趙小陽，孫　穎

(1. 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州510060； 2. 中山大學(xué)地理科學(xué)與

規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州510275)

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大數(shù)據(jù)背景下的城市大比例尺地形圖更新及應(yīng)用探討

趙小陽1，孫穎2

(1. 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州510060； 2. 中山大學(xué)地理科學(xué)與

規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州510275)

Discussion on Updating and Application of City’s Large Scale Topographical Map under Big Data Background

ZHAO Xiaoyang，SUN Ying

摘要：在大數(shù)據(jù)背景下分析了國內(nèi)各主要城市大比例地形圖更新的現(xiàn)狀，總結(jié)了目前城市大比例尺地形圖更新存在地形圖變化發(fā)現(xiàn)難、成本投入持續(xù)增多、歷史數(shù)據(jù)挖掘不夠充分、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)、地下空間信息未表示等新問題，結(jié)合廣州市近年工程實(shí)踐，提出了利用多源數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)挖掘、開發(fā)綜合縮編軟件和開展地下空間設(shè)計(jì)普查等關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化地形圖更新模式及手段，拓展地形圖應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)測繪；大比例地形圖；動態(tài)更新

城市大比例尺地形圖是城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)源之一[1]，在城市管理、城鄉(xiāng)建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃和國土資源管理等方面發(fā)揮著不可取代的作用。目前測繪地理信息已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，城市大比例尺地形圖更新面臨著一系列新問題和挑戰(zhàn)，全國各城市測繪主管部門正在根據(jù)新的形勢，積極研究城市大比例尺地形圖更新機(jī)制和技術(shù)方法，以提高城市地形圖的現(xiàn)勢性[2]，滿足政府部門、企事業(yè)單位和社會大眾對基礎(chǔ)地理信息日益增長的需求。

一、城市大比例尺地形圖更新現(xiàn)狀

目前我國各主要城市在城市大比例尺地形圖更新變化發(fā)現(xiàn)手段、更新周期、更新模式等方面各有特色。在變化發(fā)現(xiàn)手段方面，除采取常規(guī)的人工巡視方法，北京、廣州、西安等城市開始利用遙感影像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域[3-4]，同時廣州、深圳、天津等城市開始研究利用竣工驗(yàn)收等手段發(fā)現(xiàn)地形圖變化區(qū)域并同步進(jìn)行更新[5-6]。在更新周期方面，北京、上海等城市每年政府均有固定基礎(chǔ)測繪投入，實(shí)現(xiàn)了中心城區(qū)1∶500地形圖半年更新一次，1∶2000地形圖一年更新一次；廣州規(guī)定城市建成區(qū)和重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)的1∶500地形圖每年更新一次，其他建設(shè)地區(qū)的1∶500地形圖每兩年更新一次，1∶2000地形圖每三年更新一次，1∶5000地形圖每5年更新一次；天津建立了中心城區(qū)1∶500和1∶2000地形圖實(shí)時更新，濱海新區(qū)和區(qū)縣政府所在地1:2000地形圖每年更新一次，全市1∶2000地形圖每兩年更新一次的機(jī)制。在更新模式方面，北京、上海、廣州仍采取全要素更新的模式，即對規(guī)范要求的所有要素同一時間全部更新；而濟(jì)南則制定了取舍標(biāo)準(zhǔn)，對一般地區(qū)的要素更新放寬了要求；寧波則將城市分為重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域，將要素分為重點(diǎn)要素和非重點(diǎn)要素，對重點(diǎn)區(qū)域每月更新重點(diǎn)要素，對于全區(qū)域每年進(jìn)行全要素更新。

二、城市大比例尺地形圖更新面臨的主要問題

1. 變化發(fā)現(xiàn)難

精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)地形圖變化情況是開展地形圖更新必要的前期準(zhǔn)備工作，目前采用全要素更新方法的城市發(fā)現(xiàn)地形圖變化的方法仍以傳統(tǒng)的外業(yè)人工巡視為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)該部分工作費(fèi)時費(fèi)力，約占總工作量的30%左右。部分城市近年來開展了利用航空、遙感數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)地形圖變化的研究工作，雖然該方法可以發(fā)現(xiàn)大面積房屋、道路、植被變化[3]，但對建成區(qū)微小變化，如部分點(diǎn)狀地物、違法加建建筑等卻無法識別，且航片和衛(wèi)片由于獲取時間問題，存在一定的滯后性。

2. 所需資金日益增加

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各大城市建設(shè)區(qū)域快速擴(kuò)張，各城市地形圖覆蓋面積也隨之逐年增加，為此必須持續(xù)加大投入人力、物力對現(xiàn)有地形圖進(jìn)行定期更新，才能保證地形圖的現(xiàn)勢性。僅以1∶500地形圖修測為例，根據(jù)《測繪生產(chǎn)成本費(fèi)用定額》(2009年)， II類城鎮(zhèn)地區(qū)1—2年1∶500地形圖修測價格為5.46萬元/km2，按500 km2計(jì)算其更新費(fèi)用已達(dá)2730萬元。若某些年份基礎(chǔ)測繪資金投入不足，地形圖得不到更新而使地形圖變化率增加，部分甚至達(dá)到新測的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致需要更多的財(cái)政資金來完成更新地形圖。

3. 歷史數(shù)據(jù)利用不夠充分

隨著地形圖更新速度的加快，各級城市勘測管理部門積累了海量的地形圖數(shù)據(jù)，測繪地理信息進(jìn)入了名副其實(shí)的大數(shù)據(jù)時代。長久以來，這些寶貴的歷史數(shù)據(jù)或以紙質(zhì)形式存在檔案室中，或以電子形式分散存儲，不僅容易損壞、丟失，而且未能形成綜合利用體系，也未能充分發(fā)揮基礎(chǔ)測繪資金的使用效率。

4. 數(shù)據(jù)庫建設(shè)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

地形圖雖然在城市管理、城市建設(shè)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但其主要應(yīng)用仍局限于各專業(yè)技術(shù)部門。當(dāng)前地理信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為與百姓生活緊密相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，地理信息的應(yīng)用已涉及經(jīng)濟(jì)社會和人民生活的各個方面，社會公眾越來越多地通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位、車載導(dǎo)航等面對面的服務(wù)。傳統(tǒng)的地形圖更新以CAD、Microstation等平臺為主，造成了地形圖制圖與GIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)“兩張皮”現(xiàn)象的長期存在，使得地形圖更新成果無法及時服務(wù)社會普通大眾；同時智能化程度較低的地圖縮編模式，不僅耗費(fèi)巨大，而且造成了“有圖不用、要用無圖”的尷尬局面。

5. 地下空間信息沒有表示

日益加快的城市化進(jìn)程及用地規(guī)模的擴(kuò)張使原本稀缺的城市土地資源越來越寶貴，隨即迎來的將是城市地下空間的利用和擴(kuò)張時期[7]，目前各大城市修建了大量的地下軌道交通、商場、停車場等設(shè)施。按照現(xiàn)有地形圖測量規(guī)范，地下空間設(shè)施無需在地形圖上進(jìn)行表示，這給地下空間規(guī)劃、地下空間開發(fā)和管理帶來了極大不便。

三、城市大比例尺地形圖更新的研究

1. 利用多種手段，提高發(fā)現(xiàn)地形圖變化效率

充分發(fā)揮航空、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在大范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)地形圖變化的優(yōu)勢，結(jié)合固定作業(yè)區(qū)域、固定作業(yè)單位、固定人員的作業(yè)模式提高發(fā)現(xiàn)地形圖細(xì)微變化的效率。利用工程測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并更新地形圖是目前部分城市研究的熱點(diǎn)，其中某市提出了利用網(wǎng)格化地形圖更新的方法，即以現(xiàn)狀路網(wǎng)和自然水域劃分網(wǎng)格(目的是盡可能減少接邊工作量，同時確保網(wǎng)格單元的完整性，約72%的網(wǎng)格小于1 km2，接近實(shí)際工程面積，網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示)，負(fù)責(zé)規(guī)劃監(jiān)督測量的工程測量隊(duì)通過開發(fā)的范圍線繪制和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，及時反映、統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)地形圖變化信息，為動態(tài)更新提供統(tǒng)籌和決策的依據(jù)。

圖1　某市地形圖網(wǎng)格劃分示意圖

2. 發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢，利用多源數(shù)據(jù)更新地形圖，有利于節(jié)約成本

隨著測繪技術(shù)特別是測繪裝備技術(shù)日新月異的發(fā)展，移動道路測量、三維激光掃描、無人機(jī)、機(jī)載LiDAR等測繪新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)地形圖測繪及更新作業(yè)模式。其可以充分發(fā)揮移動道路測量技術(shù)在帶狀地形圖測繪、三維激光掃描在困難地區(qū)地形圖測繪[8]、無人機(jī)在應(yīng)急地形圖測繪方面的優(yōu)勢，極大地節(jié)約測繪生產(chǎn)成本。而在連續(xù)大面積地形圖測繪中機(jī)載LiDAR具有極大優(yōu)勢，相對傳統(tǒng)航空攝影測量，機(jī)載LiDAR不需要布設(shè)像控點(diǎn)，無需構(gòu)建立體像對，采用高清晰數(shù)碼相機(jī)拍攝，影像判讀清晰，色彩更真實(shí)，地類分界明顯，制圖速度快[9]。近年來廣州在從化區(qū)、南沙區(qū)開展了利用機(jī)載LiDAR生產(chǎn)1∶2000、1∶5000地形圖相關(guān)工程實(shí)踐，解決了超大點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲與顯示、海量點(diǎn)云等高線快速生成、建筑物投影差自動改正、線狀目標(biāo)的快速提取(如圖2所示)等關(guān)鍵技術(shù)難題，成本和工期節(jié)約了30%～40%[10]。

3. 在大數(shù)據(jù)背景下加強(qiáng)歷史地形圖數(shù)據(jù)挖掘及利用研究

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展水平，直接關(guān)系到基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)開發(fā)利用程度的好壞，目前地理信息數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)開發(fā)應(yīng)用的需要[11]，特別是歷史地形圖數(shù)據(jù)的挖掘及利用不足，而其所包含的信息是規(guī)劃設(shè)計(jì)、舊城保護(hù)、城市更新等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)資料。廣州市開發(fā)了地形圖圖幅瀏覽查詢系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中可以對指定區(qū)域歷史地形圖覆蓋情況進(jìn)行查詢和管理(如圖3所示)，可以對不同時期的地形圖對比顯示(如圖4所示)。該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對歷史地形圖數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)，解決了長期以來歷史地形圖數(shù)據(jù)的利用和挖掘不足的問題，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、名城保護(hù)、違章建筑年代確定等方面發(fā)揮了重要作用。

圖2　地物邊界(形狀)的實(shí)時跟蹤示意圖

圖3　不同年代歷史地形圖搜索記錄

圖4　不同時期地形圖對比顯示

4. 開發(fā)地圖綜合縮編軟件及地理空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)，提高大數(shù)據(jù)利用水平

要實(shí)現(xiàn)地形圖更新成果能快速生成系列比例尺的電子地圖數(shù)據(jù)，滿足社會公益性地圖和政府工作用圖迫切需求的關(guān)鍵在于開發(fā)地圖綜合縮編軟件和數(shù)據(jù)庫建設(shè)。廣州通過與高校合作，開展了相關(guān)研究和工程實(shí)踐，建立了系列比例尺綜合的制圖綜合規(guī)則庫，并進(jìn)行規(guī)則知識的計(jì)算機(jī)表達(dá)，同時確定了一套適于城市地圖的制圖綜合算子庫，將多套規(guī)則和綜合算子集成起來，建成了一套城市地圖綜合縮編系統(tǒng)軟件，支持國家標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)變比例尺間的綜合縮編，提高了綜合縮編效率(如圖5、圖6所示)，其成果在廣州市政府電子地圖網(wǎng)站、廣州亞運(yùn)網(wǎng)站、廣州綠道地圖等多個政府網(wǎng)站和公眾地圖編制中得到運(yùn)用，滿足了社會普通大眾對地理信息日益增加的需求。

圖5　顧及群分布特征的城區(qū)建筑物合并

圖6　散列式居民地合并

5. 開展地下空間設(shè)施普查及測繪

地下空間控制測量、外業(yè)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與成圖圖式是開展地下空間設(shè)施普查及測繪要解決的主要問題。在國內(nèi)沒有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐可借鑒的情況下，廣州市近年在開展地下空間設(shè)施普查及測繪試驗(yàn)區(qū)的基礎(chǔ)上，制定了地下空間設(shè)施普查及測繪技術(shù)規(guī)程，對外業(yè)測量、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及圖式進(jìn)行了規(guī)定(如圖7、圖8所示)，其普查成果拓展了常規(guī)地形圖表達(dá)空間(如圖9所示)，為城市地下空間的規(guī)劃、開發(fā)和利用提供了更加詳盡的基礎(chǔ)資料。

圖7　地下空間面狀分層示意圖

圖8　地下空間點(diǎn)狀符號圖例

圖9　地下空間設(shè)施普查成果圖

四、結(jié)束語

城市大比例尺地形圖更新是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，其更新的模式和周期受技術(shù)裝備水平、投入資金、測繪手段、用戶需求和軟件水平等多方面的影響。本文在總結(jié)國內(nèi)各主要城市大比例地形圖更新模式的基礎(chǔ)上，分析了在大數(shù)據(jù)背景下目前城市大比例尺地形圖更新存在的主要問題，并據(jù)此逐一介紹了廣州市的相關(guān)做法，對其他城市大比例尺地形圖更新具有一定的借鑒意義。

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通信作者：孫穎

中圖分類號：P217

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0116-04

作者簡介：趙小陽(1981—)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榛A(chǔ)測繪。E-mail: xiaoyang8866@tom.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41431178)

收稿日期：2015-09-24

引文格式： 趙小陽，孫穎. 大數(shù)據(jù)背景下的城市大比例尺地形圖更新及應(yīng)用探討[J].測繪通報(bào)，2016(2)：116-119.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0065.