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        國土空間規(guī)劃背景下水域劃界定線方法研究

        2021-04-14 12:22:08吳啟凡黃文虎
        水力發(fā)電 2021年1期
        關鍵詞:定線邊界線劃界

        吳啟凡,黃文虎,梁 炎

        (1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都611130;2.中國移民研究中心,江蘇南京210098)

        國土空間規(guī)劃是國家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍圖,是各類開發(fā)保護建設活動的基本依據(jù)[1]。建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施,實現(xiàn)“多規(guī)合一”,強化國土空間規(guī)劃對各專項規(guī)劃具有指導和約束作用,是黨中央、國務院做出的重大部署[2]。隨著國土空間規(guī)劃以及第三次土地調(diào)查進程的不斷推進,各類土地劃界定線問題也得到了社會各界的高度重視,應“多規(guī)合一”的基本要求,各行業(yè)規(guī)劃內(nèi)容需在“一張底圖”中完成,這就給各行業(yè)不同地類界限劃定提出了更高要求[3- 4],尤其是在水域邊界劃定方面更加困難。本文將針對涉水地區(qū)水域邊界地類復雜、界線模糊等特點,具體分析國土空間規(guī)劃背景下水域劃界方法,以廣東省陽江市BJ港測繪項目為例進行具體研究[5- 6]。

        1 無人機數(shù)據(jù)采集

        本文所選用的飛行器為大疆“悟”系列多旋翼無人機DJ—INSPIRE2 T650,無人機質(zhì)量為3 290 g,單軸推力19.6 N,該地區(qū)風阻25.48 N,故該型號無人機可滿足該沿海地區(qū)抗風阻要求;該型號無人機最大飛行速度108 km/h,最大爬升速度6 m/s,滿足高速航測基本需求;無人機通過電子云臺搭載CineCore 2.0 X5S鏡頭,可實現(xiàn)每秒20幀單張2 400萬像素無限連拍,滿足高速航行中穩(wěn)定數(shù)字影像采集需求[7- 8]。

        本案例中共利用無人機設備在BJ港測繪區(qū)采集航測影像128張,通過PIX 4D mapper軟件進行圖像篩分域拼接得到如圖1所示BJ港測繪區(qū)全貌圖,影像中黑色區(qū)域為海洋,灰色區(qū)域為植被,白色區(qū)域為沙地。為便于具體分析說明,本文選取圖1所示方框中區(qū)域進行具體研究,該區(qū)域航測影像如圖2所示。

        圖1 BJ港測繪區(qū)全貌

        圖2 研究區(qū)航測影像拼接

        2 劃界定線方法概述

        本文利用ESRI ArcGIS軟件從無人機航測數(shù)據(jù)中提取沿海區(qū)域數(shù)據(jù)進行具體分析,基準坐標采用2000國家大地坐標系。研究的總體思路是:先通過色塊識別對不同地塊(水域)做一個初步的分類;再將不同地塊(水域)交界或邊界用多段線標記,多段線圖層在ESRI ArcGIS中可以編輯,便于后期處理,以修正得到最終精度更高的地塊(水域)邊緣多段線[9]。

        為了實現(xiàn)高效測繪要求,在不進行人工數(shù)字化的情況下從圖像中提取矢量多段線,需先將光柵圖像分類并創(chuàng)建主圖層。分類原則主要依據(jù)各地塊(水域)的光柵圖譜,在相同圖譜區(qū)間的色塊識別為相同基礎色,運用ESRI ArcGIS分類分析工具中的“實用程序”,選擇“將柵格轉換為圖像”,從下拉列表中選擇圖像,即可得到如圖3所示經(jīng)過預處理的光柵圖像地塊(水域)分類圖[10]。

        圖3 光柵圖像地塊(水域)分類

        然后將生成的圖層從柵格圖像轉換為多邊形,將多邊形進一步轉換為折線;再從中提取該折線作為邊界線[11]。為了執(zhí)行分類功能,需要在原有ESRI ArcGIS軟件中加載“分類分析工具”腳本,通過格式轉換、創(chuàng)建簽名文件、圖像分類、分類聚合、將柵格轉換為多邊形、將多邊形轉換為折線等方式,最終提取地塊—水域邊界線,得到沙地與植被間(白色與灰色圖塊間)加粗多段線,即海岸線地塊—水域邊界線(見圖4)。下文中將具體論述基于ESRI ArcGIS軟件的劃界定線方法。

        圖4 劃界定線示意

        3 水域邊界采集方法研究

        3.1 格式轉換

        基于ESRI ArcGIS軟件加載圖像并進行分類。分類分析工具要求圖像必須是柵格圖像。非柵格圖像格式需進行格式轉換。在分類分析工具加載“實用程序”工具,選擇“轉換為柵格圖像”,并在下拉列表中選擇圖像完成圖像格式轉換。

        3.2 創(chuàng)建簽名文件

        使用分類分析工具對圖像進行分類必須創(chuàng)建簽名文件。從分類分析工具的下拉菜單中選擇“簽名創(chuàng)建器”,可以列出有監(jiān)督或無監(jiān)督的分類選項,需將所有元素“初始化”,即選擇“無監(jiān)督分類”選項卡,并選擇要分類的圖像文件,輸入迭代次數(shù)、有效類別中的最小單元數(shù)、采樣間隔、輸出簽名文件名,以完成簽名文件創(chuàng)建。

        3.3 圖像分類

        圖像創(chuàng)建簽名文件后即可進行圖像分類。即:從“分類分析”工具菜單中選擇“分類”,加載要分析的圖像,選擇剛剛創(chuàng)建的簽名文件,輸入輸出文件的位置及輸出文件名,并將新圖像加載到數(shù)據(jù)框中。該過程中數(shù)據(jù)框最多可以加載25個類,如果分類過多需要運用“Spatial Analyst”工具進行聚合(重新分類)以使分類總數(shù)小于25個。

        3.4 分類聚合

        該過程是“劃界定線”的關鍵步驟,若原分類數(shù)量較多,可使用“Spatial Analyst”工具對圖像進行重新分類。從“Spatial Analyst”菜單中選擇“Reclass”工具,選擇“Input Raster”和“Reclass Field”功能,并提供新值以將舊類聚合為更少的新類,選擇輸出柵格位置并輸入新的名稱以完成聚類。

        劃界定線的最終目的是劃分地塊—水域的邊界線,那么,只要將待劃界區(qū)域的地塊類別逐漸聚合至兩個類別,即可更清晰的確定兩者的邊界,以更有效的實現(xiàn)劃界定線[12]。本文所述案例,按地塊劃分依據(jù)可聚類為15個地塊(水域)分類,如圖5所示;按本文所述方法,最終將測繪區(qū)域聚合為兩個類別,即可得到如圖6所示的分類效果。

        圖5 初步分類工作空間

        圖6 最終聚類工作空間

        3.5 將柵格轉換為多邊形

        要提取水域的邊緣,還需要使用“Spatial Analyst”工具將柵格圖像轉換為多邊形要素。首先從“Spatial Analyst”菜單中選擇“Convert”工具;再選擇“Raster to Feature”;然后從“Raster to Feature”對話框中選擇“Input Raster-Field”,輸出幾何類型(多邊形),并選擇輸出位置和名稱,完成將柵格轉換為多邊形。

        3.6 將多邊形轉換為折線

        要提取水域分界線,必須將多邊形轉換為折線;這樣便可高效提取水域交界處折線作為分界線。本文運用XTools Pro 2.2來實現(xiàn)該操作(XTools Pro 2.2是ESRI ArcGIS 8.x以上版本配套的擴展插件)。首先,選擇要編輯的多邊形,在ArcMap菜單欄中運用“工具”下拉菜單中的XTools插件,選擇將多邊形轉換為折線。新的折線將自動添加到ArcMap的數(shù)據(jù)框中作為新的圖層,以便邊界線單獨編輯修正。

        3.7 水域邊界校準

        上文中所提取的邊界線幾乎可與實際水域邊界相吻合;但在航測過程中,無人機航測影響也可能受到氣候、地上物等外界因素的影響,造成影像數(shù)據(jù)模糊引起誤差;也可能由于河灘地分布分散,形成如圖7所示的多個區(qū)域,部分小塊區(qū)域被單獨提取[13]。針對這種情況,需要以人為干預的方式對水域邊界進行篩分與修正。這也優(yōu)化了邊界提取的精度校準功能。(地塊)水域邊界線編輯主要使用ArcGIS中的“編輯器”工具。即,在“編輯器”菜單中,選擇“開始編輯”,選擇包含要編輯文件的文件夾,選中要編輯的折線,以此將編輯工具激活。在編輯過程中,若發(fā)現(xiàn)原有折線不是連續(xù)完整的多段線,可通過草圖捕獲工具完成邊界抓取與連接;最后從“編輯器”下拉菜單中選擇“保存編輯并停止編輯”來保存編輯成果,即可得到經(jīng)過修正后的水域邊界線(見圖8)。

        圖7 劃界定線初步成果

        圖8 劃界定線最終成果

        由圖8可知,通過人工干預,可有效去除多余邊界線,同時實現(xiàn)水域邊界的連接與修正。地塊邊界線基于原圖層生成多段線,人工操作工作量小,輸出成果效率相對較高,輸出成果與實際邊界線相吻合。

        4 結論與展望

        本文在航測數(shù)據(jù)采集過程中選用的飛行器為大疆“悟”系列多旋翼無人機DJ-INSPIRE2 T650,在抗風阻、高速航測、穩(wěn)定數(shù)字影像采集等方面均能滿足要求。無人機航測效率高,受天氣因素影響相對較小,操作靈活且節(jié)約人力成本,綜合應用效果較好。本文所采用的數(shù)據(jù)處理軟件為ESRI ArcGIS軟件,該軟件普適性較高、數(shù)據(jù)接口較好,符合目前國土空間規(guī)劃時間緊任務重,并需基于第三次土地調(diào)查數(shù)據(jù)的要求;在技術手段上,基本操作過程主要通過格式轉換、創(chuàng)建簽名文件、圖像分類、分類聚合、轉換多邊形、換折線圖層等完成,最終實現(xiàn)水域邊界線的提取,是基礎技術手段的有效結合,便于各行業(yè)技術人員盡快熟悉該方法和原理,并投入國土空間規(guī)劃工作。根據(jù)本文所述案例,運用該方法實現(xiàn)水域邊界劃定效率較高,且實際應用效果較好,符合水域邊界實際情況。綜上所述,本文所選用的數(shù)據(jù)采集工具、軟件平臺、技術方法均能滿足國土空間規(guī)劃地塊(水域)劃界需要,與當下規(guī)劃需求及技術基礎相匹配,普適性較高,應用效果較好,具有一定的研究及推廣意義。

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