焦紅波，王平，金繼業(yè)，姜偉男，侯晨

（國家海洋信息中心，天津 300171）

基于SPOT-5進行中國海島海岸帶1:5萬基礎地理數據更新

焦紅波，王平，金繼業(yè)，姜偉男，侯晨

（國家海洋信息中心，天津 300171）

應用SPOT-5衛(wèi)星遙感資料，對中國海島海岸帶區(qū)域1:5萬基礎地理數據中的交通運輸線、水系、居民地面和海岸線四類要素進行了更新研究和實踐工作，詳細編制了更新的工作流程、作業(yè)方法、技術要點、質量控制和檢查驗收的內容與流程，使數據的現勢性達到了 2004～2006年，為中國近海海洋規(guī)劃和工程項目實施提供了現勢性強的基礎資料，也為基礎地理數據的更新工作進行了有益的實踐，積累了工作經驗。

基礎地理數據；更新；海島海岸帶；SPOT-5；遙感

地理空間數據是地理信息系統(tǒng)（GIS）的“血液”[1]，中國系列比例尺基礎地理數據庫的建成為各類 GIS應用工程提供了多比例尺的地理空間數據，在國民經濟建設和社會發(fā)展及國家信息化進程中，發(fā)揮著重要的數字化框架作用[2]。由于國民經濟建設不斷發(fā)展，尤其是沿海地區(qū)，改革開放以來城市建設和圍填海工程快速發(fā)展，地形地物要素不斷變化，基礎地理數據的現勢性直接制約著其使用價值和適用范圍。隨著基礎地理數據“原始積累”的逐步完成和共享應用，其現勢性問題已成為廣大用戶關注的熱點問題[3]。由國家科技部基礎司組織完成的“國家科技基礎數據庫建設與發(fā)展的研究報告”指出：“持續(xù)更新和業(yè)務化運行是一個科學數據庫存在的根本。目前許多科技數據庫是按項目方式一次性建成的，缺乏持續(xù)的數據來源或有效的數據更新機制，很容易變成死庫或逐步地失去應用價值”[4]。

傳統(tǒng)的基礎地理空間數據更新工作主要采用階段性更新方法，每4～5年一個周期，通過大量的野外測繪工作進行修測和補測，這種方式不能滿足數據現勢性的要求[5]。遙感技術具有覆蓋范圍廣，資料獲取周期短等優(yōu)點，尤其是近年來遙感資料的空間分辨率逐漸提高，為基礎地理空間數據的建設更新提供了很好的數據源。國內外已開展了很多應用遙感資料進行地理空間數據建設更新的研究和實踐工作。加拿大測繪署地形信息中心(Center forTopo. graphic Information) 2001年啟動了一項利用Landsat-7正射影像更新1:5萬地形數據的計劃，計劃今后每年使用Landsat-7影像等更新1 000幅以上地形圖數據[6,7]；歐盟20世紀90年代中期支持英國倫敦的 University College、德國等大學開展了ARCH. ANGEL (Automatic Registration and CHANGE Location) 計劃，旨在研究解決影像到地圖的自動配準問題[8]；以色列專家提出了一種 GIS驅動的變化檢測方法，將GIS數據與正射影像疊加，由計算機比較兩個時刻的數據，提取變化信息[9]。在國內，桂木政利用SPOT-5衛(wèi)星遙感影像對中國西部空白區(qū)1:5萬地形圖的生產工作進行了有益的探討和實踐，制定了相應的生產模式、工藝流程和技術指標[10]；胡旭偉等總結了利用SPOT-5（2.5 m）衛(wèi)星影像更新1:10 000地形圖的工藝方法，并成功地用于重慶市部分無航片山區(qū)的1：10 000地形圖更新[11]；高崇民利用遙感與GIS技術，結合傳統(tǒng)測繪手段，對浙江省1:10萬基礎地理信息進行了采集和更新，提高了工作效率和工作質量[12]。

本文以SPOT-5遙感資料為數據源，詳細制定了1:5萬基礎地理信息采集更新的工作流程、作業(yè)方法、技術要點、質量控制和檢查驗收方法，重點對中國海島海岸帶區(qū)域1:5萬基礎地理數據進行了更新。

1 數據來源與數據處理

1.1 數據源

1:5萬基礎地理數據購自國家測繪局，資料包括DLG（數字線畫圖）、DEM（數字高程模型）、DRG（數字柵格圖）三類產品，DLG部分要素層現勢性最新為2002年；遙感資料選用SPOT-5，包括5 m的全色波段和10 m的多光譜波段，資料時相集中在2004－2006年。

1.2 數據處理

為了充分利用SPOT-5遙感資料5 m全色波段的紋理信息和10 m多光譜波段的色彩信息，需要進行圖像融合處理；另外由于中國海島海岸帶部分地區(qū)存在較大的地形起伏，所以需要進行正射校正。

1.2.1 正射校正 首先根據全色影像全景或局部區(qū)域的地形特點，在影像均勻選取若干微分或多項式糾正所需控制點，基于物理模型對全色波段影像數據進行正射糾正，隨機選取檢查點，檢查全色波段遙感影像的校正精度，檢查點殘差應不超過控制點中誤差的根號 2倍；然后以糾正好的全色波段影像數據為參考，對相同作業(yè)區(qū)多光譜影像數據進行配準。

1.2.2 影像融合 遙感影像融合是對較高空間分辨率的全色影像與較低空間分辨率的多光譜影像采用一定算法生成一組新的合成圖像的過程。這樣做不僅使融合影像提高了空間分辨率，增強了影像的空間紋理信息，而且能保持影像光譜原始信息，不發(fā)生或盡可能少地發(fā)生信息失真，便于提取解譯因子。本文選用了ERDAS9.2的主成分分析方法對影像進行融合處理。

1.2.3 調色與鑲嵌 對融合后的影像按照紅外、紅光和綠光波段組合后進行偽真彩色調整，突出植被的綠色、水體的藍色和居民地信息，然后對相鄰影像進行鑲嵌處理。

2 基礎地理數據更新

2.1 更新內容及工作流程

1:5萬基礎地理數據庫中的DEM（數字高程模型）和 DRG（數字柵格圖）都可以由 DLG（數字線畫圖）派生得到，因此1:5萬基礎地理數據更新的核心是對DLG數據的更新。1:5萬DLG數據要素可以分為兩類，一是反映地表各種高低起伏形態(tài)的地貌要素，二是反映地面各種固定性物體情況的地物要素。前者除非受到大規(guī)模的人為破壞，在很長時間內不會有大的變化。后者與人類行為息息相關，隨著科技進步和社會快速發(fā)展，變化越來越大，也越來越快，尤其在中國東部沿海地區(qū)更為突出。在中國海島海岸帶地區(qū)變化最快的要素有以下 4類：交通要素、居民地要素、水系要素、境界要素，本文選取交通運輸線、居民地面、水系、海岸線四個要素層開展基于 SPOT-5遙感影像進行更新的研究和實踐工作。

在完成遙感影像的正射校正、融合、調色和鑲嵌工作后，對其進行投影轉換，使其與基礎地理數據具有相同的投影坐標信息，并在專業(yè)軟件中疊合在一起；然后，基于遙感影像對基礎地理數據進行更新操作，包括變化要素的修改，新地物的增加，以及刪除消失的地物；對能確定屬性信息的要素在采集更新完畢后隨時更新，對不能確定屬性信息的要素，之后通過其他數據源來確定更新，如最新出版的交通圖和地形圖等；海岸線需要參考最新公布的海岸線修測成果；最后通過系列的質量控制措施和檢查驗收工作完成1:5萬基礎地理數據的更新工作。具體的工作流程如圖1所示：

2.2 作業(yè)方法與技術要點

圖 1 1:5萬基礎地理數據更新工作流程圖Fig. 1 Flow chart of updating 1:50,000 fundamental geographic spatial data

2.2.1 變化信息提取 以遙感影像為底圖，疊加待更新的矢量要素圖層，通過人機交互解譯，從發(fā)現變化信息的圖像中手工修改變化區(qū)域。解譯的基本要素包括色調、大小、形狀、紋理、結構、高度、陰影、組合結構和所處的地理位置等。人機交互解譯最大的優(yōu)點是靈活，并且由于加入了解譯者的思維和判斷，故信息提取結果精度相對較高。不過，人機交互解譯要求解譯者具有多方面的經驗和知識，包括計算機操作、基本圖像處理知識、專業(yè)知識、工作區(qū)地理地貌知識等。

①交通運輸線只更新鐵路、高速公路、國道、省道和縣鄉(xiāng)道，所有新建和在建鐵路、高速公路和主要公路，選取長度大于5 km的表示。

②居民地主要更新居民地形狀擴張部分及新增居民地。新建村鎮(zhèn)以上等級居民地，面積大于250×250 m2要表示。

③水系對新增、改道的線、面水系及水系附屬物進行更新，包括寬度大于20 m的河渠，面積大于250×250 m2的湖泊和水庫等。其中面狀水系呈自然形態(tài)，較易識別，而單線河流呈淺色調，容易與并行的交通運輸線等混淆，較難識別，所以重點更新面狀水系。

④海岸線需要更新的內容包括港口建設、圍海種殖和養(yǎng)殖、海岸淤積和侵蝕、城市擴張等，對大陸岸線和海島岸線分不同的文件來存儲。由于影像成像瞬間的水陸分界線并不等同于平均大潮高潮線，所以應從遙感影像上提取平均大潮高潮的痕跡線。

2.2.2 更新要素屬性信息的確定 對更新要素的屬性信息進行確定是一項重要工作，這直接決定著已更新的數據是否可用。首先在進行變化信息提取的同時進行人工判讀，分清哪些可以直接確定屬性信息，哪些存在疑問，針對存有疑問的地方借助其他相關資料來解決，仍然無法解決的通過實地考察測量確定。

①交通運輸線除了借助色彩和紋理信息外，還應該總結相關判讀規(guī)律，如借助間隔分布的火車站來確定鐵路，借助具有環(huán)形引橋結構的收費站來確定高速公路等。對無法確定的路名、道路等級等參照最新出版的交通圖來解決。

②居民地分布范圍與舊圖相比一般都外擴了。借助圖像色彩和紋理較容易進行更新，關鍵是對城鎮(zhèn)區(qū)新增工業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)和各種商業(yè)市場的判讀，其與居民地在影像上的表現一致，可以借助構圖內容、結構或其他輔助信息加以判別。例如當新增居民地中分布有管道和灌狀物時可以判斷為工業(yè)區(qū)；當新增居民地遠離市區(qū)，具有規(guī)則廠房構物時可以判斷為開發(fā)區(qū)；當海岸帶有集裝箱集中堆放且岸邊有船舶?？康臑楦劭诖a頭。但是詳細屬性信息的確定還需要借助最新的行政區(qū)劃圖和地形圖等來確定。

③水系中的雙線河和湖泊作為自然要素屬性信息幾乎沒有變化，延續(xù)原有信息；新增水庫要參照最新行政區(qū)劃圖或地形圖來確定；另外，在中國海島海岸帶分布著大量的鹽田和養(yǎng)殖區(qū)，首先從圖像色彩和構圖上進行區(qū)分，如有供氧機設施的為養(yǎng)殖區(qū)，而構圖格網均勻分布，并伴有白色結晶的為鹽田。無法確定的參照最新地形圖來確定。

④海岸線的屬性信息除了參照影像直接判讀外，對存在疑問的地方可以最新修測的海岸線為標準。

2.2.3 拓撲重建 在完成變化信息提取與屬性確定后，要對所有圖層進行拓撲關系檢查與重建，修改錯誤信息，保證圖層內和圖層間拓撲關系的正確，為將來的空間分析打好基礎。

2.3 質量控制與檢查驗收 為保證更新數據的質量，實行了三級校對制度。首先，技術人員對數據進行更新，完成后技術人員之間進行相互校對，修改完互校發(fā)現的錯誤后交由經驗豐富的專業(yè)人員進行二次校對，二次校對的錯誤修改完之后按1:1比例打印樣稿，由專業(yè)人員進行終校。對空間數據的質量控制和檢查校對工作主要從空間精度、屬性精度以及時間精度等方面進行。

①空間精度主要從位置精度、數學基礎、影像匹配以及數字化誤差、數據完整性、邏輯一致性、要素關系處理、接邊等方面加以檢查評價。數據完整性主要檢查分層的完整性、實體類型的完整性，屬性數據的完整性及注記的完整性等。邏輯一致性檢查評價包括檢查點、線、面要素拓撲關系的建立是否有錯，面狀要素是否封閉，一個面狀要素有不止一個標識點或有遺漏標識點，線劃相交情況是否被錯誤打斷，有無重復輸入兩次的線劃，是否出現懸掛結點，以及其它錯誤的檢查。要素關系處理檢查評價內容包括確保重要要素之間關系正確并忠實于原圖，層與層間不得出現整體平移，境界與線狀地物，公路與居民地內的街道以及與其他道路的連接關系是否正確。嚴格按照數據采集的技術要求處理各種地物關系。

②按照技術規(guī)定對采集的元素屬性進行檢查，看屬性值是否漏賦或賦值錯誤，即檢查各項要素所賦的各類屬性的正確性。如水系層的檢查：把主要類型的雙線河、湖泊等以不同顏色和符號填充多邊形并配以圖例表示。把屬性標注在圖上，對照原圖對多邊形逐個進行核對、檢查其各項屬性是否賦錯，逐層檢查各要素注記的正確性。

③通過查看元數據文件，了解現有原圖及更新資料的測量或更新年代，再根據預處理圖檢查核對各地物更新情況。將影像與更新矢量圖疊加，詳細檢查是否更新，更新地物的判讀精度，對地物判讀的位置精度、面積精度及誤判、錯判情況作出評價。

3 結 論

經過更新，1:5萬基礎地理數據中交通運輸線、居民地面、水系、海岸線等要素的現勢性達到了2005年左右，很大程度上滿足了近海海洋規(guī)劃和工程項目的需求。

應用最新的遙感、GIS和GPS技術，探索了一條切實可行的基礎地理數據更新技術路線，提高了工作效率和數據質量。

用遙感數據進行變化信息更新時，由于影像空間分辨率及解譯誤差的影響，對圖中的獨立地物和單線表達的低等級溝渠等細節(jié)信息無法從影像上獲得更新，從而使數據成果精度及內容詳細程度不可能完全達到現行1:5萬地形圖的精度要求，還需要借助其他技術手段來進行完善。

[1] 陳軍, 李志林, 蔣捷, 等. 基礎地理數據庫的可持續(xù)更新問題 [J].地理信息世界, 2004,(2): 1-5.

[2] 陳軍. 論數字化地理空間基礎框架的建設與應用 [J]. 測繪工程,2002,11(2): 1-6.

[3] 蔣捷, 陳軍. 基礎地理信息數據庫更新的若干思考 [J]. 測繪通報, 2000,(5): 1-3.

[4] 葉玉江, 黃鼎成. 國家科技基礎數據庫建設與發(fā)展的研究報告[A]. 黃鼎成, 郭增燕. 科學數據共享管理研究 [C]. 北京: 中國科學技術出版社, 2002: 319-379.

[5] 鄒進貴, 潘正風, 虞暉, 等. 城市基礎地理信息系統(tǒng)數據更新方法的研究 [J]. 地理空間信息, 2005, (3): 4-5.

[6] Armenakis C, Cyr I, Papanikolaou E. Change detection methods for the revision of topographic databases [A]. in symoposium on Geospatial Theory [C]. Processing and Application. 2002: Ottawa.

[7] Martin M E, Loubier E. Using landsat-7 images to update canadian national topographic data [A]. in Symoposium on Geospatial Theory[C]. Processing and Application. 2002: Ottawa.

[8] Dowman I. Automated procedures for integration of satellite images and map data for change detection: the ARCHGEL project [J].International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing on GIS-between Visions and Applications, Stuttgart, Sept. 7-10, 1998,Vo1. 32-B4, 162-169.

[9] Peled A, Basheer H. Toward automatic updating of the israeli national gis-phase II [J]. International Archives of Photogrammetry an d Remote Sensing on GIS-between Visions and Applications, Vo1.32-B4, PP. 467-472, Stuttgart, Sept. 7-10, 1998.

[10] 桂木政. 利用SPOT5衛(wèi)星遙感影像生產我國西部空白區(qū)1∶5萬地形圖的探討與實踐 [J]. 四川測繪, 2007(30): 264-267.

[11] 胡旭偉, 王昌翰. 利用SPOT-5衛(wèi)星遙感影像更新1∶10 000地形圖初探 [J]. 測繪與空間地理信息, 2007(30): 82-85.

[12] 高崇民. 遙感技術在基礎地理信息采集更新中的應用 [J]. 地礦測繪, 2002(18): 4-6.

Updating 1:50,000 fundamental geographic data of Chinese islands and coastal regions based on SPOT-5 satellite image

JIAO Hong-bo, WANG Ping, JIN Ji-ye, JIANG Wei-nan, HOU Chen

(National Marine Data & Information Service, Tianjin 300171, China)

Using SPOT-5 satellite remote sensing data, in the Chinese islands and coastal regions 1:50,000 fundamental geographic data, of communications and transport lines, water system, residents on the ground and the coastline have been updated. We wrote the updated work process, operational methods, technical issues, the content and processes of quality control inspection, so that the current trend of the data has reached 2005～2006. It provides basic geographic data for Chinese offshore marine planning and project implementation; moreover, it is a useful practice for the basic geographic data’s updating work.

fundamental geographic data; update; island and coastal region; SPOT-5; remote sensing

A

1001-6932(2010)05-0488-05

2009-11-24；

2009-12-21

焦紅波 ( 1978－ )，男，山東德州人，工程師，碩士，主要從事海洋遙感研究。電子郵箱：hbjiao@mail.nmdis.gov.cn