24-志愿者地理信息研究应用进展与趋势

志愿者地理信息研究应用进展与趋势张红平1，顾学云2，熊萍3，蒋捷1，黄蔚1，王茜1(1.国家基础地理信息中心，北京邮编；100830；2.中国矿业大学，北京邮编：100083；3.中国测绘科学研究院，北京，100830)摘要：随着计算机技术与互联网技术、卫星定位技术、移动终端技术的发展，地理信息服务的模式正在发生改变，志愿者地理信息时代悄然而来。文章首先以志愿者地理信息的产生为索引，从数据的采集、处理、管理和质量控制等方面就国内外志愿者地理信息的研究情况进行了评述。其次，介绍了志愿者地理信息在产业界和学术界的应用，讨论了目前志愿者地理信息在数据质量控制、多源数据管理、相关法律政策和持续性工作等方面的问题，最后对今后志愿者地理信息的发展趋势进行了初步探讨。关键词：Web2.0;志愿者地理信息;数据管理;OpenStreetMapTheTrendofDevelopmentandResearchProgressofVolunteeredGeographicInformationZhanghongping1，Guxueyun2，Jiangjie1，Huangwei1，XiongPing3，Wangqian1(1.NationalGeomaticsCenterofChina,Beijing,100830,China;2.ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing,100083,China;3.ChineseAcademyofSurveying&Mapping,Beijing,100830,China)Abstract：Withthedevelopmentofcomputerandinternetwork,GPSandmobileterminaltechnology,thegeographicinformationservicemodeisbeingtransformedandthetimeofvolunteeredgeographicinformationhasengaged.Firstly,thispaperbrieflyintroducesthegenerationandconceptofvolunteeredgeographicinformation,andreviewstheresearchprocessofvolunteeredgeographicinformationathomeandabroadondataacquisition,processing,management,qualitycontroletc.Secondly,theauthorintroducestheapplicationofvolunteeredgeographicinformationinindustryandacademia,anddiscussestheproblemsondataqualitycontrol,multiplesourcedatamanagement,relevantlawsandpolicies,andsustainability.Finally,theauthordescribesthedevelopingtrendofvolunteeredgeographicinformation.Keywords:Web2.0;VolunteeredGeographicInformation;datamanagement;OpenStreetMap0引言近年来，随着计算机网络技术、卫星定位技术和移动终端技术的迅速发展，在互联网Web2.0大环境的驱动下，传统的GIS技术及其应用发生了革命性的变化，地理信息服务模式从单向的Web应用（允许大量的用户访问少量Web站点提供的地理信息）逐渐向交互式的双向协作（用户可以同时是地理信息的使用者和提供者）转变。这种转变消除了地理信息数据提供者和使用者之间的隔阂，数据的提供者不再局限于政府机构、专业公司等相关领域的人员，任何一个普通用户都可以参与、协作完成地理信息数据的维护和更新，从而实现大量地理信息数据不断地被创建并且相互交叉引用，极大地缩短了地理信息获取和传播的时间。Tunner[1]将这种用户参与贡献地理数据的现象描述为“新地理”的重要特征之一。2007年GoodChild[2]首次提出了志愿者地理信息（VolunteeredGeographicInformation，VGI）的概念，国内也有学者解释为自发地理信息[3]。目前关于VGI还没有形成一个统一的定义。GoodChild认为VGI必须集合以下三种元素：Web2.0[4]，集体智慧[5]和新地理[1]，它反映了互联网时代地理信息新的获取与应用方式。李德仁和钱新林[3]从广义和狭义两个角度对VGI进行了解释，认为狭义的VGI是由大量非专业用户利用3S技术自发创建的地理信息；广义的VGI是与狭义的VGI相关的概念、模式、方法和技术。维基百科[6]中对VGI的定义是指用户通过在线协作的方式，以普通手持GPS终端、开放获取的高分辨率遥感影像以及个人空间认知的地理知识为基础参考，创建、编辑、管理、维护的地理信息。本文认为VGI是指普通用户通过移动互联网自发地协作完成带有空间信息数据的采集、处理、管理与维护。VGI正在形成影响广泛的新兴地理信息产业。2012年初，美国著名的社交媒体定位服务提供商Foursquare和全球领先的手机和PC机生产商苹果公司均宣布弃用GoogleMaps，转向目前发展前景广阔且数据免费的VGI网站OpenStreetMap，可见VGI已经对传统的地理信息数据行业产生了强大的冲击。多年来，许多学者从不同角度针对不同的应用研究了VGI的一些关键技术，但是尚未见对VGI的研究与应用进行一个系统的论述，本文尝试围绕VGI数据的采集、处理、管理和数据质量等方面，介绍国内外VGI的研究与应用情况，探讨目前VGI面临的问题以及发展趋势。1VGI数据研究进展1.1VGI数据采集VGI信息主要来自于用户的自发贡献，其核心思想是GoodChild[2,7]提出的“人人都是传感器”，即每一个人都可以完成地理数据的采集。由于人从幼年就开始获得空间知识，对于自己周围的地理环境（地名、交通路网）都有比较详尽的了解，这些信息难以用自动化的手段自动获得。例如，通过航空摄影可以获得一个区域清晰的相片，通过某些算法可以获得航片上部分道路矢量数据，但是无法获得详细的地名注记，这些信息对于GIS应用是必不可少的。通过专业部门获取往往需要投入大量的人力、物力和财力，如果公众拥有带GPS的手机或者汽车装有记录行驶轨迹的设备等，那么公众也可以提供丰富的地理信息数据。“人人都是传感器”的思路打破了地理信息专业人员和公众之间的界限，它有效地整合了位于世界各个角落的人们己经掌握的自己周围的各种信息，并且可以辅助GPS等个人终端设备予以分享和传播。1.2VGI数据处理VGI数据来源多样，数据内容丰富，从基本的点、线、面等几何对象数据，到GPS记录的轨迹数据以及带有时空位置特征的图片、音频和视频记录等等，还包括各类描述性信息。数据的采集者大多数是非专业人员，数据质量具有不可预测性。由于志愿者是自发贡献数据，会存在数据分布不均匀，连续性不一致等问题，给VGI数据的管理带来挑战，因此VGI数据必须经过处理和质量检查以保证数据的形式有效和内容合法[3]。钱新林等人[8]通过对比VGI和传统GIS数据的特点，认为数据的处理必须能够解决数据杂乱的问题，通过对VGI数据分类提出了Web2.0下的VGI数据处理方法，主要包括合并或删除重复数据，发现或修正部分错误数据，确认或更新属性数据等。L.N.Mummidi等人[9]研究了从志愿者在地图上的标注中提炼、清理兴趣点的方法。李德仁等人[3]认为对VGI数据的处理应包括恶意内容的发现与清除、重复内容的监测与合并、涉及秘密和隐私等内容的处理，并对于不同的内容分别提出了处理方法。关于VGI数据的处理目前主要还集中于图形数据的研究，自动化程度还有待提高；对于非图形数据如描述性信息、视频等数据的处理，只能依靠人工参与解决。1.3VGI数据管理VGI数据的高效管理是VGI能够广泛应用的基础，李德仁等人[3]提出了动态线综合二叉树和缩放四叉树的设计思想，该思想能够较好地执行截窗查询和简化查询，支持动态更新，适合表达和存储大几何对象，可以用来解决VGI图形数据管理的难题。Díaz等人[10]研究了网络基础设施中用户共享的信息的管理方法，认为大多数地理空间结构是基于自上而下的方式建立的，只有官方提供者可以发布和维护数据资源，这种机制导致了维护资源的技术比较复杂，限制了用户的参与，造成贡献资源的不足。因此提出了一种基于INSPIRE原则的分布式架构服务框架组件，极大地改进了在地理信息基础设施中整合和发布地理空间数据资源的能力。Cooper等人[11]通过扩展空间数据基础设施模型（SDI）来实现对VGI的支持，首先分析空间数据基础设施中的基本要素，确定哪些包含VGI的基本要素是必须改变的，然后通过定义这些基本要素的子集来支持VGI数据，而不是创建新的基本要素。上述VGI数据管理的研究，无论是新建数据模型还是在现有模型的基础上进行扩展，均忽略了对VGI元数据的管理，缺乏针对多源VGI数据管理的研究。1.4VGI数据质量数据质量用于描述与评价数据在各项应用中的适用程度。空间数据作为地理信息领域开展各类研究应用的基础，其质量对于决策和研究成果的准确性和可靠性具有决定性的影响，因此空间数据质量一直是研究人员关注的焦点。Flanagin等人[12]通过对VGI的社会环境、信息的含义和数据源的可靠性展开讨论，研究了VGI可靠性理论和相关工具，认为通过用户推荐的淘汰选择机制，随着时间的延长，可以得到高质量的数据。Haklay[13]和Ather[14]对VGI最显著的例子OpenStreetMap数据展开了研究，选取伦敦和英格兰两个实验区和英国测量局的数据进行对比分析。结果表明：OpenStreetMap数据相当精确。英国地形测量局记录的数据精度大约是6米，两种数据集的重叠度接近80%。Zielstra[15]通过对比德国境内的OpenStreetMap数据和TeleAtlas导航数据，分析表明在城市范围内OpenStreetMap数据的丰富程度已经超过了TeleAtlas，但是在农村等偏远地区数据的覆盖略显不足。通过分析可以发现，VGI数据在精度、完整性、一致性等方面符合一定的质量规范，适用于空间信息的可视化、路径规划以及其他地理信息领域的相关研究应用[16]。2VGI应用进展VGI经过几年的发展已经受到了产业界和学术界的广泛关注，目前国外已经有多个VGI的商业应用与科学研究项目，其中最著名的是OpenStreetMap和Wikimapia，此外还有GoogleMaker，Flicker等等。学术界主要基于VGI开展监测、旅游、灾害等方面的应用，取得了阶段性的成果。下面讨论几个最具代表性的VGI应用项目。2.1产业界的应用（1）OpenStreetMapOpenStreetMap试图通过志愿者的努力建立一个公共版权的世界范围的街区图，是VGI实例中影响最大、意义深远的一项应用，目前雅虎地图、微软的BingMap均从影像数据方面对其进行支持。由于OpenStreetMap数据获取免费方便，更新速度快，已经成为国内外很多学者、学术机构开展具有创新性应用研究的数据基础。OpenStreetMap以海地地震应急制图的应用最为引人注目。2010年1月12日，海地发生里氏7.0级的特大地震，位于海地首都太子港的大多数建筑均遭到毁坏，交通阻断，严重影响了国际救援工作。志愿者以OpenStreetMap上最新的卫星照片为基础，利用随身携带的GPS采集道路、兴趣点数据，通过电脑即时标注救护站、帐篷和倒塌的大桥，在短短48小时之内构建了最完整的“HaitiOpenStreetMap”(图1为海地太子港地震前后的OpenStreetMa