4D产品在地理国（省）情监测中的应用探讨

白 穆， 薛 明

（1.国家测绘地理信息局 陕西基础地理信息中心，陕西 西安710054）

4D产品在地理国（省）情监测中的应用探讨

白 穆1， 薛 明1

（1.国家测绘地理信息局 陕西基础地理信息中心，陕西 西安710054）

分析了4D产品的数据特性，介绍了陕西省地理国（省）情监测试点工作使用的4D产品，并详细说明了利用4D产品提取地理国（省）情监测信息的技术途径。通过试点工作，总结出4D产品是地理国（省）情监测数据生产的基础数据，并就4D产品使用中存在的问题进行了阐述。

地理国（省）情监测；省情；4D产品；陕西；试点

2011年3月，陕西省人民政府与国家测绘地理信息局在北京签署合作开展地理国（省）情监测试点工作的协议书，陕西省成为地理国（省）情监测工作的首个试点省份。4D产品是试点工作采用的主要数据源，包括1∶10 000和1∶50 000比例尺的数字线划图和数字高程模型、1 m和2．5 m空间分辨率的数字正射影像图、早期的数字栅格地图等多种基础地理信息成果。

本文首先介绍了数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图和数字栅格地图等4D产品的内容和规格，再结合陕西省地理国（省）情监测试点工作，探讨4D产品在地理国（省）情监测中的应用特点，对今后利用4D产品进行地理国（省）情监测提供技术借鉴。

1 4D产品分析

数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图和数字栅格地图，即通常所说的4D产品（DLG、DEM、DOM和DRG）。

数字线划图是以矢量数据形式表达地形要素的地理信息数据集[1,2]，包括了水系、地貌、居民地、交通网、境界和土质与植被等自然地理和社会经济要素，这些要素主要由以矢量结构描述的带有拓扑关系的空间信息以及以关系结构描述的属性信息所组成。数字线划图包含的自然社会经济要素具有以下特征：①与人类活动和军事应用有密切关系，要素可用于方位判定，例如土质和植被可用于部队的通行能力判断，水系可用于军事上的防守和进攻以及空中和地面判定方位[3,4]；②几何形状由点、线和面组成，并具有明确的拓扑关系；③要素的属性表在数据字典中有详细的定义；④自然社会经济要素的详细程度与比例尺有较大关系,包括表现方式和要素选择两个方面，例如居民地在大比例尺图上可表示居民地建筑物的质量特征，在中小比例尺图上采用轮廓图或圈状符号表示[4]，在大于1∶100 000的图上表示的人行桥在小于1∶100 000的图上不再表示[5]；⑤不同要素的采集指标是有差异的，在不同的地域依据要素的重要性和分布特征，要素综合取舍的程度也不同，例如水中滩的最小图上面积是10 mm2，池塘的最小图上面积是2～4 mm2，而缺水地区图上面积小于2 mm2的池塘可扩大到2 mm2表示[6]。

数字高程模型是在一定范围内通过规则格网点描述地面高程信息的数据集，用于反映区域地貌形态的空间分布[7]。数字高程模型按照比例尺的差异，其规则格网的尺寸也不一致。例如1∶10 000数字高程模型的规则格网尺寸为5 m，1∶50 000数字高程模型的规则格网尺寸为25 m。

数字正射影像图是将地表航空航天影像经垂直投影而生成的影像数据集[8]。数字正射影像图可用于数字线划图的数据生产，不同的比例尺对数字正射影像图的地面分辨率有要求。同时，数字正射影像图的色彩模式分为全色和彩色两种形式，目前彩色数字正射影像图多以真彩色为主。

数字栅格地图是以栅格数据形式表达地形要素的地理信息数据集[2]。目前主要的数字栅格地图是由模拟地图进扫描、几何纠正及色彩归化等处理后形成。

2 4D产品在地理国（省）情监测中的应用

2.1 4D产品使用情况

陕西省现有覆盖全省的1∶50 000基础地理信息成果和覆盖全省约70%区域的1∶10 000 基础地理信息成果，均为“十五”和“十一五”期间生产和更新的成果，包括数字线划图、数字正射影像图和数字高程模型等。同时，测绘资料档案部门还存有20世纪60年代以来各个时期的纸质地形图、航空影像和数字栅格地图。这些资料和数据准确反映了不同历史时期陕西省境内自然地理环境和基础设施建设等方面的信息，是历史地理国（省）情信息提取的重要数据源。

2.2 地理国（省）情信息提取方法分析

陕西省地理国（省）情信息包括基本地理省情信息和专题地理省情信息[9]。陕西省基本地理省情信息可以概括为地理位置、地形地貌、境界信息、水系流域和地理统计分析等方面内容。使用4D产品的专题地理省情信息包括地表覆盖变化监测、城镇化进程监测、水资源保护和治理监测等方面内容。

陕西省地理国（省）情信息主要从4D产品中通过直接提取、GIS分析以及辅助解译两种途径获得。

2.2.1 直接提取途径

直接提取的陕西省地理国（省）情信息，即4D产品中的基础地理信息要素[5]均可通过属性选择或地图矢量化技术，提取成为地理国（省）情信息。

例如，陕西省基本地理省情成果中的陕西省主要山峰地理位置信息和境界信息均来自于1∶50 000 DLG数据；水资源保护和治理监测的大中型水库成果同样采用1∶50 000 DLG的水系数据，利用GB字段获得水库图斑，选择面积超过0．01 km2的水库监测成果；地表覆盖变化监测中的多期红碱淖变化监测包含了从20世纪70年代至2011年的7次监测，早期红碱淖水域范围监测的数据源均来自于存档DRG数据和1∶50 000 DLG数据。

2.2.2 GIS分析和辅助解译途径

GIS分析和辅助解译是陕西省地理国（省）情信息提取的主要技术手段。利用GIS的空间分析功能从4D产品中可以派生出诸多反映区域地理特征的地理国（省）情信息；同时，在以遥感数据为主要数据源的地理国（省）情信息数据生产过程中，4D产品可充分发挥先验知识和地形辅助解译的作用，用于辅助地理国（省）情信息提取。

在地形地貌方面，主要包括了陕西省地貌分类及面积，陕北、关中、陕南自然区域界线及面积，陕西省黄土塬面分布及面积，各级行政区域的最高、最低点海拔和位置，海拔分段及各分段面积、平均海拔、坡度分段及各分段面积、平均坡度等，采用1∶50 000DEM和1∶50 000DLG数据。分别从等高线、高程点和DEM数据中，获取各县的最高、最低高程，比较分析后获得各市的最高、最低高程。将行政区域矢量数据栅格化，与高程分级和坡度分级栅格图叠加，统计行政区域内高程和坡度的分级值和栅格数据，计算行政区域内各高程段和坡度段面积。按照行政区域分别划分DEM和坡度图，并逐格网遍历，再分别用高程累积值和坡度累积值除以有效格网总数，获得各行政区域的平均高程和平均坡度。依照坡度、高程和起伏度指标，将陕西省全区域划分为风沙过渡区、黄土高原区、关中平原区、秦岭山地区、汉江盆地区和大巴山地区6个地貌类型区域。在水系流域方面，根据GIS中的水文分析模型，采用DEM和DLG数据，划分长江水系和黄河水系分水岭，再将关中平原区和黄土高原地貌界线与洛河和泾河流域分界线进行叠加，形成陕北、关中和陕南地理分界线。采用陕西省1∶10 000DEM数据作为主要数据源，辅助2．5 m分辨率遥感影像数据，利用坡度差和地貌分区界线提取陕西省黄土塬面信息。

在专题地理省情信息方面，4D产品主要参与辅助解译。例如，在城镇化进程监测方面，主要提取陕西省重点镇、县和地级市等主城区在不同时期的范围信息，对其面积、扩展方向和城市重心等信息在近10 a的变化进行监测，采用1∶10 000 DLG、1∶50 000DLG、1 m分辨率DOM、2．5 m分辨率DOM为基础数据源，参考基础测绘居民地内业提取的相关技术指标，利用高分辨率卫星影像确定城市主城区范围，分别获取陕西省地市级、县级和乡镇级的城市主城区空间分布，分别形成本底数据和监测数据；在地表覆盖变化监测方面，主要提取榆林北六县的地表覆盖类型变化信息和地表覆盖二级分类试验，榆林北六县地表覆盖类型变化监测采用1∶10 000DLG、1∶50 000DLG数据中的居民地和道路信息辅助卫星影像数据的信息提取，地表覆盖二级分类试验采用1∶50 000DLG数据中相关的居民地、道路、水系等要素，利用这些要素信息作为先验知识用于面向对象分类规则的建立，可有效减少“同谱异物”和“同物异谱”的错分现象。

3 结 语

本文深入剖析了4D产品的数据特性，在此基础上介绍了地理国（省）情监测陕西试点工作中利用4D产品提取地理国（省）情信息的技术途径，主要结论有以下2个方面：

1）4D产品是地理国（省）情信息数据生产的重要基础数据。DLG数据包含了大量的基础地理信息要素，可直接提取成为地理国（省）情信息数据。GIS分析和辅助解译可应用于地理国（省）情信息数据生产。DEM数据是地貌划分、地形特征描述的重要基础数据，在基本地理国（省）情信息提取、地表覆盖变化监测中都发挥了重要作用。DOM一般用于比例尺1∶50 000、1∶10 000和1∶5 000地形图编制的主要数据源，具有高空间分辨率、重复更新和质量可控的特点，是地理国情专题监测信息人工解译的重要数据源。DRG是地理国（省）情监测历史信息提取的重要基础。

2）4D产品的数据特性决定了在地理国（省）情信息数据生产中存在一定的局限性。首先，由于DLG数据存在制图综合，导致在不同地域同一地理要素的详细程度有所差别，而地理国（省）情监测对同一地理要素成果的精度指标一致，在统计分析中才具有更高的数据可比性；其次，目前DOM数据主要采用黑白和真彩色色彩模式，往往近红外波段不参与DOM的波段组合，致使影像的光谱信息大为减少，特别是区分植被类型方面有很大的限制；DOM的另外一个局限性在于数据匀色处理操作时，影像数据匀色后，光谱信息会发生改变，不利于光谱信息参与影像数据的信息提取。

[1] 李德仁,眭海刚,单杰．论地理国（省）情监测的技术支撑[J]．武汉大学学报·信息科学版,2012,37(5):505-512

[2] GB/T 16820-2009． 地图学术语[S]．

[3] 廖克．地图概论[M]．北京:科学出版社,1985

[4] 尹贡白,王家耀,田德森,等．地图概论[M]．北京:测绘出版社,1991

[5] GB/T 13923-2006．基础地理信息要素分类与代码[S]．

[6] GB/T 20257．2-2006．国家基本比例尺地图图式 第2部分:1∶5 000 1∶10 000地形图图式[S]．

[7] CH/T 9009．2-2010．基础地理信息数据成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字高程模型[S]．

[8] CH/T 9009．3-2010．基础地理信息数据成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字正射影像图[S]．

[9] 谢露蓉．对陕西省地理国（省）情监测的思考与实践[J]．测绘标准化,2012,28(2):5-8

P208

B

1672-4623（2014）05-0007-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.003

白穆，工程师，主要从事地理国（省）情监测项目实施和研究工作。

2013-11-08。

项目来源：国家测绘地理信息局科技发展计划资助项目（2011-03）；地理空间信息工程国家测绘地理信息局重点实验室经费资助项目（201212）。