海陆空间信息一体化集成共享研究与应用

2021-03-26吴秀芸王海江梁寒冬付蔚霞

地理空间信息 2021年3期

吴秀芸，王海江，梁寒冬，付蔚霞

（1.宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315042）

海洋是地球生命的摇篮，是人类生存与可持续发展的重要空间，是未来社会经济发展规划的重要领域[1]。21世纪是海洋世纪，许多国家都在制定全新的海洋发展战略，我国对海洋的开发利用也进入了一个崭新的阶段。随着我国“21世纪海上丝绸之路建设”、“互联网+”等的深入实施，海洋信息技术在海洋强国战略中的地位越来越突出[1]。加强海陆信息化资源整合，加快海洋信息成果转化，实现海陆一体化统筹开发利用，已成为推动海洋事业发展的重要抓手。

宁波市作为海洋大市，拥有辽阔的海域面积和丰富的海洋资源，全市海域总面积为8 233 km2，岸线总长为1 594 km，约占全省海岸线的24%。本文以宁波市为例，创新性地提出并研究了海陆地理空间数据整合技术，制定了海陆统一的数据格式、空间基准和分类编码，消除了海陆数据在空间位置、属性结构等逻辑上的差异性，解决了目前存在的海洋与陆地地理信息无法集成共享的问题，实现了多源异构海陆数据的有机融合，并在此基础上搭建了海陆一体化共享服务平台，为各级海洋业务应用提供了统一的空间信息协同共享服务框架。

1 海陆数据融合

海陆地理空间数据整合的关键是解决数据之间存在的格式差异、空间基准差异、语义差异和几何位置差异等。本文研究了多源海陆地理空间数据整合技术，基于一定的地理空间数据标准、语义和空间位置一体化数据模型对海陆数据进行基础转换、地理对象提取和融合处理，形成了覆盖全域全要素的海陆一体化地理空间数据。

在遵循国家和现有行业标准的前提下，首先对输入的海陆地理空间数据进行标准化，包括数据格式的统一和空间基准的统一，以实现海陆数据的初步互通；然后根据数据类型（矢量和栅格），分别采用相应的地理空间数据融合方法消除海陆数据之间存在的差异，实现海陆数据的一体化管理。具体技术流程如图1所示。

1.1 统一空间基准和格式

空间基准的统一是空间地理数据处理的基础，是实现海陆一体化融合的关键。首先将不同数据的投影坐标系转换为地理坐标系（CGCS2000），将高程数据统一归算到1985国家高程基准，将水深数据统一归算到理论最低潮面（理论深度基准面）；再进行数据格式的统一，由于数据获取方式的多源性，采用不同的数据生产平台，就会产生不同的数据格式，进而拥有不同的数据模型，这对实现数据的交换、共享和一体化管理带来了很大困难[2]，为了便于今后数据在各部门之间的共享交换，统一采用Shapefile作为标准的矢量地理空间数据格式，tiff作为标准的栅格数据格式。

1.2 矢量数据融合

图1 技术流程图

1）海陆地理要素属性编码整合。由于海陆矢量数据分别采用不同的分类编码标准，导致其在语义上存在异构，无法进行数据交换和共享。目前国内还没有统一的海陆一体化数据分类编码标准，为了实现数据的一体化管理，本文以GB/T 13923-2006《基础地理信息要素分类与代码》、GB/T 20257.1-2017《国家基本比例尺地图图式第1部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图图式》、GB/T 20257.2-2017《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》、GB/T 20257.3-2017《国家基本比例尺地图图式第3部分：1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000地形图图式》、GJB 2680-96《军用数字海图要素属性编码规则》、GB 12319-1998《中国海图图式》等标准规范为基础，设计了新的地理要素分类和编码体系，对地理要素进行编码整合，即给地理要素赋予相应的统一编码表示方式。按照从属关系，本文将地理要素分为陆域/海洋类、大类、中类、小类和子类。分类采用线分类法，分类代码由一位字母符号和10位十进制数字组成，分别为门类码、大类码、中类码、小类码、子类码、要素码、几何特征码和图形特征码，门类码即陆域/海洋分类码，大类、中类、小类与GB/T 13923-2006《基础地理信息要素分类与代码》保持一致，子类和要素根据海洋信息管理需要进行扩充（图2）。对各类数据进行重新整理、归类分级、属性编码和数据分层，消除海陆矢量数据语义上的差异，建立海陆空间数据库的标准化体系，为实现海陆数据一体化管理和海陆数据相互转换共享提供依据。

如图2所示，第一位为门类，即陆域/海洋分类码，L表示陆域类要素，H表示海洋类要素；第二位为大类码；第三位为中类码，是在大类基础上细分形成的要素类；第四、五位为小类码，是在中类基础上细分形成的要素类；第六、七位为子类码，是在小类基础上细分形成的要素类；第八位为要素码，是在子类基础上细分形成的要素；第九位为几何特征码，用于标识要素的几何特征，其中点为[1、2]、线为[3、4]、面为[5]、注记为[9]；第十、十一位为图形特征码，用于标识要素的图形特征，代码参见GB/T 13923-2006《基础地理信息要素分类与代码》。

图2 海洋地理信息要素分类代码结构

2）海陆数据空间融合。海陆数据空间融合是对海、陆地理空间对象的部分或全部特征属性进行匹配，实现地理空间对象的整合和唯一表达的过程。首先通过地理对象位置匹配和属性匹配的方法，确定海陆重叠区域内的相同地理要素并进行合并，以消除海陆矢量数据之间存在的几何位置差异；再重新建立拓扑关系；最终实现海陆数据之间的相互转换和共享。利用位置特征对海图和地形图重叠区域进行计算匹配[3]，若两个地理空间对象之间的距离小于给定阈值，则认为这两个地理空间对象为同一对象并进行整合，同时对比遍历各个地理对象，比较对象属性信息的一致性，判断是否为同一个地理空间对象。

在绘制确定空间对象图形结构时，应充分考虑地物在海图和地形图中的代表性和详细程度。例如，海图和地形图都对海岸带区域的海洋和陆地部分进行表示，但二者表示的差异较大，地形图对海岸带附近的居民地、地貌和道路的表示比海图更详细、准确，而海图对滩涂的表示比地形图更详细[3]，因此在实现海陆一体化的过程中，居民地、地貌和道路应选择地形图中的数据，滩涂则应选择海图中的数据。对于无法进行优先级别筛选的情况，本文采取特征点融合的方法，对每条同一个地理空间线实体进行简化，只保留其特征点，融合成新的对象图形来更准确地记录对象的结构特征（图3）。

图3 特征点融合技术

1.3 栅格数据融合

对于影像等栅格数据，本文采用改进的SIFT特征提取和匹配方法进行配准。考虑到SIFT特征的多量性，首先可对大幅面的图像进行重采样，并提取特征点；经过全局参数优化后，再把匹配点的坐标按比例传递到原始图像的坐标系下，求取原始图像的变换模型参数；然后把待匹配图像变换到参考图像坐标中，进行插值和重采样；最后进行拼接、调色和切割处理，得到海陆一体化栅格影像。栅格数据融合流程如图4所示。

图4 栅格数据融合流程图

2 平台共享应用

目前，该研究成果已被成功应用于实际工程项目中，实现了宁波市电子地图、影像、水下地形、滩涂、海岸线、海堤、海岛、码头和海域行政界线等陆地、海洋地理数据的有机融合；并在此基础上搭建了宁波市海洋基础地理信息库管理平台，实现了海洋信息的统一管理、查询统计、服务发布和共享交换，为全市各级海洋部门业务应用提供了统一的空间信息协同共享服务框架。平台的主要功能包括：

1）海陆一张图展示。平台提供了海陆一张图展示服务，包括融合后的海陆一体化电子地图数据、影像数据等，并可在各类地图数据中进行自由切换，方便地图浏览和漫游。

2）海洋专题信息查询。平台提供海洋分类信息查询和结果展示功能，支持全图查询和框选查询两种查询方式，如通过输入关键字“山岛”，可在地图上定位到梅山岛，并显示详细信息；还可进行海洋专题信息的统计分析，如统计全市海岸线长度，固定区域海岛类型、面积、个数等。

3）海洋信息分层管理。平台提供海洋信息分类管理功能，滩涂、海岸线、海岛、海堤等海洋专题信息以专题图层的形式叠加在基础地理底图上，地图和专题要素浏览时，可任意选择或自由切换图层，实现对海洋专题数据的集中展示和分层管理[4]。

4）海陆空间数据发布共享。平台提供各种地图和海洋专题图层的注册发布功能，各区县（市）海洋管理单位制作的专题图层可注册到系统中，通过服务接口的方式，在各级应用系统中形成统一、标准和共享的GIS服务[5]，以实现地图资源的共建共享。

5）后台配置维护。后台可对数据应用情况进行跟踪监控，详细记录用户的使用情况[6]，并对用户权限进行分配和控制。不同的用户拥有不同级别的数据访问能力和功能模块使用权限[7]。