基于FME的地理國(guó)情覆蓋要素提取技術(shù)探討

余詠勝，羅名海，吳克友，尹言軍

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢430022）

地表覆蓋分類工作是地理國(guó)情普查的一項(xiàng)重要內(nèi)容，地表覆蓋分類信息主要反映地表自然營(yíng)造物和人工營(yíng)造物的自然屬性或狀況，包括地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地等的類別、位置、范圍、面積等，掌握其空間分布狀況。地表覆蓋要素分類和提取工作主要通過(guò)高分辨率航空或遙感影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯或人工判讀解譯，完成相關(guān)地表信息的分類提取，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在人工判讀和干預(yù)工作量較大、作業(yè)效率較低等情況。

為進(jìn)一步提高地表覆蓋分類工作的作業(yè)效率，改善目前人工數(shù)據(jù)解譯方式的不足，縮短作業(yè)周期，提高作業(yè)效率，本文采用FME（Feature Manipulate Engine）對(duì)地表覆蓋分類要素提取技術(shù)進(jìn)行研究和探討。FME是一個(gè)用于空間數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換、處理的強(qiáng)大工具，提供了多源數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的解決方案，用戶可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求建立具有特色的空間數(shù)據(jù)處理模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、處理。本文通過(guò)FME實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量操作，提高了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性、高效性和實(shí)用性。

1 問(wèn)題分析

根據(jù)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查相關(guān)要求，地理國(guó)情普查內(nèi)容分為12個(gè)一級(jí)類、58個(gè)二級(jí)類、133個(gè)三級(jí)類，其中屬于地表覆蓋的一級(jí)類為10個(gè)。為滿足地表覆蓋分類要素?cái)?shù)據(jù)提取工作的需要，大中城市生產(chǎn)單位多采用0.5 m甚至0.2 m以上高分辨率航空正射影像為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行地表覆蓋要素的分類解譯。航空影像由于不具備遙感影像多光譜等波段信息，計(jì)算機(jī)解譯存在分類精度不高、自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題，生產(chǎn)單位一般通過(guò)大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采用矢量和柵格數(shù)據(jù)疊加方式輔助分類以提高解譯精度。

大比例尺地形圖數(shù)據(jù)包括道路、水系、居民地、植被等相關(guān)信息，內(nèi)容全面、現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)，是規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)資料，但全要素地形圖數(shù)據(jù)和地表覆蓋分類要素采集要求和標(biāo)準(zhǔn)不同，二者存在較大差異。對(duì)于道路而言，地表覆蓋分類中只需要按有軌路面和無(wú)軌路面表示，但車(chē)行道兩側(cè)的人行道需并入無(wú)軌路面，在基礎(chǔ)設(shè)施比較完善的城市道路就不能直接利用地形圖的道路數(shù)據(jù)。對(duì)于耕地、園地、林地和草地，地形圖上一般通過(guò)植被符號(hào)表示，可用于輔助地表覆蓋分類的判讀解譯。對(duì)于人工堆掘地，地形圖上沒(méi)有細(xì)分，一般通過(guò)地類界加施工區(qū)注記表示，必須通過(guò)影像判讀解譯區(qū)分露天采掘場(chǎng)和建筑工地等類別，荒漠與裸露地表一般也需要通過(guò)影像判讀方式分類。對(duì)于房屋建筑（區(qū)）而言，地表覆蓋分類中包括房屋建筑區(qū)和獨(dú)立房屋建筑，分別代表居住區(qū)域內(nèi)成片房屋建筑和單體建筑、散落房屋建筑。該類地物影像投影差較大，直接判讀勾繪精度差、工作量較大，利用基本地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取，同時(shí)結(jié)合地表覆蓋分類的要求進(jìn)行綜合整理，可顯著提高分類精度和工作效率。

2 地表覆蓋分類專題要素提取

根據(jù)地表覆蓋要素分類采集的要求，地表覆蓋類型分為耕地、園地、林地、草地、房屋建筑（區(qū)）、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域等10個(gè)專題類別。地表覆蓋分類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在LCA層中。地理國(guó)情信息分類代碼（CC碼）一般應(yīng)確定至三級(jí)類，沒(méi)有三級(jí)類的可以分至二級(jí)類。不同類別的地表覆蓋專題要素提取方式相似，下面以房屋建筑（區(qū)）為例詳述專題要素的提取和處理方法。

2.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)分析

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是地表覆蓋分類要素提取的重要內(nèi)容。地表覆蓋分類一般利用1︰2 000比例尺地形圖數(shù)據(jù)，通過(guò)大比例尺地形圖與高分辨率航空影像疊加，生成地表覆蓋信息采集工作底圖。大比例尺地形圖數(shù)據(jù)通常以AutoCAD或MicroStation為數(shù)據(jù)編輯平臺(tái)，數(shù)據(jù)成果格式一般為*.dwg或*.dgn。

地形圖數(shù)據(jù)通常有固定的分層設(shè)色及符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，圖面注記的字體、大小和顏色也有明確規(guī)定，專題要素提取必須通過(guò)這些規(guī)則才能過(guò)濾不相關(guān)數(shù)據(jù)。以我單位1︰2 000比例尺地形圖數(shù)據(jù)為例，其數(shù)據(jù)格式為*.dgn，成果數(shù)據(jù)通過(guò)了拓?fù)錂z查，但數(shù)據(jù)保存方式不是以圖層方式區(qū)分符號(hào)和注記，而是通過(guò)mslink屬性關(guān)聯(lián)方式掛接到幾何要素，通過(guò)mslink屬性值即可對(duì)不同地物類別準(zhǔn)確區(qū)分。表1顯示了與房屋建筑（區(qū)）專題要素提取相關(guān)的mslink數(shù)值。

表1 房屋建筑（區(qū)）相關(guān)mslink屬性對(duì)應(yīng)表

2.2 地表覆蓋分類專題數(shù)據(jù)提取

利用FME進(jìn)行房屋建筑（區(qū)）的地表覆蓋專題數(shù)據(jù)提取，應(yīng)根據(jù)dgn數(shù)據(jù)的mslink屬性對(duì)應(yīng)表從地形圖中提取相關(guān)地物，再對(duì)提取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行要素構(gòu)面、屬性關(guān)聯(lián)、CC碼轉(zhuǎn)換、面融合、微面剔除等處理操作，生成符合地表覆蓋分類要求的獨(dú)立房屋建筑面要素和房屋建筑區(qū)面要素。

根據(jù)mslink屬性過(guò)濾房屋建筑（區(qū)）要素時(shí)，必須加入內(nèi)圖廓線要素，否則位于圖廓邊緣的房屋建筑會(huì)因?yàn)槎噙呅挝捶忾]而造成丟失；內(nèi)圖廓線要素也不宜通過(guò)2DBoxReplacer轉(zhuǎn)換器生成，這樣房屋要素需要跟內(nèi)圖廓線進(jìn)行相交處理而降低FME程序處理效率。房屋建筑的樓層信息與面要素的關(guān)聯(lián)可以通過(guò)PointOnAreaOverlayer轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。CC碼轉(zhuǎn)換時(shí)，可以根據(jù)樓層屬性通過(guò)定義參數(shù)條件實(shí)現(xiàn)CC碼的直接賦值。對(duì)于相鄰或包含關(guān)系的房屋要素，CC碼相同可以直接通過(guò)Dissolver轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)面融合，CC碼不同則取CC碼數(shù)值較大的作為融合面的屬性值。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，多層及以上獨(dú)立房屋建筑、低矮獨(dú)立房屋建筑要素，最小圖斑對(duì)應(yīng)的地面實(shí)地面積為200 m2，應(yīng)通過(guò)Tester轉(zhuǎn)換器對(duì)房屋要素面積進(jìn)行判斷，過(guò)濾較小的獨(dú)立房屋建筑。通過(guò)FME進(jìn)行房屋建筑（區(qū)）專題分類數(shù)據(jù)提取的模型見(jiàn)圖1。模型右側(cè)2個(gè)輸出模塊分別對(duì)應(yīng)房屋建筑區(qū)和獨(dú)立房屋建筑面要素。

圖1 利用FME進(jìn)行房屋建筑（區(qū)）專題分類數(shù)據(jù)提取模型

房屋建筑（區(qū)）專題分類數(shù)據(jù)提取的關(guān)鍵在于低矮或多層房屋建筑區(qū)面要素的生成，它不能通過(guò)房屋邊線直接生成，需要根據(jù)房屋建筑的密度和分布情況進(jìn)行區(qū)域多邊形綜合。通過(guò)試驗(yàn)，本文采用HullAccumulator轉(zhuǎn)換器對(duì)聚集的房屋建筑區(qū)面要素進(jìn)行融合生成區(qū)域多邊形，即創(chuàng)建凹包。創(chuàng)建凹包原理是先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Delaunay三角網(wǎng)，然后應(yīng)用alpha值，外接圓半徑大于alpha值的三角形將被丟棄，剩余三角形融合形成一個(gè)面。Alpha值越小，丟棄的三角形越多，生成的多邊形邊界更凹。通過(guò)試驗(yàn)alpha值為5左右時(shí)，房屋建筑區(qū)融合可以取得較好效果。對(duì)于離散房屋建筑，融合前后不會(huì)產(chǎn)生變化，生成的離散面要素可以按照房屋建筑區(qū)最小圖斑面積1 600 m2的閾值進(jìn)行剔除。

2.3 專題數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的房屋建筑（區(qū)）專題分類數(shù)據(jù)提取模型的效率和準(zhǔn)確程度，本文針對(duì)不同區(qū)域、不同建筑樓層以及不同的建筑密度和排布規(guī)律的房屋建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖2和圖3分別顯示了獨(dú)立房屋建筑和房屋建筑區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前后的結(jié)果，圖中黑色線劃和注記為原始1︰2 000地形圖的房屋建筑邊線和樓層信息，紅色線劃和注記對(duì)應(yīng)地表覆蓋分類處理的面狀要素和CC代碼值。

圖2中獨(dú)立房屋建筑要素和CC代碼均可以得到正確的提取，獨(dú)立房屋周邊的錯(cuò)層房屋與主體房屋建筑得到了正確融合，圖中有2個(gè)1層的獨(dú)立房屋因面積小于200 m2被剔除，符合地表覆蓋分類處理的要求。圖3中房屋建筑區(qū)的面要素邊線也得到了較好的處理，該結(jié)果在城郊結(jié)合部的房屋建筑聚集的區(qū)域優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，可顯著提高房屋建筑區(qū)的綜合處理效率。但是圖3也暴露了單一專題數(shù)據(jù)提取的不足。圖中沿道路分布的房屋聚集區(qū)域，面邊線與道路邊線不重合將產(chǎn)生大量不合理碎面，此時(shí)應(yīng)以道路邊線為主，通過(guò)修改房屋建筑區(qū)靠近道路一側(cè)的多邊形邊線使之分類處理合理，因此多要素相交區(qū)域的處理仍需具體情況具體分析。

圖2 獨(dú)立房屋建筑面要素處理前后結(jié)果

圖3 房屋建筑區(qū)面要素處理前后結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)FME進(jìn)行地理國(guó)情普查中地表覆蓋分類專題要素提取，可以充分發(fā)掘現(xiàn)有地理數(shù)據(jù)資料的價(jià)值，有效改善目前人工地表分類解譯方式的不足，提高作業(yè)效率。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，該方法在航空影像和地形圖資料的現(xiàn)勢(shì)性相同或相近時(shí)，對(duì)于無(wú)軌路面、水域和房屋建筑（區(qū)）等地物類別，其處理結(jié)果通過(guò)矢量與柵格數(shù)據(jù)疊加對(duì)照核實(shí)后，即可滿足地表覆蓋分類的成果要求；對(duì)于地形圖現(xiàn)勢(shì)性不足的區(qū)域，房屋建筑區(qū)、水域等專題數(shù)據(jù)提取和處理結(jié)果也可以在AutoCAD等軟件中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的編輯滿足變化區(qū)域更新的分類需要。

與常規(guī)地表覆蓋分類解譯方式相比，本文方法利用現(xiàn)有大比例尺地形圖資料能夠顯著提高地表覆蓋分類的幾何精度。通過(guò)FME實(shí)現(xiàn)CC代碼的自動(dòng)分類，防止人工屬性賦值產(chǎn)生錯(cuò)誤，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過(guò)數(shù)據(jù)的批量處理，提高了生產(chǎn)效率，縮短了作業(yè)周期，同時(shí)最大程度地減少了重復(fù)工作，可以為地理國(guó)情普查和地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作提供重要的技術(shù)保障，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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