梁文瓊，王春曉，陳 慧，熊小青*

（1. 自然資源部海南基礎(chǔ)地理信息中心，海南 ?？?570203）

由于海南省特殊的地理位置，海陸一體化是自貿(mào)港建設(shè)、發(fā)展“海洋強(qiáng)省”的必然選擇[1]。在海岸帶自然資源管理、岸線(xiàn)管控、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急救災(zāi)等方面均需要統(tǒng)籌陸海空間信息[2-4]，而傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)中陸地要素豐富、海洋要素較少，海圖數(shù)據(jù)中海洋要素豐富、陸地要素缺乏。地理信息行業(yè)和海事行業(yè)相對(duì)獨(dú)立，海陸原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、更新頻率、數(shù)據(jù)尺度等方面均存在差異[5]；還存在海岸帶地理范圍界定不統(tǒng)一、要素不一致、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同等問(wèn)題，使陸海接邊處存在重復(fù)、矛盾等區(qū)域[6-8]。海陸地理信息融合旨在實(shí)現(xiàn)海域和陸域地理信息數(shù)據(jù)的同化和集成，形成一套成果矢量數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行服務(wù)集成與發(fā)布[9-11]。本文針對(duì)海圖和陸圖的特點(diǎn)和差異，對(duì)海陸地理信息融合技術(shù)進(jìn)行研究與驗(yàn)證，為陸海統(tǒng)籌發(fā)展提供地理信息技術(shù)支持。

1 海圖數(shù)據(jù)和陸圖數(shù)據(jù)

1.1 海圖數(shù)據(jù)

海圖分為一般航行圖、遠(yuǎn)岸航行圖、近岸航行圖、港口圖和錨泊圖，主要描述海域地理信息和航海信息。近岸航行圖、港口圖、錨泊圖等包括建筑、植被、道路等陸域地理信息，但概括性強(qiáng)，數(shù)據(jù)精度和現(xiàn)勢(shì)性無(wú)法保證。海圖主要采用WGS84坐標(biāo)系、墨卡托投影；分幅沿海岸或航線(xiàn)進(jìn)行，圖幅面積大小不固定，相鄰圖幅間有重疊；沒(méi)有固定的比例尺系列。電子海圖數(shù)據(jù)格式為S57 或S63，要素種類(lèi)繁多，分類(lèi)分層主要考慮航海需要。與傳統(tǒng)GIS 空間數(shù)據(jù)庫(kù)格式相比，兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)不同應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，在要素分類(lèi)、要素定義和屬性定義等方面存在很大差別。

1.2 陸圖數(shù)據(jù)

陸圖一般采用CGCS2000 坐標(biāo)系、高斯—克呂格投影，有固定的比例尺設(shè)計(jì)原則；矢量數(shù)據(jù)一般以空間數(shù)據(jù)庫(kù)形式存儲(chǔ)，包括shape、mdb、gdb 等格式，內(nèi)容主要包括道路、居民地、水系、境界與政區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施、地形數(shù)據(jù)、地名地址等。電子地圖配圖遵照《地理信息公共服務(wù)平臺(tái)電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》和《公共服務(wù)電子地圖瓦片數(shù)據(jù)規(guī)范》。

2 海陸地理信息融合

2.1 海陸地理信息融合技術(shù)流程

海圖和陸圖在數(shù)據(jù)格式、空間基準(zhǔn)、要素表達(dá)等方面均存在差異，因此二者的數(shù)據(jù)一致性建設(shè)是實(shí)現(xiàn)海陸地理信息融合的關(guān)鍵。考慮數(shù)據(jù)的通用性，海陸地理信息融合按照海圖向陸圖同化的原則，主要包括電子海圖預(yù)處理、比例尺匹配、數(shù)據(jù)整合和海陸接邊等步驟（圖1）。

圖1 海陸地理信息融合技術(shù)流程圖

2.2 海圖預(yù)處理

電子海圖數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換和要素篩選等。格式轉(zhuǎn)換過(guò)程可采用FME軟件中的FME Quick Translator 工具模塊，將S57 標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換成shape 格式。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可借助地理信息行業(yè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具。海圖數(shù)據(jù)包含元類(lèi)、制圖類(lèi)、集合類(lèi)和地理類(lèi)4 類(lèi)特征物標(biāo)[12-13]，元類(lèi)描述其他物標(biāo)的共有信息，制圖類(lèi)描述制圖方法，集合類(lèi)描述其他物標(biāo)間的關(guān)系，地理類(lèi)描述現(xiàn)實(shí)世界中地理實(shí)體。為減少數(shù)據(jù)冗余，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行要素篩選時(shí)只保留在地圖制圖中最關(guān)鍵的地理特征要素。

2.3 比例尺匹配

比例尺匹配是陸海一體化地圖服務(wù)發(fā)布的準(zhǔn)備工作，旨在隨著陸圖顯示級(jí)別的推進(jìn)，海圖信息載負(fù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的合理增長(zhǎng)，并在固定的顯示級(jí)別下要素均衡分布。將海圖不同比例尺圖幅數(shù)據(jù)與地圖服務(wù)各級(jí)比例尺范圍進(jìn)行匹配，并以成圖范圍為界形成分級(jí)圖幅接合表。最佳比例尺數(shù)據(jù)不能覆蓋的區(qū)域，采用低等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，低等級(jí)數(shù)據(jù)按照比例尺優(yōu)先原則進(jìn)行選取。

2.4 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)整合建立在比例尺匹配的基礎(chǔ)上，包括同一級(jí)別數(shù)據(jù)接邊和不同級(jí)別同類(lèi)要素合并等。同一級(jí)別不同比例尺或不同圖幅電子海圖間存在重疊區(qū)域的，需要對(duì)重疊區(qū)域進(jìn)行裁切處理，再對(duì)相鄰圖幅進(jìn)行接邊。重疊區(qū)域數(shù)據(jù)選擇時(shí)，遵循最佳匹配比例尺原則和要素最全、覆蓋面最大原則。圖幅間接邊主要遵循小比例尺向大比例尺銜接、同比例尺取平均值等原則，主要分為點(diǎn)要素、線(xiàn)要素和面要素接邊。對(duì)不同級(jí)別數(shù)據(jù)類(lèi)型相同的要素進(jìn)行合并，并建立文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)，形成全要素全覆蓋的電子海圖數(shù)據(jù)集。

2.5 海陸接邊

海陸無(wú)縫接邊直接關(guān)系海陸一張圖的成圖效果，包括重疊區(qū)域處理和海陸鄰接要素接邊。接邊處理的主要原則為：①海陸重疊區(qū)域，陸域性質(zhì)要素以陸圖數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，海域性質(zhì)要素以海圖數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；②從數(shù)據(jù)完整性和可操作性角度考慮確定接邊線(xiàn)，對(duì)鄰接要素幾何位置進(jìn)行接邊，接邊后的數(shù)據(jù)保持原有數(shù)據(jù)格式、屬性和組織方式不變；③河流入?？?、橋梁等跨越陸海兩邊的地物，以影像為參考對(duì)海圖或陸圖進(jìn)行調(diào)整，以保證接邊后的位置精度。

2.6 地圖服務(wù)發(fā)布

海圖服務(wù)發(fā)布可借助Chart Server、ArcGIS Maritime Server 等Web 端服務(wù)發(fā)布工具，直接將S57 電子海圖發(fā)布成服務(wù)，無(wú)需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和配圖等，方便快捷。然而，海圖分布不均，不同比例尺圖幅接邊效果較差；再加上海圖和陸圖范圍線(xiàn)不一致、坐標(biāo)系不同，導(dǎo)致兩個(gè)服務(wù)銜接處有壓蓋或縫隙，放大顯示效果較差。因此，大比例尺海陸一張圖服務(wù)采用先融合再發(fā)布的方式，首先利用ArcMap 軟件按地圖的顯示級(jí)別對(duì)接邊后海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；再根據(jù)S52 顯示標(biāo)準(zhǔn)制作海圖符號(hào)庫(kù)，對(duì)海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)渲染，規(guī)范化顯示處理；最后將海圖與陸圖集成發(fā)布為海陸一體化地圖服務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)與數(shù)據(jù)處理

本文選取海南島西岸洋浦港附近和北部灣海域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，面積約為2 000 km2。收集2011—2021年S57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖9幅，陸圖采用2020 年海南天地圖公眾版，選取2021 年上半年、大于1 m 分辨率衛(wèi)星影像作為參考影像，對(duì)海陸地理信息融合技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

按照天地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，借助格式轉(zhuǎn)換軟件和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具將S57 電子海圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成shape 格式、CGCS2000 坐標(biāo)系。通過(guò)Python 腳本工具對(duì)海圖要素進(jìn)行篩選，去除M_COVR、M_NSYS、M_QUAL 等非地理類(lèi)要素。

3.2 比例尺匹配

按照天地圖0～19級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比例尺匹配（表1）。實(shí)驗(yàn)區(qū)電子海圖比例尺范圍為1∶15 000～1∶7 000 000，支持顯示到15級(jí)，16～19級(jí)沿用15 級(jí)數(shù)據(jù)。一般航行圖（C11）、遠(yuǎn)岸航行圖（C13）比例尺較小，對(duì)應(yīng)天地圖最大顯示級(jí)別為11級(jí)，可采用直接發(fā)布服務(wù)的方式，12級(jí)以上海陸一體化地圖服務(wù)采用先融合再發(fā)布的方式。

表1 比例尺匹配

3.3 數(shù)據(jù)整合與陸海接邊

建立各級(jí)海圖接合表，實(shí)驗(yàn)區(qū)分級(jí)所得各級(jí)海圖不能覆蓋的區(qū)域由低等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。接邊時(shí)根據(jù)距離差的大小，主要采用小比例尺向大比例移位和平均移位的方法。接邊后的海圖要素備注顯示級(jí)別屬性后將所有級(jí)別的同一類(lèi)要素進(jìn)行合并，并以GDB格式存儲(chǔ)所有要素按照點(diǎn)、線(xiàn)、面要素集。

以天地圖數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)12～19 級(jí)電子海圖和天地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理（圖2）。根據(jù)海圖要素與天地圖的空間關(guān)系，主要接邊工作包括：①以天地圖陸域范圍線(xiàn)為界，刪除海圖陸域性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括建筑區(qū)（物）、道路、地面高程、陸地范圍等；②入海河流、橋梁、島礁等跨界要素以影像為參考對(duì)海圖或天地圖范圍線(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證接邊后的位置精度；③將與陸地鄰接的海域/命名水域、港區(qū)（行政的）、海床區(qū)等要素向天地圖接邊；④與陸地關(guān)系不大的海水養(yǎng)殖場(chǎng)等以海圖為準(zhǔn)，其他海域性質(zhì)要素以海圖為準(zhǔn)。

圖2 海陸融合示意圖

3.4 海陸一體化服務(wù)發(fā)布

按照S52 標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcMap 建立了海圖符號(hào)庫(kù)，對(duì)海圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化配圖；再與天地圖集成發(fā)布了海陸一張圖服務(wù)。

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)海圖進(jìn)行了預(yù)處理和比例尺分析，并與天地圖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比例尺匹配和圖幅接邊；然后根據(jù)海圖要素與天地圖的空間關(guān)系，采用不同的方式進(jìn)行了海陸接邊，主要處理了海圖與天地圖有重疊、要素范圍不一致、位置銜接不準(zhǔn)確等問(wèn)題；最終實(shí)現(xiàn)了海圖與天地圖的有效融合。

4 結(jié) 語(yǔ)

海陸地理信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海圖向陸圖的一致化處理以及地理位置上的有效銜接。海陸一張圖從內(nèi)容上兼顧了陸海信息的表達(dá)，填補(bǔ)了原海圖和陸圖信息的空白；從圖面效果上看，海陸接邊處無(wú)縫銜接、過(guò)渡自然，配圖保留了陸圖與海圖兩種表達(dá)習(xí)慣，圖面較美觀。海陸一張圖是陸海統(tǒng)籌發(fā)展不可或缺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和工作底圖，研究成果能為國(guó)土空間統(tǒng)籌規(guī)劃、自然資源調(diào)查管理、社會(huì)化監(jiān)管等提供地理信息服務(wù)保障。