彭云璐 王新鵬 王晶晶 翟 曦 趙婷婷 邸欣麗

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心, 北京 100830;2. 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院, 北京 100875;3. 國信司南(北京)地理信息技術(shù)有限公司, 北京 100048)

0 引言

全面準確地掌握全國土地利用現(xiàn)狀及土地資源變化,摸清我國自然資源基礎(chǔ)家底,是科學(xué)規(guī)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(diào)查結(jié)果受基礎(chǔ)資料精度(比如,界線數(shù)據(jù)精度)等的限制,無法滿足國土資源科學(xué)化、精細化管理的要求。為此,國務(wù)院于2017年組織相關(guān)部門進行了第三次全國國土調(diào)查。第三次全國國土調(diào)查以1∶5 000分幅地形圖為基礎(chǔ)、以省級行政區(qū)域為單位,進行土地利用現(xiàn)狀及變化情況的分類統(tǒng)計工作,建立“國家-省-市-縣”四級連通的國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫。

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

由于三調(diào)界線數(shù)據(jù)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(chǔ)測繪成果,其數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)、精度等不盡相同,造成同一界線數(shù)據(jù)的描述與定位精度也不盡相同。因此,為了能夠整合成統(tǒng)一的全國行政區(qū)域界線數(shù)據(jù),需要結(jié)合影像數(shù)據(jù)對矢量數(shù)據(jù)進行拓撲檢查更新、屬性數(shù)據(jù)添加、圖幅間界線數(shù)據(jù)接邊等規(guī)范化處理,形成統(tǒng)一的矢量化界線數(shù)據(jù)。

然而,自第三次全國國土調(diào)查啟動以來,相關(guān)學(xué)者雖在數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]、軟件應(yīng)用[5]、模型設(shè)計[6]等方面進行了大量研究,但仍缺少基于影像和矢量數(shù)據(jù)的三調(diào)界線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的三調(diào)界線更新方法,從而為全面準確地掌握全國土地利用現(xiàn)狀及土地資源變化提供基礎(chǔ)保障[7-12]。

1 三調(diào)界線數(shù)據(jù)更新思路

需要更新的界線矢量數(shù)據(jù)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(diào)查界線等。各省提供的矢量化電子地圖數(shù)據(jù)為1∶5 000比例尺標準分幅數(shù)據(jù),包含線圖層和面圖層數(shù)據(jù),提供的影像數(shù)據(jù)為1∶5 000比例尺標準分幅的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)。坐標系統(tǒng)統(tǒng)一采用“2000國家大地坐標系”,高程采用“1985國家高程基準”。

三調(diào)界線數(shù)據(jù)更新方法分為兩類,基于影像的數(shù)據(jù)更新和基于矢量的數(shù)據(jù)更新。更新流程如圖1所示。

圖1 三調(diào)界線數(shù)據(jù)更新流程圖

(1)基于影像的數(shù)據(jù)更新對象主要為沿海零米線和島嶼零米線數(shù)據(jù)。更新時,首選對這兩類數(shù)據(jù)進行矢量化處理,然后判斷影像與矢量化結(jié)果是否一致,如果一致,可繼續(xù)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(xiàn)場核實,得出正確的矢量化結(jié)果;最后選擇合適的方式及工具進行數(shù)據(jù)整合、屬性信息檢查修改、拓撲檢查,進而完成基于影像的數(shù)據(jù)更新。

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

本文數(shù)據(jù)更新操作均在ArcGIS軟件中進行。

2 基于影像的數(shù)據(jù)更新

2.1 數(shù)據(jù)更新方法

基于影像的數(shù)據(jù)更新多用于更新沿海零米線、島嶼界線。在數(shù)據(jù)更新過程中,需要根據(jù)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(shù)據(jù),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(chǔ)上完成數(shù)據(jù)更新。常規(guī)數(shù)據(jù)更新方法如下:

(1)陸地零米線更新方法：對于完全由影像數(shù)據(jù)矢量化得到的待更新陸地零米線矢量數(shù)據(jù)。將待更新數(shù)據(jù)和原有數(shù)據(jù)放在同一文件夾下,創(chuàng)建地圖拓撲。使用“對齊邊”或“對齊至形狀”工具,使原始數(shù)據(jù)線、面兩層數(shù)據(jù)同時匹配到待更新數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)更新結(jié)果應(yīng)符合實際情況,比如,不應(yīng)存在島嶼要素在外,灘涂要素在內(nèi)的情況;因水位上漲或降低導(dǎo)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(shù)據(jù)更新時,采用“對齊邊”或“對齊至形狀”工具,使原始數(shù)據(jù)線、面兩層數(shù)據(jù)同時匹配到待更新數(shù)據(jù)上,得到島嶼零米線的更新結(jié)果。

(3)新增島嶼更新方法：對于完全由影像數(shù)據(jù)矢量化得到的待更新新增島嶼矢量數(shù)據(jù),首先生成新增島嶼線層數(shù)據(jù),然后在此基礎(chǔ)上,利用“線構(gòu)面”工具生成島嶼面層數(shù)據(jù),并添加線、面兩層數(shù)據(jù)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(guī)情況下的數(shù)據(jù)更新需求,但在更新過程中會出現(xiàn)下列幾種特殊情況,針對不同情況,實際生產(chǎn)中需采用不同的解決方法來保證線面一致。

(1)待更新數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)之間無法創(chuàng)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(nèi)的待更新線要素復(fù)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(shù)據(jù)同時匹配到新構(gòu)建的線層數(shù)據(jù)上,最終使線層、面層保持拓撲一致,完成待更新數(shù)據(jù)跨圖幅的更新。

(2)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)顯示同一要素數(shù)據(jù)多處待更新。針對此種情況,根據(jù)影像特征,可利用粘貼融合法和常規(guī)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(shù)據(jù)。利用融合法更新數(shù)據(jù)時:①更新面層數(shù)據(jù),首先將新增的變化圖斑的面層數(shù)據(jù)復(fù)制到原始面層數(shù)據(jù)中,然后將新增要素與原有數(shù)據(jù)中相連接且屬性相同的要素融合為一條要素,完成面層數(shù)據(jù)更新;②進行線層數(shù)據(jù)更新,將待更新的線圖層復(fù)制到原有線圖層數(shù)據(jù)中,合并屬性相同的新舊線層數(shù)據(jù),以完成線層數(shù)據(jù)更新。更新線層數(shù)據(jù)時,需要注意鄰接數(shù)據(jù)的屬性和數(shù)據(jù)的整體連通性、合理性。線層、面層矢量數(shù)據(jù)更新完成后,核檢數(shù)據(jù)屬性信息,完成此處數(shù)據(jù)更新。

(3)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)顯示出的全新要素分布于多幅圖幅內(nèi)。針對此情況,更新方法為：先更新面層數(shù)據(jù),將多幅圖幅內(nèi)的面層數(shù)據(jù)依次復(fù)制到原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),可以直接使用“對齊邊”工具將原始線層數(shù)據(jù)拓撲貼合到新構(gòu)建的面層數(shù)據(jù)上。面層數(shù)據(jù)與線層數(shù)據(jù)可同時利用粘貼融合法和常規(guī)更新法兩種方式進行更新,使基于多幅影像數(shù)據(jù)的更新變得簡單、快捷。

(4)線面不一致,線層數(shù)據(jù)出現(xiàn)冗余。針對此種情況,首先確認該線層數(shù)據(jù)是否閉合完整。如果原始線層數(shù)據(jù)拓撲貼合到新構(gòu)建的面層數(shù)據(jù)后,線層數(shù)據(jù)最外側(cè)邊界線已經(jīng)完整閉合,剩余未能拓撲貼合到待更新數(shù)據(jù)上的即為冗余線數(shù)據(jù),如圖3(b)所示。冗余數(shù)據(jù)刪除方法為：首先在編輯模式下顯示所有節(jié)點,然后刪除該冗余線段的節(jié)點,最終使這部分未能拓撲貼合到待更新數(shù)據(jù)的冗余線段消失,完成此處數(shù)據(jù)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(qū)填海造陸造成零米線擴張,導(dǎo)致沿海區(qū)域陸地與部分島嶼相連接,該部分島嶼應(yīng)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(shù)據(jù),然后將影像中顯示需并入陸地的所有島嶼與“橋”面層數(shù)據(jù)合并，如圖4所示。

(6)島嶼零米線內(nèi)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(dǎo)致原始數(shù)據(jù)中相鄰的島嶼出現(xiàn)了相連接的情況。針對此種情況應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行拓撲延伸。如圖5所示。

(a)更新前 (b)線層數(shù)據(jù)更新出現(xiàn)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(shù)據(jù)的更新

基于矢量數(shù)據(jù)的更新多用于更新行政區(qū)劃的調(diào)查界線。常規(guī)情況下只需根據(jù)各省提供的更新矢量數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)的更新。但常規(guī)更新會遇到幾種特殊情況：

(1)單一面新增行政區(qū)劃面,即在一個行政區(qū)劃面中,新增一塊其他行政區(qū)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(shù)據(jù)的行政區(qū)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(yīng)屬性信息,完成新增行政區(qū)劃面的更新。

(2)單一行政區(qū)劃面被劃分,即某行政區(qū)劃面被分成兩個行政區(qū)劃面。如圖7所示,要素1、2為相鄰兩個行政區(qū)劃面,要素3為各省提供的更新矢量數(shù)據(jù),要素1中劃分出了要素3,但要素2不涉及行政區(qū)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(shù)據(jù)并進行矢量數(shù)據(jù)分割,更改相應(yīng)屬性信息,使要素1的行政區(qū)劃面一分為二。

(3)多個行政區(qū)劃面內(nèi)生成新的行政區(qū)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(fā)生行政區(qū)劃界線的改變。此種情況更新方法：首先將要素5復(fù)制到原始數(shù)據(jù)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(yīng)屬性信息,完成跨多個行政區(qū)劃面新增行政區(qū)劃面的工作。

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

(5)原有的行政區(qū)劃面消失,消失的行政區(qū)劃面融合到其他行政區(qū)劃面中。如圖10所示,原本存在的要素1根據(jù)實際界線調(diào)查結(jié)果被分到要素2和要素3內(nèi)。更新方法：根據(jù)各省提供的更新矢量數(shù)據(jù),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(qū)劃面,通過“融合”工具,融合到相應(yīng)行政區(qū)劃面內(nèi),完成行政區(qū)劃面的變更。

(a)常規(guī)行政區(qū)劃面 (b)各省提供的新增行政區(qū)劃面 (c)新增行政區(qū)劃面

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

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

(a)面積擴充前 (b) 各省提供的新增行政區(qū)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(qū)劃面 (c)面積分割后

4 結(jié)束語

第三次全國國土資源調(diào)查結(jié)束后,每年都需要變更部分沿海零米線和縣級調(diào)查界線數(shù)據(jù)。本研究經(jīng)過歷年實踐,在總結(jié)了所有可能出現(xiàn)界線數(shù)據(jù)更新情況的基礎(chǔ)上,提出了基于影像和矢量數(shù)據(jù)的三調(diào)界線更新方法。該方法通過了相關(guān)部門的質(zhì)量檢查,能夠快速、準確地實現(xiàn)國界線、港澳臺界線、省級界線、島嶼與零米等深線及縣級調(diào)查界線數(shù)據(jù)的整合與更新,確保了三調(diào)界線數(shù)據(jù)的真實性、準確性和可靠性,對第三次全國國土調(diào)查界線數(shù)據(jù)的后期檢查及變更調(diào)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(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

本文講述的方法是由作者經(jīng)過多年實踐總結(jié)而得,雖相對成熟,但在操作過程中,要求數(shù)據(jù)處理人員具有豐富的數(shù)據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,同時要對數(shù)據(jù)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。