基于影像和矢量數據的三調界線數據更新方法

彭云璐 王新鵬 王晶晶 翟 曦 趙婷婷 邸欣麗

(1. 國家基礎地理信息中心, 北京 100830;2. 北京師范大學 地理科學學部自然資源學院, 北京 100875;3. 國信司南(北京)地理信息技術有限公司, 北京 100048)

0 引言

全面準確地掌握全國土地利用現狀及土地資源變化,摸清我國自然資源基礎家底,是科學規劃、合理利用、有效保護國土資源的基本前提。由于第二次全國國土調查結果受基礎資料精度(比如,界線數據精度)等的限制,無法滿足國土資源科學化、精細化管理的要求。為此,國務院于2017年組織相關部門進行了第三次全國國土調查。第三次全國國土調查以1∶5 000分幅地形圖為基礎、以省級行政區域為單位,進行土地利用現狀及變化情況的分類統計工作,建立“國家-省-市-縣”四級連通的國土調查數據庫。

為了確保第三次國土調查期間土地利用現狀、土地權屬及變化情況等信息的準確性,需首先由國家統一制作并下發行政區域界線,包括標準分幅行政區域界線、陸地國界、零米線等矢量數據,并以此為基礎確定各省級行政區域的控制面積。因此,對界線數據進行制作、分幅裁切和更新,是第三次全國國土調查中一項基礎且重要的工作。

由于三調界線數據來源于眾多單位,比如,國界線來自外交部提供的最新勘界資料,而零米線(含海島)來自海軍提供的最新海洋基礎測繪成果,其數據格式、數據組織結構、精度等不盡相同,造成同一界線數據的描述與定位精度也不盡相同。因此,為了能夠整合成統一的全國行政區域界線數據,需要結合影像數據對矢量數據進行拓撲檢查更新、屬性數據添加、圖幅間界線數據接邊等規范化處理,形成統一的矢量化界線數據。

然而,自第三次全國國土調查啟動以來,相關學者雖在數據質量[4]、軟件應用[5]、模型設計[6]等方面進行了大量研究,但仍缺少基于影像和矢量數據的三調界線數據方法。為此,本文以ArcGIS軟件為例,提出了一種基于影像和矢量數據的三調界線更新方法,從而為全面準確地掌握全國土地利用現狀及土地資源變化提供基礎保障[7-12]。

1 三調界線數據更新思路

需要更新的界線矢量數據主要包括國界線、港澳臺界線、省級界線、島嶼與零米等深線及縣級調查界線等。各省提供的矢量化電子地圖數據為1∶5 000比例尺標準分幅數據,包含線圖層和面圖層數據,提供的影像數據為1∶5 000比例尺標準分幅的高分辨率遙感影像數據。坐標系統統一采用“2000國家大地坐標系”,高程采用“1985國家高程基準”。

三調界線數據更新方法分為兩類,基于影像的數據更新和基于矢量的數據更新。更新流程如圖1所示。

圖1 三調界線數據更新流程圖

(1)基于影像的數據更新對象主要為沿海零米線和島嶼零米線數據。更新時,首選對這兩類數據進行矢量化處理,然后判斷影像與矢量化結果是否一致,如果一致,可繼續更新;如果不一致,需要反饋回該界線主管部門及各省,重新進行矢量化采樣或通過影像資料或現場核實,得出正確的矢量化結果;最后選擇合適的方式及工具進行數據整合、屬性信息檢查修改、拓撲檢查,進而完成基于影像的數據更新。

(2)基于矢量的數據更新對象主要是國界線數據、省級調查界線數據以及縣級調查界線數據。數據更新前,首先檢查原始數據與待更新數據的差異,明確更新內容,然后選擇合適的方式及工具進行數據整合、屬性信息檢查修改、拓撲檢查,最終完成基于矢量的數據更新。

本文數據更新操作均在ArcGIS軟件中進行。

2 基于影像的數據更新

2.1 數據更新方法

基于影像的數據更新多用于更新沿海零米線、島嶼界線。在數據更新過程中,需要根據各省提供的最新高分辨率遙感影像及待更新矢量化電子地圖數據,采用前期目視判讀修改,后期拓撲輔助檢查的方法,提取由于新修建人工岸(港口、碼頭)、圍填海造地等造成的沿海陸域界線的變化情況,在此基礎上完成數據更新。常規數據更新方法如下:

(1)陸地零米線更新方法：對于完全由影像數據矢量化得到的待更新陸地零米線矢量數據。將待更新數據和原有數據放在同一文件夾下,創建地圖拓撲。使用“對齊邊”或“對齊至形狀”工具,使原始數據線、面兩層數據同時匹配到待更新數據上,完成此處陸地零米線的更新,如圖2所示。

(2)島嶼零米線更新方法：島嶼零米線與陸地零米線的不同之處在于大部分島嶼外圍存在灘涂等要素。數據更新結果應符合實際情況,比如,不應存在島嶼要素在外,灘涂要素在內的情況;因水位上漲或降低導致的灘涂、島嶼的變化,需核實原圖斑界線,按照常水位提取。數據更新時,采用“對齊邊”或“對齊至形狀”工具,使原始數據線、面兩層數據同時匹配到待更新數據上,得到島嶼零米線的更新結果。

(3)新增島嶼更新方法：對于完全由影像數據矢量化得到的待更新新增島嶼矢量數據,首先生成新增島嶼線層數據,然后在此基礎上,利用“線構面”工具生成島嶼面層數據,并添加線、面兩層數據的屬性信息,完成新增島嶼的更新。

(a)更新前 (b)更新后

2.2 特殊情況處理

上述方法雖能滿足常規情況下的數據更新需求,但在更新過程中會出現下列幾種特殊情況,針對不同情況,實際生產中需采用不同的解決方法來保證線面一致。

(1)待更新數據跨兩個圖幅。由于分幅矢量要素之間沒有相互連接,所以不同圖幅的待更新數據之間無法創建地圖拓撲。針對此種情況,更新方法為：①新建線圖層,將兩幅圖內的待更新線要素復制到新建線圖層中;②使用“融合”工具,將新建圖層中的兩個要素融合成一個新的線要素;③使用“對齊邊”工具將原始線層、面層數據同時匹配到新構建的線層數據上,最終使線層、面層保持拓撲一致,完成待更新數據跨圖幅的更新。

(2)高分辨率遙感影像數據顯示同一要素數據多處待更新。針對此種情況,根據影像特征,可利用粘貼融合法和常規更新法對其進行更新。粘貼融合法多用于更新范圍小、要素邊緣獨立性強的數據。利用融合法更新數據時:①更新面層數據,首先將新增的變化圖斑的面層數據復制到原始面層數據中,然后將新增要素與原有數據中相連接且屬性相同的要素融合為一條要素,完成面層數據更新;②進行線層數據更新,將待更新的線圖層復制到原有線圖層數據中,合并屬性相同的新舊線層數據,以完成線層數據更新。更新線層數據時,需要注意鄰接數據的屬性和數據的整體連通性、合理性。線層、面層矢量數據更新完成后,核檢數據屬性信息,完成此處數據更新。

(3)高分辨率遙感影像數據顯示出的全新要素分布于多幅圖幅內。針對此情況,更新方法為：先更新面層數據,將多幅圖幅內的面層數據依次復制到原始數據中,然后利用“融合”工具融合多幅相同屬性信息的要素;對于多幅圖幅的線層數據,可以直接使用“對齊邊”工具將原始線層數據拓撲貼合到新構建的面層數據上。面層數據與線層數據可同時利用粘貼融合法和常規更新法兩種方式進行更新,使基于多幅影像數據的更新變得簡單、快捷。

(4)線面不一致,線層數據出現冗余。針對此種情況,首先確認該線層數據是否閉合完整。如果原始線層數據拓撲貼合到新構建的面層數據后,線層數據最外側邊界線已經完整閉合,剩余未能拓撲貼合到待更新數據上的即為冗余線數據,如圖3(b)所示。冗余數據刪除方法為：首先在編輯模式下顯示所有節點,然后刪除該冗余線段的節點,最終使這部分未能拓撲貼合到待更新數據的冗余線段消失,完成此處數據更新,如圖3所示。

(5)島嶼零米線與陸地零米線相連接。沿海地區填海造陸造成零米線擴張,導致沿海區域陸地與部分島嶼相連接,該部分島嶼應當納入陸地范圍。針對此種情況,首先新建用于存儲連接島嶼的“橋”的面層數據,然后將影像中顯示需并入陸地的所有島嶼與“橋”面層數據合并，如圖4所示。

(6)島嶼零米線內相鄰不相交的小島相連接。在判讀遙感影像的過程中,島嶼周邊的礁石因水位變化,低潮時浮出水面,導致原始數據中相鄰的島嶼出現了相連接的情況。針對此種情況應該補繪島嶼：①線圖層勾繪島嶼之間的連接線,刪除原始島嶼數據中與影像圖斑不一致的島嶼線;②利用“對齊邊”工具對原始面層數據進行拓撲延伸。如圖5所示。

(a)更新前 (b)線層數據更新出現冗余 (c)更新后

(a)更新前 (b)更新后

(a)更新前 (b)更新后

3 基于矢量數據的更新

基于矢量數據的更新多用于更新行政區劃的調查界線。常規情況下只需根據各省提供的更新矢量數據,運用 “對齊邊”和“對齊至形狀”兩種工具,將提供更新的地理信息要素快速貼合到實際位置,完成基于矢量數據的更新。但常規更新會遇到幾種特殊情況：

(1)單一面新增行政區劃面,即在一個行政區劃面中,新增一塊其他行政區劃面的飛地,如圖6所示。更新方法：選中各省提供的更新矢量數據的行政區劃面飛地,利用“分割面”工具,將新增要素面分割出來[如圖6(c)中的要素3],更改相應屬性信息,完成新增行政區劃面的更新。

(2)單一行政區劃面被劃分,即某行政區劃面被分成兩個行政區劃面。如圖7所示,要素1、2為相鄰兩個行政區劃面,要素3為各省提供的更新矢量數據,要素1中劃分出了要素3,但要素2不涉及行政區劃面的更改。更新方法:首先對相鄰兩要素面進行空間拓撲檢查,著重注意圖7(b)中加粗邊界處是否存在空間拓撲問題,若無拓撲問題,疊加各省提供的更新矢量數據并進行矢量數據分割,更改相應屬性信息,使要素1的行政區劃面一分為二。

(3)多個行政區劃面內生成新的行政區劃面,如圖8所示,在要素1、2、3中,生成了新的要素5,其中圖8(b)中加粗部分為要素4、5的公共邊界,本次更新只有此公共邊界沒有發生行政區劃界線的改變。此種情況更新方法：首先將要素5復制到原始數據中;然后使用裁切工具將要素1、2、3與要素5的重疊部分刪除;最后,對要素4、5的公共邊界進行空間拓撲檢查,確保公共邊界無拓撲問題,并增加相應屬性信息,完成跨多個行政區劃面新增行政區劃面的工作。

(4)行政區劃面面積擴充,如圖9所示,要素1的行政區劃面面積擴展到了要素2內。此種情況更新方法：疊加各省提供的更新矢量數據,通過“邊對齊”工具更新數據,完成行政區劃面面積擴充的更新。

(5)原有的行政區劃面消失,消失的行政區劃面融合到其他行政區劃面中。如圖10所示,原本存在的要素1根據實際界線調查結果被分到要素2和要素3內。更新方法：根據各省提供的更新矢量數據,使用“分割面”工具,將要素1一分為二,被分割的兩部分行政區劃面,通過“融合”工具,融合到相應行政區劃面內,完成行政區劃面的變更。

(a)常規行政區劃面 (b)各省提供的新增行政區劃面 (c)新增行政區劃面

(a)常規行政區劃面 (b) 各省提供的新增行政區劃面 (c)行政區劃面被一分為二

(a)常規行政區劃面 (b) 各省提供的新增行政區劃面 (c)生成新的行政區劃面

(a)面積擴充前 (b) 各省提供的新增行政區劃面 (c)面積擴充后

(a)面積分割前 (b) 各省提供的新增行政區劃面 (c)面積分割后

4 結束語

第三次全國國土資源調查結束后,每年都需要變更部分沿海零米線和縣級調查界線數據。本研究經過歷年實踐,在總結了所有可能出現界線數據更新情況的基礎上,提出了基于影像和矢量數據的三調界線更新方法。該方法通過了相關部門的質量檢查,能夠快速、準確地實現國界線、港澳臺界線、省級界線、島嶼與零米等深線及縣級調查界線數據的整合與更新,確保了三調界線數據的真實性、準確性和可靠性,對第三次全國國土調查界線數據的后期檢查及變更調查具有重要意義,能夠進一步提升國土管理的精準化水平,促進經濟社會的可持續發展。

本文講述的方法是由作者經過多年實踐總結而得,雖相對成熟,但在操作過程中,要求數據處理人員具有豐富的數據生產經驗,同時要對數據有一定的了解和辨別力,從而在一定程度上限制了該方法的推廣。