新一代城市地形图产品初探.doc

新一代城市地形图产品初探
——英国框架性空间数据产品OS MasterMap研究
陶迎春 作者简介：陶迎春（1983- ），女，江西人，工程师，主要从事地理信息系统方面的研究。
陈品祥
（北京市测绘设计研究院，北京 100038）

摘要：随着城市信息化建设不断深入，我国原有的城市大比例尺4D产品越来越不能很好地满足许多实际应用的需求。为此，本文对世界领先的英国框架性空间数据产品OS MasterMap的各个方面进行了简要的描述，并对新一代城市地形图产品的体系、建设思路和服务思路进行了初步探讨。
关键词：OS Mastermap；城市地形图；空间数据

1 引言

目前，城市常用的1:500、1:2000、1:10000比例尺4D产品是城市主要的基础地理信息来源。随着城市信息化建设不断深入，空间信息应用更为广泛。城市地形图，作为空间信息的重要载体，在数字城市的建设过程中起到了重要的、不可或缺的作用。然而，随着“数字城市”的发展，地理信息系统（GIS）技术门槛的降低，大众化程度越来越高，使得地理信息的应用与服务在方式、广度、深度上飞速发展，社会对地理数据和地理信息系统的认知度不断提高，对城市空间信息的需求也就越来越多、要求越来越高，原有产品越来越不能满足许多实际应用的需求。
英国军械测量局Ordnance Survey是英国全国性的地图测绘机构。作为这一领域世界领先的机构，它涉及大量的大范围地图、计算机数据，以及其它商业、休闲、教育和行政用的地理信息的生产、维护和市场运作活动。测量局从1983年开始完全改制成一个民用组织；在1999年3月独立于英国政府部门和行政机构，成为一个商业基金组织。这一组织特性使其作为一个公共部门组织，具备商业上的自由。当前英国军械测量局的核心任务是维持和更新全国地形图数据库，其旗舰产品OS MasterMap在市场上广受用户好评，是世界领先的地形图产品。
本文分析了我国现有城市地形图产品改进的需求，并在对世界领先的英国框架性空间数据产品OS MasterMap的各个方面进行简要分析的基础上，初步探讨了新一代城市地形图产品的体系、建设思路和服务思路。
2 我国现有城市地形图产品
我国现有城市地形图产品主要指各类大比例尺4D产品，即数字线划图、数字栅格图、数字高程模型和正射影像图产品。现有4D产品具有统一的标准规范、稳定的生产工艺流程，是城市建设、规划等应用中不可或缺的部分。然而，随着空间数据在各行各业中的广泛应用，现有城市地形图产品不能很好地满足许多实际应用的需求，主要表现在：
1）属性信息不足。目前地形图上属性信息严重缺乏，而对于许多不需要较高精度定位的应用来说，如果仅有地形信息，用户更倾向于使用遥感影像而非地形图；
2）现有基础空间数据是其他专题要素的空间定位基础，但空间结构不一致。这点在道路图层尤为突出，现有地形图道路层与导航电子地图的要求相去甚远；
3）数据现势性较差。多工序、大分工的生产模式使得面向用户的4D产品代表的是过去，而不是现在；
4）更新维护存在问题。由于目前更新时产品之间不具有延续性，用户不清楚新旧两个版本之间的变化，导致挂接在原先地形图要素上的信息需要全部重新挂接；
5）很多方面沿用过去模拟地图的规则，仅仅考虑图形，一方面，导致数据不符合应用需求，如道路边线断续、重要信息（如单位名称等）由于制图需要被舍弃；另一方面，制图表达以规范的地形图图式为准，对于非专业用户和公众来说，专业性太强，不容易看懂；
6）不提供UTM-WGS84坐标系的数据。随着GPS的普及，用户（如交通部门和一些需要自己进行野外专项调查的用户）对此方面的需求激增。目前，由于政策方面的原因，尚不能提供此坐标系下的数据；
7）数据资料分散。资源分散在各持有者手中，需要时到处搜集，非常不便。
3英国军械测量局OS MasterMap地图产品
3.1 英国军械测量局（OS）地图产品概述
产品名称
数据内容
OS Mastermap®
地形（Topography）、地址（Address）、集成交通网（Integrated Transport Network，ITN）和影像（Imagery）等四个层（Layer）
欧洲地图
由euro geogrphics（一个欧洲公益地图机构）提供的Euro boundary map、Euro Globe map、Euro Regional Map
栅格数据
1:1万，1:2.5万、1:5万、1:25万、1：100万DRG，1:5万地名字典、历史DRG
OS LandPlan Data：显示土地、围栏、地块边界、道路名称和房屋，比例尺为1:1万
OS Street View：街道级，比例尺为1:1万
OS Locator：可搜索，如能和1:1万、1:2.5万DRG以及OS Streetview一起使用，最为理想
制图数据
行政区
土地规划
矢量数据
Address-Point：3月更新一次，根据OS地图数据库与皇家邮局邮政编码地址文件（2700万各地址）匹配而来
Boundary-Point：2年更新一次，1:1万边界，包括各种级别的选举和行政边界
Code-Point：1700万个邮箱的准确地址
Code-Point with Polygons：加上了每个邮编的管辖范围
Land-From Profile：提供间距为25m（山区50m）的DTM与高程信息
Land-Form Profile PLUS：高精度数字地面模型，误差为0.5RMSE，2m格网（郊区5m、山区10m），以5平方公里一景提供
Meridian：中等比例尺，表现其运输网与地形主题
OS SiteMap：把数据以不同格式、不同比例尺分发给用户
Points of Interest：390万各地理和商业要素，全部标有位置和功能，以及邮政地址
Strategi：从1:2.5万而来，适用于全国范围分析与决策
此外，OS还提供GPS和定位服务，包括：
1）实时高精度GPS 纠正服务：由100个GPS接收机组成的网OSNET，有最新的硬件以及2010年OSNET规划；
2）免费服务：包括GPS UTM-WGS84坐标系与OS的英国大地格网坐标转换、OSNET的近30天的RINEXT数据下载、遗留的控制数据库提供（不再更新维护，在线提供了所有传统的水平和垂直控制测量信息）
3.2 OS MasterMap概述
OS MasterMap是英国军械测量局的旗舰产品，与其他OS产品不同的地方在于，它是完全按照数字国家框架（DNF）的理念来构造的。OS Mastermap是全世界最大型的空间数据库之一，其矢量数据以压缩GML格式提供，地形层大小为37G，地址层大小为2G，集成交通网层大小为515M；栅格数据以TIFF等格式提供，每幅大小约为46M。其中，地形层是其最详细的一层，自2001年11月开始生产以来，截至2009年6月，共有4.25亿个要素。
OS Mastermap的产品体系主要包括：
（1）地址层：拥有最全、最复杂的国家空间地址数据集，基于皇家邮政局的邮编地址文件形成，01m精度。
（2）影像层：无缝、25cm分辨率航空遥感影像，全数据集高质量色彩均衡、保证与OS Mastermap同步更新。除一般航片外，还有Blom Pictometry产品，该产品是由全世界最大的倾斜数字影像公司生产的包含了倾斜与垂直视图的影像。
（3）集成交通网层：包括RRI（道路路径，含高度、重量、宽度限制；交通稳静化（如减速带等）；转向限制；单向路；车辆准入及时间限制）以及Road Network Theme（道路路网专题，包含了各种路，从机车路到主路到有名的无名的次要道路和街道）。每6周更新一次，更新来源：大比例尺地形图、DFT的信息、高速公路代理、高速公路管理局和现场测绘。另外还有两个补充数据文件，一个是道路宽度与重量限制信息（主要是桥梁），另一个是陡坡信息。
（4）地形层：可提供全面更新和6周一次的变量更新两种更新方式。提供MGBS服务，可为用户及时更新全英国的矢量和栅格数据。提供MGBS服务，可全面更新数据。提供默认的符号库。在地形层中根据不同的要素类型又进一步划分为主要建筑物（Building），次要建筑物（Structrue）、宗地（Land），公路（Roads）、铁路（Rails）、水系（Water）、行政边界（Administrative Boundaries），高程（Terrain and Height）、古迹（Heritage and Antiquities）等九个主题（Theme）。
3.3 OS Mastermap的特点
（1）按点、线、面来表示现实世界的要素，每个要素有一个无意义的、唯一的16位TOID编码；
（2）要素具有生命周期属性，要素的TOID在一个生命周期内不变；
（3）无缝数据，无图幅概念；
（4）全图比例尺并不一致，要素越多的地方，比例尺越大；
（5）更新方式分为连续更新和循环更新两种。对于核心要素，主要是建设、人工类要素，采用连续更新的方式，6个月更新一次，完全靠地面测量；对于自然环境要素，固定周期，用航片更新，更新周期慢，2-10年完全更新。
（6）矢量型数据能够向其用户提供批量式（Full Update）和变量式（Change-only Update）两种更新服务方式，批量式更新服务，变量式服务，可仅向用户提供变化部分的信息；
（7）提供在线订购系统，用户可以方便的订购所需数据，而对于使用全英数据的用户来说，使用Managed GB Set服务，所有OS Mastermap，包括影像，只要有变化，就会将更新自动发送给用户；
（8）快速的基于数据库的更新：每个员工要对负责区域的信息运用电脑对测绘和数字化信息进行更新。测绘区域的地图数据文件从中心数据库下传到手动操作的电脑上，并进行实时更新。更新后的数据发送回到南安普敦的主数据库，并连夜进行处理，使得新的信息能够在测绘后一天内迅速进入数据库。
（9）不含等高线，仅含高程点信息。

3.4 要素生命周期
要素生命周期是OS Mastermap最重要的概念之一，它采用面向对象技术对矢量数据加以管理，即将现实世界中的一个对象在空间数据库中表示为一个完整的要素（Feature）。由于现实对象在其生命周期内可能会经历多种变化（如房屋的新建，拓展，拆迁等），因此空间数据库中的要素也应该存在相应的生命周期。MasterMap数据集为空间要素分配了三个必备的属性字段TOID，Version和VersionDate等来记录其所经历的变化情况。其含义和作用如下：
Ø TOID：唯一的要素标识码（由16个数字组成）， TOID在要素的生命周期内始终保持不变，主要用于不同数据集间同一要素间的匹配以及与其他数据的关联等目的。
Ø Version：要素的版本号，主要记录要素所经历的变化次数。对于新增要素其值为1，今后每发生一次变化版本号加1。
Ø VersionDate：记录要素发生变化的日期，主要用来选取自一定时间（SinceTime，用户根据需要确定）以后发生变化的要素。
每个人理解的要素生命周期都不同，OS Mastermap认为要素存在的周期越长越好，并制定了一系列规则来判断要素是否在同一个生命周期：
（1）由于现实世界变化而产生的创建
生命周期的开始，生成新的TOID和新的版本号。
（2）由于现实世界变化而产生的删除
生命周期的结束，要素被删除，但TOID被记录，以防重用。
（3）由于现实世界变化而产生的变化
对于点要素，相对简单，任何由于现实世界变化而产生的变化都会导致删除该要素并新增一要素。
对于线要素，由于有拓扑关系，任何对线的更改都会导致修改要素、删除要素和新增要素。
OS Mastermap引入了一种推断线（Inferred Links），这些线不存在于现实世界中，用于将一些多边形划分为更多的管理单元。一种推断线是网络闭合线，常见于道路连接处，将路面分割开，以便添加属性；另一种推断线是多边形闭合线，用于形成更多可管理的逻辑多边形。
对于多边形要素，虽然几何形状或属性发生了变化，但如果要素仍然是原来的要素，则TOID不变，版本号增加，更新日期修改；否则，删除该要素，新增相应的要素。
对于多边形要素是否仍然是原来的要素，可参考以下的条件：
Ø 要素在现实世界中的功能是否与原地物相同
Ø 要素大小是否变大2倍或减小1/2
Ø 要素边界是否在原要素边界内
Ø 要素逻辑上是否能明显看出是原要素的继任
3.5 要素类型和属性
OS Mastermap分为三大要素六中要素类型。其中，点要素包括地形图、制图符号和制图文本三种类型，线要素包括地形线和边界线两种类型，多边形要素采用地形面类型。
要素属性包括：
属性类型
属性名称
要素相关属性
主题、TOID
生命周期元数据
版本号、版本日期、更新日期、更新原因
要素描述属性
描述组、描述项、物理水平（决定了要素是位于地下、略低于正常水平、正常水平还是高架）、物理表现（如“阻塞”表示步行者无法通过，“边缘/受限”则表示路面类型有改变，但并不影响路人通行）、要素代码
其它属性
是否人工、面积、是否损坏、高程、高程精度、地面高精度、非边界线记号（用户可据此关闭边界线显示）、相关要素（记录TOID）、位置精度、文字起点、字体、方向、高度、锚点位置、字符串
几何属性
点、多边形、多段线
4 新一代城市地形图产品初探
4.1 产品体系建设
从英国OS Mastermap的成功经验来看，有必要在原有4D产品的基础上，进行改造、补充和完善，形成一套新的城市地形图产品。该产品应将现有各类数据建立起一定的联系，并采用空间数据的方式统一管理。该产品应由专人维护，不断更新。
新一代城市地形图产品可包括以下内容：
Ø 元数据库。
Ø 控制测量数据库：含各类控制数据（现代测绘基准、导线点、GPS点、水准点）的控制数据。
Ø 地形图数据库：无缝、变量更新的城市大比例尺地形图数据库。
Ø 影像数据库：包括历年的正射航空遥感影像和卫星遥感影像。
Ø 地名数据库：与地形图数据库应建立联系。
Ø 规划空间数据库：规划拨地资料数据库、规划路中线与红线数据库。
Ø 地下空间数据库：地下管线数据库。
Ø 三维城市模型库。
Ø 专题基础地图和专题制图数据库：包括工程图数据库以及各类专题图数据库，应与地形图数据库建立联系。
4.2 更新方式转变
目前我国基础地理信息的更新服务方式仍以批量式更新为主，即把更新后的新版数据全部提供用户，然后用户根据需要进行相应的更新操作。由于该方式隐含了新旧版本之间要素的具体变化信息，加之大部分基础地理数据库在建库之初很少考虑将来的客户数据更新问题，使得两者之间缺乏必要的数据接口，因此目前的批量式更新方式对用户来说仍是一项费时费力低效率高成本的工作。
为更好地为“数字城市”各个部门之间的数据共享提供空间基础，有必要改进更新方式，由批量式更新转变为变量更新，即在主数据库更新过程中或之后，只记录或提取新版数据中发生变化的特征及其信息，然后将这些信息以变量文件的方式提供给用户，并集成到原来客户数据库中的过程。
4.3 建设思路转变
随着“数字城市”的发展，地理信息系统（GIS）技术门槛的降低，地理信息的广泛应用提高了社会对地理数据和地理信息系统的认知度，大大增加了对各类地理信息的需求。我国测绘当前面临着由按照一定的规范以测绘产品生产为主，向按照各行各业特色需求为导向的以地理信息综合服务为主的战略转变。新一代城市地形图产品正是在这种历史条件下，测绘按需服务、主动服务的重要内容。
建设新一代城市地形图，应摈弃传统的绘图过程，减少制图因素的影响，适当增加属性信息，使得地形图成为加载其它数据的框架和促进附加价值数据的链接，而不仅仅只简单地作为显示信息的工具。
建设新一代城市地形图，应加快地图更新速度，通过使用地理数据库来进行地图或数据的快速生产，精简繁琐的生产流程，满足用户迫切的需求。
4.4 服务思路转变
目前，各类城市地形图产品的主要服务对象是各政府部门，尤其是规划、国土等专业部门，服务方式主要是提供原始数据，缺乏后续服务。OS一方面在线提供数据的全面更新服务和变量更新服务，另一方面，还在英国设立了许多独立的制图与数据中心，不仅卖图，还提供空间数据相关的咨询与建议。这种做法，可使城市地形图更加满足特定用户、专业用户的需求，具有数据增值的意义，值得借鉴。
5 结语
本文在对我国现有城市地形图产品使用现状分析的基础上，描述了世界领先的英国OS MasterMap数据产品及其理念，并依据以上分析研究，探讨了新一代城市地形图产品的体系、更新方式、建设思路和服务思路，以期为促进测绘事业健信息化、更好地发挥保障作用贡献绵薄之力。

参考文献
[1] OS MasterMap Topography Layer User Guide and Technical Specification. Ordance Survey.
[2] OS MasterMap real-world object Catalogue.Ordance Survey.
[3] OS Website.http://www. O.
[4] 城市信息化的测绘保障与服务.王丹.测绘信息化论坛.成都.2007年10月.
[5] 基础地理信息的客户更新服务问题.王育红.中国地理信息系统协会第八届年会.北京.2004年8月.