海陸空間信息一體化集成共享研究與應(yīng)用

吳秀蕓，王海江，梁寒冬，付蔚霞

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042）

海洋是地球生命的搖籃，是人類生存與可持續(xù)發(fā)展的重要空間，是未來社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的重要領(lǐng)域[1]。21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，許多國家都在制定全新的海洋發(fā)展戰(zhàn)略，我國對海洋的開發(fā)利用也進入了一個嶄新的階段。隨著我國“21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等的深入實施，海洋信息技術(shù)在海洋強國戰(zhàn)略中的地位越來越突出[1]。加強海陸信息化資源整合，加快海洋信息成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)海陸一體化統(tǒng)籌開發(fā)利用，已成為推動海洋事業(yè)發(fā)展的重要抓手。

寧波市作為海洋大市，擁有遼闊的海域面積和豐富的海洋資源，全市海域總面積為8 233 km2，岸線總長為1 594 km，約占全省海岸線的24%。本文以寧波市為例，創(chuàng)新性地提出并研究了海陸地理空間數(shù)據(jù)整合技術(shù)，制定了海陸統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、空間基準(zhǔn)和分類編碼，消除了海陸數(shù)據(jù)在空間位置、屬性結(jié)構(gòu)等邏輯上的差異性，解決了目前存在的海洋與陸地地理信息無法集成共享的問題，實現(xiàn)了多源異構(gòu)海陸數(shù)據(jù)的有機融合，并在此基礎(chǔ)上搭建了海陸一體化共享服務(wù)平臺，為各級海洋業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了統(tǒng)一的空間信息協(xié)同共享服務(wù)框架。

1 海陸數(shù)據(jù)融合

海陸地理空間數(shù)據(jù)整合的關(guān)鍵是解決數(shù)據(jù)之間存在的格式差異、空間基準(zhǔn)差異、語義差異和幾何位置差異等。本文研究了多源海陸地理空間數(shù)據(jù)整合技術(shù)，基于一定的地理空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、語義和空間位置一體化數(shù)據(jù)模型對海陸數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換、地理對象提取和融合處理，形成了覆蓋全域全要素的海陸一體化地理空間數(shù)據(jù)。

在遵循國家和現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，首先對輸入的海陸地理空間數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，包括數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，以實現(xiàn)海陸數(shù)據(jù)的初步互通；然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型（矢量和柵格），分別采用相應(yīng)的地理空間數(shù)據(jù)融合方法消除海陸數(shù)據(jù)之間存在的差異，實現(xiàn)海陸數(shù)據(jù)的一體化管理。具體技術(shù)流程如圖1所示。

1.1 統(tǒng)一空間基準(zhǔn)和格式

空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一是空間地理數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)海陸一體化融合的關(guān)鍵。首先將不同數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系（CGCS2000），將高程數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸算到1985國家高程基準(zhǔn)，將水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸算到理論最低潮面（理論深度基準(zhǔn)面）；再進行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，由于數(shù)據(jù)獲取方式的多源性，采用不同的數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺，就會產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)格式，進而擁有不同的數(shù)據(jù)模型，這對實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換、共享和一體化管理帶來了很大困難[2]，為了便于今后數(shù)據(jù)在各部門之間的共享交換，統(tǒng)一采用Shapefile作為標(biāo)準(zhǔn)的矢量地理空間數(shù)據(jù)格式，tiff作為標(biāo)準(zhǔn)的柵格數(shù)據(jù)格式。

1.2 矢量數(shù)據(jù)融合

圖1 技術(shù)流程圖

1）海陸地理要素屬性編碼整合。由于海陸矢量數(shù)據(jù)分別采用不同的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其在語義上存在異構(gòu)，無法進行數(shù)據(jù)交換和共享。目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的海陸一體化數(shù)據(jù)分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化管理，本文以GB/T 13923-2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》、GB/T 20257.1-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》、GB/T 20257.2-2017《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》、GB/T 20257.3-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第3部分：1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000地形圖圖式》、GJB 2680-96《軍用數(shù)字海圖要素屬性編碼規(guī)則》、GB 12319-1998《中國海圖圖式》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，設(shè)計了新的地理要素分類和編碼體系，對地理要素進行編碼整合，即給地理要素賦予相應(yīng)的統(tǒng)一編碼表示方式。按照從屬關(guān)系，本文將地理要素分為陸域/海洋類、大類、中類、小類和子類。分類采用線分類法，分類代碼由一位字母符號和10位十進制數(shù)字組成，分別為門類碼、大類碼、中類碼、小類碼、子類碼、要素碼、幾何特征碼和圖形特征碼，門類碼即陸域/海洋分類碼，大類、中類、小類與GB/T 13923-2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》保持一致，子類和要素根據(jù)海洋信息管理需要進行擴充（圖2）。對各類數(shù)據(jù)進行重新整理、歸類分級、屬性編碼和數(shù)據(jù)分層，消除海陸矢量數(shù)據(jù)語義上的差異，建立海陸空間數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)化體系，為實現(xiàn)海陸數(shù)據(jù)一體化管理和海陸數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換共享提供依據(jù)。

如圖2所示，第一位為門類，即陸域/海洋分類碼，L表示陸域類要素，H表示海洋類要素；第二位為大類碼；第三位為中類碼，是在大類基礎(chǔ)上細分形成的要素類；第四、五位為小類碼，是在中類基礎(chǔ)上細分形成的要素類；第六、七位為子類碼，是在小類基礎(chǔ)上細分形成的要素類；第八位為要素碼，是在子類基礎(chǔ)上細分形成的要素；第九位為幾何特征碼，用于標(biāo)識要素的幾何特征，其中點為[1、2]、線為[3、4]、面為[5]、注記為[9]；第十、十一位為圖形特征碼，用于標(biāo)識要素的圖形特征，代碼參見GB/T 13923-2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》。

圖2 海洋地理信息要素分類代碼結(jié)構(gòu)

2）海陸數(shù)據(jù)空間融合。海陸數(shù)據(jù)空間融合是對海、陸地理空間對象的部分或全部特征屬性進行匹配，實現(xiàn)地理空間對象的整合和唯一表達的過程。首先通過地理對象位置匹配和屬性匹配的方法，確定海陸重疊區(qū)域內(nèi)的相同地理要素并進行合并，以消除海陸矢量數(shù)據(jù)之間存在的幾何位置差異；再重新建立拓撲關(guān)系；最終實現(xiàn)海陸數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換和共享。利用位置特征對海圖和地形圖重疊區(qū)域進行計算匹配[3]，若兩個地理空間對象之間的距離小于給定閾值，則認為這兩個地理空間對象為同一對象并進行整合，同時對比遍歷各個地理對象，比較對象屬性信息的一致性，判斷是否為同一個地理空間對象。

在繪制確定空間對象圖形結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮地物在海圖和地形圖中的代表性和詳細程度。例如，海圖和地形圖都對海岸帶區(qū)域的海洋和陸地部分進行表示，但二者表示的差異較大，地形圖對海岸帶附近的居民地、地貌和道路的表示比海圖更詳細、準(zhǔn)確，而海圖對灘涂的表示比地形圖更詳細[3]，因此在實現(xiàn)海陸一體化的過程中，居民地、地貌和道路應(yīng)選擇地形圖中的數(shù)據(jù)，灘涂則應(yīng)選擇海圖中的數(shù)據(jù)。對于無法進行優(yōu)先級別篩選的情況，本文采取特征點融合的方法，對每條同一個地理空間線實體進行簡化，只保留其特征點，融合成新的對象圖形來更準(zhǔn)確地記錄對象的結(jié)構(gòu)特征（圖3）。

圖3 特征點融合技術(shù)

1.3 柵格數(shù)據(jù)融合

對于影像等柵格數(shù)據(jù)，本文采用改進的SIFT特征提取和匹配方法進行配準(zhǔn)。考慮到SIFT特征的多量性，首先可對大幅面的圖像進行重采樣，并提取特征點；經(jīng)過全局參數(shù)優(yōu)化后，再把匹配點的坐標(biāo)按比例傳遞到原始圖像的坐標(biāo)系下，求取原始圖像的變換模型參數(shù)；然后把待匹配圖像變換到參考圖像坐標(biāo)中，進行插值和重采樣；最后進行拼接、調(diào)色和切割處理，得到海陸一體化柵格影像。柵格數(shù)據(jù)融合流程如圖4所示。

圖4 柵格數(shù)據(jù)融合流程圖

2 平臺共享應(yīng)用

目前，該研究成果已被成功應(yīng)用于實際工程項目中，實現(xiàn)了寧波市電子地圖、影像、水下地形、灘涂、海岸線、海堤、海島、碼頭和海域行政界線等陸地、海洋地理數(shù)據(jù)的有機融合；并在此基礎(chǔ)上搭建了寧波市海洋基礎(chǔ)地理信息庫管理平臺，實現(xiàn)了海洋信息的統(tǒng)一管理、查詢統(tǒng)計、服務(wù)發(fā)布和共享交換，為全市各級海洋部門業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了統(tǒng)一的空間信息協(xié)同共享服務(wù)框架。平臺的主要功能包括：

1）海陸一張圖展示。平臺提供了海陸一張圖展示服務(wù)，包括融合后的海陸一體化電子地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等，并可在各類地圖數(shù)據(jù)中進行自由切換，方便地圖瀏覽和漫游。

2）海洋專題信息查詢。平臺提供海洋分類信息查詢和結(jié)果展示功能，支持全圖查詢和框選查詢兩種查詢方式，如通過輸入關(guān)鍵字“山島”，可在地圖上定位到梅山島，并顯示詳細信息；還可進行海洋專題信息的統(tǒng)計分析，如統(tǒng)計全市海岸線長度，固定區(qū)域海島類型、面積、個數(shù)等。

3）海洋信息分層管理。平臺提供海洋信息分類管理功能，灘涂、海岸線、海島、海堤等海洋專題信息以專題圖層的形式疊加在基礎(chǔ)地理底圖上，地圖和專題要素瀏覽時，可任意選擇或自由切換圖層，實現(xiàn)對海洋專題數(shù)據(jù)的集中展示和分層管理[4]。

4）海陸空間數(shù)據(jù)發(fā)布共享。平臺提供各種地圖和海洋專題圖層的注冊發(fā)布功能，各區(qū)縣（市）海洋管理單位制作的專題圖層可注冊到系統(tǒng)中，通過服務(wù)接口的方式，在各級應(yīng)用系統(tǒng)中形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)和共享的GIS服務(wù)[5]，以實現(xiàn)地圖資源的共建共享。

5）后臺配置維護。后臺可對數(shù)據(jù)應(yīng)用情況進行跟蹤監(jiān)控，詳細記錄用戶的使用情況[6]，并對用戶權(quán)限進行分配和控制。不同的用戶擁有不同級別的數(shù)據(jù)訪問能力和功能模塊使用權(quán)限[7]。

3 結(jié) 語

本文研究了海陸地理空間數(shù)據(jù)一體化融合技術(shù)[8]，制定了海陸統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、空間基準(zhǔn)和分類編碼，實現(xiàn)了海陸矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的有機融合，并已成功應(yīng)用于寧波市海洋信息化管理工作中，為各級海洋部門提供了統(tǒng)一的海洋地理空間服務(wù)框架，促進了全市海洋地理數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和充分共享。