針對海陸圖融合的數(shù)字海圖自動預處理及實現(xiàn)

文 敏，唐新明，史紹雨，文建強，閆浩文，黃 偉

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應用中心，北京 100830；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.廣鐵集團株洲工務段，湖南益陽 413000；4.蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

針對海陸圖融合的數(shù)字海圖自動預處理及實現(xiàn)

文 敏1,2,4，唐新明1，史紹雨1，文建強3，閆浩文4，黃 偉4

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應用中心，北京 100830；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.廣鐵集團株洲工務段，湖南益陽 413000；4.蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

通過深入分析數(shù)字海圖在分幅、坐標系統(tǒng)、投影等方面的特殊性，研究了數(shù)字海圖在投影和坐標系統(tǒng)等方面的基本預處理技術，解決了數(shù)字海圖無投影信息和本圖坐標系統(tǒng)等造成的問題；并編寫程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字海圖的自動批量化預處理，效率高，誤差小，解決了實際問題，為數(shù)字海圖在數(shù)據(jù)融合、更新等方面的進一步應用提供了前提保障。

數(shù)字海圖；預處理；自動批量；本圖坐標系；投影

海島礁、海岸線地區(qū)等涉及海域的海圖和地圖關系到國防、航海和經(jīng)濟生產(chǎn)等諸多關鍵領域，但是由于海圖在其分幅、基準及分類編碼及規(guī)范等各方面的特殊性，海圖的利用受到了很大的限制，從而造成了數(shù)據(jù)冗余、裂縫和無法統(tǒng)一等一系列問題，缺乏完整性同時也不便于管理[1]。因此，海圖與陸地圖之間或海圖之間的地理數(shù)據(jù)整合技術[2～5]成為了當下的研究熱點。而針對數(shù)字海圖的特殊性，一些預處理工作則是實現(xiàn)各圖之間融合的前提條件，實現(xiàn)批量的自動處理是科學研究和工程生產(chǎn)上的現(xiàn)實需求。

1 數(shù)字海圖的特殊性

海圖主要用于航海等，由于其在用途等方面的特殊性，造成了一些與現(xiàn)行陸地圖規(guī)范和標準不一致的特性。

1.1 分幅

為了航海方便，在圖幅分幅上沒有采用形如陸地地形圖的分幅規(guī)范，而是采用自由分幅，如圖1所示，其分幅的原則和方法如下[6]：1）分幅的基本原則是在保證航行安全和方便使用的前提下，盡可能減少圖幅的數(shù)量；2）航行圖采用自由分幅的方法，根據(jù)需要確定圖幅的具體范圍。沒有統(tǒng)一規(guī)定而自由的分幅方式給圖幅間的無縫拼接等應用造成了困難。

1.2 坐標系統(tǒng)

數(shù)字海圖除了統(tǒng)一的WGS-84或1954年北京坐標系以外，還存在一個本圖坐標系的概念。本圖坐標系是海圖的實際經(jīng)緯度通過投影轉(zhuǎn)換到平面坐標系，再經(jīng)過縮放和平移等操作，使每個數(shù)字海圖圖幅的左下角都成為該圖幅的坐標原點。因此海圖上的坐標其實都是一個獨立的局部坐標系統(tǒng)下的相對坐標，本圖坐標系下的數(shù)據(jù)根本無法進行圖幅之間的應用。對坐標系的處理是本文中預處理的一個重要部分。

圖1 我國東海某海域海圖圖幅索引示意圖

1.3 投影

由于墨卡托投影對角度的保真性，同樣出于對航海的考慮，海圖一般采用墨卡托投影[7]，但是其投影參數(shù)中的標準緯線（Standard_Parallel）一般采用圖幅本圖坐標的中緯，更重要的是，現(xiàn)在可供使用的數(shù)字海圖一般都使用海軍提供的海圖專用瀏覽器進行瀏覽和使用，其shape格式的數(shù)字海圖不帶有*.prj的投影文件。因此在ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中無法識別其投影信息，海圖的預處理也包括對其投影的處理。

1.4 元文件

每個標準的數(shù)字海圖圖幅文件夾中都含有一個元文件來說明該圖幅的信息，其中包括比例尺、基準緯線、經(jīng)緯四至、坐標系統(tǒng)、單位、高程基準和通告改正等描述圖幅的信息。而對圖幅的自動化批量處理則需要使程序自動從元文件中提取相應信息來確定對海圖數(shù)據(jù)的處理。

2 數(shù)字海圖預處理方法

2.1 信息提取

對海圖的預處理必須首先從相應的數(shù)據(jù)元文件中提取相關信息并經(jīng)過計算后用以處理海圖數(shù)據(jù)，其中需要的數(shù)據(jù)及作用如表1所示。

表1 從元數(shù)據(jù)中提取信息及其用途列表

2.2 處理投影

根據(jù)從元數(shù)據(jù)中提取的信息對海圖圖幅數(shù)據(jù)補充投影信息，根據(jù)投影方式和坐標系統(tǒng)確定橢球體信息等投影信息，根據(jù)基準緯線等確定投影信息中南北偏移和基準緯線等信息，并補充.prj投影文件，使其投影能被ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件識別。

但是，投影文件中經(jīng)緯度的單位為度，而元數(shù)據(jù)中基準緯線等信息的單位為度分秒，在此過程中若忽略了此單位的轉(zhuǎn)換，處理的結(jié)果便將產(chǎn)生誤差。

2.3 處理縮放

預處理中縮放的處理實際上是從平面坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)至本圖坐標系統(tǒng)的逆過程。根據(jù)海圖從標準平面坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)至本圖坐標系統(tǒng)的原理和規(guī)定，可以得到其縮放系數(shù)的計算公式如式 (1)所示。

其中，scale為海圖比例尺分母；r為海圖圖幅實際長度單位；s為該圖幅投影方式中標準長度單位，比如墨卡托投影的標準長度單位為m。

2.4 處理平移

本圖坐標系統(tǒng)的左下角坐標為 (0，0)，根據(jù)元數(shù)據(jù)可以知道圖幅左下角的真實坐標，在此基礎上即可建立起一個平移映射關系。

在此步驟中需要注意的是，從元數(shù)據(jù)中得到的信息為經(jīng)緯度，預處理程序需按照投影類型將經(jīng)緯度投影至指定的平面坐標系統(tǒng)上，得到相應的平面坐標，方能確定正確的平移量。

2.5 更新范圍

在經(jīng)過上述過程的處理后，海圖的坐標和投影等得以處理完畢，但是由于經(jīng)過了平移縮放等操作，數(shù)據(jù)層的范圍發(fā)生改變，此時，元素可能都擠在圖幅的一個小角上。根據(jù)處理后的實際坐標和數(shù)據(jù)進行范圍更新后，才能得到全圖效果。

3 實現(xiàn)及結(jié)果

本文中使用C#語言基于ArcEngine進行開發(fā)實踐[6]，根據(jù)上述理論完成了海圖自動批量預處理程序，程序主界面如圖 2所示，實驗數(shù)據(jù)取實際項目中我國東海某區(qū)域的海圖數(shù)據(jù)。

圖2 自動批量預處理程序主界面

在經(jīng)預處理程序處理之前的數(shù)據(jù)如圖 3所示，由于其本圖坐標系統(tǒng)的原因，所有圖幅都左下角重合，疊加在了一起，海圖上的坐標和經(jīng)緯度也不正確，為該圖幅的本圖系統(tǒng)中的相對值；且用地理信息系統(tǒng)軟件也無法識別其投影信息。

處理之后的數(shù)據(jù)如圖 4所示，所有圖幅都恢復正確的平面坐標，實現(xiàn)正確疊加，并且投影信息正確。

圖3 未經(jīng)預處理海圖效果圖

圖4 經(jīng)預處理后海圖效果圖

4 結(jié) 語

本文通過對數(shù)字海圖在坐標系統(tǒng)和投影等方面的特征及其產(chǎn)生的原因，實驗確定了數(shù)字海圖的預處理技術，并且通過程序驗證其正確性及實現(xiàn)自動化批量處理。通過在國家863項目中的實際應用表明，本文的海圖預處理技術解決了實際問題，效率高，誤差小，方便實用。經(jīng)預處理程序處理過后的數(shù)字海圖坐標系統(tǒng)及投影信息正確，能夠用于海陸數(shù)據(jù)融合等其他進一步的應用。

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Research and Implementation of Pre-Processing of Digital Chart for Chart-Map Integration

by Wen M in

This paperhad analysised the specificity of the digital chart in the respect of map-framing,coordinate system and projecting,it researched on the pre-processing technology of digital chart in the area of projecting,coordinated system and so on.And implement the auto-processing and batch-processing with programming.It is effective;little error and has solved lots of practical problem s and supports the chart-applications in areas such as data-integration and data-update.

digital-chart,pre-processing,automatically-processing,coordinate system,projecting （Page:126）

P299

B

1672-4623(2011)01-0126-02

2010-08-16

項目來源：國家863計劃資助項目 (2009AA121404)。

文敏，碩士，主要從事GIS開發(fā)應用、遙感、DEM、共享理論與方法等方面的學習和研究。