摘要:隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地理空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的增長，且城市地理空間數(shù)據(jù)來源多樣、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一，提取和整合城市空間數(shù)據(jù)是當(dāng)前迫切需要解決的問題。本文從數(shù)據(jù)基準(zhǔn)、基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)的制作、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，并就關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式列舉出相關(guān)應(yīng)用實(shí)例，擬為大數(shù)據(jù)的挖掘和分析提供一些思路和方法。

　　關(guān)鍵詞:地理空間數(shù)據(jù);大數(shù)據(jù);坐標(biāo)系統(tǒng);高程基準(zhǔn)

　　0引言地理空間數(shù)據(jù)(Geospatialdata)是空間數(shù)據(jù)(spatialdata)的一種特殊類型，是面向主題的、集成的、動(dòng)態(tài)更新的、持久的空間數(shù)據(jù)集合[1]。定義范圍有廣義和狹義之分[2]。狹義來說，空間數(shù)據(jù)可以循環(huán)利用，“跨界”來用，如可以進(jìn)行機(jī)票的預(yù)測與預(yù)定分析;廣義來說是把不同行業(yè)的數(shù)據(jù)“混搭”，放在一起進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，目前，很多研究還處在狹義地理空間大數(shù)據(jù)的層面上。

　　地理論文投稿刊物：《城市地理》(月刊)創(chuàng)刊于2006年，是由西南大學(xué)主辦的綜合性期刊。中國唯一一本真正深入城市內(nèi)部的時(shí)尚地理旅游類雜志。

　　隨著城市化率的提高，地理空間數(shù)據(jù)呈爆炸式增長[3]。基于城市的地理空間大數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理和應(yīng)用顯得尤為重要。與地理空間數(shù)據(jù)相比，城市地理空間數(shù)據(jù)的種類更加繁多、來源更加多樣、處理更加復(fù)雜、采集手段更加多樣化。進(jìn)入數(shù)字化測繪以來，傳統(tǒng)的全站儀、GNSSRTK測繪技術(shù)，逐漸同新興的地面移動(dòng)測量、無人機(jī)測繪、InSAR測技術(shù)融合，形成“空天地”一體的多源測繪技術(shù)的地理空間數(shù)據(jù)采集手段。如何利用、提取、整合和應(yīng)用這些城市地理空間數(shù)據(jù)，是“數(shù)字城市”“智慧城市”建設(shè)急需解決的問題。

　　1城市地理空間大數(shù)據(jù)構(gòu)成

　　城市地理空間大數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理空間框架數(shù)據(jù)、行業(yè)地理空間專題數(shù)據(jù)、其他地理空間數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理空間框架數(shù)據(jù)主要由強(qiáng)GIS部門，如國土測繪部門基于城市基礎(chǔ)測繪的成果按照一定的方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作，一般由房屋、院落、道路、鐵路、水系相關(guān)的點(diǎn)線面的矢量要素組成[4-5]，以及不同分辨率的數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型成果(柵格數(shù)據(jù))，它是城市地理空間數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)和組成部分;行業(yè)地理空間專題數(shù)據(jù)主要由弱GIS部門，如公安、園林等部門按照應(yīng)用需求和標(biāo)準(zhǔn)制作的行業(yè)應(yīng)用專題數(shù)據(jù)(矢量數(shù)據(jù));其他地理空間數(shù)據(jù)主要包括由非專業(yè)部門(導(dǎo)航地圖公司、公眾部門)制作的興趣點(diǎn)等公眾地理空間數(shù)據(jù)(矢量數(shù)據(jù))等。

　　2城市地理空間大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)

　　隨著當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，人們可以隨時(shí)隨地獲取帶有個(gè)體標(biāo)記和時(shí)空語義信息的數(shù)據(jù)[6-7]，由于不同部門、不同行業(yè)的地理空間大數(shù)據(jù)具有多類型、多時(shí)態(tài)、多參考系等特點(diǎn)[8]，為確保不同數(shù)據(jù)源的地理空間框架數(shù)據(jù)能夠有效地統(tǒng)一和融合在一起，在大數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、存儲、檢索、應(yīng)用、安全等各環(huán)節(jié)均應(yīng)按照一定的方法進(jìn)行相應(yīng)的處理。本文重點(diǎn)討論城市地理空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲方面所需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.1統(tǒng)一數(shù)據(jù)基準(zhǔn)為有效利用地理空間數(shù)據(jù)，首先應(yīng)對各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一基準(zhǔn)，基準(zhǔn)的統(tǒng)一包括坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、時(shí)間系統(tǒng)等方面的統(tǒng)一。全球或區(qū)域性的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一、高程基準(zhǔn)面統(tǒng)一、時(shí)間系統(tǒng)的統(tǒng)一始終是大地測量學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，對于構(gòu)建“數(shù)字地球”“數(shù)字中國”“數(shù)字城市”及研究全球或區(qū)域性環(huán)境變化具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)國家自然資源部的規(guī)定和要求，坐標(biāo)和高程基準(zhǔn)統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)[9]。

　　2.1.1統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)

　　統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的技術(shù)方法主要通過聯(lián)測國家高等級控制點(diǎn)，求取各坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后針對不同的數(shù)據(jù)成果，編制相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序，將不同坐標(biāo)系統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系成果。坐標(biāo)聯(lián)測一般選取3個(gè)以上國家高等級控制點(diǎn)同轉(zhuǎn)換區(qū)域范圍內(nèi)的地方坐標(biāo)系控制點(diǎn)，采用高等級的靜態(tài)GNSS觀測方法進(jìn)行外業(yè)聯(lián)測，再利用GNSS平差軟件獲得各聯(lián)測控制點(diǎn)的不同坐標(biāo)系統(tǒng)的成果;然后，利用控制點(diǎn)的不同坐標(biāo)系統(tǒng)成果，選取合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，求取模型轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到《2000國家大地坐標(biāo)系推廣使用技術(shù)指南》的內(nèi)符合、外符合精度要求的前提下，編制相應(yīng)的轉(zhuǎn)換軟件并利用求取的轉(zhuǎn)換參數(shù)對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;最終，所有的地理空間數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系成果。

　　2.1.2統(tǒng)一高程系統(tǒng)

　　高程基準(zhǔn)有正高系統(tǒng)、正常高系統(tǒng)、大地高系統(tǒng)。我國采用正常高系統(tǒng)坐標(biāo)高程的基準(zhǔn)，其基準(zhǔn)面是大地水準(zhǔn)面，是地理空間高度信息的基準(zhǔn)面，也就是我們常說的海拔高。國家發(fā)布的“1956年黃海高程系統(tǒng)”和“1985國家高程基準(zhǔn)”相差0.029m，這些高程差異，對成果高度統(tǒng)一和成果的共享、應(yīng)用帶來一定困難，特別是對高程基準(zhǔn)要求高的工程建設(shè)項(xiàng)目，如飲水工程建設(shè)、形變監(jiān)測等。

　　此外，“1985國家高程基準(zhǔn)”于1996年和2017年又分別進(jìn)行了全國一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測工作，復(fù)測平差的結(jié)果同1985年的成果也略有差異，為統(tǒng)一高程基準(zhǔn)，一般將其他高程基準(zhǔn)系統(tǒng)向國家規(guī)定使用的“1985國家高程基準(zhǔn)”進(jìn)行統(tǒng)一。因此，首先確定成果的高程系統(tǒng)，然后計(jì)算同“1985國家高程基準(zhǔn)”的差異，再選擇合適的轉(zhuǎn)換模型，編制不同的應(yīng)用程序?qū)Σ煌�的成果�?shù)據(jù)進(jìn)行成果改化，經(jīng)過精度評估和檢查達(dá)到要求后提交。

　　2.2基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)制作

　　地理空間框架數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和制作，一般利用國土測繪部門的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，如DLG成果按照要素選取、數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)重組等實(shí)現(xiàn)地理信息對象化，實(shí)現(xiàn)房屋、院落、道路、鐵路、水系、綠地等實(shí)體要素的制作。對于非現(xiàn)勢性的基礎(chǔ)地理信息成果，還可以利用高分辨率影像進(jìn)行要素更新。要素更新的過程中，一般根據(jù)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的編碼進(jìn)行選取。不破壞提取數(shù)據(jù)的完整性，以行政區(qū)劃為單位進(jìn)行分塊裁切(僅對房屋、綠地進(jìn)行裁切)，進(jìn)行分層屬性、拓?fù)涞葯z查并修改。對分塊裁切的數(shù)據(jù)，按實(shí)體類別進(jìn)行實(shí)體化處理。

　　分塊數(shù)據(jù)實(shí)體化完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，并按照實(shí)體化要求再次進(jìn)行實(shí)體化處理。然后按照一定規(guī)則再一次進(jìn)行自動(dòng)、人工交互檢查。按照地理實(shí)體編碼規(guī)則對地理實(shí)體標(biāo)識。對編碼的地理實(shí)體數(shù)據(jù)實(shí)體編碼進(jìn)行唯一性、符合性檢查。最終，實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體數(shù)據(jù)入庫。

　　2.3大數(shù)據(jù)建庫設(shè)計(jì)

　　2.3.1技術(shù)路線和流程地理空間數(shù)據(jù)來源和類型多樣，對于大型空間地理信息數(shù)據(jù)庫，一般采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型及相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)引擎，按照不同數(shù)據(jù)類型，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容全面、可擴(kuò)展、開放的地理空間數(shù)據(jù)庫。首先，應(yīng)利用基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫檢查、修改;然后，對入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫數(shù)據(jù)整理，并按照數(shù)據(jù)庫要求進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)入庫，預(yù)入庫的過程中，程序?qū)θ霂斓臄?shù)據(jù)進(jìn)行物理接邊、合并、修改;最終，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的入庫工作。

　　3城市地理空間數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用

　　城市地理空間數(shù)據(jù)建庫完成后，可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，按照一定的方式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，如電子地圖、2.5維地圖、三維地形、實(shí)景三維城市等，城市開發(fā)區(qū)邊界劃定，城市空間規(guī)劃等[10]。此外，通過對成果數(shù)據(jù)檢索、提取、融合、重組，形成新的數(shù)據(jù)集，應(yīng)用于各行業(yè)的統(tǒng)計(jì)、分析，形成一些新的成果。

　　3.1城市電子地圖利用已有城市地理空間數(shù)據(jù)中的房屋、院落、道路、鐵路、水系、綠地等矢量實(shí)體數(shù)據(jù)，通過編碼及配圖模板，按照圖層分級、分組、屬性表處理、符號化以及地圖標(biāo)注、地圖優(yōu)化等處理，完成地圖緩存數(shù)據(jù)，最終形成電子地圖數(shù)據(jù)。

　　3.2虛擬三維城市將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3S技術(shù)充分結(jié)合應(yīng)用，綜合利用航飛測量、三維激光移動(dòng)測量、CAD建模技術(shù)等多種技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)城市級三維模型的快速建設(shè);利用三維平臺軟件實(shí)現(xiàn)城市級海量三維模型，不同比例尺、不同類型三維成果數(shù)據(jù)異構(gòu)整合;并通過三維平臺實(shí)現(xiàn)三維場景數(shù)據(jù)快速瀏覽和發(fā)布，實(shí)現(xiàn)2.5維三維場景數(shù)據(jù)快速瀏覽的應(yīng)用擴(kuò)展。這些三維可視化技術(shù)均基于城市地理空間大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)檢索、快速重建、多源數(shù)據(jù)異構(gòu)的方式進(jìn)行 建立。

　　3.3保障性住房應(yīng)用保障性住房信息化管理平臺以城市地理空間大數(shù)據(jù)提供的電子地圖、影像圖、矢量專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，疊加保障性住房專題信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、專題查詢、專題統(tǒng)計(jì)等模塊功能。保障性住房信息化管理平臺通過調(diào)用電子地圖、影像圖數(shù)據(jù)，能夠快速瀏覽業(yè)務(wù)相關(guān)項(xiàng)目的位置及空間屬性關(guān)系，結(jié)合專題數(shù)據(jù)，全面掌握全市保障性住房的建設(shè)、申請、分配和租后管理等方面情況[12]。并且能夠輔助分析業(yè)務(wù)是否合理;業(yè)務(wù)項(xiàng)目是否滿足民眾需求;為應(yīng)用單位的業(yè)務(wù)辦理提供很好的參照依據(jù)，提高了工作效率、方便了管理部門的科學(xué)決策。

　　3.4園林綠化應(yīng)用園林綠化信息化管理系統(tǒng)，以城市地理空間大數(shù)據(jù)提供的電子地圖、影像圖、矢量專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，疊加園林專題數(shù)據(jù)，開發(fā)地圖瀏覽、綠化養(yǎng)護(hù)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)配置等功能模塊[13]，實(shí)現(xiàn)城市綠化工作的科學(xué)化、精細(xì)化和現(xiàn)代化管理水平，為城市園林綠化管理提供有力的技術(shù)支撐，最終達(dá)到資源共享的目的，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖8所示。

　　4結(jié)束語

　　城市地理空間數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù)的一部分，是“數(shù)字城市”“智慧城市”建設(shè)的基石。本文圍繞地理空間大數(shù)據(jù)的預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲，重點(diǎn)在數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的統(tǒng)一、基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)的制作、大數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和建庫等方面進(jìn)行了有益的研究和探索。同時(shí)，展示了城市地理空間大數(shù)據(jù)在城市電子地圖、虛擬三維城市、保障性住房、城市園林管理等方面的應(yīng)用。大數(shù)據(jù)的挖掘、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)分析、并行分析等數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)仍然是今后大數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化、實(shí)體化技術(shù)還需要繼續(xù)深入研究，特別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)體化、單體化技術(shù)還不成熟，將是今后城市地理空間數(shù)據(jù)研究的熱點(diǎn)。

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　　作者：王友昆1，余章蓉2，時(shí)盛春2，瞿華鎣3