面向地理國情普查水系要素的屬性自動校正算法

郭沛沛，李成名，殷 勇，武鵬達

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 2. 山東科技大學，山東 青島 266590)

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面向地理國情普查水系要素的屬性自動校正算法

郭沛沛1,2，李成名1，殷 勇1，武鵬達1

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 2. 山東科技大學，山東 青島 266590)

地理國情普查水域數據中線狀水系數據存在部分數據屬性不明確的情況，目前主要通過人工填寫逐個修正，效率低且易出錯。基于此，本文提出了一種線狀水系要素屬性自動校正的算法，通過對數據結構特征和拓撲關系的分析，提出了考慮水系網絡鄰近關聯性、結構健壯性及拓撲延展性的屬性校正三大基本原則，并依托中國測繪科學研究院研制的WJ-Ⅲ地圖工作站實現了水系要素的自動化校正；最后用實際數據測試驗證了這些基本原則的合理性和方法的有效性。

地理國情普查；屬性校正；河系結構化；河網選取

當前，我國地理國情普查工作已取得階段性成果，獲取了大量地表形態數據、地表覆蓋分類數據、重要地理國情要素數據[1-3]，為開展常態化地理國情監測奠定了基礎。水域是地理國情普查中重要的自然地理要素，是地表12個一級類中之一。通過普查獲取的全面、現勢性強的水域數據包含了地表水資源的類別、位置、范圍、面積等信息[4-6]。然而，內外業一體化采集的水域數據因其采集的復雜性及分層管理的需要，導致部分線狀河流數據屬性不明確，從而影響了數據在水文水務、河道管理、城市管網、環境保護等領域的進一步深入應用[7]。

目前，解決這種問題的辦法多為人工修正[8-10]，耗時、耗力且效率低下，因此，本文提出一種面向地理國情普查數據的水系要素屬性自動校正算法，在系統分析水域數據特征的基礎上，依據位置特征和拓撲關系對屬性不明確的水系要素數據進行分類，進而對不同類型的河系數據制定出相應的屬性校正規則，并據此設計屬性數據自動校正處理方法，通過實際數據測試，驗證了這些本文所提方法的合理性和有效性。

1 水域數據特征

地理國情要素是地理國情普查的主要內容，根據《地理國情普查內容與指標》要求[11]，地理國情要素共涉及5個一級類，16個二級類，47個三級類，其中水域數據是普查的一個主要類別[12-13]。水域數據包括水系要素和水系附屬設施，數據內容見表1。水系要素分為兩個圖層存儲：HYDA和HYDL。其中，HYDA層存儲高水位面狀的水域數據，包括湖泊、水庫、雙線河、沼澤、干渠等；HYDL層存放采集的水域中心線和結構線。按照要求，河道實地寬度大于20 m的采集河道范圍線構面，需同時采集結構線并賦相關屬性；小于20 m的采集中心線，并賦相關屬性[14]。城市地區，河道實地寬度大于5 m的采集河道范圍線構面賦屬性，需同時采集結構線；小于5 m的采集中心線，并賦要素屬性[8]。

表1 水系數據內容

在地理國情基礎地理信息水域數據成果中，水系要素有單線河，表示河流、運河、溝渠、時令河、干涸河等的雙線河，以及由單線河或雙線河穿越的湖泊、水庫、池塘、時令湖、干涸湖等面狀河流。河流網絡由沿雙線或多邊形中心采集的水系結構線與單線河流連接構成。然而，成果數據中，單線河流線有明確的GB碼屬性，而當結構線數據有對應的水域面數據時，該結構線的屬性沒有明確標識，僅標記為“999999”，同時，匯入雙線河的單線支流(中心線)與雙線河流結構線之間加河流結構線連接，延伸部分算作單線支流的結構線，GB值也標記為“999999”。

如前所述，當根據GB碼進行數據分層時，以常年河為例，只能識別出GB碼標識為“230101002”的常年河線，在水系面內的結構線是無法識別出來的。這樣的提取結果會造成常年河系的不完整性，對后續的河系結構化、河流選取綜合、河流漸變的成圖效果等都有影響。因此，需要對編碼屬性不明確的河流結構線進行屬性賦值。目前在實際生產過程中，這部分工作主要還是靠人工識別進行處理的。這樣不僅費時費力，而且數據質量無法保證，因此急需一種河流屬性自動校正的算法。

2 線狀水系要素屬性自動校正原則與處理方法

2.1 水系結構線分類

根據位置和拓撲關系的不同，將GB屬性未定的HYDL水系結構線分為如下幾種：

(1) 流入結構線：按照結構線的方向河流是匯入到水域面內的。關聯了水域面外的河流中心線，或其他水域面的流出結構線，如圖1中的L2、L6等。

(2) 流出結構線：按照結構線的方向河流是流出水域面內的。關聯了水域面外的河流中心線，或其他水域面的流入結構線，如圖1中的L4、L7等。

(3) 中間結構線：結構線完全在水域面內，結構線兩端關聯的是非面外河流結構線，如圖1中的L3。

(4) 單獨結構線：關聯一個水域面且這個水域面僅關聯一個河流結構線，如圖1中L10、L11、L12三條弧段組成的結構線。

圖1 水系結構線分類示意圖

2.2 校正原則

當為屬性未定的水系結構線進行賦值時，根據水系要素結構線的空間特征和拓撲特征可以發現，屬性未定的結構線通常與屬性確定的結構線相連接或與屬性確定的水域面對應，因此，可以根據空間關聯性使用這些確定的屬性對結構線進行賦值[15]。然而，簡單的空間疊加關聯賦值必然會發生同一條主干河流因流過水庫、坑塘類水域面而賦予不同的屬性值的情況，從而導致河流網絡斷裂、河流連通性差的問題。因此，屬性賦值過程在滿足鄰近關聯賦值的基礎上，要同時滿足河流的結構健壯性、拓撲延展性等一些基本原則與要求[16-18]：

(1) 結構健壯性原則。在賦值過程中應盡量保持河流網絡通暢、完整，保證形成清晰可辨的河網結構，對于河流網絡中主要的、明顯的、突出的中心線路保證不間斷。當人工實施時，經過直觀定性分析，選擇河流主線進行保留；當計算機自動化處理時，主要依賴河網可定量化的結構特征與拓撲特征。

(2) 拓撲延展性原則。在賦值過程中應盡量保持河流整體的拓撲延展性，可以添加某些長度較小但對于維持河流整體連通性具有重要作用的線路使河流平滑延展，如對匯入雙線河的單線支流(中心線)與雙線河流結構線之間加河流結構線并連接。當然對于線路之間位置關系的表達要做到清晰、合理。

2.3 校正方法

由于結構線的拓撲關聯性與水域結構線分布特征有關，因此選擇水域面為基本校正處理單位，在一個處理單元中對水域面關聯的所有結構線進行處理。此外，國情普查水域要素數據量較大，為提高運算效率，考慮使用結構線中點來代替線判斷其與面狀水域的空間關系。因此，屬性校正過程如圖2所示。

圖2 校正方法

2.3.1 拓撲預處理及拓撲關聯關系

在構建拓撲關系時，需對基礎數據進行拓撲預處理，包括弧段自相交處理、結點擬合處理、去除重復線、去除假節點、刪除冗余節點、刪除短懸線、構建拓撲多邊形等。依據圖1的拓撲特征，建立了結點拓撲關系樹(如圖3所示)和點、線、面拓撲信息結構表(見表2)，拓撲關系樹及拓撲信息結構表可以清晰地表達各個結點、弧段之間的拓撲關聯性及拓撲連通性[19]。

2.3.2 水系要素結構線處理

為了保證河網的完整性，根據水系要素中間結構線對應的面狀水域是否為河網，可以將水域要素結構線分為兩類：一類為河流、水渠類水域面關聯的河網結構線；另一類為水庫、坑塘類水域面關聯的非河網結構線。下面依據鄰近關聯性原則、結構健壯性原則、拓撲延展性原則，分情況對未定屬性的線狀水系要素進行處理，處理方法如下：

2.3.2.1 流入結構線

河網流入結構線：如果流入結構線關聯了水域面外河流中心線，則將面外河流中心線屬性賦值給流入結構線；如果關聯的是水域面內的河流結構線，則將當前結構線所在的水域面屬性賦值給流入結構線。

非河網流入結構線：如果水域面只有一條流入結構線，則將水域面外河流中心線或河流結構線的屬性賦值給該結構線，并把該屬性值標記為標準校正屬性；如果有多條流入結構線，則首先根據流入結構線關聯的水域面外河流結構線的等級情況和拓撲延展性確定合理的校正屬性值，同時也將該屬性值標記為標準校正屬性。

2.3.2.2 中間結構線

河網中間結構線：將所在水域面的屬性賦值給中間結構線即可。

非河網中間結構線：將由流入結構線確定的標準校正屬性賦值給中間結構線。

2.3.2.3 流出結構線

河網流出結構線：將所在水域面的屬性賦值給流出結構線即可。

非河網流出結構線：如果水域面只有一條流出結構線，則將由流入結構線確定的標準校正屬性賦值給流出結構線；如果有多條流出結構線，則根據流入結構線關聯的水域面外河流結構線的等級情況和拓撲延展性確定主流出結構線，將由流入結構線確定的標準校正屬性賦值給它，其余的流出結構線和其關聯的面域外河流中心線或結構線屬性保持一致。

2.3.2.4 單獨結構線

河網單獨結構線：即為無流入流出的中間結構線，將所在水域面的屬性賦值給該單獨結構線即可。

非河網單獨結構線：將該單獨結構線起點關聯的河流結構線或中心線賦值給該結構線；如果起點不關聯任何河流結構線或中心線，則賦終點關聯河流結構線屬性。

圖3為圖2線狀水系要素屬性賦值結果示意圖。

圖3 屬性賦值結果

3 試驗分析與評價

本文在NewMap WJ-Ⅲ地圖工作站開發接口的支撐下，使用C、C++語言進行二次開發，生成了河流屬性自動校正程序模塊；收集了廣東省某市的部分水域數據，包括常年河、干涸河、漫流干河、地面干渠、地面支渠、水庫、坑塘7類水系要素；使用不同數量的常年河線數據為例進行了試驗，原始HYDL圖層包含河流結構線和中心線751條，其中GB碼為“210101002”(即常年河線)的有445條，GB碼為“999999”(即待進行屬性校正)的河流線有227條。原始數據如圖4(a)所示。

計算機自動處理所耗時間信息及處理結果見表2、表3及圖4(b)。可以看出，處理后HYDL圖層中常年河有637條，相比原始數據增加了112條，對227條需要處理的河流個數均作了處理，僅出現錯誤1處，正確率達到了99.56%；相比手工選取效率更高，3次試驗平均用時只有1.625 s。以往人工進行屬性填寫時，需經常查看已有屬性，效率低，容易疲勞，且易出錯。

表2 處理消耗時間

表3 處理前后數據信息

圖4 屬性自動賦值前后結果對比

從圖4的對比中可以看到，未經校正過的HYDL圖層提取出的常年河圖層數據明顯缺失，無法形成完整的河系；而經過自動化屬性校正后的HYDL圖層提取的結果形成了完整的樹狀結構，效果明顯。

4 結 語

本文面向國情普查水域數據，針對制圖過程遇到的線狀水系要素屬性不明確的問題，提出了一種屬性自動校正算法，經過對數據結構特征和拓撲關系的分析，提出了屬性校正的三大基本原則，并依托中國測繪科學研究院研制的WJ-Ⅲ地圖工作站實現了校正的自動化。廣東省某市的常年河數據處理結果表明：該算法對所有屬性未定河段都進行了處理，正確率較高，且處理后的河流數據形成了結構完整、拓撲連通性好的河流網絡。下一步的研究是將屬性賦值與不同水系要素的等級、名稱等屬性相似性判斷結合起來考慮，使賦值更加合理。

[1] 李德仁, 邵振峰, 丁霖. 地理國情信息的多級網格化表達[J]. 地理空間信息, 2014(1):1-5.

[2] 陳俊勇. 地理國情監測的學習札記[J]. 測繪學報, 2012，41(5):633-635.

[3] 何建寧, 王輝, 王莉莉,等. 地理國情監測圖集的設計研究[J]. 測繪技術裝備, 2013(4):35-38.

[4] 高暉, 陳通, 施建輝. 高陵縣地理縣情圖的編制[J]. 測繪標準化, 2016(1):47-48.

[5] 陳燕妮, 王宏. 利用地理國情普查信息數據研究和實現地圖自動化[J]. 測繪通報, 2015(7):106-108.

[6] 王秀琴, 傅蓉. 淺析地理國情要素數據的質量檢查[J]. 地理空間信息, 2015(2):18-19.

[7] 李俊鋒, 張養安, 姚丹,等. 地理國情監測中水系特征提取與變化成因分析——以陜西省紅堿淖為例[J]. 水利與建筑工程學報, 2014(2):188-192.

[8] 徐強, 鄭勤華. 淺談地理國情要素信息采集成果的質量控制[J]. 江西煤炭科技, 2015(4):89-91.

[9] 宋燕, 閆會杰, 楊霞. 淺談地理國情普查數據的應用[J]. 測繪標準化, 2014(2):5-7.

[10] 陳燕妮，李成名.基于NewMap DMP的地圖自動化成圖思考[J]. 測繪科學， 2012， 37(10): 1-4.

[11] 劉鵬珍. 基本地理市情監測數據組織管理和應用系統開發[D]. 太原：太原理工大學, 2013.

[12] 程滔, 周旭, 劉若梅. 面向地理國情監測的地表覆蓋信息提取方法[J]. 測繪通報, 2013 (8): 84-86.

[13] 張勤, 樊文鋒. 測繪與地理國情監測[J]. 測繪通報, 2012 (11): 78-80.

[14] 兀偉, 鄧國慶, 張靜, 等. 地理國情監測內容與分類體系探討[J]. 測繪標準化, 2012 (4): 10-12.

[15] 艾廷華, 劉耀林, 黃亞鋒. 河網匯水區域的層次化剖分與地圖綜合[J]. 測繪學報, 2007, 36(2): 231-236.

[16] 艾廷華, 劉耀林, 黃亞鋒. 河網匯水區域的層次化剖分與地圖綜合[J]. 測繪學報, 2007, 36(2):231-236.

[17] 李麗, 王結臣, 沈定濤,等. 一種單線河流漸變符號的繪制方法[J]. 測繪通報, 2008(11):64-67.

[18] 于蕾, 王歡, 岳耀,等. 數字制圖中河流漸變方法的設計與實現[J]. 山東理工大學學報(自然科學版), 2014(5):76-78.

[19] 陳軍, 劉萬增, 李志林, 等. 線目標間拓撲關系的細化計算方法[J]. 測繪學報, 2006, 35(3): 255-260.

Automatic Correction Algorithm of Water Element Attribute Oriented to National Geographic Census

GUO Peipei1,2,LI Chengming1,YIN Yong1,WU Pengda1

(1. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China; 2. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

A subset of the attributes of water element data in national geographic census are not clear, the current solution to this problem is manual filling which is inefficient and liable to make mistakes. So this paper proposes an automatic correction algorithm of water element attribute. Based on the analysis of the structure characteristics and topological relation, we put forward three basic principles of correction which include network proximity, structure robustness and topology ductility. Based on the WJ-Ⅲ map workstation which is developed by Chinese Academy of Surveying and Mapping, we realize the automatic correction of water elements. Finally, practical data are used to validate the method. The results show that our method is highly reasonable and efficient.

national geographic census; attribute correction; structural river network; river network selection

郭沛沛，李成名，殷勇，等.面向地理國情普查水系要素的屬性自動校正算法[J].測繪通報，2017(6)：57-60.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0190.

2016-11-11

國家基礎測繪項目(A1608；A1615)

郭沛沛(1986—)，女，博士生，研究方向為地圖制圖綜合與GIS基礎算法。E-mail：guopeipei925@163.com

P284

A

0494-0911(2017)06-0057-04