陆海一体化基础地理信息产品研制关键技术.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：陈炜，刘西宁，蔡梦雅，等.陆海一体化基础地理信息产品研制关键技术J.海洋测绘，2 0 2 343（3：7 8-8 2.D01:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.017海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023陆海一体化基础地理信息产品研制关键技术陈炜1,2.3,刘西宁1,2 3,蔡梦雅1,2,3,邝晗宇1,2,3（1.中国地质调查局广州海洋地质调查局三亚南海地质研究所，海南三亚57 2 0 2 4；2.中国地质调查局南海地质科学院，海南三亚57 2 0 2 4;3.自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州511458）摘要：为提升陆海地理信息一体化应用能力，在深人分析陆海统筹测绘地理工作现状和新形势下陆海一体化规划、管理、保护等应用需求的基础上，提出以陆海一体化产品模型设计、陆海地理信息集成优化、重要要素信息更新、产品规范制图表达为主线的总体研究思路，研发了陆海地理信息一体化集成、面向工程的海洋要素综合采集、图库一体化制图表达等主体技术方法，用于研制三亚市海岸带陆海一体化基础地理信息产品。结果表明：该方法有效解决了陆海数据整合集成、更新优化、统一表达等关键技术难题，实现了陆海一体化地理信息产品快速研制和精确制图，研究成果能够在海岸带生态保护修复、国土空间规划、自然资源管理等方面发挥重要作用，并为陆海统筹地理信息资源建设及相关工作提供参考。关键词：基础地理信息；陆海一体化；整合集成；更新优化；制图表达中图分类号：P281 引 言地理信息是重要的基础性、公益性、战略性信息资源，形成的各类数据成果已成为推动信息化发展的重要基础1-2 。随着社会经济的快速发展和信息技术的长足进步，日益旺盛的地理信息需求对基础测绘成果提出了新的要求3-4。通过继承和发展，构建新一代基础测绘成果体系和服务模式，促进测绘地理信息与自然资源业务深度融合已成为共识5-7 。当前，自然资源部高度重视信息化建设，提出要以全覆盖、全要素为目标，整合已有陆海测绘成果,构建陆海相连、相互关联的基础数据。但长期以来，陆海测绘在建设机制、技术标准和应用模式上各成体系，导致现有数据成果互联、互通、共享协同不够,限制了陆海地理信息的一体化应用能力。唐文静针对陆海地理空间矢量数据融合问题,对不同来源海图、陆图的差异性及其几何融合、编码融合、融合不确定性等进行了研究，但未设计新的数据模型,整体技术方法与实际应用存在一定距离7 。文献8 对陆海地理信息数据融合所涉及的基准统一、语义融合、空间融合等技术，进行了全面归纳和总结，指出陆海地理信息工作需要从技术和管理两方面加收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 0；修回日期：2 0 2 3-0 1-0 3基金项目：三亚崖州湾科技城科技专项（SKJC-2022-01-003）；中国地质调查局地调项目（DD20230405）；自然资源部专项业务费项目（12 130 0 2 9）。作者简介：陈炜（1991-），男，陕西汉中人，工程师，硕士，主要从事陆海统筹测绘地理信息集成建库研究。文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 7 8-0 5以推进。文献9 面向浙江省级陆海地理信息融合的技术难点,提出了基于空间相似性的同名实体匹配和基于数据特征的要素融合方法，通过试生产实现了陆海基础地理信息的无缝融合，为陆海地理信息集成建库提供了实践经验。文献10 为实现陆海地理信息融合和一体化显示,提出了陆海数据一致性处理、融合要素编码与符号设计等关键技术,对某近海区域进行了陆海融合制图示范性研究。虽然陆海地理信息融合与制图表达技术研究取得了一定成果，但基本是针对一定条件或具体应用问题提出的解决方案，尚未形成陆海一体化地理信息建设的基本理论框架、数据模型及方法体系。围绕陆海一体化规划、管理和保护等,对陆海地理信息服务内容、方式和能力提出的新要求，丞待研究破解陆海地理信息整合集成、更新优化、统一表达等关键技术难题。本文针对上述问题，深入分析陆海测绘地理信息工作现状和陆海一体化管理应用需求，查找存在的差距,厘清待解决的核心技术问题,提出工程应用研究思路。通过立足已有工作基础，协调测绘、海洋数据标准,研究设计了陆海一体、有效衔接、内容完整的基础地理信息产品模型,形成了陆海一体化产品研制关键技术方法，并进行了技术验证及综合性第3期生产试验，力图为陆海统筹地理信息资源建设及相关工作提供参考。2总体研究思路与地形图、海图等数据相比,陆海一体化基础地理信息应提供统一的空间框架、唯一的要素编码和完整的信息表达，能够较好地刻画或反映海岸带区域自然资源现状及开发利用格局。为解决陆海数据整合集成、信息更新、统一表达等问题，本文以“陆海一体化产品模型设计、陆海地理信息集成优化、重要要素信息更新、产品规范制图表达”为主线，开展并完成陆海一体化产品研制关键技术研究。2.1陆海一体化产品模型设计基础测绘积累了丰富的数据成果，产品设计应立足已有基础，在基础地理信息体系框架下进行继承和发展，横向包含陆地及海洋，纵向涵盖地表、水下和地下,实现地理空间上要素的统一表达。其次，产品内容能够基于已有数据资料、技术手段和仪器设备，通过资料整合、补充完善和采集获取的方式实现,产品生产技术路线和标准具有可行性,相应指标在现行技术体系和应用需求下设置合理。同时结合自然资源管理新需要，在要素自然属性基础上突出资源属性和生态属性。具体模型设计流程见图1。基础地电子真他相管理应法律形图海图关资料用需求规范涉海要素选取增加涉海要素内容、对原有部分要素内容产进行补充和调整品设计逻辑框架产品规格坐标系统、平面及高程精度、现势性、可扩展性、数据接边等数据组织数据分层、属性项名称及定义、属性表结构与内容、数据组织与格式等要素选取与表达要素选取与表示要求，要素分类、内容与选取指标陆海一体化基础地理信息DLG产品设计方案图1陆海一体化产品设计流程示意图为此，应分析中央、部委、沿海省份的涉海工作动向、工程项目和重点工作，着重从已有涉海法律法规、标准规范、数据成果中，选取部分重要海洋要素，对基础地理信息要素分类与代码中定位基础、水系、居民地、交通等8 大类要素进行补充。基于地形图逻辑框架,完成产品规格、数据组织、要素选取与表达的具体规定,形成陆海一体化产品设计方案。2.2陆海地理信息集成优化长期以来，我国陆地和海洋地理信息建设各成陈炜，等：陆海一体化基础地理信息产品研制关键技术2.3重要要素信息更新陆海一体化涉海要素主要包括海洋定位要素、地理要素、生态要素和设施要素。不同海洋要素具备不同的空间位置、属性、空间关系和时间特征，是重要的空间载体和知识存量。海洋地理要素集中反映了空间上地理景观格局和自然条件，具有基础稳定的特点,如地形、地貌和底质；海洋生态要素是以海洋生物群落为基础，形成的具有特殊资源价值和生态价值的生态系统，易受人类活动威胁而又承载重要服务功能，如珊瑚礁、海草床和红树林；海洋设施要素则以海洋科学研究、海上交通运输、海洋工程建设等相关附属设施为主体，构成的重要海洋要素类别，如海洋养殖设施、海洋观测设施和助航标志。设计思路和原则近年来,随着大数据、云计算、移动互联、智能处理等关键技术的发展，较大提升了海洋要素信息获取和处理能力，为重要要素信息更新提供了技术保障。因此,应明确各类要素的采集内容、要求及技术指标，依托海洋测量平台与装备，统筹利用现有技术手段,在兼顾效率与成本的同时,研究面向工程的海洋要素采集获取技术方法，为产品研制奠定技术保障。2.4产品规范制图表达不同于计算分析的地理信息，制图信息是符合制图规范和人类视觉要求的可视化数据。产品制图主要依据建库数据和制图数据之间的对应性,通过对GIS几何数据的符号化结果进行编辑制图,实现地理信息的图形表达。因此,应针对产品要素内容和选取指标，建立陆海一体化产品制图规则，明确要素符号化表示、要素表示层次关系、要素间避让关系、注记表示规则、图廓整饰规则等。同时，要实现数据的自动符号化配置，在地形数据属性项中存储制图表达规则,以要素属性项驱动制图,将地形数据中的点、线、面要素及属性信息转化为地图符号，属性项中的名称79体系,形成地形图、海图两种形式，二者在标准、技术、生产组织等方面存在诸多差异，给陆海数据的集成应用带来较大困难。综合利用陆海地理信息数据，首先要进行多源数据标准体系和精度尺度一致性集成处理,形成规范化的陆海数据整合集成技术。一是开展不同比例尺的陆、海图高精度相互转换,厘清数据格式、坐标体系、语义、分层编码、属性等方面的差异，建立可实现的转换规则和技术方法,形成不同比例尺陆海地理信息转换方案；二是进行多源陆海地理信息的集成优化,解决数据一致性问题，通过评估不同来源数据集成优化的可行性，构建多源数据集成优化处理技术方法，为统筹利用陆海测绘地理信息奠定基础。80或说明文字转换为地图注记。在此基础上，创建陆海一体化地图数据编辑模版，根据制图数据生产要求，进行一体化制图编辑，解决相邻地物符号之间重叠压盖现象，实现要素符号化和图廓外整饰编辑。3关键技术方法3.1陆海地理信息一体化集成研发了陆海地理信息高精度转换、集成优化等系列处理工具和方法,首先对地形图、海图的特点和差异进行分析总结,提炼出二者在要素类别、要素表示或取舍、分层编码、属性等方面的异同点。针对分类分层编码、属性结构、要素表达方式等重要转换内容，设计了陆、海图要素映射转换规则和技术流程，见图2。其中,空间基准统一和语义正确映射是陆海要素相互转换的重要前提。因此，根据数据特点选择合适的参数转换模型和方法，进行坐标系统和地图投影转换,采用19 8 5国家高程基准,基于不同区域高程与深度基准面的改正关系,实现陆海数据高程和深度基准的统一。语义映射贯穿要素的分类分级、编码统一、属性融合等过程,通过要素及其属性语义分析，利用拆分、整合的方式建立语义映射关系，形成不同尺度陆海数据分层编码对照表,继而按照地形图要素分层编码方式,实现对海图物标的重构。陆域地理信息海域地理信息数据差异分析空间基准统语义映射陆海地理陆海地理信息转换数据质量控制体系信息整合一体化集成优化集成同名实体匹配几何与属性融合图2 陆海地理信息一体化整合集成方法示意图其次考虑到陆海要素表达差异对数据转换的影响，提出了逐物标转换、几何降维、几何升维的处理方法，解决几何表达一致性问题。进一步对要素属性结构中名称不同但含义及要求相同或相近的属性,进行了映射及补充,完成属性结构的重构和融合处理。在陆海地理信息转换基础上，采用精度无损失变换、顾及要素语义分析等方法，进行多源数据匹配、投影转换、语义映射等处理，实现异质数据格式和基准的统一。按照陆海一体化产品分类编码体系和数据组织结构,通过陆海要素语义映射关系的同名实体匹配、数据几何与属性融合、几何拓扑处理、空间关系与逻辑一致性处理等，实现陆海地理信息海洋测绘数据有效集成,使数据在现势性、准确性、丰富性等方面均得到提升。3.2面向工程的海洋要素综合采集从每一类海洋要素特点出发，梳理测量平台装备、理论技术、标准规范等现状情况，分析高新技术发展以及在测绘领域不断渗透,对海洋要素采集、处理、分析、表达、管理及成果服务的重要影响。围绕产品设计内容和指标要求，从“天空地海网”协同化技术保障、数据获取、融合“算法、知识、服务”的信息处理、信息更新等方面，系统研建面向工程应用的海洋要素综合采集获取技术，见图3。“天空地海网”协同化技术保障卫星观测航空遥感标准规范海底地形海底底质海底管线海岸带生态要素海洋养殖海洋设施测量融合“算法、知识、服务”的信息处理装备多源遥感数据处理人机协同智能提取“样点”数据处理质量控制与精度检核反映结构和功能的数据成果高分辨率海底地形海底表层底质数据 海洋专题调查数据海洋设施数据技术指标图3面向工程的海洋要素综合采集获取技术体系示意图海底地形反映了海床的起伏变化,是基础性海洋要素信息，利用船载单波束/多波束测深系统开展水海洋专题数据遥感影像数据语义映射规则分层分类对照表陆海一体化产品模型拓扑处理逻辑一致性处理第43卷船基测量实地调查海洋要素信息获取陆海一体化产品信息更新水深信息底质信息深测量，在精确测定船姿、方位以及换能器和GNSS天线实时位置的基础上,通过相对位置归算获得高精度的瞬时三维起算基准,结合在航声速声线跟踪量测水下测点的三维坐标11-12 。海底底质是海洋工程建设、资源勘查的基础保障信息，研究表明利用多波束声强信息能够正演海底底质类型，通过构建基于多波束声纳图像的智能底质分类方法,将多波束声纳图像纹理特征与海底地形信息共同引入底质分类计算过程，结合一定数量的海底表层沉积物原位取样，实现未知海底沉积物类型的大面积底质分类13。珊瑚礁是典型的海洋生态系统，受地理分布特点、地形地貌和生长环境等因素影响,往往单一的调查方法难以准确确定珊瑚礁位置、范围及类型14-15,在利用侧扫声纳系统获取海底目标物纹理特征基础上,结合珊瑚礁调查断面上一定数量采样点的水下视频、图像信息验证，获取珊瑚礁的相关信息。海洋养殖是人类定向利用海洋生物资源的重要途径,开展近岸海水养殖区域的快速、准确制图和监测评估意义重大。通过面向对象的海洋养殖遥感信息提取，顾及分类对象的像元统计特征及几何特征,结合养殖相关属性调查数据，实现近岸养殖信息的高精度获取。海底管线是能源输送和供给的基础设施，原位采样海洋专题信息其他图层信息第3期受海流冲刷或地质灾害等影响，可能会不同程度的出露、悬空、变形或断裂，高效准确地获取管线路由空间位置和状态信息尤为重要16 。综合分析测区水深、地貌、海洋活动、背景场复杂程度等特点，并充分考虑海洋地球物理探测的多解性,采用侧扫声纳扫测、多波束测深、海洋磁力测量等综合探测方式，结合已有相关资料，获取管线路由的空间位置信息。3.3图库一体化制图表达陆海一体化要素符号立足地理信息应用,对国家和行业标准中已定义的符号直接采用或通过调整间接使用,符号的组合、延伸和扩展具有一致性和规律性。陆海一体化要素图式设计参考国家基本比例尺地图图式中国海图图式电子海图内容与显示规范等标准规范，其中陆域要素以地形图图式为主，新增涉海要素在参照海图图式等基础上进行了部分调整,保持与已有符号的协调统一。在此基础上,整理分析现有地理信息符号库,按照陆海一体化制图表达要求进行符号筛选、分类和汇总。通过新增符号创建、相似符号调整、相同符号人库、制图表达规则构建等完成符号库制作，内容包括标准符号系统、制图表达规则、标注规则、地图元素、色彩方案等。产品符号库对各类要素符号和制图规则进行统一存储和管理,以此作为地形要素符号化的基础。基于陆海一体化产品数据模型创建产品制图模板，技术流程为图层显示顺序设计、要素制图表达创建、自动符号化配置、标注设置等。首先为解决注记与要素图层间的压盖关系，从上至下依照注记、基础地理要素、底图要素等设计了图层层次结构和要素避让关系。并在数据属性项中增加 RuleID字段存储制图表达规则,利用该要素属性项驱动制图,完成地形要素的自动符号化配置。其次按照制图表达机制,在地图布局视图中设计了地图整伤要素的相关属性，包括图名、图例、政区略图等内容。在上述基础上,基于Python语言实现数据制图表达规则的自动化计算和更新处理。通过制图表达属性交互、编辑等方式,解决相邻地物符号之间重叠压盖的现象，实现要素符号化与图廓整饰编辑，调整优化制图表达效果。最后,利用图库一体化快速制图工具,完成标准分幅数据批量、自动制图输出，达到以空间数据库驱动数据产品快速制图的目的。4规模化工程应用以三亚市海岸带区域作为产品研制试验区，将主体技术方法与生产规范、质量控制等成套技术体系相结合，应用于产品标准化研制过程，面积约陈炜，等：陆海一体化基础地理信息产品研制关键技术109350E(a）全图图4陆海一体化基础地理信息产品制图效果示意图5结束语为实现陆海地理信息互联互通、融合集成和一体化服务，提升陆海地理信息社会化应用能力。经跨体系协同创新，研究构建了陆海一体化基础地理信息产品研制技术方法。以三亚海岸带区域作为产品研制试验区，通过陆海地理信息集成优化、信息更新和制图表达，形成了陆海衔接、内容全面、表达统一的地理信息数据集，较好地解决了陆海数据相互独立、标准尺度不一致等关键难题。该成果能够在海岸带生态保护修复、国土空间规划、海洋经济发展等方面发挥重要作用，并为新型基础测绘相关工作奠定坚实基础。鉴于目前主要集中在陆海一体化产品方案设计、技术研建和生产试验环节，今后还要811220km。该区域涵盖有重要港湾、海岛礁、产业园区和自然保护区。采用的基础数据包括基本比例尺地形图、电子海图、高分辨率遥感影像、海岛资料、海域使用权属资料、海洋生态红线、功能区划资料等。根据前述研究成果，制定了陆海一体化基础地理信息产品规范、生产技术规范，研发了陆海地理信息转换、集成优化、动态更新与快速制图等生产型工具集,用于支撑陆海一体化产品综合研制工作。一是完成2 0 19 年面积约12 17 km电子海图数据的格式转换、多尺度融合、属性转换、要素提取与赋值等，形成了一套按地形图编码体系组织的数据集。二是完成2 0 2 1年40 幅1：1万基本比例尺地形图的坐标转换、数据拼接、整体检查等,并基于陆海一体化产品数据结构进行陆海地理信息一体化整合集成。三是利用专题资料补充、遥感影像更新、要素采集获取等方式，对陆海一体化产品进行了整体更新，依托图库一体化制图方法和工具完成规范制图，见图4。为实现精确的陆海一体化产品综合研制与制图，工程实践中对数据成果质量进行了严格控制。依据陆海一体化产品规定，参照测绘产品质量控制体系，由作业人员通过1：1比例逐图幅完成整体检查。对成果不达标的图幅查明原因，制定修改方案并严格落实，直至数据质量符合要求。陆姆一答化基磁地理情总产品制器效果109100E(b）局部图82进一步解决数据建库、动态更新、成果服务等有关问题,构建“以信息化需求为导向、以陆海时空地理数据库为载体、以动态信息服务为核心”的成果服务体系，支撑陆海统筹测绘地理信息服务保障能力建设。参考文献：【1张广运,张荣庭，戴琼海，等.测绘地理信息与人工智能2.0 融合发展的方向J.测绘学报，2 0 2 1,50（8）：1096-1108.2王丹,耿丹，李丹彤.论新型基础测绘体系建设J.北京测绘,2 0 2 1,35(7)：8 33-8 38.3 陈军,刘万增，武昊,等.智能化测绘的基本问题与发展方向J.测绘学报，2 0 2 1,50（8）：995-10 0 5.4肖建华，王祥，喻爽.新型基础测绘体系建设的几点思考J.城市勘测,2 0 19(3):5-9.5 陈军,武昊，刘万增，等.自然资源时空信息的技术内涵与研究方向 J/OL.https:/ 桂德竹，程鹏飞，文汉江，等.在自然资源管理中发挥测绘地理信息科技创新作用研究J.武汉大学学报（信息科学版）,2 0 19,44(1):97-10 0.海洋测绘7唐文静.海陆地理空间矢量数据融合技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 0 9.8白亭颖.陆海地理信息数据融合关键技术研究J.测绘通报,2 0 15(7):99-10 2.9彭瑞.基于陆海基础地理空间要素数据特征的数据融合技术研究J.现代测绘,2 0 17,40(6)：31-34.10郭丽，焦红波，罗兴潮，等.陆海融合制图技术研究J.海洋信息,2 0 2 1,2(4):19-2 7.11赵建虎,欧阳永忠,王爱学.海底地形测量技术现状及发展趋势J.测绘学报，2 0 17,46（10)：17 8 6-17 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mapping geographic work and the application requirements of land andsea integration planning,management and protection under the new situation.Design,integrated optimizationof land and sea geographic information,update of important element information,and cartographic expressionof product specifications are the main lines of general research ideas,and the research and development ofintegrated integration of land and sea geographic information,comprehensive collection of engineering-orientedmarine elements,integrated cartographic expression of library are studied.The technical method is used todevelop the basic geographical information product of the integration of land and sea in the coastal zone of SanyaCity.The results show that this method effectively solves key technical problems such as land-sea dataintegration,update optimization,and unified expression,and realizes rapid development and accurate mappingof land-sea integrated geographic information products.It plays an important role in spatial planning,naturalresource management,etc.,and provides reference for land and sea coordination of geographic informationresource construction and related work.Key words basic geographic information;land-sea integration;integration;update optimization;cartographic representation