GIS技術(shù)在海島開發(fā)管理中的應(yīng)用

冼嘉俊，張一帆

（廣東省海洋資源研究發(fā)展中心 廣州市 510220）

2009年12月，第十一屆全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十二次會(huì)議通過了《中華人民共和國海島保護(hù)法》，海島開發(fā)從此有法可依。2011年4月，國家公布首批176 個(gè)無居民海島開發(fā)名錄，國家已將公布“開發(fā)利用無居民海島名錄”作為一項(xiàng)制度納入常規(guī)工作。海島開發(fā)主導(dǎo)用途涉及旅游娛樂、交通運(yùn)輸、工業(yè)、倉儲(chǔ)、漁業(yè)、農(nóng)林牧業(yè)、可再生能源、城鄉(xiāng)建設(shè)、公共服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。

在海島開發(fā)管理中涉及到大量的地理信息數(shù)據(jù)和規(guī)劃要素，隨著海島開發(fā)管理規(guī)范的進(jìn)一步完善，對(duì)此提出了更高的要求。通過GIS 軟件能更輕易、更精確、更直觀地對(duì)海島開發(fā)進(jìn)行管理，更利于科學(xué)合理地開發(fā)利用海島，降低開發(fā)利用帶來的不利影響。

1 GIS 技術(shù)

GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在也稱GIS 為“地理信息科學(xué)”（Geographic Information Science）。GIS 是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)，是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS 屬于信息系統(tǒng)的一類，不同在于它能運(yùn)作和處理地理參照數(shù)據(jù)。地理參照數(shù)據(jù)描述地球表面（包括大氣層和較淺的地表下空間）空間要素的位置和屬性，在GIS 中的兩種地理數(shù)據(jù)成分：空間數(shù)據(jù)，與空間要素幾何特性有關(guān)；屬性數(shù)據(jù)，提供空間要素的信息。地理信息系統(tǒng)（GIS）與全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感系統(tǒng)（RS）合稱3S 系統(tǒng)。

GIS 技術(shù)能夠應(yīng)用于科學(xué)調(diào)查、資源管理、發(fā)展規(guī)劃、數(shù)值模擬、繪圖和路線規(guī)劃。例如，GIS 能使海島開發(fā)者計(jì)算出建筑工程施工所需要的面積和土方量，或利用GIS 系統(tǒng)來制作海島開發(fā)效果圖及專業(yè)圖件。

目前，較為常用的GIS 軟件有ESRI 系列及MapInfo 系列，它們都能夠提供一套完整的地理資訊系統(tǒng)，以供客戶使用。其中ESRI 提出“用地理設(shè)計(jì)美化生活、將地理知識(shí)人人共享”的理念，時(shí)至如今，這個(gè)理念深深融入ArcGIS 10 中。本文將以ArcGIS 10 軟件作為主要應(yīng)用軟件對(duì)海島開發(fā)進(jìn)行管理。

2 GIS 應(yīng)用于海島開發(fā)管理

2.1 海島地理信息數(shù)據(jù)處理

海島地理信息數(shù)據(jù)主要分為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀使用信息數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括：島岸線、等高線、高程點(diǎn)、植被分布范圍、地質(zhì)、河流、海島周邊等深線、灘涂等?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)可通過從地形圖、海圖、高分辨率遙感數(shù)據(jù)等大比例尺且精確度較高的資料中提取，如更大比例尺的數(shù)據(jù)需要通過地形測(cè)量獲取。

現(xiàn)狀使用信息數(shù)據(jù)包括：建筑物、碼頭、道路、燈塔、信號(hào)塔、海島周邊養(yǎng)殖、航道、海洋工程等?，F(xiàn)狀使用信息數(shù)據(jù)可通過從高分辨率遙感數(shù)據(jù)、海島規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、地形測(cè)量等途徑獲取。

在獲取到基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀使用信息數(shù)據(jù)后要將所有矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，現(xiàn)時(shí)使用較多的坐標(biāo)系是WGS—84 大地坐標(biāo)系和2000 國家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)應(yīng)統(tǒng)一采用1985 國家高程基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)需要按內(nèi)容建立各自的矢量文件，并在各自的數(shù)據(jù)屬性表中標(biāo)注每一個(gè)數(shù)據(jù)的信息，如等深線的水深值、等高線的高程值、建筑物的名稱。

2.2 建立海島信息數(shù)據(jù)庫

海島所涉及的信息量非常龐大且數(shù)據(jù)種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、時(shí)空性強(qiáng)，通過GIS 軟件建立海島信息數(shù)據(jù)庫更有利于數(shù)據(jù)的維護(hù)更新、檢索、管理和模擬計(jì)算。海島信息數(shù)據(jù)庫可分為海島地理信息數(shù)據(jù)庫和海島管理信息數(shù)據(jù)庫。

海島地理信息數(shù)據(jù)庫是由不同時(shí)期不同比例尺的地形、地貌、環(huán)境、生物分布、水系、氣象、交通、遙感等數(shù)據(jù)組成，時(shí)空性較強(qiáng)。

海島管理信息數(shù)據(jù)庫是由歷史海島建筑物情況、居民情況、經(jīng)濟(jì)情況、災(zāi)害情況、環(huán)境承載力、資源量等數(shù)據(jù)組成，可再按其屬性劃分子庫。

建立海島信息數(shù)據(jù)庫后可通過GIS 軟件生成相應(yīng)的圖表并根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使繁瑣的數(shù)據(jù)資料變得更直觀。

2.3 計(jì)算海島表面積、體積和工程施工土方量

海島表面積是海島的一個(gè)重要參數(shù)，海島拍賣前必須計(jì)算一個(gè)較為精確的值，結(jié)果關(guān)系到海島使用金的金額，也在一定程度上體現(xiàn)海島坡度情況。

土方量的計(jì)算是工程施工的一個(gè)重要步驟，工程施工前的設(shè)計(jì)階段必須對(duì)土方量進(jìn)行預(yù)算，結(jié)果直接關(guān)系到工程的費(fèi)用概算和方案的選定。

ArcGIS10 包含有許多功能模塊，其中之一是3D Analyst 模塊，該模塊提供了生成、可視化、分析GIS 三維數(shù)據(jù)的工具。ArcGIS10 計(jì)算土方量是以DEM 為基礎(chǔ)，通過模型與施工范圍和高程疊加劃分出回填和開挖區(qū)域再分別計(jì)算該區(qū)域的體積。計(jì)算海島自然表面積、工程施工土方量的重點(diǎn)是生成相應(yīng)的TIN（Triangulated Irregular Network，不規(guī)則三角網(wǎng)）和DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型），具體流程如圖1所示。

圖1 計(jì)算流程

計(jì)算海島的自然表面積時(shí)只需要運(yùn)用3D Analyst 中的surface 工具即可。

計(jì)算土石開挖量，需要建立多邊形圖層（polygon）并在其中畫出每個(gè)工程施工的范圍，設(shè)置范圍的高程值，利用Polygon Volume 工具可以計(jì)算位于polygon 和tin 之間的體積和表面積，把Reference Plane 值設(shè)為ABOVE 就能求出土石開挖表面積和體積，把Reference Plane 的值設(shè)為BELOW 就能求出回填表面積和體積。

2.4 制作海島相關(guān)圖件

GIS 軟件可用于制作海島的區(qū)位圖、功能分區(qū)圖、現(xiàn)狀圖、地形圖、植被類型分布圖、界址圖、三維效果圖等。本文以制作海島三維效果圖為例示范GIS 軟件的制圖功能。

ArcScene 是ArcGIS 中顯示三維數(shù)據(jù)的工具，利用ArcScene 可以模擬海島的真實(shí)情況，制作出等比例、任意角度的海島三維效果圖。圖2 為制作的最終效果圖。

圖2 最終效果圖

制作步驟如下：

（1）利用島岸線生成海島多邊形并設(shè)置海島多邊形高程。

（2）使用TIN Domain 工具以TIN 生成三維邊界線并適當(dāng)進(jìn)行拉伸。

（3）把海島多邊形與三維邊界疊加得到海島模型底座。

（4）把高清遙感影像、航拍影像利用特征點(diǎn)配準(zhǔn)，然后渲染到TIN 或者DEM 表面。用屬性中的custom 值進(jìn)行拉伸使地形起伏更明顯。

（5）將渲染好的三維表面與模型底座疊加得到海島三維模型。

（6）調(diào)整好海島三維模型的角度與視角就可以生成海島三維效果圖。

3 經(jīng)驗(yàn)和心得

（1）ArcGIS 軟件所使用的shape 文件不支持點(diǎn)、線、面3 種樣式的數(shù)據(jù)在同一文件中，遇到同時(shí)擁有這3 種樣式的數(shù)據(jù)時(shí)需要分開存放到不同的shape 文件中，為了更容易排序和查找，應(yīng)該將這3 套shape 文件用同一名稱命名并在相應(yīng)的文件后面添加點(diǎn)、線、面標(biāo)識(shí)以作區(qū)分。

（2）在應(yīng)用ArcGIS 軟件進(jìn)行海島地理信息數(shù)據(jù)處理的過程中，經(jīng)常會(huì)需要錄入大量的坐標(biāo)以及相應(yīng)的屬性信息，手工錄入往往要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間并且容易出錯(cuò)。為了解決這個(gè)問題，錄入前可先用EXCEL 制作一個(gè)特定格式的坐標(biāo)文件（見表1）將坐標(biāo)數(shù)據(jù)整理到表中，再利用ArcGIS 自帶的“ADD XY DATE”控件將坐標(biāo)文件導(dǎo)入ArcGIS 中；如在坐標(biāo)文件中增加相應(yīng)的列，同樣可以導(dǎo)入其他屬性信息。

表1 特定格式坐標(biāo)文件的表頭設(shè)計(jì)

（3）不少數(shù)據(jù)在獲取時(shí)是以AutoCAD 軟件格式存放，ArcGIS 軟件可直接打開AutoCAD 格式的文件，但在打開前需要注意配置好空間的坐標(biāo)系、投影等信息，特別是投影屬性中的中央經(jīng)線設(shè)置。

（4）制作相關(guān)圖件時(shí)應(yīng)該先確定好圖件幅面大小，根據(jù)幅面大小和需要顯示的內(nèi)容選取合適的比例尺，如果比例尺不能滿足需求時(shí)再反過來對(duì)圖件幅面進(jìn)行調(diào)整直到合適為止。如果圖件需要附在報(bào)告中或裝訂成冊(cè)，在制作時(shí)需要預(yù)留足夠的裝訂位和頁眉頁腳位置。

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