GIS技术在海岛开发管理中的应用

2013-12-14冼嘉俊张一帆

海洋信息技术与应用 2013年3期

冼嘉俊，张一帆

（广东省海洋资源研究发展中心广州市 510220）

2009年12月，第十一届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议通过了《中华人民共和国海岛保护法》，海岛开发从此有法可依。2011年4月，国家公布首批176 个无居民海岛开发名录，国家已将公布“开发利用无居民海岛名录”作为一项制度纳入常规工作。海岛开发主导用途涉及旅游娱乐、交通运输、工业、仓储、渔业、农林牧业、可再生能源、城乡建设、公共服务等多个领域。

在海岛开发管理中涉及到大量的地理信息数据和规划要素，随着海岛开发管理规范的进一步完善，对此提出了更高的要求。通过GIS 软件能更轻易、更精确、更直观地对海岛开发进行管理，更利于科学合理地开发利用海岛，降低开发利用带来的不利影响。

1 GIS 技术

GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是一门综合性学科，结合地理学与地图学，已经广泛地应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，现在也称GIS 为“地理信息科学”（Geographic Information Science）。GIS 是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS 属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面（包括大气层和较浅的地表下空间）空间要素的位置和属性，在GIS 中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息。地理信息系统（GIS）与全球定位系统（GPS）、遥感系统（RS）合称3S 系统。

GIS 技术能够应用于科学调查、资源管理、发展规划、数值模拟、绘图和路线规划。例如，GIS 能使海岛开发者计算出建筑工程施工所需要的面积和土方量，或利用GIS 系统来制作海岛开发效果图及专业图件。

目前，较为常用的GIS 软件有ESRI 系列及MapInfo 系列，它们都能够提供一套完整的地理资讯系统，以供客户使用。其中ESRI 提出“用地理设计美化生活、将地理知识人人共享”的理念，时至如今，这个理念深深融入ArcGIS 10 中。本文将以ArcGIS 10 软件作为主要应用软件对海岛开发进行管理。

2 GIS 应用于海岛开发管理

2.1 海岛地理信息数据处理

海岛地理信息数据主要分为基础地理信息数据和现状使用信息数据。

基础地理信息数据包括：岛岸线、等高线、高程点、植被分布范围、地质、河流、海岛周边等深线、滩涂等。基础地理信息数据可通过从地形图、海图、高分辨率遥感数据等大比例尺且精确度较高的资料中提取，如更大比例尺的数据需要通过地形测量获取。

现状使用信息数据包括：建筑物、码头、道路、灯塔、信号塔、海岛周边养殖、航道、海洋工程等。现状使用信息数据可通过从高分辨率遥感数据、海岛规划设计图、地形测量等途径获取。

在获取到基础地理信息数据和现状使用信息数据后要将所有矢量数据统一到同一坐标系，现时使用较多的坐标系是WGS—84 大地坐标系和2000 国家大地坐标系，高程基准应统一采用1985 国家高程基准。数据需要按内容建立各自的矢量文件，并在各自的数据属性表中标注每一个数据的信息，如等深线的水深值、等高线的高程值、建筑物的名称。

2.2 建立海岛信息数据库

海岛所涉及的信息量非常庞大且数据种类多、结构复杂、时空性强，通过GIS 软件建立海岛信息数据库更有利于数据的维护更新、检索、管理和模拟计算。海岛信息数据库可分为海岛地理信息数据库和海岛管理信息数据库。

海岛地理信息数据库是由不同时期不同比例尺的地形、地貌、环境、生物分布、水系、气象、交通、遥感等数据组成，时空性较强。

海岛管理信息数据库是由历史海岛建筑物情况、居民情况、经济情况、灾害情况、环境承载力、资源量等数据组成，可再按其属性划分子库。

建立海岛信息数据库后可通过GIS 软件生成相应的图表并根据关键字进行关联，使繁琐的数据资料变得更直观。

2.3 计算海岛表面积、体积和工程施工土方量

海岛表面积是海岛的一个重要参数，海岛拍卖前必须计算一个较为精确的值，结果关系到海岛使用金的金额，也在一定程度上体现海岛坡度情况。

土方量的计算是工程施工的一个重要步骤，工程施工前的设计阶段必须对土方量进行预算，结果直接关系到工程的费用概算和方案的选定。

ArcGIS10 包含有许多功能模块，其中之一是3D Analyst 模块，该模块提供了生成、可视化、分析GIS 三维数据的工具。ArcGIS10 计算土方量是以DEM 为基础，通过模型与施工范围和高程叠加划分出回填和开挖区域再分别计算该区域的体积。计算海岛自然表面积、工程施工土方量的重点是生成相应的TIN（Triangulated Irregular Network，不规则三角网）和DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型），具体流程如图1所示。

图1 计算流程

计算海岛的自然表面积时只需要运用3D Analyst 中的surface 工具即可。

计算土石开挖量，需要建立多边形图层（polygon）并在其中画出每个工程施工的范围，设置范围的高程值，利用Polygon Volume 工具可以计算位于polygon 和tin 之间的体积和表面积，把Reference Plane 值设为ABOVE 就能求出土石开挖表面积和体积，把Reference Plane 的值设为BELOW 就能求出回填表面积和体积。

2.4 制作海岛相关图件

GIS 软件可用于制作海岛的区位图、功能分区图、现状图、地形图、植被类型分布图、界址图、三维效果图等。本文以制作海岛三维效果图为例示范GIS 软件的制图功能。

ArcScene 是ArcGIS 中显示三维数据的工具，利用ArcScene 可以模拟海岛的真实情况，制作出等比例、任意角度的海岛三维效果图。图2 为制作的最终效果图。

图2 最终效果图

制作步骤如下：

（1）利用岛岸线生成海岛多边形并设置海岛多边形高程。

（2）使用TIN Domain 工具以TIN 生成三维边界线并适当进行拉伸。

（3）把海岛多边形与三维边界叠加得到海岛模型底座。

（4）把高清遥感影像、航拍影像利用特征点配准，然后渲染到TIN 或者DEM 表面。用属性中的custom 值进行拉伸使地形起伏更明显。

（5）将渲染好的三维表面与模型底座叠加得到海岛三维模型。

（6）调整好海岛三维模型的角度与视角就可以生成海岛三维效果图。

3 经验和心得

（1）ArcGIS 软件所使用的shape 文件不支持点、线、面3 种样式的数据在同一文件中，遇到同时拥有这3 种样式的数据时需要分开存放到不同的shape 文件中，为了更容易排序和查找，应该将这3 套shape 文件用同一名称命名并在相应的文件后面添加点、线、面标识以作区分。

（2）在应用ArcGIS 软件进行海岛地理信息数据处理的过程中，经常会需要录入大量的坐标以及相应的属性信息，手工录入往往要花费大量的人力和时间并且容易出错。为了解决这个问题，录入前可先用EXCEL 制作一个特定格式的坐标文件（见表1）将坐标数据整理到表中，再利用ArcGIS 自带的“ADD XY DATE”控件将坐标文件导入ArcGIS 中；如在坐标文件中增加相应的列，同样可以导入其他属性信息。