国土空间规划背景下水域划界定线方法研究

吴启凡，黄文虎，梁 炎

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都611130；2.中国移民研究中心，江苏南京210098)

国土空间规划是国家空间发展的指南、可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本依据[1]。建立国土空间规划体系并监督实施，实现“多规合一”，强化国土空间规划对各专项规划具有指导和约束作用，是党中央、国务院做出的重大部署[2]。随着国土空间规划以及第三次土地调查进程的不断推进，各类土地划界定线问题也得到了社会各界的高度重视，应“多规合一”的基本要求，各行业规划内容需在“一张底图”中完成，这就给各行业不同地类界限划定提出了更高要求[3- 4]，尤其是在水域边界划定方面更加困难。本文将针对涉水地区水域边界地类复杂、界线模糊等特点，具体分析国土空间规划背景下水域划界方法，以广东省阳江市BJ港测绘项目为例进行具体研究[5- 6]。

1 无人机数据采集

本文所选用的飞行器为大疆“悟”系列多旋翼无人机DJ—INSPIRE2 T650，无人机质量为3 290 g，单轴推力19.6 N，该地区风阻25.48 N，故该型号无人机可满足该沿海地区抗风阻要求；该型号无人机最大飞行速度108 km/h，最大爬升速度6 m/s，满足高速航测基本需求；无人机通过电子云台搭载CineCore 2.0 X5S镜头，可实现每秒20帧单张2 400万像素无限连拍，满足高速航行中稳定数字影像采集需求[7- 8]。

本案例中共利用无人机设备在BJ港测绘区采集航测影像128张，通过PIX 4D mapper软件进行图像筛分域拼接得到如图1所示BJ港测绘区全貌图，影像中黑色区域为海洋，灰色区域为植被，白色区域为沙地。为便于具体分析说明，本文选取图1所示方框中区域进行具体研究，该区域航测影像如图2所示。

图1 BJ港测绘区全貌

图2 研究区航测影像拼接

2 划界定线方法概述

本文利用ESRI ArcGIS软件从无人机航测数据中提取沿海区域数据进行具体分析，基准坐标采用2000国家大地坐标系。研究的总体思路是：先通过色块识别对不同地块(水域)做一个初步的分类；再将不同地块(水域)交界或边界用多段线标记，多段线图层在ESRI ArcGIS中可以编辑，便于后期处理，以修正得到最终精度更高的地块(水域)边缘多段线[9]。

为了实现高效测绘要求，在不进行人工数字化的情况下从图像中提取矢量多段线，需先将光栅图像分类并创建主图层。分类原则主要依据各地块(水域)的光栅图谱，在相同图谱区间的色块识别为相同基础色，运用ESRI ArcGIS分类分析工具中的“实用程序”，选择“将栅格转换为图像”，从下拉列表中选择图像，即可得到如图3所示经过预处理的光栅图像地块(水域)分类图[10]。

图3 光栅图像地块(水域)分类

然后将生成的图层从栅格图像转换为多边形，将多边形进一步转换为折线；再从中提取该折线作为边界线[11]。为了执行分类功能，需要在原有ESRI ArcGIS软件中加载“分类分析工具”脚本，通过格式转换、创建签名文件、图像分类、分类聚合、将栅格转换为多边形、将多边形转换为折线等方式，最终提取地块—水域边界线，得到沙地与植被间(白色与灰色图块间)加粗多段线，即海岸线地块—水域边界线(见图4)。下文中将具体论述基于ESRI ArcGIS软件的划界定线方法。

图4 划界定线示意

3 水域边界采集方法研究

3.1 格式转换

基于ESRI ArcGIS软件加载图像并进行分类。分类分析工具要求图像必须是栅格图像。非栅格图像格式需进行格式转换。在分类分析工具加载“实用程序”工具，选择“转换为栅格图像”，并在下拉列表中选择图像完成图像格式转换。

3.2 创建签名文件

使用分类分析工具对图像进行分类必须创建签名文件。从分类分析工具的下拉菜单中选择“签名创建器”，可以列出有监督或无监督的分类选项，需将所有元素“初始化”，即选择“无监督分类”选项卡，并选择要分类的图像文件，输入迭代次数、有效类别中的最小单元数、采样间隔、输出签名文件名，以完成签名文件创建。

3.3 图像分类

图像创建签名文件后即可进行图像分类。即：从“分类分析”工具菜单中选择“分类”，加载要分析的图像，选择刚刚创建的签名文件，输入输出文件的位置及输出文件名，并将新图像加载到数据框中。该过程中数据框最多可以加载25个类，如果分类过多需要运用“Spatial Analyst”工具进行聚合(重新分类)以使分类总数小于25个。

3.4 分类聚合

该过程是“划界定线”的关键步骤，若原分类数量较多，可使用“Spatial Analyst”工具对图像进行重新分类。从“Spatial Analyst”菜单中选择“Reclass”工具，选择“Input Raster”和“Reclass Field”功能，并提供新值以将旧类聚合为更少的新类，选择输出栅格位置并输入新的名称以完成聚类。

划界定线的最终目的是划分地块—水域的边界线，那么，只要将待划界区域的地块类别逐渐聚合至两个类别，即可更清晰的确定两者的边界，以更有效的实现划界定线[12]。本文所述案例，按地块划分依据可聚类为15个地块(水域)分类，如图5所示；按本文所述方法，最终将测绘区域聚合为两个类别，即可得到如图6所示的分类效果。

图5 初步分类工作空间

图6 最终聚类工作空间

3.5 将栅格转换为多边形

要提取水域的边缘，还需要使用“Spatial Analyst”工具将栅格图像转换为多边形要素。首先从“Spatial Analyst”菜单中选择“Convert”工具；再选择“Raster to Feature”；然后从“Raster to Feature”对话框中选择“Input Raster-Field”，输出几何类型(多边形)，并选择输出位置和名称，完成将栅格转换为多边形。

3.6 将多边形转换为折线

要提取水域分界线，必须将多边形转换为折线；这样便可高效提取水域交界处折线作为分界线。本文运用XTools Pro 2.2来实现该操作(XTools Pro 2.2是ESRI ArcGIS 8.x以上版本配套的扩展插件)。首先，选择要编辑的多边形，在ArcMap菜单栏中运用“工具”下拉菜单中的XTools插件，选择将多边形转换为折线。新的折线将自动添加到ArcMap的数据框中作为新的图层，以便边界线单独编辑修正。

3.7 水域边界校准

上文中所提取的边界线几乎可与实际水域边界相吻合；但在航测过程中，无人机航测影响也可能受到气候、地上物等外界因素的影响，造成影像数据模糊引起误差；也可能由于河滩地分布分散，形成如图7所示的多个区域，部分小块区域被单独提取[13]。针对这种情况，需要以人为干预的方式对水域边界进行筛分与修正。这也优化了边界提取的精度校准功能。(地块)水域边界线编辑主要使用ArcGIS中的“编辑器”工具。即，在“编辑器”菜单中，选择“开始编辑”，选择包含要编辑文件的文件夹，选中要编辑的折线，以此将编辑工具激活。在编辑过程中，若发现原有折线不是连续完整的多段线，可通过草图捕获工具完成边界抓取与连接；最后从“编辑器”下拉菜单中选择“保存编辑并停止编辑”来保存编辑成果，即可得到经过修正后的水域边界线(见图8)。

图7 划界定线初步成果

图8 划界定线最终成果

由图8可知，通过人工干预，可有效去除多余边界线，同时实现水域边界的连接与修正。地块边界线基于原图层生成多段线，人工操作工作量小，输出成果效率相对较高，输出成果与实际边界线相吻合。

4 结论与展望

本文在航测数据采集过程中选用的飞行器为大疆“悟”系列多旋翼无人机DJ-INSPIRE2 T650，在抗风阻、高速航测、稳定数字影像采集等方面均能满足要求。无人机航测效率高，受天气因素影响相对较小，操作灵活且节约人力成本，综合应用效果较好。本文所采用的数据处理软件为ESRI ArcGIS软件，该软件普适性较高、数据接口较好，符合目前国土空间规划时间紧任务重，并需基于第三次土地调查数据的要求；在技术手段上，基本操作过程主要通过格式转换、创建签名文件、图像分类、分类聚合、转换多边形、换折线图层等完成，最终实现水域边界线的提取，是基础技术手段的有效结合，便于各行业技术人员尽快熟悉该方法和原理，并投入国土空间规划工作。根据本文所述案例，运用该方法实现水域边界划定效率较高，且实际应用效果较好，符合水域边界实际情况。综上所述，本文所选用的数据采集工具、软件平台、技术方法均能满足国土空间规划地块(水域)划界需要，与当下规划需求及技术基础相匹配，普适性较高，应用效果较好，具有一定的研究及推广意义。