地理空间数据质量检查平台的设计与应用

段明旭 李玉冬 闫 宁 李 杨 龙家恒

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

地理空间数据是地理信息的一种抽象表达,也是真实世界与虚拟世界互相传递信息的一种有效媒介[1-2]。因此,其质量的好坏与优劣对能否实现准确的空间分析与精准的空间决策有着至关重要的影响。如何精准把控数据质量,并建立一套有效的、便捷的质量控制产品,已经成为当前新形势下地理信息产业的一个热门话题。

目前为止,我国地理信息产业已初步建立集调查、研究、保护、评价与监督等于一体的新型产业模式[3-5],地理空间数据的成果质量控制平台也由单一管理平台[6-8]逐步向系统性的全流程的成果质量控制平台[9-11]迈出了坚实的一步。全流程的成果质量控制平台覆盖了地理空间数据检查的全部流程,不仅能够在最大限度上满足各级别的检查人员的需要,更能自如地适应各类别、各量级的成果数据,具有易操作、使用灵活方便等特点。

依据《数字测绘成果质量检查与验收》(GB/T 18316—2008)和《测绘成果质量检查与验收》(GB/T 24356—2009)两项国家标准,并根据地理空间数据质量控制的主要特点和相关技术手段,为满足本单位对产品质量的总要求,以标准化、自动化、数字化为重要技术手段和主要途径,研发了“地理空间数据质量检查平台”。该平台软件是全流程的成果质量控制平台,遵循模块化的开发思想,支持检查算子[12-14]、规则和方案的自由组合与灵活配置,制定了统一标准的输入与输出模板,建立了合理的评分和筛选机制,实现了自动化检查成果输出,简化了质量检验的工艺流程,在最大限度上提高了地理空间数据质量检查效率,缩短了质量检查工期,降低了产品生产和检验成本。

1 设计方案

软件平台在设计过程中始终贯穿领域驱动设计[15]思想,采用洋葱架构模式构建平台模型,由里向外逐层扩展平台更多层次功能。如图1所示,该平台设计主要包括4个层次,由里向外依次为内核层、核心层、业务层和应用层。

图1 平台设计方案

内核层是该平台最重要的结构层次,类似于生物学中的中枢神经系统,是驱动整个平台运行的核心领域。该领域层次主要由许多核心模型(核心驱动)共同构建而成,是贯穿于软件与硬件之间的重要桥梁,能够完成内存管理、进程控制、权限认证、日志管理与共享等操作。内核层是平台独立运行的底层逻辑结构,具有跨平台、易扩展以及易搭建等特性,既是平台结构的逻辑抽象,也是抽象的具体表达。核心模型是该领域层次的重要组成部分,各模型相互交织并彼此独立,它们犹如一个又一个独立的信号源,向其他领域层次传递和交互信息,驱动着整个平台的有机的、协调的运行。

核心层是该平台设计的另一个重要的领域层次,是平台运行的大脑,主要由检查算子、检查规则与检查参数3个部分构成。其中,检查算子是质检平台的最基本单元,是对成果质量评价体系各要素的概括与抽象,是实现各项技术指标的具体量化与算法实现;检查参数是指导检查规则运行的重要因子,也是算子规范化的一种具体约束,它是工作实践与工作经验相互结晶而产生的一个科学的、经验性的集合,具有先验性、指导性、规范性等特点;检查规则可以概括为2个部分,一部分是由检查算子和检查参数共同构建的有参规则,另一部分则是无参规则。前者是可以被量化的规则,具有先验指导,而后者则独立存在于空间逻辑之中,需要去挖掘和扩展。如图2所示,算子、规则和参数共同构成了平台的检验因子,三者是有机结合的统一体,不同规则、不同算子以及不同参数既可以叠加,也可以自由组合,以满足不同项目、不同层次以及不同规模的检验任务。

图2 检验因子结构图

业务层是平台从抽象到表达的具体实现,处于平台的主干地位,总体上由6大模块组成,即质量检查模块、数据处理模块、质量评定模块、空间分析模块、成果输出模块以及服务管理模块。

(1)质量检查模块是6大模块中的核心模块,也是其他模块的基础,它是平台检验因子的具体实现过程,由“任务+方案”共同组成。不同的质检任务决定了不同的质检方案,不同方案的有序叠加构成了不同的质量检查模块,不同质量检查模块的有机结合最大限度地保证了检查的科学性与规范性。

(2)数据处理模块、质量评定模块以及成果输出模块是质量检查模块的子模块,前者定义了数据处理方案与规则,后者完成质量评定与成果输出。

(3)空间分析模块是有关地理信息方法的具体实现,包括地图投影、空间拓扑分析、空间几何分析等内容。

(4)服务管理模块主要用于对外提供服务接口,实现了对外扩展与外接设备注入的算法。

应用层是平台的具体表现形式,是对各业务领域的展示与封装,主要由用户界面、外部服务、数据库以及工具集合等因素组成。用户界面是平台的集中表现形式,通过图形化定制将各功能对用户展现,方便用户实现软件的操作与控制;外部服务是服务管理接口的具体表现,方便用户进行软件扩展与外接设备注入;数据库操作是软件运行的支撑平台,实现了数据的统一管理、存储与共享;工具集合是提供给用户进行其他操作的工具集,可以进行文件浏览、文档整理、任务分发等工作。

2 关键技术

为满足当前多种地理空间数据质量检查的基本要求,平台采用了轻便灵活的架构模式,配置了灵活多变的检验因子,提供了规范化的输出模式,以任务和方案为运行导向,简化了质量检验的工艺流程,在最大限度上提高了地理空间数据的质量检查效率。

2.1 灵活多变的检验因子

检查算子、检查参数以及检查规则相互间有机地结合与串联,构成了灵活多变的检验因子。三者是有机的整体,不同规则、不同算子以及不同参数既可以叠加,也可以自由组合,以满足不同项目、不同层次以及不同规模的检验任务。

当前地理空间数据数据量大,具有复杂的空间拓扑和时空关系,层次也比较复杂,对检验方法的自由度和灵活度提出了巨大挑战。面对复杂的地理空间数据形式,质检规则也不是一成不变的,就需要根据不同项目、不同方案不断调整与调和。灵活多变的检验因子提高了程序的稳定性与灵活性,扩展了平台的适用性,加大了平台的使用范围。有参规则与无参规则相互配合,即解决了规则的量化程度,也满足了规则的灵活扩展,同时可以配合人工智能手段进行有参或无参的模型训练,可以进一步提高检验因子的智能化程度。

2.2 任务与方案的导向作用

质量检查模块在从抽象到具体实现过程中,遵循着“任务+方案”为根本指导原则。不同的质检任务决定了不同的质检方案,不同方案的有序叠加构成了不同的质量检查模块,不同质量检查模块的有机结合最大限度地保证了检查的科学性与规范性。任务是质量检查的最基本导向,它驱动着不同质检方案的协调与统一;质检方案是质量检查的最终表现形式,它推动着平台的有序工作和各工序间的有效衔接。

如图3所示,检查任务和检查方案具有较高的自由度,不同任务的自由组合构成了每一个检查方案,所有的方案汇总为一套完整的、科学的评价方案,其主要由质量子元素、检查项以及评价方法组合而成。检查任务与检查方案是相辅相成的关系,其构建模式具有很强的方向性,保证了质量检查模块构建的统一性。

图3 任务和方案关系图

2.3 检查规则的模式与内容

检查结果数据是质量检查的重要成果,它是评价体系的最终表现形式,也是提供用户用于成果评估的重要依据。检查规则在制定过程中,主要涉及数据的空间参考、属性特征、拓扑关系以及数据完整性等方面,具体规则与内容如表1所示。

表1 检查规则与内容表

2.4 轻便的架构模式

平台在设计过程中,参考了领域驱动设计的众多思想,摒弃了传统的层架构模式,采用更为轻巧、灵活的洋葱架构模式,降低了平台各业务领域间的耦合程度,其层次更加清晰,也易于拆分和维护,实现平台的快速扩充或精简。

平台在架构过程中的另一个优势是将内核层从结构中剥离出来,它独立运行于平台内部,具有跨平台、易扩展以及易搭建等特性,提高了平台的运行效率。

如图4所示,平台的主要功能设计到4个领域,包括检查模板制定模块、检查规则制定模块、样本质量统计模块以及质量报告输出模块。

图4 平台主要功能简图

3 平台应用

海淀区管理基础数据维护更新项目是我院承接的重点项目,主要负责全区市政部件采集、加工与分析工作,并提供相关专题地图。本期项目需对13个街道,涉及57 000多个图斑进行质量检查。

按照本次任务要求,以矢量图形文件(Shapefile,SHP)文件数据作为组织单元和检查对象,配置了由坐标系统、几何位移、分类代码值、要素遗漏等数十项检查项目组成的检查方案,平台实现自动化批量检查并输出样本质量统计表(表2所示。相比人工检查而言,降低了人工的工作成本,提高了质检质量与速度。

表2 样本质量统计表

4 结束语

本文所述平台是一款全流程的成果质量检查平台,可根据不同任务、不同项目自由定制检验规则,具有规范化的输出模式,易于扩展和配置,简化了质量检验的工艺流程,在最大限度上提高了地理空间数据质量检查效率。

目前为止,本平台还处于不断完善的阶段,虽然可以应用于生产过程中,但还存在诸多问题有待解决。第一,平台缺乏智能化管理模块,还不能实现智能化的质量检查。第二,目前平台只能制定针对一般性规则进行检查,不能对特殊或不常见的规则进行制定,还需要进一步地扩充规则。第三,目前平台功能比较单一,还需要进一步细化功能,提高检查时效。