陆海地理要素空间差异对比研究

2016-12-27吕瑛炯

地理空间信息 2016年7期

关键词：海图陆海陆地

吕瑛炯，林昱

（1.北海航海保障中心，天津 300450；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072）

陆海地理要素空间差异对比研究

吕瑛炯1，林昱2

（1.北海航海保障中心，天津 300450；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072）

在陆地和海洋统筹联动发展的趋势下，多尺度、多时相、多源的陆海基础地理信息数据的交互共享变得越来越重要；然而陆海地理要素的空间差异给二者的融合和使用带来了困难。以地形图和电子海图为例进行对比分析，着重从二者的空间表现角度进行差异比较，并深入分析了其产生的原因，为解决陆海地理数据空间差异和实现数据融合共享打下基础。

地形图；电子海图；陆海地理要素；差异对比；原因分析

地形图和电子海图是用于描述陆地和海洋地理信息的重要载体。地形图属于普通地图的一种，是一种详细而精确地表达地面各种要素的地图[1]，电子海图则是通过数字形式表达各种海域地理信息以及航海信息为主的海图[2]。二者在数据基准、比例尺、地图表达内容、分类分级体系、地物的空间位置和形态、属性等方面的差异，给不同数据来源的陆海基础地理数据融合带来了困难。

充分认识陆地和海洋地理要素的差异，有利于针对差异提出解决的策略，在最大程度上达到陆海地理信息数据融合的目的，对进一步扩大现有陆海地理信息数据的应用范围，提高数据重复使用率，节省大量的人力、物力和财力，增进陆海各部门之间的合作，增强陆海地理信息的共享、集成、高效利用以及促进陆海统筹联动发展具有重要的意义。

国内外已有许多学者对地形图和电子海图的融合问题进行了研究，文献[3]～[6]在讨论要素融合之前，简要地介绍了地形图和电子海图在语义、空间等方面的差异，重点在于阐述数据融合的思路和方法，而不是具体分析地形图和电子海图的区别；刘秋生[7-8]着重对海图与地形图上的海岸线、干出滩和干出线等的差异进行了分析，认为对于海岸线、干出滩和干出线定义以及测量的差异导致了区别的产生；申家双[9]等详细地比较了海岸带地区地形图和海图表示方法的各种差异，分析了产生这些差异的根本原因，认为新建海岸带地形图是消除地形图和海图差异的方法。

1 地形图和电子海图空间差异表现

对于陆地和海洋的地理要素，不同管理部门在不同规范中对其类别的划分方式不同。地形图要素分类方法为线型分类法，根据地理信息要素类别的从属关系依次分为大类、中类、小类、子类等，其中大类主要包括定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界、地貌以及植被与土质，其他类别均在此基础上逐渐划分开来[10]。对于电子海图来说，不同的规范对于地理要素分类分级的方法差别较大，国内常见的涉及电子海图分类分级等内容的标准包括HY/T075-2005《海洋信息分类与代码》[11]和GJB2680-1996《军用数字海图要素属性编码规则》[12]。国际上广泛使用的海图绘制标准为IHO S-57《数字海道测量数据传输标准》（以下简称S-57）[13]，该标准中将海图表达的内容分为160个海图地理物标，其内容涉及各种类型的航标、海岸线及岸线结构物、海底地貌、水文要素等。要比较相同地理要素在地形图和电子海图之间的差异，必须根据定义建立起相同或相似地形图要素类别与电子海图要素类别间的映射关系，从而比较其在空间位置和形态上的区别。

为了清晰直观地显示陆地和海洋地理要素的空间差异，以天津市的地形图和电子海图为例作比较分析。天津位于华北平原北部，东临渤海，北靠燕山。其疆域全长约为1 290.8 km，其中海岸线全长约为153 km，陆界全长约为1 137.48 km。天津地形图和电子海图统一采用WGS84坐标系，其中海图数据为000文件格式，比例尺最大为1∶5 000，最小为1∶150 000，采取自由分幅的形式；地形图数据为shape file格式，分为25个图幅，每个图幅比例尺统一为1∶2 000。获取二者的重叠区域，识别相同地物比较其差异。

1.1 陆地地理要素差异

根据S-57标准中对于海图地理要素的分类，电子海图中存在大量陆地上的地理要素，如地面地带、单体建筑、桥梁、渠道（运河）、检查站、栅栏线、防御工事、铁路、道路、筒仓/罐、喷泉、广场、隧道、植被、瀑布等。对于这些要素，电子海图只选取部分简要表示其轮廓及地理分布。

如图1所示，上层覆盖的为电子海图的地理要素类别“建筑区”，在地形图上与其相同地理位置所对应的为“砖石结构一般房屋”等建筑。可见在电子海图上，对于陆地上建筑一类的地理要素，只是概略表示其所在范围，不会详细描绘单独建筑的位置和轮廓。而在地形图上，会选取一部分主要建筑表示其轮廓和地理位置，并能将其分类详细到建筑物的材质和结构。

图1 电子海图建筑区与地形图砖石结构一般房屋

对于陆地上的水系来说，如图2所示，电子海图上地理要素类别为“湖泊”，指的是完全由陆地包围的大的水域，在地形图上对应位置的地理要素为“池塘”，是指比湖泊小的水体，一般而言，池塘是小得不需使用船只而多采竹筏渡过的。对于同一位置的同一块水体，电子海图统一将其划分为湖泊这一大的概念，而地形图上不光轮廓更为详细，对其类别的划分也更为细致。

图2 电子海图湖泊与地形图池塘

交通也是陆地上重要的地理要素，如图3所示，考虑到制图的重点和地图的载负量，电子海图对于道路的表示取舍量较大，只选择重要的若干条道路表示，而地形图上对于道路的表示更为丰富、详细。

也许是缘份，我有幸认识了几位画唐卡的喇嘛：长脸的大个子彭措，瘦骨清相大眼睛的旦增，英俊而憨厚的扎西，圆浑翘鼻子的次正，还有那个袈裟盖头的沉默的金巴。

图3 电子海图道路与地形图道路

1.2 海洋地理要素差异

电子海图中存在大量详细表达海洋内容的地理要素类别，如警告区、毗连区、大陆架、非重力流、关税区、深水航道中心线、深水航道部分、等深线、港池区、疏浚区、专属经济区、局部磁力异常、储木池、磁差、油障、警戒区、雷达线、雷达有效作用距离、雷达反射器、无线电呼叫点、无线电台、推荐航道中心线、调和常数预测潮流等。这类地理要素在地形图上一般不表达或只选择性地表达。

图4 电子海图海床区与地形图海域

如图4所示，在地形图上统一表示为“海域”的区域在电子海图上有着更为详细地划分，电子海图上将统一的海域范围根据其性质更为具体地划分出“海床区”，还有依自然性质划分的“大陆架”、以人文社会性质划分的“专属经济区”、“毗连区”等。除此之外更多的是电子海图上进行表达，而地形图上不涉及的地理要素。

1.3 陆海交界区域地理要素差异

陆海交界区域大部分为海岸带及其周围区域，这一区域自然资源丰富、交通发达，在航运、经济中具有重要地位，也是地形图和电子海图上地理要素差异表现最为明显的区域，如海岸线、岸线结构物等。

海岸线是陆地和海洋的交汇线，图5为地形图和电子海图上海岸线的比较，可以看出地形图和电子海图的海岸线位置并不是完全重合的，形状也存在差异，这与地形图和电子海图的测量绘制方法不同有关。地形图主要是采用航空摄影测量，受航片变形和水崖线的实时位置等因素影响，而电子海图主要采用测量仪器实地测量，二者的位置和形状自然会产生差异。

图5 电子海图海岸线与地形图海岸线

如图6所示，电子海图上的地理要素“岸线结构物”，是指建于水域和陆地之间的固定（非漂浮）人工建造物，地形图上相应位置为地理要素“码头”，是指海边、江河边专供乘客上下、货物装卸的建筑物。可见地形图和电子海图上这一地理要素的形状大致相似，但位置和面状符号的大小仍存在较大差异，其原因与产生海岸线差异的原因相同。除了码头之外，电子海图上岸线结构物对应的地形图的地理要素类别还有“堤”、“浮码头”等，也存在位置、形状、大小的区别。

图6 电子海图岸线结构物与地形图码头

1.4 陆海地理信息要素空间差异特征

通过对地形图和电子海图上陆地地理要素、海洋地理要素、陆海交界处地理要素进行对比，对陆海地理信息要素空间差异的特征和规律进行简要归纳和总结，可得出如下结论：

1）地形图和电子海图对地理要素的选取和表示有一定的偏重，地形图偏向表达陆地上的水系、居民地、交通等要素，而电子海图主要选取海洋中的海域、航标、障碍物等进行表示。对于这些类别的地理要素，二者表现差异很大，主要体现在对于要素选取的量和综合程度上，因此地理要素的数量和轮廓都存在很大差异。

2）陆海交界区域是陆海地理要素冲突最为明显的区域，主要是海岸带及其邻近区域。其主要地理要素类别包括海岸线及码头、堤等岸线结构物。这些类别的地理要素在地形图和电子海图上都很重要，因此都进行了较为详细的描述。

3）对于陆海交界区域的地理要素，其整体的形状轮廓大致相似，其区别主要体现在地理要素的位置和形态上。相同地物的位置存在偏差，对于线状要素和面状要素，其长度也存在区别。

地形图和电子海图上这些地理要素的空间差异都是表象，了解这些地理要素空间差异产生的原因，才能更好地认识和理解陆海地理信息数据，从而处理和解决陆海地理要素的空间差异。

2 空间差异原因及解决方法

由于陆海地理信息数据的测量和绘制由不同部门分管，二者在诸多方面存在差异，现对产生差异的原因进行总结并简要说明解决方法。

2.1 地形图和电子海图产生差异的原因

1）应用目的不同。地形图主要表现地表上基本的自然和人文现象的分布情况及其之间相互的空间关系，用于陆地资源的规划、设计、开发、利用等，因此对于海洋要素只是选择性地表示；而电子海图主要用于表达海洋及其毗邻陆地区域的要素分布情况，包括海岸、岸线结构物以及各种礁石、航标、水文现象等，主要用于指导航海的安全。由于航行对于相关海洋要素的位置精度要求较高，因此电子海图上的海岸线、障碍物等位置较为准确，轮廓更为细致。

2）测量方式不同。地形图主要采用实测及航空航天摄影测量方法；电子海图主要利用船舶进行海洋水深测量，对于岸线及岸线结构物采用实地测量。陆地测量主要用光学仪器，海洋测量主要采用声学仪器。无论哪种方法均存在误差，地形图和电子海图均根据其应用目的保证了重要地物位置的精确性。

3）制图表达方式不同。制图表达方式的差异不仅表现在地形图和电子海图使用不同的符号体系，也表现在其对于地理要素的选取和综合上。电子海图对陆地地理要素表示得比较概略，综合量较大，而对海洋要素表现得较详细。相反地形图对海域内容表示得较简略，综合量较大，而对陆地地理要素表示得很详细。

4）时相差异。在制图过程中，有时需要利用原有地图资料进行绘制，地形图和电子海图参考的绘图资料的新旧程度不同会导致地形图和电子海图对同类地物位置和形状的差异。而且由于电子海图需要用于保证航行安全，海图出版后对于有关航行部分的地理要素要定期进行修正，保持良好的现势性，而地形图的更新没有电子海图频繁，因此产生了差异。

2.2 陆海地理要素空间融合策略

要消除地形图与电子海图在空间位置和形状上的差异，得到完整统一的陆海地理信息数据，需要对地形图和电子海图进行数据融合。其要点在于同时保持二者的表达重点，得到满足需求、精确度更高、属性更为丰富的地理信息数据。对于陆地地理要素，地形图明显内容更为丰富，精确度更高，因此当产生空间冲突时，可删除电子海图上的陆地地理要素，保留地形图相应部分的地理要素。同理对于海洋地理要素，电子海图给予了更为详细的表示，可删除地形图这部分内容，保留电子海图上的对应内容。对于陆海交界部分的地理要素，考虑到地形图和电子海图各有优势与不足，为了得到精确性更高，现势性更好的数据，将该部分产生冲突的地物进行数据融合，包括同名实体匹配和几何图形合并[4]。