4D產(chǎn)品在地理國（省）情監(jiān)測中的應(yīng)用探討

白 穆， 薛 明

（1.國家測繪地理信息局 陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安710054）

4D產(chǎn)品在地理國（省）情監(jiān)測中的應(yīng)用探討

白 穆1， 薛 明1

（1.國家測繪地理信息局 陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安710054）

分析了4D產(chǎn)品的數(shù)據(jù)特性，介紹了陜西省地理國（省）情監(jiān)測試點工作使用的4D產(chǎn)品，并詳細(xì)說明了利用4D產(chǎn)品提取地理國（省）情監(jiān)測信息的技術(shù)途徑。通過試點工作，總結(jié)出4D產(chǎn)品是地理國（?。┣楸O(jiān)測數(shù)據(jù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并就4D產(chǎn)品使用中存在的問題進(jìn)行了闡述。

地理國（省）情監(jiān)測；省情；4D產(chǎn)品；陜西；試點

2011年3月，陜西省人民政府與國家測繪地理信息局在北京簽署合作開展地理國（?。┣楸O(jiān)測試點工作的協(xié)議書，陜西省成為地理國（?。┣楸O(jiān)測工作的首個試點省份。4D產(chǎn)品是試點工作采用的主要數(shù)據(jù)源，包括1∶10 000和1∶50 000比例尺的數(shù)字線劃圖和數(shù)字高程模型、1 m和2．5 m空間分辨率的數(shù)字正射影像圖、早期的數(shù)字柵格地圖等多種基礎(chǔ)地理信息成果。

本文首先介紹了數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖和數(shù)字柵格地圖等4D產(chǎn)品的內(nèi)容和規(guī)格，再結(jié)合陜西省地理國（省）情監(jiān)測試點工作，探討4D產(chǎn)品在地理國（省）情監(jiān)測中的應(yīng)用特點，對今后利用4D產(chǎn)品進(jìn)行地理國（?。┣楸O(jiān)測提供技術(shù)借鑒。

1 4D產(chǎn)品分析

數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖和數(shù)字柵格地圖，即通常所說的4D產(chǎn)品（DLG、DEM、DOM和DRG）。

數(shù)字線劃圖是以矢量數(shù)據(jù)形式表達(dá)地形要素的地理信息數(shù)據(jù)集[1,2]，包括了水系、地貌、居民地、交通網(wǎng)、境界和土質(zhì)與植被等自然地理和社會經(jīng)濟(jì)要素，這些要素主要由以矢量結(jié)構(gòu)描述的帶有拓?fù)潢P(guān)系的空間信息以及以關(guān)系結(jié)構(gòu)描述的屬性信息所組成。數(shù)字線劃圖包含的自然社會經(jīng)濟(jì)要素具有以下特征：①與人類活動和軍事應(yīng)用有密切關(guān)系，要素可用于方位判定，例如土質(zhì)和植被可用于部隊的通行能力判斷，水系可用于軍事上的防守和進(jìn)攻以及空中和地面判定方位[3,4]；②幾何形狀由點、線和面組成，并具有明確的拓?fù)潢P(guān)系；③要素的屬性表在數(shù)據(jù)字典中有詳細(xì)的定義；④自然社會經(jīng)濟(jì)要素的詳細(xì)程度與比例尺有較大關(guān)系,包括表現(xiàn)方式和要素選擇兩個方面，例如居民地在大比例尺圖上可表示居民地建筑物的質(zhì)量特征，在中小比例尺圖上采用輪廓圖或圈狀符號表示[4]，在大于1∶100 000的圖上表示的人行橋在小于1∶100 000的圖上不再表示[5]；⑤不同要素的采集指標(biāo)是有差異的，在不同的地域依據(jù)要素的重要性和分布特征，要素綜合取舍的程度也不同，例如水中灘的最小圖上面積是10 mm2，池塘的最小圖上面積是2～4 mm2，而缺水地區(qū)圖上面積小于2 mm2的池塘可擴(kuò)大到2 mm2表示[6]。

數(shù)字高程模型是在一定范圍內(nèi)通過規(guī)則格網(wǎng)點描述地面高程信息的數(shù)據(jù)集，用于反映區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布[7]。數(shù)字高程模型按照比例尺的差異，其規(guī)則格網(wǎng)的尺寸也不一致。例如1∶10 000數(shù)字高程模型的規(guī)則格網(wǎng)尺寸為5 m，1∶50 000數(shù)字高程模型的規(guī)則格網(wǎng)尺寸為25 m。

數(shù)字正射影像圖是將地表航空航天影像經(jīng)垂直投影而生成的影像數(shù)據(jù)集[8]。數(shù)字正射影像圖可用于數(shù)字線劃圖的數(shù)據(jù)生產(chǎn)，不同的比例尺對數(shù)字正射影像圖的地面分辨率有要求。同時，數(shù)字正射影像圖的色彩模式分為全色和彩色兩種形式，目前彩色數(shù)字正射影像圖多以真彩色為主。

數(shù)字柵格地圖是以柵格數(shù)據(jù)形式表達(dá)地形要素的地理信息數(shù)據(jù)集[2]。目前主要的數(shù)字柵格地圖是由模擬地圖進(jìn)掃描、幾何糾正及色彩歸化等處理后形成。

2 4D產(chǎn)品在地理國（省）情監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 4D產(chǎn)品使用情況

陜西省現(xiàn)有覆蓋全省的1∶50 000基礎(chǔ)地理信息成果和覆蓋全省約70%區(qū)域的1∶10 000 基礎(chǔ)地理信息成果，均為“十五”和“十一五”期間生產(chǎn)和更新的成果，包括數(shù)字線劃圖、數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型等。同時，測繪資料檔案部門還存有20世紀(jì)60年代以來各個時期的紙質(zhì)地形圖、航空影像和數(shù)字柵格地圖。這些資料和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了不同歷史時期陜西省境內(nèi)自然地理環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的信息，是歷史地理國（省）情信息提取的重要數(shù)據(jù)源。

2.2 地理國（?。┣樾畔⑻崛》椒ǚ治?/p>

陜西省地理國（?。┣樾畔ɑ镜乩硎∏樾畔⒑蛯ｎ}地理省情信息[9]。陜西省基本地理省情信息可以概括為地理位置、地形地貌、境界信息、水系流域和地理統(tǒng)計分析等方面內(nèi)容。使用4D產(chǎn)品的專題地理省情信息包括地表覆蓋變化監(jiān)測、城鎮(zhèn)化進(jìn)程監(jiān)測、水資源保護(hù)和治理監(jiān)測等方面內(nèi)容。

陜西省地理國（省）情信息主要從4D產(chǎn)品中通過直接提取、GIS分析以及輔助解譯兩種途徑獲得。

2.2.1 直接提取途徑

直接提取的陜西省地理國（?。┣樾畔?，即4D產(chǎn)品中的基礎(chǔ)地理信息要素[5]均可通過屬性選擇或地圖矢量化技術(shù)，提取成為地理國（?。┣樾畔?。

例如，陜西省基本地理省情成果中的陜西省主要山峰地理位置信息和境界信息均來自于1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)；水資源保護(hù)和治理監(jiān)測的大中型水庫成果同樣采用1∶50 000 DLG的水系數(shù)據(jù)，利用GB字段獲得水庫圖斑，選擇面積超過0．01 km2的水庫監(jiān)測成果；地表覆蓋變化監(jiān)測中的多期紅堿淖變化監(jiān)測包含了從20世紀(jì)70年代至2011年的7次監(jiān)測，早期紅堿淖水域范圍監(jiān)測的數(shù)據(jù)源均來自于存檔DRG數(shù)據(jù)和1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)。

2.2.2 GIS分析和輔助解譯途徑

GIS分析和輔助解譯是陜西省地理國（?。┣樾畔⑻崛〉闹饕夹g(shù)手段。利用GIS的空間分析功能從4D產(chǎn)品中可以派生出諸多反映區(qū)域地理特征的地理國（?。┣樾畔?；同時，在以遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源的地理國（?。┣樾畔?shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，4D產(chǎn)品可充分發(fā)揮先驗知識和地形輔助解譯的作用，用于輔助地理國（?。┣樾畔⑻崛?。

在地形地貌方面，主要包括了陜西省地貌分類及面積，陜北、關(guān)中、陜南自然區(qū)域界線及面積，陜西省黃土塬面分布及面積，各級行政區(qū)域的最高、最低點海拔和位置，海拔分段及各分段面積、平均海拔、坡度分段及各分段面積、平均坡度等，采用1∶50 000DEM和1∶50 000DLG數(shù)據(jù)。分別從等高線、高程點和DEM數(shù)據(jù)中，獲取各縣的最高、最低高程，比較分析后獲得各市的最高、最低高程。將行政區(qū)域矢量數(shù)據(jù)柵格化，與高程分級和坡度分級柵格圖疊加，統(tǒng)計行政區(qū)域內(nèi)高程和坡度的分級值和柵格數(shù)據(jù)，計算行政區(qū)域內(nèi)各高程段和坡度段面積。按照行政區(qū)域分別劃分DEM和坡度圖，并逐格網(wǎng)遍歷，再分別用高程累積值和坡度累積值除以有效格網(wǎng)總數(shù)，獲得各行政區(qū)域的平均高程和平均坡度。依照坡度、高程和起伏度指標(biāo)，將陜西省全區(qū)域劃分為風(fēng)沙過渡區(qū)、黃土高原區(qū)、關(guān)中平原區(qū)、秦嶺山地區(qū)、漢江盆地區(qū)和大巴山地區(qū)6個地貌類型區(qū)域。在水系流域方面，根據(jù)GIS中的水文分析模型，采用DEM和DLG數(shù)據(jù)，劃分長江水系和黃河水系分水嶺，再將關(guān)中平原區(qū)和黃土高原地貌界線與洛河和涇河流域分界線進(jìn)行疊加，形成陜北、關(guān)中和陜南地理分界線。采用陜西省1∶10 000DEM數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，輔助2．5 m分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，利用坡度差和地貌分區(qū)界線提取陜西省黃土塬面信息。

在專題地理省情信息方面，4D產(chǎn)品主要參與輔助解譯。例如，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程監(jiān)測方面，主要提取陜西省重點鎮(zhèn)、縣和地級市等主城區(qū)在不同時期的范圍信息，對其面積、擴(kuò)展方向和城市重心等信息在近10 a的變化進(jìn)行監(jiān)測，采用1∶10 000 DLG、1∶50 000DLG、1 m分辨率DOM、2．5 m分辨率DOM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，參考基礎(chǔ)測繪居民地內(nèi)業(yè)提取的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，利用高分辨率衛(wèi)星影像確定城市主城區(qū)范圍，分別獲取陜西省地市級、縣級和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的城市主城區(qū)空間分布，分別形成本底數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)；在地表覆蓋變化監(jiān)測方面，主要提取榆林北六縣的地表覆蓋類型變化信息和地表覆蓋二級分類試驗，榆林北六縣地表覆蓋類型變化監(jiān)測采用1∶10 000DLG、1∶50 000DLG數(shù)據(jù)中的居民地和道路信息輔助衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的信息提取，地表覆蓋二級分類試驗采用1∶50 000DLG數(shù)據(jù)中相關(guān)的居民地、道路、水系等要素，利用這些要素信息作為先驗知識用于面向?qū)ο蠓诸愐?guī)則的建立，可有效減少“同譜異物”和“同物異譜”的錯分現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

本文深入剖析了4D產(chǎn)品的數(shù)據(jù)特性，在此基礎(chǔ)上介紹了地理國（?。┣楸O(jiān)測陜西試點工作中利用4D產(chǎn)品提取地理國（省）情信息的技術(shù)途徑，主要結(jié)論有以下2個方面：

1）4D產(chǎn)品是地理國（?。┣樾畔?shù)據(jù)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DLG數(shù)據(jù)包含了大量的基礎(chǔ)地理信息要素，可直接提取成為地理國（省）情信息數(shù)據(jù)。GIS分析和輔助解譯可應(yīng)用于地理國（?。┣樾畔?shù)據(jù)生產(chǎn)。DEM數(shù)據(jù)是地貌劃分、地形特征描述的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在基本地理國（省）情信息提取、地表覆蓋變化監(jiān)測中都發(fā)揮了重要作用。DOM一般用于比例尺1∶50 000、1∶10 000和1∶5 000地形圖編制的主要數(shù)據(jù)源，具有高空間分辨率、重復(fù)更新和質(zhì)量可控的特點，是地理國情專題監(jiān)測信息人工解譯的重要數(shù)據(jù)源。DRG是地理國（?。┣楸O(jiān)測歷史信息提取的重要基礎(chǔ)。

2）4D產(chǎn)品的數(shù)據(jù)特性決定了在地理國（?。┣樾畔?shù)據(jù)生產(chǎn)中存在一定的局限性。首先，由于DLG數(shù)據(jù)存在制圖綜合，導(dǎo)致在不同地域同一地理要素的詳細(xì)程度有所差別，而地理國（省）情監(jiān)測對同一地理要素成果的精度指標(biāo)一致，在統(tǒng)計分析中才具有更高的數(shù)據(jù)可比性；其次，目前DOM數(shù)據(jù)主要采用黑白和真彩色色彩模式，往往近紅外波段不參與DOM的波段組合，致使影像的光譜信息大為減少，特別是區(qū)分植被類型方面有很大的限制；DOM的另外一個局限性在于數(shù)據(jù)勻色處理操作時，影像數(shù)據(jù)勻色后，光譜信息會發(fā)生改變，不利于光譜信息參與影像數(shù)據(jù)的信息提取。

[1] 李德仁,眭海剛,單杰．論地理國（省）情監(jiān)測的技術(shù)支撐[J]．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2012,37(5):505-512

[2] GB/T 16820-2009． 地圖學(xué)術(shù)語[S]．

[3] 廖克．地圖概論[M]．北京:科學(xué)出版社,1985

[4] 尹貢白,王家耀,田德森,等．地圖概論[M]．北京:測繪出版社,1991

[5] GB/T 13923-2006．基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼[S]．

[6] GB/T 20257．2-2006．國家基本比例尺地圖圖式 第2部分:1∶5 000 1∶10 000地形圖圖式[S]．

[7] CH/T 9009．2-2010．基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型[S]．

[8] CH/T 9009．3-2010．基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字正射影像圖[S]．

[9] 謝露蓉．對陜西省地理國（?。┣楸O(jiān)測的思考與實踐[J]．測繪標(biāo)準(zhǔn)化,2012,28(2):5-8

P208

B

1672-4623（2014）05-0007-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.003

白穆，工程師，主要從事地理國（?。┣楸O(jiān)測項目實施和研究工作。

2013-11-08。

項目來源：國家測繪地理信息局科技發(fā)展計劃資助項目（2011-03）；地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助項目（201212）。