大数据背景下的城市大比例尺地形图更新及应用探讨

2016-04-11赵小阳

测绘通报 2016年2期

关键词：大数据

赵小阳，孙　颖

(1. 广州市城市规划勘测设计研究院,广东广州510060； 2. 中山大学地理科学与

规划学院,广东广州510275)

大数据背景下的城市大比例尺地形图更新及应用探讨

赵小阳1，孙颖2

(1. 广州市城市规划勘测设计研究院,广东广州510060； 2. 中山大学地理科学与

规划学院,广东广州510275)

Discussion on Updating and Application of City’s Large Scale Topographical Map under Big Data Background

ZHAO Xiaoyang，SUN Ying

摘要：在大数据背景下分析了国内各主要城市大比例地形图更新的现状，总结了目前城市大比例尺地形图更新存在地形图变化发现难、成本投入持续增多、历史数据挖掘不够充分、数据库建设与实际应用脱节、地下空间信息未表示等新问题，结合广州市近年工程实践，提出了利用多源数据、历史数据挖掘、开发综合缩编软件和开展地下空间设计普查等关键技术，优化地形图更新模式及手段，拓展地形图应用领域。

关键词：大数据；基础测绘；大比例地形图；动态更新

城市大比例尺地形图是城市基础地理信息系统最重要的数据源之一[1]，在城市管理、城乡建设、城乡规划和国土资源管理等方面发挥着不可取代的作用。目前测绘地理信息已进入大数据时代，城市大比例尺地形图更新面临着一系列新问题和挑战，全国各城市测绘主管部门正在根据新的形势，积极研究城市大比例尺地形图更新机制和技术方法，以提高城市地形图的现势性[2]，满足政府部门、企事业单位和社会大众对基础地理信息日益增长的需求。

一、城市大比例尺地形图更新现状

目前我国各主要城市在城市大比例尺地形图更新变化发现手段、更新周期、更新模式等方面各有特色。在变化发现手段方面，除采取常规的人工巡视方法，北京、广州、西安等城市开始利用遥感影像数据发现变化区域[3-4]，同时广州、深圳、天津等城市开始研究利用竣工验收等手段发现地形图变化区域并同步进行更新[5-6]。在更新周期方面，北京、上海等城市每年政府均有固定基础测绘投入，实现了中心城区1∶500地形图半年更新一次，1∶2000地形图一年更新一次；广州规定城市建成区和重点建设地区的1∶500地形图每年更新一次，其他建设地区的1∶500地形图每两年更新一次，1∶2000地形图每三年更新一次，1∶5000地形图每5年更新一次；天津建立了中心城区1∶500和1∶2000地形图实时更新，滨海新区和区县政府所在地1:2000地形图每年更新一次，全市1∶2000地形图每两年更新一次的机制。在更新模式方面，北京、上海、广州仍采取全要素更新的模式，即对规范要求的所有要素同一时间全部更新；而济南则制定了取舍标准，对一般地区的要素更新放宽了要求；宁波则将城市分为重点区域和非重点区域，将要素分为重点要素和非重点要素，对重点区域每月更新重点要素，对于全区域每年进行全要素更新。

二、城市大比例尺地形图更新面临的主要问题

1. 变化发现难

精准地发现、统计地形图变化情况是开展地形图更新必要的前期准备工作，目前采用全要素更新方法的城市发现地形图变化的方法仍以传统的外业人工巡视为主，据统计该部分工作费时费力，约占总工作量的30%左右。部分城市近年来开展了利用航空、遥感数据来发现地形图变化的研究工作，虽然该方法可以发现大面积房屋、道路、植被变化[3]，但对建成区微小变化，如部分点状地物、违法加建建筑等却无法识别，且航片和卫片由于获取时间问题，存在一定的滞后性。

2. 所需资金日益增加

随着我国城市化进程的加快，各大城市建设区域快速扩张，各城市地形图覆盖面积也随之逐年增加，为此必须持续加大投入人力、物力对现有地形图进行定期更新，才能保证地形图的现势性。仅以1∶500地形图修测为例，根据《测绘生产成本费用定额》(2009年)， II类城镇地区1—2年1∶500地形图修测价格为5.46万元/km2，按500 km2计算其更新费用已达2730万元。若某些年份基础测绘资金投入不足，地形图得不到更新而使地形图变化率增加，部分甚至达到新测的标准，导致需要更多的财政资金来完成更新地形图。

3. 历史数据利用不够充分

随着地形图更新速度的加快，各级城市勘测管理部门积累了海量的地形图数据，测绘地理信息进入了名副其实的大数据时代。长久以来，这些宝贵的历史数据或以纸质形式存在档案室中，或以电子形式分散存储，不仅容易损坏、丢失，而且未能形成综合利用体系，也未能充分发挥基础测绘资金的使用效率。

4. 数据库建设与实际应用脱节

地形图虽然在城市管理、城市建设等方面发挥着越来越重要的作用，但其主要应用仍局限于各专业技术部门。当前地理信息产业已经成为与百姓生活紧密相关的产业，地理信息的应用已涉及经济社会和人民生活的各个方面，社会公众越来越多地通过GIS技术实现手机定位、车载导航等面对面的服务。传统的地形图更新以CAD、Microstation等平台为主，造成了地形图制图与GIS数据生产“两张皮”现象的长期存在，使得地形图更新成果无法及时服务社会普通大众；同时智能化程度较低的地图缩编模式，不仅耗费巨大，而且造成了“有图不用、要用无图”的尴尬局面。

5. 地下空间信息没有表示

日益加快的城市化进程及用地规模的扩张使原本稀缺的城市土地资源越来越宝贵，随即迎来的将是城市地下空间的利用和扩张时期[7]，目前各大城市修建了大量的地下轨道交通、商场、停车场等设施。按照现有地形图测量规范，地下空间设施无需在地形图上进行表示，这给地下空间规划、地下空间开发和管理带来了极大不便。

三、城市大比例尺地形图更新的研究

1. 利用多种手段，提高发现地形图变化效率

充分发挥航空、卫星遥感数据在大范围内发现地形图变化的优势，结合固定作业区域、固定作业单位、固定人员的作业模式提高发现地形图细微变化的效率。利用工程测量数据发现并更新地形图是目前部分城市研究的热点，其中某市提出了利用网格化地形图更新的方法，即以现状路网和自然水域划分网格(目的是尽可能减少接边工作量，同时确保网格单元的完整性，约72%的网格小于1 km2，接近实际工程面积，网格划分示意图如图1所示)，负责规划监督测量的工程测量队通过开发的范围线绘制和数据交换系统，及时反映、统计网格内地形图变化信息，为动态更新提供统筹和决策的依据。

图1　某市地形图网格划分示意图

2. 发挥新技术优势，利用多源数据更新地形图，有利于节约成本

随着测绘技术特别是测绘装备技术日新月异的发展，移动道路测量、三维激光扫描、无人机、机载LiDAR等测绘新设备不断涌现，改变了传统地形图测绘及更新作业模式。其可以充分发挥移动道路测量技术在带状地形图测绘、三维激光扫描在困难地区地形图测绘[8]、无人机在应急地形图测绘方面的优势，极大地节约测绘生产成本。而在连续大面积地形图测绘中机载LiDAR具有极大优势，相对传统航空摄影测量，机载LiDAR不需要布设像控点，无需构建立体像对，采用高清晰数码相机拍摄，影像判读清晰，色彩更真实，地类分界明显，制图速度快[9]。近年来广州在从化区、南沙区开展了利用机载LiDAR生产1∶2000、1∶5000地形图相关工程实践，解决了超大点云数据存储与显示、海量点云等高线快速生成、建筑物投影差自动改正、线状目标的快速提取(如图2所示)等关键技术难题，成本和工期节约了30%～40%[10]。

3. 在大数据背景下加强历史地形图数据挖掘及利用研究

数据挖掘技术的发展水平，直接关系到基础地理信息数据开发利用程度的好坏，目前地理信息数据挖掘技术远远不能适应开发应用的需要[11]，特别是历史地形图数据的挖掘及利用不足，而其所包含的信息是规划设计、旧城保护、城市更新等领域的重要基础资料。广州市开发了地形图图幅浏览查询系统，在该系统中可以对指定区域历史地形图覆盖情况进行查询和管理(如图3所示)，可以对不同时期的地形图对比显示(如图4所示)。该系统的开发实现了对历史地形图数据的管理和维护，解决了长期以来历史地形图数据的利用和挖掘不足的问题，在城市规划设计、名城保护、违章建筑年代确定等方面发挥了重要作用。

图2　地物边界(形状)的实时跟踪示意图

图3　不同年代历史地形图搜索记录

图4　不同时期地形图对比显示

4. 开发地图综合缩编软件及地理空间数据库建设，提高大数据利用水平

要实现地形图更新成果能快速生成系列比例尺的电子地图数据，满足社会公益性地图和政府工作用图迫切需求的关键在于开发地图综合缩编软件和数据库建设。广州通过与高校合作，开展了相关研究和工程实践，建立了系列比例尺综合的制图综合规则库，并进行规则知识的计算机表达，同时确定了一套适于城市地图的制图综合算子库，将多套规则和综合算子集成起来，建成了一套城市地图综合缩编系统软件，支持国家标准、非标准变比例尺间的综合缩编，提高了综合缩编效率(如图5、图6所示)，其成果在广州市政府电子地图网站、广州亚运网站、广州绿道地图等多个政府网站和公众地图编制中得到运用，满足了社会普通大众对地理信息日益增加的需求。

图5　顾及群分布特征的城区建筑物合并

图6　散列式居民地合并

5. 开展地下空间设施普查及测绘

地下空间控制测量、外业采集标准、数据标准与成图图式是开展地下空间设施普查及测绘要解决的主要问题。在国内没有相关技术标准和工程实践可借鉴的情况下，广州市近年在开展地下空间设施普查及测绘试验区的基础上，制定了地下空间设施普查及测绘技术规程，对外业测量、数据标准及图式进行了规定(如图7、图8所示)，其普查成果拓展了常规地形图表达空间(如图9所示)，为城市地下空间的规划、开发和利用提供了更加详尽的基础资料。

图7　地下空间面状分层示意图

图8　地下空间点状符号图例

图9　地下空间设施普查成果图

四、结束语

城市大比例尺地形图更新是一个系统、复杂的工程，其更新的模式和周期受技术装备水平、投入资金、测绘手段、用户需求和软件水平等多方面的影响。本文在总结国内各主要城市大比例地形图更新模式的基础上，分析了在大数据背景下目前城市大比例尺地形图更新存在的主要问题，并据此逐一介绍了广州市的相关做法，对其他城市大比例尺地形图更新具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]张建辉，陈景新，罗永贤. 大比例尺地形图更新问题探讨[J]. 北京测绘，2010(4):33-34.

[2]王惊鸿. 大比例尺地形图更新技术方法研究和认识[J]. 城市勘测，2009(3):83-84,92.

[3]高军，王硕，夏天成. 浅谈北京市大比例尺地形图更新方法[J]. 北京测绘，2014(2):109-111.

[4]赵敏，陈卫平，王海燕. 基于遥感影像变化检测技术的地形图更新[J]. 测绘通报，2013(4):65-67.

[5]罗和平，叶乘鸾，温振兴. 竣工测量成果应用于地形图更新的分析探讨[J]. 城市勘测，2010(5):131-134.

[6]吴洪涛，张秀. 浅议建筑工程规划竣工测量成果的拓展应用[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36(6):164-166.

[7]陶岚. 地下空间设施地图设计及实践[J]. 城市勘测，2014(2):122-126.

[8]崔剑凌. 地面三维激光扫描在难及区域地形测量中的应用[J]. 北京测绘，2014(2):85-87.

[9]喻雄. 机载激光雷达在山区高速公路勘测中的应用[J]. 测绘通报，2011(2):31-34.

[10]胡耀锋，张志媛，林鸿. 利用机载LiDAR测绘大比例尺数字地形图的可行性研究[J]. 测绘通报，2015(5):87-90.

[11]乔朝飞. 大数据及其对测绘地理信息工作的启示[J]. 测绘通报，2013(1):107-109.