基于影像和矢量数据的三调界线数据更新方法

彭云璐 王新鹏 王晶晶 翟 曦 赵婷婷 邸欣丽

(1. 国家基础地理信息中心, 北京 100830;2. 北京师范大学 地理科学学部自然资源学院, 北京 100875;3. 国信司南(北京)地理信息技术有限公司, 北京 100048)

0 引言

全面准确地掌握全国土地利用现状及土地资源变化,摸清我国自然资源基础家底,是科学规划、合理利用、有效保护国土资源的基本前提。由于第二次全国国土调查结果受基础资料精度(比如,界线数据精度)等的限制,无法满足国土资源科学化、精细化管理的要求。为此,国务院于2017年组织相关部门进行了第三次全国国土调查。第三次全国国土调查以1∶5 000分幅地形图为基础、以省级行政区域为单位,进行土地利用现状及变化情况的分类统计工作,建立“国家-省-市-县”四级连通的国土调查数据库。

为了确保第三次国土调查期间土地利用现状、土地权属及变化情况等信息的准确性,需首先由国家统一制作并下发行政区域界线,包括标准分幅行政区域界线、陆地国界、零米线等矢量数据,并以此为基础确定各省级行政区域的控制面积。因此,对界线数据进行制作、分幅裁切和更新,是第三次全国国土调查中一项基础且重要的工作。

由于三调界线数据来源于众多单位,比如,国界线来自外交部提供的最新勘界资料,而零米线(含海岛)来自海军提供的最新海洋基础测绘成果,其数据格式、数据组织结构、精度等不尽相同,造成同一界线数据的描述与定位精度也不尽相同。因此,为了能够整合成统一的全国行政区域界线数据,需要结合影像数据对矢量数据进行拓扑检查更新、属性数据添加、图幅间界线数据接边等规范化处理,形成统一的矢量化界线数据。

然而,自第三次全国国土调查启动以来,相关学者虽在数据质量[4]、软件应用[5]、模型设计[6]等方面进行了大量研究,但仍缺少基于影像和矢量数据的三调界线数据方法。为此,本文以ArcGIS软件为例,提出了一种基于影像和矢量数据的三调界线更新方法,从而为全面准确地掌握全国土地利用现状及土地资源变化提供基础保障[7-12]。

1 三调界线数据更新思路

需要更新的界线矢量数据主要包括国界线、港澳台界线、省级界线、岛屿与零米等深线及县级调查界线等。各省提供的矢量化电子地图数据为1∶5 000比例尺标准分幅数据,包含线图层和面图层数据,提供的影像数据为1∶5 000比例尺标准分幅的高分辨率遥感影像数据。坐标系统统一采用“2000国家大地坐标系”,高程采用“1985国家高程基准”。

三调界线数据更新方法分为两类,基于影像的数据更新和基于矢量的数据更新。更新流程如图1所示。

图1 三调界线数据更新流程图

(1)基于影像的数据更新对象主要为沿海零米线和岛屿零米线数据。更新时,首选对这两类数据进行矢量化处理,然后判断影像与矢量化结果是否一致,如果一致,可继续更新;如果不一致,需要反馈回该界线主管部门及各省,重新进行矢量化采样或通过影像资料或现场核实,得出正确的矢量化结果;最后选择合适的方式及工具进行数据整合、属性信息检查修改、拓扑检查,进而完成基于影像的数据更新。

(2)基于矢量的数据更新对象主要是国界线数据、省级调查界线数据以及县级调查界线数据。数据更新前,首先检查原始数据与待更新数据的差异,明确更新内容,然后选择合适的方式及工具进行数据整合、属性信息检查修改、拓扑检查,最终完成基于矢量的数据更新。

本文数据更新操作均在ArcGIS软件中进行。

2 基于影像的数据更新

2.1 数据更新方法

基于影像的数据更新多用于更新沿海零米线、岛屿界线。在数据更新过程中,需要根据各省提供的最新高分辨率遥感影像及待更新矢量化电子地图数据,采用前期目视判读修改,后期拓扑辅助检查的方法,提取由于新修建人工岸(港口、码头)、围填海造地等造成的沿海陆域界线的变化情况,在此基础上完成数据更新。常规数据更新方法如下:

(1)陆地零米线更新方法：对于完全由影像数据矢量化得到的待更新陆地零米线矢量数据。将待更新数据和原有数据放在同一文件夹下,创建地图拓扑。使用“对齐边”或“对齐至形状”工具,使原始数据线、面两层数据同时匹配到待更新数据上,完成此处陆地零米线的更新,如图2所示。

(2)岛屿零米线更新方法：岛屿零米线与陆地零米线的不同之处在于大部分岛屿外围存在滩涂等要素。数据更新结果应符合实际情况,比如,不应存在岛屿要素在外,滩涂要素在内的情况;因水位上涨或降低导致的滩涂、岛屿的变化,需核实原图斑界线,按照常水位提取。数据更新时,采用“对齐边”或“对齐至形状”工具,使原始数据线、面两层数据同时匹配到待更新数据上,得到岛屿零米线的更新结果。

(3)新增岛屿更新方法：对于完全由影像数据矢量化得到的待更新新增岛屿矢量数据,首先生成新增岛屿线层数据,然后在此基础上,利用“线构面”工具生成岛屿面层数据,并添加线、面两层数据的属性信息,完成新增岛屿的更新。

(a)更新前 (b)更新后

2.2 特殊情况处理

上述方法虽能满足常规情况下的数据更新需求,但在更新过程中会出现下列几种特殊情况,针对不同情况,实际生产中需采用不同的解决方法来保证线面一致。

(1)待更新数据跨两个图幅。由于分幅矢量要素之间没有相互连接,所以不同图幅的待更新数据之间无法创建地图拓扑。针对此种情况,更新方法为：①新建线图层,将两幅图内的待更新线要素复制到新建线图层中;②使用“融合”工具,将新建图层中的两个要素融合成一个新的线要素;③使用“对齐边”工具将原始线层、面层数据同时匹配到新构建的线层数据上,最终使线层、面层保持拓扑一致,完成待更新数据跨图幅的更新。

(2)高分辨率遥感影像数据显示同一要素数据多处待更新。针对此种情况,根据影像特征,可利用粘贴融合法和常规更新法对其进行更新。粘贴融合法多用于更新范围小、要素边缘独立性强的数据。利用融合法更新数据时:①更新面层数据,首先将新增的变化图斑的面层数据复制到原始面层数据中,然后将新增要素与原有数据中相连接且属性相同的要素融合为一条要素,完成面层数据更新;②进行线层数据更新,将待更新的线图层复制到原有线图层数据中,合并属性相同的新旧线层数据,以完成线层数据更新。更新线层数据时,需要注意邻接数据的属性和数据的整体连通性、合理性。线层、面层矢量数据更新完成后,核检数据属性信息,完成此处数据更新。

(3)高分辨率遥感影像数据显示出的全新要素分布于多幅图幅内。针对此情况,更新方法为：先更新面层数据,将多幅图幅内的面层数据依次复制到原始数据中,然后利用“融合”工具融合多幅相同属性信息的要素;对于多幅图幅的线层数据,可以直接使用“对齐边”工具将原始线层数据拓扑贴合到新构建的面层数据上。面层数据与线层数据可同时利用粘贴融合法和常规更新法两种方式进行更新,使基于多幅影像数据的更新变得简单、快捷。

(4)线面不一致,线层数据出现冗余。针对此种情况,首先确认该线层数据是否闭合完整。如果原始线层数据拓扑贴合到新构建的面层数据后,线层数据最外侧边界线已经完整闭合,剩余未能拓扑贴合到待更新数据上的即为冗余线数据,如图3(b)所示。冗余数据删除方法为：首先在编辑模式下显示所有节点,然后删除该冗余线段的节点,最终使这部分未能拓扑贴合到待更新数据的冗余线段消失,完成此处数据更新,如图3所示。

(5)岛屿零米线与陆地零米线相连接。沿海地区填海造陆造成零米线扩张,导致沿海区域陆地与部分岛屿相连接,该部分岛屿应当纳入陆地范围。针对此种情况,首先新建用于存储连接岛屿的“桥”的面层数据,然后将影像中显示需并入陆地的所有岛屿与“桥”面层数据合并，如图4所示。

(6)岛屿零米线内相邻不相交的小岛相连接。在判读遥感影像的过程中,岛屿周边的礁石因水位变化,低潮时浮出水面,导致原始数据中相邻的岛屿出现了相连接的情况。针对此种情况应该补绘岛屿：①线图层勾绘岛屿之间的连接线,删除原始岛屿数据中与影像图斑不一致的岛屿线;②利用“对齐边”工具对原始面层数据进行拓扑延伸。如图5所示。

(a)更新前 (b)线层数据更新出现冗余 (c)更新后

(a)更新前 (b)更新后

(a)更新前 (b)更新后

3 基于矢量数据的更新

基于矢量数据的更新多用于更新行政区划的调查界线。常规情况下只需根据各省提供的更新矢量数据,运用 “对齐边”和“对齐至形状”两种工具,将提供更新的地理信息要素快速贴合到实际位置,完成基于矢量数据的更新。但常规更新会遇到几种特殊情况：

(1)单一面新增行政区划面,即在一个行政区划面中,新增一块其他行政区划面的飞地,如图6所示。更新方法：选中各省提供的更新矢量数据的行政区划面飞地,利用“分割面”工具,将新增要素面分割出来[如图6(c)中的要素3],更改相应属性信息,完成新增行政区划面的更新。

(2)单一行政区划面被划分,即某行政区划面被分成两个行政区划面。如图7所示,要素1、2为相邻两个行政区划面,要素3为各省提供的更新矢量数据,要素1中划分出了要素3,但要素2不涉及行政区划面的更改。更新方法:首先对相邻两要素面进行空间拓扑检查,着重注意图7(b)中加粗边界处是否存在空间拓扑问题,若无拓扑问题,叠加各省提供的更新矢量数据并进行矢量数据分割,更改相应属性信息,使要素1的行政区划面一分为二。

(3)多个行政区划面内生成新的行政区划面,如图8所示,在要素1、2、3中,生成了新的要素5,其中图8(b)中加粗部分为要素4、5的公共边界,本次更新只有此公共边界没有发生行政区划界线的改变。此种情况更新方法：首先将要素5复制到原始数据中;然后使用裁切工具将要素1、2、3与要素5的重叠部分删除;最后,对要素4、5的公共边界进行空间拓扑检查,确保公共边界无拓扑问题,并增加相应属性信息,完成跨多个行政区划面新增行政区划面的工作。

(4)行政区划面面积扩充,如图9所示,要素1的行政区划面面积扩展到了要素2内。此种情况更新方法：叠加各省提供的更新矢量数据,通过“边对齐”工具更新数据,完成行政区划面面积扩充的更新。

(5)原有的行政区划面消失,消失的行政区划面融合到其他行政区划面中。如图10所示,原本存在的要素1根据实际界线调查结果被分到要素2和要素3内。更新方法：根据各省提供的更新矢量数据,使用“分割面”工具,将要素1一分为二,被分割的两部分行政区划面,通过“融合”工具,融合到相应行政区划面内,完成行政区划面的变更。

(a)常规行政区划面 (b)各省提供的新增行政区划面 (c)新增行政区划面

(a)常规行政区划面 (b) 各省提供的新增行政区划面 (c)行政区划面被一分为二

(a)常规行政区划面 (b) 各省提供的新增行政区划面 (c)生成新的行政区划面

(a)面积扩充前 (b) 各省提供的新增行政区划面 (c)面积扩充后

(a)面积分割前 (b) 各省提供的新增行政区划面 (c)面积分割后

4 结束语

第三次全国国土资源调查结束后,每年都需要变更部分沿海零米线和县级调查界线数据。本研究经过历年实践,在总结了所有可能出现界线数据更新情况的基础上,提出了基于影像和矢量数据的三调界线更新方法。该方法通过了相关部门的质量检查,能够快速、准确地实现国界线、港澳台界线、省级界线、岛屿与零米等深线及县级调查界线数据的整合与更新,确保了三调界线数据的真实性、准确性和可靠性,对第三次全国国土调查界线数据的后期检查及变更调查具有重要意义,能够进一步提升国土管理的精准化水平,促进经济社会的可持续发展。

本文讲述的方法是由作者经过多年实践总结而得,虽相对成熟,但在操作过程中,要求数据处理人员具有丰富的数据生产经验,同时要对数据有一定的了解和辨别力,从而在一定程度上限制了该方法的推广。