栅格、矢量结构在空间数据融合中的技术及应用初探
【摘 要】 地理信息系统的迅速发展和广泛应用导致了空间多源数据的产生，给数据的集成和信息共享带来不便。多数据格式是多源空间数据融合的主要原因，本文对矢量、栅格两种地理信息系统中的主要空间数据结构的融合问题进行初步探讨，并展望了多源数据融合的发展方向。
【关键词】 空间数据 栅格结构 矢量结构 数据融合 展望
1 引 言
地理信息系统的一个重要部分就是数据。在GIS工程里，空间数据的获取占有很重要的地位。实际上，整个地理信息系统都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现来展开的。为了充分利用已有的数据，降低成本，实现信息资源的共享，在GIS工程实施过程中，经常需要利用不同来源的各种空间数据。
由于GIS软件的多样性，每种软件都有自己特定的数据模型，造成数据存储格式和结构的不同。从数据结构上来说，矢量和栅格是地理信息系统中两种主要的空间数据结构。在数据的使用过程中，由于数据来源、结构和格式的不同，需要采用一定的技术方法，才能将他们合并在一起使用，这就产生了数据的融合问题。数字制图是GIS的重要组成部分，也是GIS的主要表现和输出形式。本文讲的空间数据的融合涉及GIS和数字制图，但侧重于在数字制图中，将同一地区相同坐标系统，相同比例尺的多种不同来源或不同格式的空间数据根据需要合并成一种新的空间数据。从需求分析上讲，需要进行数据融合的情况一般为对数据信息进行更改、更新、增加或者为了某种特定的需要。随着因特网的发展和GIS应用的日益广泛，多源数据的融合已成为迫切需要解决的问题。
2 栅格、矢量数据结构的概念
基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，是指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式；而矢量数据结构是基于矢量模型，利用欧几里得（EUCLID）几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体的空间分布。对于空间数据而言，栅格数据包括各种遥感数据、航测数据、航空雷达数据、各种摄影的图像数据，以及通过网格化的地图图像数据如地质图、地形图和其他专业图像数据。从类型上看，又分为：二值图、灰度图、256色索引和分类图(单字节图)、64K的高彩图(索引图、分类图和整数专业数据)(双字节图)、RGB真彩色图(3字节图)、RGBP透明真彩色叠加图等等。常用的数据格式的有TIFF、JPEG、BMP、PCX、GIF等。而矢量数据就更多，几乎所有的GIS软件都有自己特定格式的矢量数据。目前最常用的矢量数据格式有Arc/info的Coverage、e00， 方正智绘的mrg，Mapinfo的mif，AutoDesk的dxf、dwg，Intergraph的dgn等等。在GIS和数字制图中，同种数据结构本身以及两种数据结构之间的融合构成了空间数据融合问题的主要内容。
3 栅格数据之间的融合
在数字制图中和GIS工程中，经常用到不同来源、不同精度、不同内容的栅格图像数据进行复合而生成新的栅格图像。目前使用的各种多源图像处理与分析系统为栅格型地理信息系统的实现开辟一条新的途径,可实现栅格数据的各种融合。而在数字制图中，多源栅格图像数据之间的融合已经非常普遍。
3.1 融合方法
在数字制图中，图像融合涉及色彩、光学等领域，在专业的图像处理软件（如ERDAS、PCI、PHOTOMAPPER）或一般的图像处理软件（如PHOTOSHOP）都可进行，主要是通过图像处理的方式透明地叠加显示各个图层的栅格图。一般要经过图像配准、图像调整、图像复合等环节。具体过程如下：
⑴ 图像配准。各种图像由于各种不同原因会产生几何失真，为了使两幅或多幅图像所对应的地物吻合，分辨率一致，在融合之前，需要对图像数据进行几何精度纠正和配准，这是图像数据融合的前提。
⑵ 图像调整。为了增强融合后的图像效果和某种特定内容的需要，进行一些必要的处理，如为改善图像清晰度而做的对比度、亮度的改变，为了突出图像中的边缘或某些特定部分而做的边缘增强（锐化）或反差增强，改变图像某部分的颜色而进行的色彩变化等。
⑶ 图像复合。对于两幅或多幅普通栅格图像数据的叠加，需要对上层图像做透明处理，才能显示各个图层的图像，透明度就具体情况而定。在遥感图像的处理中，由于其图像的特殊性，他们之间的复合方式相对复杂而且多样化，其中效果最明显、应用最多的是进行彩色合成。
3.2 应用分析
在实际应用中，栅格图像数据之间的融合目前最常用的有以下几个方面：
⑴ 遥感图像之间的融合。主要包括不同传感器遥感数据的融合和不同时相遥感数据的融合。来自不同传感器的信息源有不同的特点，如用TM与SPOT遥感数据进行融合既可提高新图像的分辨率又可保持丰富的光谱信息；而不同时相遥感数据的融合对于动态监测有很重要的实用意义，如洪水监测、气象监测等。
⑵ 遥感图像与地图图像的融合。这是当前应用较多的一种方法，一是遥感图像与栅格化的DEM融合生成立体的三维景观图像，显现逼真的现实效果；二是借助遥感图像的信息周期动态性和丰富性，经过与各种地图图像融合，可以从遥感图像的快速变化中发现变化的区域，进行数据的更新和各种动态分析。
⑶ 地图图像之间的融合。为了更加了解该范围的地形地貌情况，或者更全面地比较分析该地区各种资源的相互关系，对该地区不同内容的多种地图图像数据进行融合。如地形图和各种专业图像如地质图、土地利用图、地籍图、林业资源状况图等的融合，土地利用图和地籍图的融合等等。
4 矢量数据之间的融合
矢量数据是GIS和数字制图中最重要的数据源。目前很多GIS软件都有自己的数据格式，每种软件都有自己特定的数据模型，而正是这些软件的多样性，导致矢量数据存储格式和结构的不同。要进行各系统的数据共享，必须对多源数据进行融合。矢量数据之间的融合是应用最广泛的空间数据融合形式，也是空间数据融合研究的重点。目前对矢量数据的融合方法有多种，其中最主要的、应用最广泛的方法是先进行数据格式的转换即空间数据模型的融合，然后是几何位置纠正，最后是重新对地图数据各要素进行的重新分类组合、统一定义。
4.1 数据模型的融合
由于各种数据格式各有自己的数据模型，格式转换就是把其他格式的数据经过专门的数据转换程序进行转换，变成本系统的数据格式，这是当前GIS软件系统共享数据的主要办法。如Arc/Info和MapInfo之间的融合，需要经过格式转换，统一到其中的一种空间数据模型。该方法一般要通过交换格式进行。许多GIS软件为了实现与其他软件交换数据，制订了明码的交换格式，如Arc/Info的E00格式、ArcView的Shape格式、MapInfo的Mif格式等。通过交换格式可以实现不同软件之间的数据转换。在这种模式下，其他数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后，复制到当前系统中的数据中。目前得到公认的几种重要的比较常用的空间数据格式有：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 几何位置纠正
对于相同坐标系统和比例尺的数据而言，由于技术、人为或者经频繁的数据转换甚至是由于不同软件的因素，数据的精度会有差别。在融合过程中，需要进行几何位置的统一。如对精度要求不高，为了提高工作效率，在允许范围内，应该以当前系统的数据精度为准，对另一种或几种数据的几何位置进行纠正。如为了获得较高的精度，应以精度高的数据为准，对精度低的数据进行纠正。
4.3 地图数据要素重新统一定义
融合后的空间矢量数据，应重新对要素分层、编码、符号系统、要素取舍等问题进行综合整理，统一定义。
⑴ 统一分类分层、编码。对于空间数据，一般都按地图要素进行分层，如水系、交通、地形地貌、注记等，而每层又可根据需要分为点、线、面三类，并采用编码的方式来表述其属性。对融合到当前系统的数据，应根据地图要素或具体需要，以当前数据为标准或重新制定统一的要素层和要素编码。
⑵ 统一符号系统。这是目前矢量数据转换的一个难点，由于各GIS软件对符号的定义不同，在符号的生成机制上可能差别很大，经转换后的数据在符号的统一上有一定难度，而且在符号的准确性上可能与原数据有差距。
⑶ 数据的综合取舍。同一区域不同格式的空间矢量数据，要涉及到相同要素的重复表示问题，应综合取舍。一般有以下原则：详细的取代简略的，精度高的取代精度低的，新的取代旧的等等，但有时为了突出某种专题要素，或为了适应某种需要，应视具体情况综合取舍。
数据转换模式的弊病是显而易见的，由于缺乏对空间对象统一的描述方法，转换后很难完全准确地表达原数据的信息，经常性地造成一些信息丢失，如Arc/Info数据的拓扑关系，经过格式转换后可能已经不复存在了。
5 矢量数据和栅格数据的融合
空间数据的栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的截然不同的两种方法。过去人们普遍认为这两种结构互不相容。原因是栅格数据结构需要大量的计算机内存来存储和处理，才能达到或接近与矢量数据结构相同的空间分辨率，而矢量结构在某些特定形式的处理中，很多技术问题又很难解决。栅格数据结构对于空间分析很容易，但输出的地图精确度稍差；相反矢量数据结构数据量小，且能够输出精美的地图，但空间分析相当困难等等。目前两种格式数据的融合已变得可能而且在广泛应用。在GIS工程中，很多的GIS系统已经集成化，能够对矢量和栅格结构的空间数据进行统一管理。而在数字制图中，两种数据结构的融合也在广泛应用。
5.1 栅格图象与线划矢量图融合
这是两种结构数据简单的叠加，是GIS里数据融合的最低层次。如遥感栅格影像与线划矢量图叠加，遥感栅格影像或航空数字正射影像作为复合图的底层。线划矢量图可全部叠加，也可根据需要部分叠加，如水系边线、交通主干线、行政界线、注记要素等等。这种融合涉及到两个问题，一是如何在内存中同时显示栅格影像和矢量数据，并且要能够同比例尺缩放和漫游；二是几何定位纠正，使栅格影像上和线划矢量图中的同名点线相互套合。如果线划矢量图的数据是从该栅格影像上采集得到，相互之间的套合不成问题；如果线划矢量图数据由其他来源数字化得到，栅格影像和矢量线划就难以完全重合。这种地图具有一定的数学基础，有丰富的光谱信息和几何信息，又有行政界线和其他属性信息，可视化效果很好。如目前的核心要素DLG与DOM套合的复合图已逐渐成为一种主流的数字地图。
5.2 遥感图像与DEM的融合
这是目前生产数字正射影像地图DOM常用的一种方法。在JX4A、VIRTUOZO等数字摄影测量系统中，利用已有的或经影像定向建模获取的DEM，对遥感图像进行几何纠正和配准。因为DEM代表精确的地形信息，用它来对遥感、航空影像进行各种精度纠正，可以消除遥感图像因地形起伏造成图像的像元位移，提高遥感图像的定位精度；DEM还可以参与遥感图像的分类，在分类过程中，要收集与分析地面参考信息和有关数据，为了提高分类精度，同样需要用DEM对数字图像进行辐射校正和几何纠正。
6 数据融合问题的展望
在数字制图中，栅格图像之间的融合已经在各种部门广泛应用，特别是在遥感图像的处理上，其技术手段也比较成熟；栅格图像与矢量图形的融合在目前也相对比较简单，而且在各种GIS软件中都比较容易解决。他们的发展方向主要应从应用的角度去丰富它们的融合方式，拓展它们的应用领域。而结构复杂、对软硬件都有很高要求的各种格式的矢量数据之间的融合是目前GIS的难点，也是主要的研究方向。最好的办法当然是能设计一种能融合多种数据结构的空间数据模型及其数据格式的 “万能”软件，这样才能真正实现不同格式的矢量数据的统一。目前的研究也正朝着这个方向努力，主要有以下两种趋势：
6.1 数据互操作模式
数据互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的规范。OGC为数据互操作制定了统一的规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为可能。根据OGC颁布的规范，可以把提供数据源的软件称为数据服务器（Data Servers），把使用数据的软件称为数据客户（Data Clients），数据客户使用某种数据的过程就是发出数据请求，由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使数据客户能读取任意数据服务器提供的空间数据。OGC规范逐渐成为一种国际标准，将被越来越多的GIS软件以及研究者所接受和采纳。其主要特点是独立于具体平台，数据格式不需要公开，代表着数据共享技术的发展方向。数据互操作规范为多源数据集成带来了新的模式，但这一模式在应用中存在一定局限性：首先，为真正实现各种格式数据之间的互操作，需要每个每种格式的宿主软件都按照着统一的规范实现数据访问接口，在一定时期内还不现实；其次，一个软件访问其他软件的数据格式时是通过数据服务器实现的，这个数据服务器实际上就是被访问数据格式的宿主软件，也就是说，用户必须同时拥有这两个GIS软件，并且同时运行，才能完成数据互操作过程。
6.2 直接数据访问模式
直接数据访问指在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了频繁的数据转换，而且在一个GIS软件中访问某种软件的数据格式不要求用户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。直接数据访问提供了一种更为经济实用的多源数据集成模式。目前使用直接数据访问模式实现多源数据集成的GIS软件主要有两个，即： Intergraph 推出的GeoMedia系列软件和中国科学院地理信息产业发展中心研制的超图SuperMap。GeoMedia、SuperMap实现了对大多数GIS/CAD软件数据格式的直接访问，包括：MGE、Arc/Info 、MicroStation DGN等。
7 结语
GIS是上世纪60年代才发展起来的一门新技术，由于发展水平较低，很多技术都不太成熟，如建设成本过高、实用性不强、理论研究滞后等。特别是建设成本高居不下，严重影响GIS的发展前景。由于GIS处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，周期短、变化快，具有动态性；而获取数据的手段也复杂多样，这就形成多种格式的原始数据，再加上GIS应用系统很长一段时间处于以具体项目为中心孤立发展状态中，很多GIS软件都有自己的数据格式，造成GIS在基础图形数据的共享与标准化方面严重滞后，这是制约GIS发展的一个主要瓶颈。以目前的发展水平，各种空间数据的融合是GIS降低建设成本最重要的一种办法，但其中很多的技术问题还需要解决，还需要进一步深入研究。
参考文献
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