格网索引{G1,G2..Gn}，并在参考图层中寻找格网索引{G1,G2..Gn}中的地理要素集合{a1,a2…an}，即为待比对要素集。

6.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S33具体包括：对原始图层和参考图层中待比对要素集中的地理要素，按知识规则库中约定中的关键属性进行属性比对，若一致则确定为同名要素。

7.根据权利要求1或6所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S33进一步包括：

S331对同一空间位置的非同名地物，原始图层中有而参考图层中无的地理要素，标记为删除要素；

S332对同一空间位置的非同名地物，原始图层中无而参考图层中有的地理要素,标记为新增要素。

8.根据权利要求1所述的基于相似度的矢量要素变化比对方法，其特征在于，S34具体包括：

对于点状要素类：计算原始对象和参考对象的空间距离，通过与知识规则库中基础地图的约定阈值比较判断，小于阈值的标记为同名要素，大于阈值的为变化要素；

对于线状要素类：按知识规则库中约定的缓冲半径对原始对象和参考对象建立缓冲区，对两类多边形进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中约定的同名要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值的确定为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分；

对于面状要素类：直接进行叠置计算，计算重叠比例，与知识规则库中约定的面状要素的重叠比例进行比较，大于比例阈值标记为同名要素，小于阈值的标记为变化要素，并计算差异部分。

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