針對海陸圖融合的數(shù)字海圖自動(dòng)預(yù)處理及實(shí)現(xiàn)

文 敏，唐新明，史紹雨，文建強(qiáng)，閆浩文，黃 偉

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京 100830；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.廣鐵集團(tuán)株洲工務(wù)段，湖南益陽 413000；4.蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

針對海陸圖融合的數(shù)字海圖自動(dòng)預(yù)處理及實(shí)現(xiàn)

文 敏1,2,4，唐新明1，史紹雨1，文建強(qiáng)3，閆浩文4，黃 偉4

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京 100830；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.廣鐵集團(tuán)株洲工務(wù)段，湖南益陽 413000；4.蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

通過深入分析數(shù)字海圖在分幅、坐標(biāo)系統(tǒng)、投影等方面的特殊性，研究了數(shù)字海圖在投影和坐標(biāo)系統(tǒng)等方面的基本預(yù)處理技術(shù)，解決了數(shù)字海圖無投影信息和本圖坐標(biāo)系統(tǒng)等造成的問題；并編寫程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字海圖的自動(dòng)批量化預(yù)處理，效率高，誤差小，解決了實(shí)際問題，為數(shù)字海圖在數(shù)據(jù)融合、更新等方面的進(jìn)一步應(yīng)用提供了前提保障。

數(shù)字海圖；預(yù)處理；自動(dòng)批量；本圖坐標(biāo)系；投影

海島礁、海岸線地區(qū)等涉及海域的海圖和地圖關(guān)系到國防、航海和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域，但是由于海圖在其分幅、基準(zhǔn)及分類編碼及規(guī)范等各方面的特殊性，海圖的利用受到了很大的限制，從而造成了數(shù)據(jù)冗余、裂縫和無法統(tǒng)一等一系列問題，缺乏完整性同時(shí)也不便于管理[1]。因此，海圖與陸地圖之間或海圖之間的地理數(shù)據(jù)整合技術(shù)[2～5]成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。而針對數(shù)字海圖的特殊性，一些預(yù)處理工作則是實(shí)現(xiàn)各圖之間融合的前提條件，實(shí)現(xiàn)批量的自動(dòng)處理是科學(xué)研究和工程生產(chǎn)上的現(xiàn)實(shí)需求。

1 數(shù)字海圖的特殊性

海圖主要用于航海等，由于其在用途等方面的特殊性，造成了一些與現(xiàn)行陸地圖規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不一致的特性。

1.1 分幅

為了航海方便，在圖幅分幅上沒有采用形如陸地地形圖的分幅規(guī)范，而是采用自由分幅，如圖1所示，其分幅的原則和方法如下[6]：1）分幅的基本原則是在保證航行安全和方便使用的前提下，盡可能減少圖幅的數(shù)量；2）航行圖采用自由分幅的方法，根據(jù)需要確定圖幅的具體范圍。沒有統(tǒng)一規(guī)定而自由的分幅方式給圖幅間的無縫拼接等應(yīng)用造成了困難。

1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

數(shù)字海圖除了統(tǒng)一的WGS-84或1954年北京坐標(biāo)系以外，還存在一個(gè)本圖坐標(biāo)系的概念。本圖坐標(biāo)系是海圖的實(shí)際經(jīng)緯度通過投影轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)系，再經(jīng)過縮放和平移等操作，使每個(gè)數(shù)字海圖圖幅的左下角都成為該圖幅的坐標(biāo)原點(diǎn)。因此海圖上的坐標(biāo)其實(shí)都是一個(gè)獨(dú)立的局部坐標(biāo)系統(tǒng)下的相對坐標(biāo)，本圖坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)根本無法進(jìn)行圖幅之間的應(yīng)用。對坐標(biāo)系的處理是本文中預(yù)處理的一個(gè)重要部分。

圖1 我國東海某海域海圖圖幅索引示意圖

1.3 投影

由于墨卡托投影對角度的保真性，同樣出于對航海的考慮，海圖一般采用墨卡托投影[7]，但是其投影參數(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)緯線（Standard_Parallel）一般采用圖幅本圖坐標(biāo)的中緯，更重要的是，現(xiàn)在可供使用的數(shù)字海圖一般都使用海軍提供的海圖專用瀏覽器進(jìn)行瀏覽和使用，其shape格式的數(shù)字海圖不帶有*.prj的投影文件。因此在ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中無法識(shí)別其投影信息，海圖的預(yù)處理也包括對其投影的處理。

1.4 元文件

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字海圖圖幅文件夾中都含有一個(gè)元文件來說明該圖幅的信息，其中包括比例尺、基準(zhǔn)緯線、經(jīng)緯四至、坐標(biāo)系統(tǒng)、單位、高程基準(zhǔn)和通告改正等描述圖幅的信息。而對圖幅的自動(dòng)化批量處理則需要使程序自動(dòng)從元文件中提取相應(yīng)信息來確定對海圖數(shù)據(jù)的處理。

2 數(shù)字海圖預(yù)處理方法

2.1 信息提取

對海圖的預(yù)處理必須首先從相應(yīng)的數(shù)據(jù)元文件中提取相關(guān)信息并經(jīng)過計(jì)算后用以處理海圖數(shù)據(jù)，其中需要的數(shù)據(jù)及作用如表1所示。

表1 從元數(shù)據(jù)中提取信息及其用途列表

2.2 處理投影

根據(jù)從元數(shù)據(jù)中提取的信息對海圖圖幅數(shù)據(jù)補(bǔ)充投影信息，根據(jù)投影方式和坐標(biāo)系統(tǒng)確定橢球體信息等投影信息，根據(jù)基準(zhǔn)緯線等確定投影信息中南北偏移和基準(zhǔn)緯線等信息，并補(bǔ)充.prj投影文件，使其投影能被ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件識(shí)別。

但是，投影文件中經(jīng)緯度的單位為度，而元數(shù)據(jù)中基準(zhǔn)緯線等信息的單位為度分秒，在此過程中若忽略了此單位的轉(zhuǎn)換，處理的結(jié)果便將產(chǎn)生誤差。

2.3 處理縮放

預(yù)處理中縮放的處理實(shí)際上是從平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)至本圖坐標(biāo)系統(tǒng)的逆過程。根據(jù)海圖從標(biāo)準(zhǔn)平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)至本圖坐標(biāo)系統(tǒng)的原理和規(guī)定，可以得到其縮放系數(shù)的計(jì)算公式如式 (1)所示。

其中，scale為海圖比例尺分母；r為海圖圖幅實(shí)際長度單位；s為該圖幅投影方式中標(biāo)準(zhǔn)長度單位，比如墨卡托投影的標(biāo)準(zhǔn)長度單位為m。

2.4 處理平移

本圖坐標(biāo)系統(tǒng)的左下角坐標(biāo)為 (0，0)，根據(jù)元數(shù)據(jù)可以知道圖幅左下角的真實(shí)坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上即可建立起一個(gè)平移映射關(guān)系。

在此步驟中需要注意的是，從元數(shù)據(jù)中得到的信息為經(jīng)緯度，預(yù)處理程序需按照投影類型將經(jīng)緯度投影至指定的平面坐標(biāo)系統(tǒng)上，得到相應(yīng)的平面坐標(biāo)，方能確定正確的平移量。

2.5 更新范圍

在經(jīng)過上述過程的處理后，海圖的坐標(biāo)和投影等得以處理完畢，但是由于經(jīng)過了平移縮放等操作，數(shù)據(jù)層的范圍發(fā)生改變，此時(shí)，元素可能都擠在圖幅的一個(gè)小角上。根據(jù)處理后的實(shí)際坐標(biāo)和數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍更新后，才能得到全圖效果。

3 實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

本文中使用C#語言基于ArcEngine進(jìn)行開發(fā)實(shí)踐[6]，根據(jù)上述理論完成了海圖自動(dòng)批量預(yù)處理程序，程序主界面如圖 2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取實(shí)際項(xiàng)目中我國東海某區(qū)域的海圖數(shù)據(jù)。

圖2 自動(dòng)批量預(yù)處理程序主界面

在經(jīng)預(yù)處理程序處理之前的數(shù)據(jù)如圖 3所示，由于其本圖坐標(biāo)系統(tǒng)的原因，所有圖幅都左下角重合，疊加在了一起，海圖上的坐標(biāo)和經(jīng)緯度也不正確，為該圖幅的本圖系統(tǒng)中的相對值；且用地理信息系統(tǒng)軟件也無法識(shí)別其投影信息。

處理之后的數(shù)據(jù)如圖 4所示，所有圖幅都恢復(fù)正確的平面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)正確疊加，并且投影信息正確。

圖3 未經(jīng)預(yù)處理海圖效果圖

圖4 經(jīng)預(yù)處理后海圖效果圖

4 結(jié) 語

本文通過對數(shù)字海圖在坐標(biāo)系統(tǒng)和投影等方面的特征及其產(chǎn)生的原因，實(shí)驗(yàn)確定了數(shù)字海圖的預(yù)處理技術(shù)，并且通過程序驗(yàn)證其正確性及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量處理。通過在國家863項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用表明，本文的海圖預(yù)處理技術(shù)解決了實(shí)際問題，效率高，誤差小，方便實(shí)用。經(jīng)預(yù)處理程序處理過后的數(shù)字海圖坐標(biāo)系統(tǒng)及投影信息正確，能夠用于海陸數(shù)據(jù)融合等其他進(jìn)一步的應(yīng)用。

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[8] 蘭小機(jī)，劉德兒.ArcObjectsGIS應(yīng)用開發(fā)--基于C#.NET[M].江西：江西理工大學(xué)出版社，2006

Research and Implementation of Pre-Processing of Digital Chart for Chart-Map Integration

by Wen M in

This paperhad analysised the specificity of the digital chart in the respect of map-framing,coordinate system and projecting,it researched on the pre-processing technology of digital chart in the area of projecting,coordinated system and so on.And implement the auto-processing and batch-processing with programming.It is effective;little error and has solved lots of practical problem s and supports the chart-applications in areas such as data-integration and data-update.

digital-chart,pre-processing,automatically-processing,coordinate system,projecting （Page:126）

P299

B

1672-4623(2011)01-0126-02

2010-08-16

項(xiàng)目來源：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2009AA121404)。

文敏，碩士，主要從事GIS開發(fā)應(yīng)用、遙感、DEM、共享理論與方法等方面的學(xué)習(xí)和研究。