數(shù)字國界構(gòu)建技術(shù)研究與工程實(shí)踐

陳 軍，華一新，王發(fā)良，陳宏兵，劉萬增，周治武，張 毅

1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450052；3.外交部 邊界與海洋事務(wù)司，北京 100701

1 概 述

我國是世界上陸地鄰國最多、界線最長的國家，定界與維護(hù)管理的任務(wù)艱巨、技術(shù)復(fù)雜［1］。自20世紀(jì)90年代以來，外交、測(cè)繪有關(guān)機(jī)構(gòu)積極探索地理信息高新科技在國界劃界、勘界、聯(lián)檢等方面的應(yīng)用，取得了有益經(jīng)驗(yàn)［2－3］。在此基礎(chǔ)上，國家有關(guān)部門啟動(dòng)了“數(shù)字國界”專項(xiàng)建設(shè)工程，構(gòu)建覆蓋全國14條邊界的空間型國界綜合數(shù)據(jù)庫，研制定界與維護(hù)管理的業(yè)務(wù)化信息平臺(tái)，以全面提升國界工作的技術(shù)水平與效率。

就研究現(xiàn)狀而言，國際上該領(lǐng)域的研究多集中在劃界法理、定界政策、危機(jī)管理等方面［4－5］。歐盟近年來著手建設(shè)邊界數(shù)據(jù)庫，但數(shù)據(jù)類型單一，且僅包含現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。在2006年11月舉行的聯(lián)合國首屆“支持邊境發(fā)展的陸地和河流邊界勘界”國際會(huì)議上，美國代表方提出“要建設(shè)一個(gè)數(shù)字邊界，GIS制圖，GPS界標(biāo)測(cè)定、數(shù)據(jù)共享、界碑加密是未來發(fā)展方向”（http∥www.dur.ac.uk／ibru）。就總體而言，國內(nèi)外對(duì)數(shù)字國界構(gòu)建鮮有研究報(bào)道，亦未見商業(yè)化的技術(shù)系統(tǒng)。因此，我國“數(shù)字國界”工程需通過自主技術(shù)創(chuàng)新，研究解決地理信息與國界業(yè)務(wù)的有機(jī)融合難題。本文主要介紹了“數(shù)字國界”工程的技術(shù)創(chuàng)新與成果，包括“數(shù)字國界”的總體構(gòu)建思路、主體技術(shù)方法和工程實(shí)施與應(yīng)用。

2 總體技術(shù)體系

新中國成立60年多來，我國形成了以劃界、勘界、聯(lián)檢和日常管理等為主體的國界業(yè)務(wù)體系，取得了豐碩的定界成果，積累了海量的邊界資料。為了實(shí)現(xiàn)國界信息管理集成化和核心業(yè)務(wù)信息化，提出以超媒體數(shù)據(jù)建模為基礎(chǔ)、精準(zhǔn)化定界分析為核心、集成化信息服務(wù)為依托，構(gòu)建“數(shù)字國界”的總體技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 “數(shù)字國界”建設(shè)工程的總體技術(shù)體系Fig.1 Overall technical framework of“Digital Boundary”

（1）超媒體數(shù)據(jù)建模。國界定界與維護(hù)管理使用和產(chǎn)生基礎(chǔ)地理信息、界務(wù)信息和專題信息等三大類信息資料，表現(xiàn)為多尺度地圖、多分辨率影像、多時(shí)期文本、多類型視（音）頻等超媒體數(shù)據(jù)形式。其間存在著網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)、尺度對(duì)應(yīng)、事件驅(qū)動(dòng)等多種數(shù)據(jù)－實(shí)體關(guān)系。通過對(duì)國界數(shù)據(jù)構(gòu)成和相互間關(guān)系的深入分析與系統(tǒng)梳理，建立了基于國界核心要素和跨媒體多元關(guān)系的超媒體數(shù)據(jù)模型，制訂了國界信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展了多媒體節(jié)點(diǎn)制作、跨媒體多元關(guān)系構(gòu)建的方法或算法，以實(shí)現(xiàn)國界帶狀區(qū)域各種圖形、影像、文本、視頻資料的空間化整合與跨媒體關(guān)聯(lián)。

（2）精準(zhǔn)化定界分析。國界定界的核心任務(wù)是依據(jù)國際法基本原則，結(jié)合地形地貌、歷史及現(xiàn)狀，科學(xué)地分析雙方主張線差異和條約紅線實(shí)地走向。這既要綜合運(yùn)用定性的定界法理知識(shí)，又需要進(jìn)行定量的數(shù)字地形分析。本項(xiàng)目將定界法理與地形分析相結(jié)合，研究發(fā)展在數(shù)字化環(huán)境下進(jìn)行劃界、勘界及聯(lián)檢分析的關(guān)鍵技術(shù)，形成了基于線線關(guān)系的劃界主張線差異分析，基于數(shù)字地表模型的條約紅線走向解析與落地分析等有關(guān)模型，以建立定界業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)。

（3）集成化信息服務(wù)。邊界線走向與通視道維護(hù)、口岸管理、跨界水資源開發(fā)利用和保護(hù)、邊界突發(fā)事件處置等迫切需要國界信息的集成服務(wù)。針對(duì)外交邊界部門的工作實(shí)際，研究國界信息的網(wǎng)絡(luò)化共享服務(wù)技術(shù)，以便對(duì)海量國界信息進(jìn)行按需瀏覽與調(diào)用。其次，研究邊界信息遠(yuǎn)程速報(bào)技術(shù)，發(fā)展支持跨部門的地理信息聚合和協(xié)同環(huán)境下的在線空間操作，為實(shí)現(xiàn)邊情速報(bào)、異地會(huì)商等提供新手段。

3 對(duì)象化建模與空間化整合

針對(duì)國界數(shù)據(jù)多尺度、多類型、多時(shí)相的超媒體特點(diǎn)，開展了基于國界核心要素的對(duì)象化數(shù)據(jù)建模、顧及幾何和語義的空間數(shù)據(jù)差異處理等研究，發(fā)展形成了有關(guān)的技術(shù)方法與工具軟件。

3.1 基于國界核心要素的對(duì)象化數(shù)據(jù)建模

將界線、界碑、爭議區(qū)、口岸、界河中島嶼、跨界水等定義為核心要素，用來實(shí)現(xiàn)與文本、圖像、視頻等多類型數(shù)據(jù)資料的語法關(guān)聯(lián)或鏈接，如圖2所示。其中，以“卡片－節(jié)點(diǎn)”形式，實(shí)現(xiàn)爭議區(qū)、交換圖、條約、界碑等數(shù)據(jù)實(shí)體之間的網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)，以支持符合“聯(lián)想”記憶習(xí)慣的跨媒體查詢；利用定界事件，表達(dá)從劃界、勘界到多次聯(lián)檢以及界務(wù)管理的演變過程，支持事件驅(qū)動(dòng)的時(shí)空檢索［6］。

圖2 基于國界核心要素的對(duì)象化數(shù)據(jù)模型Fig.2 Core elements－based object－oriented data model for digital boundary

3.2 顧及幾何和語義的數(shù)據(jù)整合處理

每條國界的劃界、勘界或聯(lián)檢均是與不同鄰國、在不同時(shí)期聯(lián)合開展的，依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能有所不同，這使得定界成果往往存在著幾何和語義方面的差異，需進(jìn)行必要的整合處理。其中幾何整合旨在使所描述現(xiàn)實(shí)世界中同一地理實(shí)體的兩個(gè)目標(biāo)應(yīng)具有相同位置。為此，提出了基于編碼匹配的空間沖突檢測(cè)等模型和算法，以自動(dòng)判斷國界數(shù)據(jù)拓?fù)渑c語義的不一致性［7］；將不同時(shí)期簽署的邊界附圖等進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換與配準(zhǔn)，統(tǒng)一到2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）上去。語義整合則是通過制定數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行包括實(shí)體名稱屬性、要素表達(dá)模式、實(shí)體空間關(guān)系等在內(nèi)的轉(zhuǎn)換，解決因來源不同、年代不一所造成的數(shù)據(jù)含義不一致問題等。圖3給出了國界空間數(shù)據(jù)幾何與語義整合的基本思路。

4 數(shù)字化環(huán)境下的定界分析

國界定界需綜合考慮邊界的歷史與現(xiàn)狀、法律法理、地形地貌、資源環(huán)境等諸多因素。將定界法理和地形分析有機(jī)結(jié)合，研究并分析劃界主張線差異與動(dòng)態(tài)調(diào)整、條約紅線走向解析與落地分析等，形成了數(shù)字化環(huán)境下的定界分析方法，如圖4所示。

（1）劃界主張線差異分析。本項(xiàng)目是在數(shù)字化環(huán)境下，以劃界法理語義空間化解析為引導(dǎo)、談判論據(jù)資料全文檢索分析為基礎(chǔ)、地形特征線自動(dòng)提取為支撐，開展主張線差異分析，生成劃界主張線；繼而采用要素線線關(guān)系細(xì)化計(jì)算方法，確定雙方主張線的差異及“爭議區(qū)”，并采用拓?fù)滏溂右悦枋霰磉_(dá)［8－9］；繼而根據(jù)面積、軍事、資源等多因素指標(biāo)體系，提出多種可供參考的劃界方案，并進(jìn)行劃界方案的定量評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)調(diào)整；最后對(duì)劃界結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和可視化表達(dá)，形成與邊界條約相 配套的條約附圖。

圖3 國界空間數(shù)據(jù)的幾何與語義整合Fig.3 Geometric and semantic integration of boundary spatial data

（2）條約紅線走向解析分析。將數(shù)字地形分析與勘界法理相結(jié)合，發(fā)展了顧及地形特征的紅線實(shí)地走向分析、跨河流界線調(diào)整等方法，實(shí)現(xiàn)界標(biāo)位置優(yōu)選與條約紅線落地的內(nèi)業(yè)化處理。針對(duì)界碑大范圍同步觀測(cè)、坐標(biāo)解算與成果現(xiàn)場(chǎng)雙方確認(rèn)等需要，優(yōu)化基于CORS站網(wǎng)的長距離解算方案和誤差模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)觀測(cè)、處理、服務(wù)的快速同步進(jìn)行。此外，研究發(fā)展了基于影像的邊界變化分析、界線變化核實(shí)等功能。

5 工程實(shí)施

按照上述總體技術(shù)體系與方法，完成了建國60年以來與周邊鄰國30余次劃界、勘界、聯(lián)檢資料、成果的空間化整合處理，還整合了國界及邊境地區(qū)的1∶5萬等多尺度數(shù)據(jù)，建成了覆蓋我國22 000km國界線的多時(shí)態(tài)、多類型、多尺度國界空間數(shù)據(jù)庫，為國界定界和管理提供了豐富的信息資源。

先后研制了劃界信息系統(tǒng)、勘界信息系統(tǒng)、聯(lián)檢信息系統(tǒng)和國界信息服務(wù)平臺(tái)。其中劃界信息系統(tǒng)提供了劃界資料集成管理、符合“聯(lián)想”記憶習(xí)慣的談判論據(jù)調(diào)閱、劃界立場(chǎng)展示、談判方案分析模擬和比較、條約地圖制作等功能［10］；勘界信息系統(tǒng)提供了界線走向分析、界標(biāo)位置優(yōu)選、勘界數(shù)據(jù)量算分析、信息集成管理、勘界附圖制作、界標(biāo)精確測(cè)算等實(shí)用功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化環(huán)境下的勘界方案設(shè)計(jì)、會(huì)談方案模擬、工作成果的輔助制作與管理等；聯(lián)檢信息系統(tǒng)則主要提供聯(lián)檢方案制定、界標(biāo)巡查引導(dǎo)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載、數(shù)據(jù)對(duì)比分析、聯(lián)檢數(shù)據(jù)集成管理與分發(fā)服務(wù)等功能。國界信息服務(wù)平臺(tái)主要包括“日常界務(wù)管理”、“邊情速報(bào)與熱點(diǎn)會(huì)商與突發(fā)事件處理”、“公眾信息發(fā)布”等子系統(tǒng)［11－13］。

圖4 國界法理與地形分析相結(jié)合的定界分析Fig.4 Border delimitation and demarcation by integrating jurisprudence and terrain analysis

6 結(jié)束語

經(jīng)過10余年的跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，我國已初步建成“數(shù)字國界”，有關(guān)成果已用于與有關(guān)鄰國的劃界、勘界及聯(lián)檢談判，減輕了野外工作強(qiáng)度，降低了邊界作業(yè)危險(xiǎn)性，有效地提升了定界技術(shù)水平，在促進(jìn)我國陸地地緣穩(wěn)定、維護(hù)國家主權(quán)與領(lǐng)土完整等方面發(fā)揮了重要作用。

值得指出的是，數(shù)字國界的運(yùn)行維護(hù)與更新完善任重道遠(yuǎn)。一方面，邊界地區(qū)地形地貌、地表覆蓋不斷發(fā)生變化，直接影響著邊界線走向、界標(biāo)設(shè)置以及跨界水、跨境設(shè)施、生態(tài)環(huán)境等，需要開展適時(shí)更新、精細(xì)建模等。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)全球化和社會(huì)信息化的不斷發(fā)展，國界業(yè)務(wù)正從傳統(tǒng)的邊界定界和單純關(guān)注軍事安全轉(zhuǎn)向促進(jìn)周邊經(jīng)濟(jì)與重視防范非傳統(tǒng)安全威脅發(fā)展，研究尺度則從以往的邊界條帶擴(kuò)展為廣袤的邊境地區(qū)，研究頻度從常規(guī)的靜態(tài)分析向經(jīng)常性監(jiān)測(cè)與政策動(dòng)態(tài)模擬發(fā)展，數(shù)字周邊建設(shè)和周邊地緣風(fēng)險(xiǎn)防范研究等已經(jīng)提上議事日程。

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