大數據背景下的城市大比例尺地形圖更新及應用探討

趙小陽，孫　穎

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州510060； 2. 中山大學地理科學與

規劃學院,廣東 廣州510275)

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大數據背景下的城市大比例尺地形圖更新及應用探討

趙小陽1，孫穎2

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州510060； 2. 中山大學地理科學與

規劃學院,廣東 廣州510275)

Discussion on Updating and Application of City’s Large Scale Topographical Map under Big Data Background

ZHAO Xiaoyang，SUN Ying

摘要：在大數據背景下分析了國內各主要城市大比例地形圖更新的現狀，總結了目前城市大比例尺地形圖更新存在地形圖變化發現難、成本投入持續增多、歷史數據挖掘不夠充分、數據庫建設與實際應用脫節、地下空間信息未表示等新問題，結合廣州市近年工程實踐，提出了利用多源數據、歷史數據挖掘、開發綜合縮編軟件和開展地下空間設計普查等關鍵技術，優化地形圖更新模式及手段，拓展地形圖應用領域。

關鍵詞：大數據；基礎測繪；大比例地形圖；動態更新

城市大比例尺地形圖是城市基礎地理信息系統最重要的數據源之一[1]，在城市管理、城鄉建設、城鄉規劃和國土資源管理等方面發揮著不可取代的作用。目前測繪地理信息已進入大數據時代，城市大比例尺地形圖更新面臨著一系列新問題和挑戰，全國各城市測繪主管部門正在根據新的形勢，積極研究城市大比例尺地形圖更新機制和技術方法，以提高城市地形圖的現勢性[2]，滿足政府部門、企事業單位和社會大眾對基礎地理信息日益增長的需求。

一、城市大比例尺地形圖更新現狀

目前我國各主要城市在城市大比例尺地形圖更新變化發現手段、更新周期、更新模式等方面各有特色。在變化發現手段方面，除采取常規的人工巡視方法，北京、廣州、西安等城市開始利用遙感影像數據發現變化區域[3-4]，同時廣州、深圳、天津等城市開始研究利用竣工驗收等手段發現地形圖變化區域并同步進行更新[5-6]。在更新周期方面，北京、上海等城市每年政府均有固定基礎測繪投入，實現了中心城區1∶500地形圖半年更新一次，1∶2000地形圖一年更新一次；廣州規定城市建成區和重點建設地區的1∶500地形圖每年更新一次，其他建設地區的1∶500地形圖每兩年更新一次，1∶2000地形圖每三年更新一次，1∶5000地形圖每5年更新一次；天津建立了中心城區1∶500和1∶2000地形圖實時更新，濱海新區和區縣政府所在地1:2000地形圖每年更新一次，全市1∶2000地形圖每兩年更新一次的機制。在更新模式方面，北京、上海、廣州仍采取全要素更新的模式，即對規范要求的所有要素同一時間全部更新；而濟南則制定了取舍標準，對一般地區的要素更新放寬了要求；寧波則將城市分為重點區域和非重點區域，將要素分為重點要素和非重點要素，對重點區域每月更新重點要素，對于全區域每年進行全要素更新。

二、城市大比例尺地形圖更新面臨的主要問題

1. 變化發現難

精準地發現、統計地形圖變化情況是開展地形圖更新必要的前期準備工作，目前采用全要素更新方法的城市發現地形圖變化的方法仍以傳統的外業人工巡視為主，據統計該部分工作費時費力，約占總工作量的30%左右。部分城市近年來開展了利用航空、遙感數據來發現地形圖變化的研究工作，雖然該方法可以發現大面積房屋、道路、植被變化[3]，但對建成區微小變化，如部分點狀地物、違法加建建筑等卻無法識別，且航片和衛片由于獲取時間問題，存在一定的滯后性。

2. 所需資金日益增加

隨著我國城市化進程的加快，各大城市建設區域快速擴張，各城市地形圖覆蓋面積也隨之逐年增加，為此必須持續加大投入人力、物力對現有地形圖進行定期更新，才能保證地形圖的現勢性。僅以1∶500地形圖修測為例，根據《測繪生產成本費用定額》(2009年)， II類城鎮地區1—2年1∶500地形圖修測價格為5.46萬元/km2，按500 km2計算其更新費用已達2730萬元。若某些年份基礎測繪資金投入不足，地形圖得不到更新而使地形圖變化率增加，部分甚至達到新測的標準，導致需要更多的財政資金來完成更新地形圖。

3. 歷史數據利用不夠充分

隨著地形圖更新速度的加快，各級城市勘測管理部門積累了海量的地形圖數據，測繪地理信息進入了名副其實的大數據時代。長久以來，這些寶貴的歷史數據或以紙質形式存在檔案室中，或以電子形式分散存儲，不僅容易損壞、丟失，而且未能形成綜合利用體系，也未能充分發揮基礎測繪資金的使用效率。

4. 數據庫建設與實際應用脫節

地形圖雖然在城市管理、城市建設等方面發揮著越來越重要的作用，但其主要應用仍局限于各專業技術部門。當前地理信息產業已經成為與百姓生活緊密相關的產業，地理信息的應用已涉及經濟社會和人民生活的各個方面，社會公眾越來越多地通過GIS技術實現手機定位、車載導航等面對面的服務。傳統的地形圖更新以CAD、Microstation等平臺為主，造成了地形圖制圖與GIS數據生產“兩張皮”現象的長期存在，使得地形圖更新成果無法及時服務社會普通大眾；同時智能化程度較低的地圖縮編模式，不僅耗費巨大，而且造成了“有圖不用、要用無圖”的尷尬局面。

5. 地下空間信息沒有表示

日益加快的城市化進程及用地規模的擴張使原本稀缺的城市土地資源越來越寶貴，隨即迎來的將是城市地下空間的利用和擴張時期[7]，目前各大城市修建了大量的地下軌道交通、商場、停車場等設施。按照現有地形圖測量規范，地下空間設施無需在地形圖上進行表示，這給地下空間規劃、地下空間開發和管理帶來了極大不便。

三、城市大比例尺地形圖更新的研究

1. 利用多種手段，提高發現地形圖變化效率

充分發揮航空、衛星遙感數據在大范圍內發現地形圖變化的優勢，結合固定作業區域、固定作業單位、固定人員的作業模式提高發現地形圖細微變化的效率。利用工程測量數據發現并更新地形圖是目前部分城市研究的熱點，其中某市提出了利用網格化地形圖更新的方法，即以現狀路網和自然水域劃分網格(目的是盡可能減少接邊工作量，同時確保網格單元的完整性，約72%的網格小于1 km2，接近實際工程面積，網格劃分示意圖如圖1所示)，負責規劃監督測量的工程測量隊通過開發的范圍線繪制和數據交換系統，及時反映、統計網格內地形圖變化信息，為動態更新提供統籌和決策的依據。

圖1　某市地形圖網格劃分示意圖

2. 發揮新技術優勢，利用多源數據更新地形圖，有利于節約成本

隨著測繪技術特別是測繪裝備技術日新月異的發展，移動道路測量、三維激光掃描、無人機、機載LiDAR等測繪新設備不斷涌現，改變了傳統地形圖測繪及更新作業模式。其可以充分發揮移動道路測量技術在帶狀地形圖測繪、三維激光掃描在困難地區地形圖測繪[8]、無人機在應急地形圖測繪方面的優勢，極大地節約測繪生產成本。而在連續大面積地形圖測繪中機載LiDAR具有極大優勢，相對傳統航空攝影測量，機載LiDAR不需要布設像控點，無需構建立體像對，采用高清晰數碼相機拍攝，影像判讀清晰，色彩更真實，地類分界明顯，制圖速度快[9]。近年來廣州在從化區、南沙區開展了利用機載LiDAR生產1∶2000、1∶5000地形圖相關工程實踐，解決了超大點云數據存儲與顯示、海量點云等高線快速生成、建筑物投影差自動改正、線狀目標的快速提取(如圖2所示)等關鍵技術難題，成本和工期節約了30%～40%[10]。

3. 在大數據背景下加強歷史地形圖數據挖掘及利用研究

數據挖掘技術的發展水平，直接關系到基礎地理信息數據開發利用程度的好壞，目前地理信息數據挖掘技術遠遠不能適應開發應用的需要[11]，特別是歷史地形圖數據的挖掘及利用不足，而其所包含的信息是規劃設計、舊城保護、城市更新等領域的重要基礎資料。廣州市開發了地形圖圖幅瀏覽查詢系統，在該系統中可以對指定區域歷史地形圖覆蓋情況進行查詢和管理(如圖3所示)，可以對不同時期的地形圖對比顯示(如圖4所示)。該系統的開發實現了對歷史地形圖數據的管理和維護，解決了長期以來歷史地形圖數據的利用和挖掘不足的問題，在城市規劃設計、名城保護、違章建筑年代確定等方面發揮了重要作用。

圖2　地物邊界(形狀)的實時跟蹤示意圖

圖3　不同年代歷史地形圖搜索記錄

圖4　不同時期地形圖對比顯示

4. 開發地圖綜合縮編軟件及地理空間數據庫建設，提高大數據利用水平

要實現地形圖更新成果能快速生成系列比例尺的電子地圖數據，滿足社會公益性地圖和政府工作用圖迫切需求的關鍵在于開發地圖綜合縮編軟件和數據庫建設。廣州通過與高校合作，開展了相關研究和工程實踐，建立了系列比例尺綜合的制圖綜合規則庫，并進行規則知識的計算機表達，同時確定了一套適于城市地圖的制圖綜合算子庫，將多套規則和綜合算子集成起來，建成了一套城市地圖綜合縮編系統軟件，支持國家標準、非標準變比例尺間的綜合縮編，提高了綜合縮編效率(如圖5、圖6所示)，其成果在廣州市政府電子地圖網站、廣州亞運網站、廣州綠道地圖等多個政府網站和公眾地圖編制中得到運用，滿足了社會普通大眾對地理信息日益增加的需求。

圖5　顧及群分布特征的城區建筑物合并

圖6　散列式居民地合并

5. 開展地下空間設施普查及測繪

地下空間控制測量、外業采集標準、數據標準與成圖圖式是開展地下空間設施普查及測繪要解決的主要問題。在國內沒有相關技術標準和工程實踐可借鑒的情況下，廣州市近年在開展地下空間設施普查及測繪試驗區的基礎上，制定了地下空間設施普查及測繪技術規程，對外業測量、數據標準及圖式進行了規定(如圖7、圖8所示)，其普查成果拓展了常規地形圖表達空間(如圖9所示)，為城市地下空間的規劃、開發和利用提供了更加詳盡的基礎資料。

圖7　地下空間面狀分層示意圖

圖8　地下空間點狀符號圖例

圖9　地下空間設施普查成果圖

四、結束語

城市大比例尺地形圖更新是一個系統、復雜的工程，其更新的模式和周期受技術裝備水平、投入資金、測繪手段、用戶需求和軟件水平等多方面的影響。本文在總結國內各主要城市大比例地形圖更新模式的基礎上，分析了在大數據背景下目前城市大比例尺地形圖更新存在的主要問題，并據此逐一介紹了廣州市的相關做法，對其他城市大比例尺地形圖更新具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[11]喬朝飛. 大數據及其對測繪地理信息工作的啟示[J]. 測繪通報，2013(1):107-109.

通信作者：孫穎

中圖分類號：P217

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0116-04

作者簡介：趙小陽(1981—)，男，高級工程師，主要研究方向為基礎測繪。E-mail: xiaoyang8866@tom.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目(41431178)

收稿日期：2015-09-24

引文格式： 趙小陽，孫穎. 大數據背景下的城市大比例尺地形圖更新及應用探討[J].測繪通報，2016(2)：116-119.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0065.