面向城市管理的地理实体服务方法研究与应用
刘一宁1,2，王 琳1,2,3，林木棵1,2
（1. 上海市测绘院，上海 200063;
2. 自然资源部 超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室,上海 200063;
3. 同济大学 测绘与地理信息学院,上海 200092）
摘要:
针对传统地图服务展示单一、信息固定，无法全面表达地理实体的多维度信息的局限，在深入分析地理实体特点的基础上，该文提出了一种“类血缘关系”地理实体服务与可视化方法，搭建面向城市服务的多表多维存储结构设计、模拟血缘关系构建地理实体检索与可视化方法，形成了集查询、检索和显示一体的全套解决方案，实现对地理实体的多角度展示和灵活扩展。基于上海国土信息平台的应用实验结果表明，该文设计的方法可以支持用户按需选择空间形态，灵活支撑各类融合信息的显示，进一步可按需组装提取用户所需作为信息分析和挖掘的基础。
0 引言
随着我国数字化转型工作的逐步开展，城市管理对地理信息的要求也越来越高。近几年，从国家到地方省市均在开展新型基础测绘体系的探索工作[1-3]，进而推进实景三维中国建设。地理实体是实景三维建设中非常重要的测绘地理信息产品，也是实景三维中国建设中重点研究的内容之一，近年来很多学者均对其进行了多角度的阐述。文献[4]从地理学学科体系的内在规律性出发，对地理实体的概念、内容、结构、分类体系等进行了系统性阐述；各级测绘单位更着重于地理实体的结构存储方法和构建规则的研究，上海、北京、武汉、珠海、浙江、重庆等测绘生产单位针对地理实体的特点，研究了地理实体数据结构、生产组织和数据库构建技术[5-9]、从传统地理信息到地理实体构建的机制方法[10-12]、面向地理实体的数据库更新技术[13]。
随着地理实体的研究和实践越来越深入，其区别于传统测绘地理信息的结构和内容如何进行服务发布和应用也成为研究的一个重要的方向。在应用方面，目前探讨较多的是基于地理实体的多源信息融合方法[14-15]，以及基于地理实体的应用分析方法[16]，缺少对地理实体作为新型测绘地理信息产品的服务发布等方法的描述。地理实体多空间形态多属性集成多关系链接的特点，使其与传统的单一要素地理信息在服务于表达上存在很大差别，本文从地理实体的本质特点出发，提出类血缘关系的地理实体服务与可视化方法，突破了传统地图服务展示单一、信息固定的局限，实现了对地理实体多角度展示和其可扩展性的兼容。在此基础上，本文探讨了该技术在上海国土信息平台上的应用，通过实践验证了该方法可以支撑用户按需选择其需要的空间形态、融合信息的需求，为各行业信息分析和挖掘提供技术支撑，进一步促进空间数字底座建设和发展，为城市数字化转型发挥重要的作用。
1 地理实体特点分析
自然资源部最新发布的技术文件中明确了地理实体的定义，即地理实体是现实世界中占据一定且连续空间位置和范围、单独具有同一属性或完整功能的地理对象。该定义将地理实体归结为地理对象，从字面上看与测绘地理信息传统的面向对象的思想并无太大区别，但其实对对象的认知和理解已经发生了巨大的变化。
1.1地理实体的本质特征
地理实体的本质是地物对象。从历史长河回溯，中西方均将地图作为现实世界的模型，长期以点、线、面勾勒地图，来描述和构建现实世界。在测绘领域，传统的面向对象多指代的是面向地图矢量，即地图上的一个点、一条线和一个面代表了一个对象，每个点、线或面作为对象具有各自的属性，最终作为一条记录存储在数据库中。但由于地物的复杂性以及地图“表形”的特点，现实世界的地物经常由多个矢量对象组成，如图1所示。图1（a）由多个面共同表达了一栋房屋，图1（b）详细显示了该房屋的生产信息。
因此，地理实体的本质是“地物的对象”而不是“图形的对象”，更多是代表了地物的逻辑概念，与人类的认知相匹配，从而使其能够与城市的管理对象对接，让测绘地理信息从传统的测绘学科向社会管理方向延展，更好地为城市数字化转型、智慧城市建设发挥作用。
1.2地理实体的特点
由地理实体的本质可以引申出地理实体的三个特点，即空间形态的多样性、属性的可扩展性和实体间的相关性。
空间形态的多样性是指对现实中地物对象进行抽象可以是多种角度的，同一栋房屋可以抽象为点、面、最小包络体、外表模型等，如图2所示，目前上海测绘地理信息产品就包含多种形态的房屋信息。因此，地理实体对地物的空间描述也不再局限于一种几何表达形态，更极端地说，空间形态也可以看作是地理实体的属性之一，表达地理实体对现实世界不同视角的抽象结果。
与空间形态相似的，地理实体的属性具有可扩展性，支持灵活的信息插拔。传统地理信息主要采用单表存储地物属性，以采集信息为主，属性内容固定。而作为各类信息在地理空间上的融合中枢，地理实体从设计上需支持除测绘地理信息外的各行各业专题信息的接入。需注意的是，由于专题信息由各行业自行维护，地理实体对属性的维护是一个松耦合的形式，在支持专题信息接入的同时，需支持专题信息的独立维护。
地理实体引入了实体关系的概念来表达地物之间的相互关系，这也是与传统地理信息地物之间相互独立（隐含空间关系）非常大的一个区别。地理实体之间的关系既可以是空间关系，如公园与树木的包含关系、道路与小区的邻接关系等，又可以是其他非空间关系，如飞地与行政单位的权属关系等，这使得地理实体对地物的表达更加立体，同时更加贴近应用需求。
1.3地理实体编码的必要性
无论是从理论上还是实践上要实现地理实体的生产、更新和维护，全方位适配上述地理实体的特点，地理实体都必须具有一个唯一标识，也就是地理实体编码。该编码作为地理实体的“身份证”，随其出生而出生，灭亡而灭亡，不发生替代，也不可重复利用。地理实体的空间、属性、关系等均通过地理实体编码来进行维护。
2 类血缘关系的地理实体服务与可视化方法
通过对地理实体本质和特点的分析，可以看出传统的地理要素的服务方式并不适用于地理实体。传统地理要素几乎是图属一致的，即一个要素对应一个图形和若干固定属性，若以数据库内容表示就是一条数据记录。地理实体的构建颠覆了这一传统。地理实体由多种类型的图元以及多来源的属性，通过地理实体编码连接而形成，同时实体之间也有各种关系需要维系和记录，因此从存储角度上讲就是一个多表多维的结构，这就给地理实体数据的发布与可视化带来了全新的挑战。
2.1面向城市服务的多表多维存储结构设计
地理实体在基础测绘生产端以图元表、实体表、图元-实体关系表、实体-实体关系表的形式进行存储。各类图元由于生产环境和流程不同，通常存储于不同的数据库，通过测绘生产的属性信息通常存放于图元中，并通过抽取形成实体基本属性，而专题信息本身并不在测绘生产环境生产，需要作为外部数据进行对接。因此在进行应用服务时，需要对地理实体结构进行优化，来满足应用端快速查询、统计和可视化的需求。
为满足应用服务需求，在保持基本结构的基础上本文对地理实体数据库进行了优化，如表1所示，包含以下几方面。
表1 地理实体存储内容
1）图元层的优化主要指各类图元的集成，将分散在各数据库中的数据根据对外服务提供的内容进行整合，涵盖各类型图元。
2）实体层面向应用进行筛选，将一些敏感的或不参与对外服务的实体进行剔除，以精简数据库，提升服务效率。
3）属性层在原有生产库的基础上，通过数据清洗、融合，接入外部专题信息，每类专题信息独自成表，并且允许同一地理实体在同一专题信息中有多条记录（如时间变化等），不同专题信息中包含的相同内容若有冲突时（如建筑面积统计值不同等情况）不予处理，保持原有信息，以防止其由于各类专题的采集口径不同所致；具体采用哪一个信息由用户自行决定，通过按需提取来进行提取和应用。需要指出的是，若专题信息以接口的方式提供，则有两种模式可供选择，其一是提取接口信息写入数据库中，其二是由应用端直接调用接口。两种方式各有利弊，根据实际环境和需求进行选择。
4）关系层保持不变，从各生产库中集成而成。
5）元数据层是面向应用新增的图层类，包含图元类型元数据表和专题信息元数据表。生产库因其具有生产标准，因此数据库表结构由数据字典规定。在应用服务上，由于图元信息的集成和专题属性的接入，地理实体的信息内容并不固定，因此本文设计了配置层，对接入的专题信息和图元的实体类型、表名等进行配置，并控制其对前端的显隐。配置表随时可以通过设置来进行内容的增删。
通过优化，应用端将可呈现完整的地理实体，实现其形态多样、专题信息无限扩展、层级关系丰富等特点。同时，通过对配置层的控制，还可以实现外部信息的“热插拔”，各专题信息独立维护，互不干扰，从而达到“高集成、松耦合”的目标，最大化地发挥地理实体的性能和作用。
2.2图属分离的地理实体服务发布
传统的地理信息服务通常是“图属一致”，以动态服务、切片服务、三维服务等地图服务方式搭建，每个图形含有一条属性记录，通过地图服务可以查询获取。
分析可知，这种方式在地理实体上是不适用的。由于地理实体多图形形态、非固定的属性信息和实体复杂的层次关系，使单表单图形的地图服务无法满足更加复杂的查询和显示要求。因此，本文提出了一种图属分离的模式开发地理实体数据服务，用于其图形和专题信息的展示。
属性查询检索上，本文设计开发了基于地理实体的查询统计接口，支持用户查询当前专题信息的类型，根据类型通过地理实体编码分类查询各信息资源，查询实体的上级、下级实体，也支持用户通过位置信息反查所在位置的地理实体信息。在此基础上，本文开发了地理实体统计接口，可针对信息类型进行专题统计。所有结果以json格式返回，提高接口的通用性，见表2。
表2 地理实体专题信息查询接口
在图形查询上，本文最初尝试了基于数据库的检索，将图形作为地理实体的一种特殊类型的数据进行查询，以geojson格式返回。经验证发现，该方法对于简单的点线面支持较好，但遇到复杂多段线或多边形，由于节点太多，导致返回json过长而影响传输和前端渲染效率，而遇到三维模型时，则geojson的支持不够，因此此种方法的局限性较强。
在现有技术条件的情况下，本文最终采用了和属性查询分开的方式，各类图元按照其特点采用动态服务、切片服务、三维服务等方式发布为地图服务，图元必须挂载实体编码属性；应用端通过接口服务查询当前的各图元类型对应的服务，再对地图服务和属性接口的双重查询达到前端信息和图形的显示。
2.3 类血缘关系的地理实体检索与可视化方法
现实世界中地物之间并不是相互孤立的，地理实体不仅单个实体本身具有多表结构，同时表达各实体之间的关系，文献[17]对特定类型实体探讨了关系生成的方法，从侧面印证了地理实体之间关系本身的复杂性。总的来说，地理实体之间的关系可归纳为以下空间类关系和专业类的关系。
1）空间关系。主要指地理实体之间相邻、包含、方位等空间信息，可以通过空间计算来直接获取，并根据图元等关系的变动来进行更新。
2）专业类关系。主要指地理实体之间在各行业内的专业关系，比如权属、成因、相互作用等，这些关系需要属性信息辅助和专业知识构建关系规则方可完成。
地理实体间的关系类型虽可进行归纳，但具体关系无法穷举，反映了现实世界地物本身的复杂性。测绘地理信息产品生产注重其空间关系的建立，通过空间计算进行组织和更新，专业类关系需首先建立关系模型通过属性等信息进行关系的抽取，这部分基础性的关系可以由测绘生产时进行建立，其余各专业条线的具体关系则可通过应用层服务进行二次加工处理。
地理实体之间这种包含、构成、附属、权属等关系，与人类的血缘关系相类似。图3表达了地理实体及实体关系抽象化的示意，以实体1作为起点，实体1具有的图元、属性、时间序列组成了实体1自身的独立系统，同时具有实体2、实体3……实体n的关系实体，关系实体同样具有自身独立系统与其关系的实体，这样层级递进，形成了实体关系的谱系结构。
因此，本文借鉴人类社会中的血缘关系来表达地理实体的多维多信息的特点以及地理实体之间多联系的特点。本文在地理实体服务的基础上，引入血缘关系的理念，提出一种类血缘视图的地理实体多级检索与可视化技术。
从图3可以看出，追寻实体的类血缘关系，则可以找到某一实体关联的多级实体及实体自身的独立系统相关信息。追寻方式如图4所示。按照地理实体编码在实体关系表中遍历其相关实体，并按类型进行分类归整，返回结果，也可以进一步查询任意层级具体实体的上级和下级实体；统计则是在得到关系实体编码后遍历专题信息表以找到统计信息并进行统计返回结果，完成基于关系的多级检索统计。
检索结果在应用端通过血缘树来展示实体本身的信息和其血缘关系，以一个地理实体为中心父节点，图元、下级实体、属性、附件作为一级节点，再由叶子节点去展示相关信息,见图5。血缘树上的图元节点展示该实体的不同类型的图元，当选择时可以在展示界面上进行不同类型图元的切换，如平面图形、三维模型等；属性节点展示该实体融合的各类信息，而下级实体则展示了该实体关联的所有实体信息，均可以通过点击对应节点进行浏览和查看。这种可视化方法一方面可以清晰地表示实体信息之间的层级关系，另一方面可以在地图界面上动态变换选中的相关信息内容。
在实际应用过程中，实体的展示往往是融合在各应用系统的功能模块中，同一实体在不同尺度下需要自适应转换表达形式并根据应用需要进行展示信息定制。针对这一情况，该方法进行了进一步深化，通过参数配置对图元、属性以及实体关系的展示均进行组装，进而在服务层面实现实体的信息一体化集成显示，如图6所示。
从图6可以看出：图元自适应显示与视点到目标实体的距离相关，二维场景下随着视角不断升高比例尺缩小，图元类型的选择从复杂到简单；三维场景下的距离判断将更复杂，需根据视角高度、方向、角度等多重因素进行计算，进而选择精细模型、概略模型或二维显示；属性组装则可根据应用需要进行配置，从各外挂属性表中进行抽取融合，最终图元、属性、关系构成该尺度下的完整目标实体，返回应用系统进行后续应用。
通过类血缘树的地理实体可视化技术，展现了地理实体的空间、形态、性质和关系等全方位属性，更好地重现现实世界中的各类实体。进一步地，在实现地理实体的可视化和查询服务基础上，基于地理实体特点可以提供按需提取的各项功能，根据不同行业的需求提取相关实体如行道树、居民地、水系等，组装成任意范围、任意类型、任意属性的地理信息产品。
3 应用实例
本文借助上海国土信息平台，对本文提出的技术方法进行了应用探索。地理实体主要应用于资源调查模块，利用地理实体的特性将各类调查信息进行整合，形成了针对院落、房屋等城市自然资源管理单元的全方位信息集成。
系统汇集了院落、房屋等包括规划、竣工验收、现状（测绘）、变更巡查、灾害普查、房价调查等信息，在地理实体生产的基础上，利用实体信息融合方法对信息进行了标定和融合，形成了满足平台需求的实体应用数据库。
系统采用了图属分离的应用服务模式，图形以服务模式发布，查询检索服务直接接入实体应用数据库，实现服务调用的无缝对接。展示端根据应用需求采用了表单模式表达地理实体的各类信息，支持同一专题多条记录同时查阅，也支持房价等多时序信息的查询，以图表形式进行展示，见图7。
同时，系统实现了地理实体血缘关系的多层级嵌套查询检索和展示，可以在院落实体中查询到关联的房屋实体，见图8，进而可以直接查询选中房屋实体的多源信息，从而达到信息的多层级的贯通。在此基础上，系统实现了地理实体信息的统计分析，针对土地、房屋等管理信息进行统计分析，将结果以图、表等多种样式进行呈现，为自然资源管理提供决策支撑。
在使用效率和性能上，系统利用徐汇区、黄浦区全域及浦东新区部分区域约91 010个实体、296 741实体属性信息、170 706条实体关系，搭建单机测试环境进行并发性能测试，测试结果如表3所示。
表3 地理实体服务性能测试
由于地理实体包含了地物之间的相互关系，因此在检索查询和统计上，其将传统空间运算等方法简化成了数据库的多表联查，查询响应速度视信息量大小和关系多少在毫秒级到秒级波动，查询统计视统计范围一般在秒级即可完成，推测当多服务器建立集群调度可进一步提升系统性能，从实际使用反馈来看满足了国土空间平台的应用需求。
4 结束语
随着实景三维中国建设的持续推进，地理实体作为实景三维的中国建设全新的地理信息产品，被赋予了全新的含义、构建了全新的数据结构，从而给数据的生产、存储、应用等提出了全新的挑战。本文在地理实体生产应用的实践过程中，归纳总结地理实体的内涵特点，结合上海智慧城市发展需求，提出了一种类血缘关系的地理实体服务和可视化方法，并将其应用于上海规划和自然资源建设中，取得了良好的效果。未来，随着地理实体应用的深入，在服务效率、展示效果、场景按需组装等方面还需要进一步研究和探索。
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【作者简介】刘一宁（1984—），女，辽宁沈阳人，高级工程师，博士，主要研究方向为地理信息组织、建模与应用。
E-mail：cosmos1984@foxmail.com
【基金项目】上海市2021年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（21DZ1204100）
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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