【摘　要】　地理信息系統的迅速發展和廣泛應用導致了空間多源數據的產生，給數據的集成和信息共享帶來不便。多數據格式是多源空間數據融合的主要原因，本文對矢量、柵格兩種地理信息系統中的主要空間數據結構的融合問題進行初步探討，并展望了多源數據融合的發展方向。
【關鍵詞】　空間數據 柵格結構 矢量結構 數據融合 展望

1 引 言
　　地理信息系統的一個重要部分就是數據。在GIS工程里，空間數據的獲取占有很重要的地位。實際上，整個地理信息系統都是圍繞空間數據的采集、加工、存儲、分析和表現來展開的。為了充分利用已有的數據，降低成本，實現信息資源的共享，在GIS工程實施過程中，經常需要利用不同來源的各種空間數據。
　　由于GIS軟件的多樣性，每種軟件都有自己特定的數據模型，造成數據存儲格式和結構的不同。從數據結構上來說，矢量和柵格是地理信息系統中兩種主要的空間數據結構。在數據的使用過程中，由于數據來源、結構和格式的不同，需要采用一定的技術方法，才能將他們合并在一起使用，這就產生了數據的融合問題。數字制圖是GIS的重要組成部分，也是GIS的主要表現和輸出形式。本文講的空間數據的融合涉及GIS和數字制圖，但側重于在數字制圖中，將同一地區相同坐標系統，相同比例尺的多種不同來源或不同格式的空間數據根據需要合并成一種新的空間數據。從需求分析上講，需要進行數據融合的情況一般為對數據信息進行更改、更新、增加或者為了某種特定的需要。隨著因特網的發展和GIS應用的日益廣泛，多源數據的融合已成為迫切需要解決的問題。
2 柵格、矢量數據結構的概念
　　基于柵格模型的數據結構簡稱為柵格數據結構，是指將空間分割成有規則的網格，在各個網格上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據組織形式；而矢量數據結構是基于矢量模型，利用歐幾里得（EUCLID）幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體的空間分布。對于空間數據而言，柵格數據包括各種遙感數據、航測數據、航空雷達數據、各種攝影的圖像數據，以及通過網格化的地圖圖像數據如地質圖、地形圖和其他專業圖像數據。從類型上看，又分為：二值圖、灰度圖、256色索引和分類圖(單字節圖)、64K的高彩圖(索引圖、分類圖和整數專業數據)(雙字節圖)、RGB真彩色圖(3字節圖)、RGBP透明真彩色疊加圖等等。常用的數據格式的有TIFF、JPEG、BMP、PCX、GIF等。而矢量數據就更多，幾乎所有的GIS軟件都有自己特定格式的矢量數據。目前最常用的矢量數據格式有Arc/info的Coverage、e00， 方正智繪的mrg，Mapinfo的mif，AutoDesk的dxf、dwg，Intergraph的dgn等等。在GIS和數字制圖中，同種數據結構本身以及兩種數據結構之間的融合構成了空間數據融合問題的主要內容。 
3 柵格數據之間的融合
　　在數字制圖中和GIS工程中，經常用到不同來源、不同精度、不同內容的柵格圖像數據進行復合而生成新的柵格圖像。目前使用的各種多源圖像處理與分析系統為柵格型地理信息系統的實現開辟一條新的途徑,可實現柵格數據的各種融合。而在數字制圖中，多源柵格圖像數據之間的融合已經非常普遍。
　　3.1 融合方法
　　在數字制圖中，圖像融合涉及色彩、光學等領域，在專業的圖像處理軟件（如ERDAS、PCI、PHOTOMAPPER）或一般的圖像處理軟件（如PHOTOSHOP）都可進行，主要是通過圖像處理的方式透明地疊加顯示各個圖層的柵格圖。一般要經過圖像配準、圖像調整、圖像復合等環節。具體過程如下：
　　⑴　圖像配準。各種圖像由于各種不同原因會產生幾何失真，為了使兩幅或多幅圖像所對應的地物吻合，分辨率一致，在融合之前，需要對圖像數據進行幾何精度糾正和配準，這是圖像數據融合的前提。
　　⑵　圖像調整。為了增強融合后的圖像效果和某種特定內容的需要，進行一些必要的處理，如為改善圖像清晰度而做的對比度、亮度的改變，為了突出圖像中的邊緣或某些特定部分而做的邊緣增強（銳化）或反差增強，改變圖像某部分的顏色而進行的色彩變化等。
　　⑶　圖像復合。對于兩幅或多幅普通柵格圖像數據的疊加，需要對上層圖像做透明處理，才能顯示各個圖層的圖像，透明度就具體情況而定。在遙感圖像的處理中，由于其圖像的特殊性，他們之間的復合方式相對復雜而且多樣化，其中效果最明顯、應用最多的是進行彩色合成。
　　3.2　應用分析
　　在實際應用中，柵格圖像數據之間的融合目前最常用的有以下幾個方面：
　　⑴　遙感圖像之間的融合。主要包括不同傳感器遙感數據的融合和不同時相遙感數據的融合。來自不同傳感器的信息源有不同的特點，如用TM與SPOT遙感數據進行融合既可提高新圖像的分辨率又可保持豐富的光譜信息；而不同時相遙感數據的融合對于動態監測有很重要的實用意義，如洪水監測、氣象監測等。
　　⑵　遙感圖像與地圖圖像的融合。這是當前應用較多的一種方法，一是遙感圖像與柵格化的DEM融合生成立體的三維景觀圖像，顯現逼真的現實效果；二是借助遙感圖像的信息周期動態性和豐富性，經過與各種地圖圖像融合，可以從遙感圖像的快速變化中發現變化的區域，進行數據的更新和各種動態分析。
　　⑶　地圖圖像之間的融合。為了更加了解該范圍的地形地貌情況，或者更全面地比較分析該地區各種資源的相互關系，對該地區不同內容的多種地圖圖像數據進行融合。如地形圖和各種專業圖像如地質圖、土地利用圖、地籍圖、林業資源狀況圖等的融合，土地利用圖和地籍圖的融合等等。
4 矢量數據之間的融合
　　矢量數據是GIS和數字制圖中最重要的數據源。目前很多GIS軟件都有自己的數據格式，每種軟件都有自己特定的數據模型，而正是這些軟件的多樣性，導致矢量數據存儲格式和結構的不同。要進行各系統的數據共享，必須對多源數據進行融合。矢量數據之間的融合是應用最廣泛的空間數據融合形式，也是空間數據融合研究的重點。目前對矢量數據的融合方法有多種，其中最主要的、應用最廣泛的方法是先進行數據格式的轉換即空間數據模型的融合，然后是幾何位置糾正，最后是重新對地圖數據各要素進行的重新分類組合、統一定義。
　　4.1　數據模型的融合
　　由于各種數據格式各有自己的數據模型，格式轉換就是把其他格式的數據經過專門的數據轉換程序進行轉換，變成本系統的數據格式，這是當前GIS軟件系統共享數據的主要辦法。如Arc/Info和MapInfo之間的融合，需要經過格式轉換，統一到其中的一種空間數據模型。該方法一般要通過交換格式進行。許多GIS軟件為了實現與其他軟件交換數據，制訂了明碼的交換格式，如Arc/Info的E00格式、ArcView的Shape格式、MapInfo的Mif格式等。通過交換格式可以實現不同軟件之間的數據轉換。在這種模式下，其他數據格式經專門的數據轉換程序進行格式轉換后，復制到當前系統中的數據中。目前得到公認的幾種重要的比較常用的空間數據格式有：ESRI公司的Arc/Info Coverage、ArcShape Files、E00格式；AutoDesk的DXF格式和DWG格式；MapInfo的MIF格式；Intergraph的dgn格式等等。
　　4.2　幾何位置糾正
對于相同坐標系統和比例尺的數據而言，由于技術、人為或者經頻繁的數據轉換甚至是由于不同軟件的因素，數據的精度會有差別。在融合過程中，需要進行幾何位置的統一。如對精度要求不高，為了提高工作效率，在允許范圍內，應該以當前系統的數據精度為準，對另一種或幾種數據的幾何位置進行糾正。如為了獲得較高的精度，應以精度高的數據為準，對精度低的數據進行糾正。
　　4.3　地圖數據要素重新統一定義
　　融合后的空間矢量數據，應重新對要素分層、編碼、符號系統、要素取舍等問題進行綜合整理，統一定義。
　　⑴　統一分類分層、編碼。對于空間數據，一般都按地圖要素進行分層，如水系、交通、地形地貌、注記等，而每層又可根據需要分為點、線、面三類，并采用編碼的方式來表述其屬性。對融合到當前系統的數據，應根據地圖要素或具體需要，以當前數據為標準或重新制定統一的要素層和要素編碼。
　　⑵　統一符號系統。這是目前矢量數據轉換的一個難點，由于各GIS軟件對符號的定義不同，在符號的生成機制上可能差別很大，經轉換后的數據在符號的統一上有一定難度，而且在符號的準確性上可能與原數據有差距。
　　⑶　數據的綜合取舍。同一區域不同格式的空間矢量數據，要涉及到相同要素的重復表示問題，應綜合取舍。一般有以下原則：詳細的取代簡略的，精度高的取代精度低的，新的取代舊的等等，但有時為了突出某種專題要素，或為了適應某種需要，應視具體情況綜合取舍。
　　數據轉換模式的弊病是顯而易見的，由于缺乏對空間對象統一的描述方法，轉換后很難完全準確地表達原數據的信息，經常性地造成一些信息丟失，如Arc/Info數據的拓撲關系，經過格式轉換后可能已經不復存在了。
5 矢量數據和柵格數據的融合
　　空間數據的柵格結構和矢量結構是模擬地理信息的截然不同的兩種方法。過去人們普遍認為這兩種結構互不相容。原因是柵格數據結構需要大量的計算機內存來存儲和處理，才能達到或接近與矢量數據結構相同的空間分辨率，而矢量結構在某些特定形式的處理中，很多技術問題又很難解決。柵格數據結構對于空間分析很容易，但輸出的地圖精確度稍差；相反矢量數據結構數據量小，且能夠輸出精美的地圖，但空間分析相當困難等等。目前兩種格式數據的融合已變得可能而且在廣泛應用。在GIS工程中，很多的GIS系統已經集成化，能夠對矢量和柵格結構的空間數據進行統一管理。而在數字制圖中，兩種數據結構的融合也在廣泛應用。
　　5.1　柵格圖象與線劃矢量圖融合
　　這是兩種結構數據簡單的疊加，是GIS里數據融合的最低層次。如遙感柵格影像與線劃矢量圖疊加，遙感柵格影像或航空數字正射影像作為復合圖的底層。線劃矢量圖可全部疊加，也可根據需要部分疊加，如水系邊線、交通主干線、行政界線、注記要素等等。這種融合涉及到兩個問題，一是如何在內存中同時顯示柵格影像和矢量數據，并且要能夠同比例尺縮放和漫游；二是幾何定位糾正，使柵格影像上和線劃矢量圖中的同名點線相互套合。如果線劃矢量圖的數據是從該柵格影像上采集得到，相互之間的套合不成問題；如果線劃矢量圖數據由其他來源數字化得到，柵格影像和矢量線劃就難以完全重合。這種地圖具有一定的數學基礎，有豐富的光譜信息和幾何信息，又有行政界線和其他屬性信息，可視化效果很好。如目前的核心要素DLG與DOM套合的復合圖已逐漸成為一種主流的數字地圖。
　　5.2　遙感圖像與DEM的融合
　　這是目前生產數字正射影像地圖DOM常用的一種方法。在JX4A、VIRTUOZO等數字攝影測量系統中，利用已有的或經影像定向建模獲取的DEM，對遙感圖像進行幾何糾正和配準。因為DEM代表精確的地形信息，用它來對遙感、航空影像進行各種精度糾正，可以消除遙感圖像因地形起伏造成圖像的像元位移，提高遙感圖像的定位精度；DEM還可以參與遙感圖像的分類，在分類過程中，要收集與分析地面參考信息和有關數據，為了提高分類精度，同樣需要用DEM對數字圖像進行輻射校正和幾何糾正。

6 數據融合問題的展望

　　在數字制圖中，柵格圖像之間的融合已經在各種部門廣泛應用，特別是在遙感圖像的處理上，其技術手段也比較成熟；柵格圖像與矢量圖形的融合在目前也相對比較簡單，而且在各種GIS軟件中都比較容易解決。他們的發展方向主要應從應用的角度去豐富它們的融合方式，拓展它們的應用領域。而結構復雜、對軟硬件都有很高要求的各種格式的矢量數據之間的融合是目前GIS的難點，也是主要的研究方向。最好的辦法當然是能設計一種能融合多種數據結構的空間數據模型及其數據格式的 “萬能”軟件，這樣才能真正實現不同格式的矢量數據的統一。目前的研究也正朝著這個方向努力，主要有以下兩種趨勢：
　　6.1　數據互操作模式
　　數據互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的規范。OGC為數據互操作制定了統一的規范，從而使得一個系統同時支持不同的空間數據格式成為可能。根據OGC頒布的規范，可以把提供數據源的軟件稱為數據服務器（Data Servers），把使用數據的軟件稱為數據客戶（Data Clients），數據客戶使用某種數據的過程就是發出數據請求，由數據服務器提供服務的過程，其最終目的是使數據客戶能讀取任意數據服務器提供的空間數據。OGC規范逐漸成為一種國際標準，將被越來越多的GIS軟件以及研究者所接受和采納。其主要特點是獨立于具體平臺，數據格式不需要公開，代表著數據共享技術的發展方向。數據互操作規范為多源數據集成帶來了新的模式，但這一模式在應用中存在一定局限性：首先，為真正實現各種格式數據之間的互操作，需要每個每種格式的宿主軟件都按照著統一的規范實現數據訪問接口，在一定時期內還不現實；其次，一個軟件訪問其他軟件的數據格式時是通過數據服務器實現的，這個數據服務器實際上就是被訪問數據格式的宿主軟件，也就是說，用戶必須同時擁有這兩個GIS軟件，并且同時運行，才能完成數據互操作過程。
　　6.2　直接數據訪問模式
直接數據訪問指在一個GIS軟件中實現對其他軟件數據格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數據格式。直接數據訪問不僅避免了頻繁的數據轉換，而且在一個GIS軟件中訪問某種軟件的數據格式不要求用戶擁有該數據格式的宿主軟件，更不需要該軟件運行。直接數據訪問提供了一種更為經濟實用的多源數據集成模式。目前使用直接數據訪問模式實現多源數據集成的GIS軟件主要有兩個，即： Intergraph 推出的GeoMedia系列軟件和中國科學院地理信息產業發展中心研制的超圖SuperMap。GeoMedia、SuperMap實現了對大多數GIS/CAD軟件數據格式的直接訪問，包括：MGE、Arc/Info 、MicroStation DGN等。

7 結語

　　GIS是上世紀60年代才發展起來的一門新技術，由于發展水平較低，很多技術都不太成熟，如建設成本過高、實用性不強、理論研究滯后等。特別是建設成本高居不下，嚴重影響GIS的發展前景。由于GIS處理的數據對象是空間對象，有很強的時空特性，周期短、變化快，具有動態性；而獲取數據的手段也復雜多樣，這就形成多種格式的原始數據，再加上GIS應用系統很長一段時間處于以具體項目為中心孤立發展狀態中，很多GIS軟件都有自己的數據格式，造成GIS在基礎圖形數據的共享與標準化方面嚴重滯后，這是制約GIS發展的一個主要瓶頸。以目前的發展水平，各種空間數據的融合是GIS降低建設成本最重要的一種辦法，但其中很多的技術問題還需要解決，還需要進一步深入研究。


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