面向地理國(guó)情普查水系要素的屬性自動(dòng)校正算法

郭沛沛，李成名，殷 勇，武鵬達(dá)

(1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

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面向地理國(guó)情普查水系要素的屬性自動(dòng)校正算法

郭沛沛1,2，李成名1，殷 勇1，武鵬達(dá)1

(1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

地理國(guó)情普查水域數(shù)據(jù)中線狀水系數(shù)據(jù)存在部分?jǐn)?shù)據(jù)屬性不明確的情況，目前主要通過(guò)人工填寫逐個(gè)修正，效率低且易出錯(cuò)。基于此，本文提出了一種線狀水系要素屬性自動(dòng)校正的算法，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征和拓?fù)潢P(guān)系的分析，提出了考慮水系網(wǎng)絡(luò)鄰近關(guān)聯(lián)性、結(jié)構(gòu)健壯性及拓?fù)溲诱剐缘膶傩孕Ｕ蠡驹瓌t，并依托中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的WJ-Ⅲ地圖工作站實(shí)現(xiàn)了水系要素的自動(dòng)化校正；最后用實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證了這些基本原則的合理性和方法的有效性。

地理國(guó)情普查；屬性校正；河系結(jié)構(gòu)化；河網(wǎng)選取

當(dāng)前，我國(guó)地理國(guó)情普查工作已取得階段性成果，獲取了大量地表形態(tài)數(shù)據(jù)、地表覆蓋分類數(shù)據(jù)、重要地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)[1-3]，為開展常態(tài)化地理國(guó)情監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。水域是地理國(guó)情普查中重要的自然地理要素，是地表12個(gè)一級(jí)類中之一。通過(guò)普查獲取的全面、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的水域數(shù)據(jù)包含了地表水資源的類別、位置、范圍、面積等信息[4-6]。然而，內(nèi)外業(yè)一體化采集的水域數(shù)據(jù)因其采集的復(fù)雜性及分層管理的需要，導(dǎo)致部分線狀河流數(shù)據(jù)屬性不明確，從而影響了數(shù)據(jù)在水文水務(wù)、河道管理、城市管網(wǎng)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的進(jìn)一步深入應(yīng)用[7]。

目前，解決這種問(wèn)題的辦法多為人工修正[8-10]，耗時(shí)、耗力且效率低下，因此，本文提出一種面向地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的水系要素屬性自動(dòng)校正算法，在系統(tǒng)分析水域數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，依據(jù)位置特征和拓?fù)潢P(guān)系對(duì)屬性不明確的水系要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，進(jìn)而對(duì)不同類型的河系數(shù)據(jù)制定出相應(yīng)的屬性校正規(guī)則，并據(jù)此設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)校正處理方法，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試，驗(yàn)證了這些本文所提方法的合理性和有效性。

1 水域數(shù)據(jù)特征

地理國(guó)情要素是地理國(guó)情普查的主要內(nèi)容，根據(jù)《地理國(guó)情普查內(nèi)容與指標(biāo)》要求[11]，地理國(guó)情要素共涉及5個(gè)一級(jí)類，16個(gè)二級(jí)類，47個(gè)三級(jí)類，其中水域數(shù)據(jù)是普查的一個(gè)主要類別[12-13]。水域數(shù)據(jù)包括水系要素和水系附屬設(shè)施，數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。水系要素分為兩個(gè)圖層存儲(chǔ)：HYDA和HYDL。其中，HYDA層存儲(chǔ)高水位面狀的水域數(shù)據(jù)，包括湖泊、水庫(kù)、雙線河、沼澤、干渠等；HYDL層存放采集的水域中心線和結(jié)構(gòu)線。按照要求，河道實(shí)地寬度大于20 m的采集河道范圍線構(gòu)面，需同時(shí)采集結(jié)構(gòu)線并賦相關(guān)屬性；小于20 m的采集中心線，并賦相關(guān)屬性[14]。城市地區(qū)，河道實(shí)地寬度大于5 m的采集河道范圍線構(gòu)面賦屬性，需同時(shí)采集結(jié)構(gòu)線；小于5 m的采集中心線，并賦要素屬性[8]。

表1 水系數(shù)據(jù)內(nèi)容

在地理國(guó)情基礎(chǔ)地理信息水域數(shù)據(jù)成果中，水系要素有單線河，表示河流、運(yùn)河、溝渠、時(shí)令河、干涸河等的雙線河，以及由單線河或雙線河穿越的湖泊、水庫(kù)、池塘、時(shí)令湖、干涸湖等面狀河流。河流網(wǎng)絡(luò)由沿雙線或多邊形中心采集的水系結(jié)構(gòu)線與單線河流連接構(gòu)成。然而，成果數(shù)據(jù)中，單線河流線有明確的GB碼屬性，而當(dāng)結(jié)構(gòu)線數(shù)據(jù)有對(duì)應(yīng)的水域面數(shù)據(jù)時(shí)，該結(jié)構(gòu)線的屬性沒有明確標(biāo)識(shí)，僅標(biāo)記為“999999”，同時(shí)，匯入雙線河的單線支流(中心線)與雙線河流結(jié)構(gòu)線之間加河流結(jié)構(gòu)線連接，延伸部分算作單線支流的結(jié)構(gòu)線，GB值也標(biāo)記為“999999”。

如前所述，當(dāng)根據(jù)GB碼進(jìn)行數(shù)據(jù)分層時(shí)，以常年河為例，只能識(shí)別出GB碼標(biāo)識(shí)為“230101002”的常年河線，在水系面內(nèi)的結(jié)構(gòu)線是無(wú)法識(shí)別出來(lái)的。這樣的提取結(jié)果會(huì)造成常年河系的不完整性，對(duì)后續(xù)的河系結(jié)構(gòu)化、河流選取綜合、河流漸變的成圖效果等都有影響。因此，需要對(duì)編碼屬性不明確的河流結(jié)構(gòu)線進(jìn)行屬性賦值。目前在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這部分工作主要還是靠人工識(shí)別進(jìn)行處理的。這樣不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證，因此急需一種河流屬性自動(dòng)校正的算法。

2 線狀水系要素屬性自動(dòng)校正原則與處理方法

2.1 水系結(jié)構(gòu)線分類

根據(jù)位置和拓?fù)潢P(guān)系的不同，將GB屬性未定的HYDL水系結(jié)構(gòu)線分為如下幾種：

(1) 流入結(jié)構(gòu)線：按照結(jié)構(gòu)線的方向河流是匯入到水域面內(nèi)的。關(guān)聯(lián)了水域面外的河流中心線，或其他水域面的流出結(jié)構(gòu)線，如圖1中的L2、L6等。

(2) 流出結(jié)構(gòu)線：按照結(jié)構(gòu)線的方向河流是流出水域面內(nèi)的。關(guān)聯(lián)了水域面外的河流中心線，或其他水域面的流入結(jié)構(gòu)線，如圖1中的L4、L7等。

(3) 中間結(jié)構(gòu)線：結(jié)構(gòu)線完全在水域面內(nèi)，結(jié)構(gòu)線兩端關(guān)聯(lián)的是非面外河流結(jié)構(gòu)線，如圖1中的L3。

(4) 單獨(dú)結(jié)構(gòu)線：關(guān)聯(lián)一個(gè)水域面且這個(gè)水域面僅關(guān)聯(lián)一個(gè)河流結(jié)構(gòu)線，如圖1中L10、L11、L12三條弧段組成的結(jié)構(gòu)線。

圖1 水系結(jié)構(gòu)線分類示意圖

2.2 校正原則

當(dāng)為屬性未定的水系結(jié)構(gòu)線進(jìn)行賦值時(shí)，根據(jù)水系要素結(jié)構(gòu)線的空間特征和拓?fù)涮卣骺梢园l(fā)現(xiàn)，屬性未定的結(jié)構(gòu)線通常與屬性確定的結(jié)構(gòu)線相連接或與屬性確定的水域面對(duì)應(yīng)，因此，可以根據(jù)空間關(guān)聯(lián)性使用這些確定的屬性對(duì)結(jié)構(gòu)線進(jìn)行賦值[15]。然而，簡(jiǎn)單的空間疊加關(guān)聯(lián)賦值必然會(huì)發(fā)生同一條主干河流因流過(guò)水庫(kù)、坑塘類水域面而賦予不同的屬性值的情況，從而導(dǎo)致河流網(wǎng)絡(luò)斷裂、河流連通性差的問(wèn)題。因此，屬性賦值過(guò)程在滿足鄰近關(guān)聯(lián)賦值的基礎(chǔ)上，要同時(shí)滿足河流的結(jié)構(gòu)健壯性、拓?fù)溲诱剐缘纫恍┗驹瓌t與要求[16-18]：

(1) 結(jié)構(gòu)健壯性原則。在賦值過(guò)程中應(yīng)盡量保持河流網(wǎng)絡(luò)通暢、完整，保證形成清晰可辨的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于河流網(wǎng)絡(luò)中主要的、明顯的、突出的中心線路保證不間斷。當(dāng)人工實(shí)施時(shí)，經(jīng)過(guò)直觀定性分析，選擇河流主線進(jìn)行保留；當(dāng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理時(shí)，主要依賴河網(wǎng)可定量化的結(jié)構(gòu)特征與拓?fù)涮卣鳌?/p>

(2) 拓?fù)溲诱剐栽瓌t。在賦值過(guò)程中應(yīng)盡量保持河流整體的拓?fù)溲诱剐裕梢蕴砑幽承╅L(zhǎng)度較小但對(duì)于維持河流整體連通性具有重要作用的線路使河流平滑延展，如對(duì)匯入雙線河的單線支流(中心線)與雙線河流結(jié)構(gòu)線之間加河流結(jié)構(gòu)線并連接。當(dāng)然對(duì)于線路之間位置關(guān)系的表達(dá)要做到清晰、合理。

2.3 校正方法

由于結(jié)構(gòu)線的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性與水域結(jié)構(gòu)線分布特征有關(guān)，因此選擇水域面為基本校正處理單位，在一個(gè)處理單元中對(duì)水域面關(guān)聯(lián)的所有結(jié)構(gòu)線進(jìn)行處理。此外，國(guó)情普查水域要素?cái)?shù)據(jù)量較大，為提高運(yùn)算效率，考慮使用結(jié)構(gòu)線中點(diǎn)來(lái)代替線判斷其與面狀水域的空間關(guān)系。因此，屬性校正過(guò)程如圖2所示。

圖2 校正方法

2.3.1 拓?fù)漕A(yù)處理及拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系

在構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系時(shí)，需對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)漕A(yù)處理，包括弧段自相交處理、結(jié)點(diǎn)擬合處理、去除重復(fù)線、去除假節(jié)點(diǎn)、刪除冗余節(jié)點(diǎn)、刪除短懸線、構(gòu)建拓?fù)涠噙呅蔚取Ｒ罁?jù)圖1的拓?fù)涮卣鳎⒘私Y(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系樹(如圖3所示)和點(diǎn)、線、面拓?fù)湫畔⒔Y(jié)構(gòu)表(見表2)，拓?fù)潢P(guān)系樹及拓?fù)湫畔⒔Y(jié)構(gòu)表可以清晰地表達(dá)各個(gè)結(jié)點(diǎn)、弧段之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性及拓?fù)溥B通性[19]。

2.3.2 水系要素結(jié)構(gòu)線處理

為了保證河網(wǎng)的完整性，根據(jù)水系要素中間結(jié)構(gòu)線對(duì)應(yīng)的面狀水域是否為河網(wǎng)，可以將水域要素結(jié)構(gòu)線分為兩類：一類為河流、水渠類水域面關(guān)聯(lián)的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)線；另一類為水庫(kù)、坑塘類水域面關(guān)聯(lián)的非河網(wǎng)結(jié)構(gòu)線。下面依據(jù)鄰近關(guān)聯(lián)性原則、結(jié)構(gòu)健壯性原則、拓?fù)溲诱剐栽瓌t，分情況對(duì)未定屬性的線狀水系要素進(jìn)行處理，處理方法如下：

2.3.2.1 流入結(jié)構(gòu)線

河網(wǎng)流入結(jié)構(gòu)線：如果流入結(jié)構(gòu)線關(guān)聯(lián)了水域面外河流中心線，則將面外河流中心線屬性賦值給流入結(jié)構(gòu)線；如果關(guān)聯(lián)的是水域面內(nèi)的河流結(jié)構(gòu)線，則將當(dāng)前結(jié)構(gòu)線所在的水域面屬性賦值給流入結(jié)構(gòu)線。

非河網(wǎng)流入結(jié)構(gòu)線：如果水域面只有一條流入結(jié)構(gòu)線，則將水域面外河流中心線或河流結(jié)構(gòu)線的屬性賦值給該結(jié)構(gòu)線，并把該屬性值標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)校正屬性；如果有多條流入結(jié)構(gòu)線，則首先根據(jù)流入結(jié)構(gòu)線關(guān)聯(lián)的水域面外河流結(jié)構(gòu)線的等級(jí)情況和拓?fù)溲诱剐源_定合理的校正屬性值，同時(shí)也將該屬性值標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)校正屬性。

2.3.2.2 中間結(jié)構(gòu)線

河網(wǎng)中間結(jié)構(gòu)線：將所在水域面的屬性賦值給中間結(jié)構(gòu)線即可。

非河網(wǎng)中間結(jié)構(gòu)線：將由流入結(jié)構(gòu)線確定的標(biāo)準(zhǔn)校正屬性賦值給中間結(jié)構(gòu)線。

2.3.2.3 流出結(jié)構(gòu)線

河網(wǎng)流出結(jié)構(gòu)線：將所在水域面的屬性賦值給流出結(jié)構(gòu)線即可。

非河網(wǎng)流出結(jié)構(gòu)線：如果水域面只有一條流出結(jié)構(gòu)線，則將由流入結(jié)構(gòu)線確定的標(biāo)準(zhǔn)校正屬性賦值給流出結(jié)構(gòu)線；如果有多條流出結(jié)構(gòu)線，則根據(jù)流入結(jié)構(gòu)線關(guān)聯(lián)的水域面外河流結(jié)構(gòu)線的等級(jí)情況和拓?fù)溲诱剐源_定主流出結(jié)構(gòu)線，將由流入結(jié)構(gòu)線確定的標(biāo)準(zhǔn)校正屬性賦值給它，其余的流出結(jié)構(gòu)線和其關(guān)聯(lián)的面域外河流中心線或結(jié)構(gòu)線屬性保持一致。

2.3.2.4 單獨(dú)結(jié)構(gòu)線

河網(wǎng)單獨(dú)結(jié)構(gòu)線：即為無(wú)流入流出的中間結(jié)構(gòu)線，將所在水域面的屬性賦值給該單獨(dú)結(jié)構(gòu)線即可。

非河網(wǎng)單獨(dú)結(jié)構(gòu)線：將該單獨(dú)結(jié)構(gòu)線起點(diǎn)關(guān)聯(lián)的河流結(jié)構(gòu)線或中心線賦值給該結(jié)構(gòu)線；如果起點(diǎn)不關(guān)聯(lián)任何河流結(jié)構(gòu)線或中心線，則賦終點(diǎn)關(guān)聯(lián)河流結(jié)構(gòu)線屬性。

圖3為圖2線狀水系要素屬性賦值結(jié)果示意圖。

圖3 屬性賦值結(jié)果

3 試驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)

本文在NewMap WJ-Ⅲ地圖工作站開發(fā)接口的支撐下，使用C、C++語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，生成了河流屬性自動(dòng)校正程序模塊；收集了廣東省某市的部分水域數(shù)據(jù)，包括常年河、干涸河、漫流干河、地面干渠、地面支渠、水庫(kù)、坑塘7類水系要素；使用不同數(shù)量的常年河線數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了試驗(yàn)，原始HYDL圖層包含河流結(jié)構(gòu)線和中心線751條，其中GB碼為“210101002”(即常年河線)的有445條，GB碼為“999999”(即待進(jìn)行屬性校正)的河流線有227條。原始數(shù)據(jù)如圖4(a)所示。

計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理所耗時(shí)間信息及處理結(jié)果見表2、表3及圖4(b)。可以看出，處理后HYDL圖層中常年河有637條，相比原始數(shù)據(jù)增加了112條，對(duì)227條需要處理的河流個(gè)數(shù)均作了處理，僅出現(xiàn)錯(cuò)誤1處，正確率達(dá)到了99.56%；相比手工選取效率更高，3次試驗(yàn)平均用時(shí)只有1.625 s。以往人工進(jìn)行屬性填寫時(shí)，需經(jīng)常查看已有屬性，效率低，容易疲勞，且易出錯(cuò)。

表2 處理消耗時(shí)間

表3 處理前后數(shù)據(jù)信息

圖4 屬性自動(dòng)賦值前后結(jié)果對(duì)比

從圖4的對(duì)比中可以看到，未經(jīng)校正過(guò)的HYDL圖層提取出的常年河圖層數(shù)據(jù)明顯缺失，無(wú)法形成完整的河系；而經(jīng)過(guò)自動(dòng)化屬性校正后的HYDL圖層提取的結(jié)果形成了完整的樹狀結(jié)構(gòu)，效果明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文面向國(guó)情普查水域數(shù)據(jù)，針對(duì)制圖過(guò)程遇到的線狀水系要素屬性不明確的問(wèn)題，提出了一種屬性自動(dòng)校正算法，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征和拓?fù)潢P(guān)系的分析，提出了屬性校正的三大基本原則，并依托中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的WJ-Ⅲ地圖工作站實(shí)現(xiàn)了校正的自動(dòng)化。廣東省某市的常年河數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：該算法對(duì)所有屬性未定河段都進(jìn)行了處理，正確率較高，且處理后的河流數(shù)據(jù)形成了結(jié)構(gòu)完整、拓?fù)溥B通性好的河流網(wǎng)絡(luò)。下一步的研究是將屬性賦值與不同水系要素的等級(jí)、名稱等屬性相似性判斷結(jié)合起來(lái)考慮，使賦值更加合理。

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Automatic Correction Algorithm of Water Element Attribute Oriented to National Geographic Census

GUO Peipei1,2,LI Chengming1,YIN Yong1,WU Pengda1

(1. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China; 2. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

A subset of the attributes of water element data in national geographic census are not clear, the current solution to this problem is manual filling which is inefficient and liable to make mistakes. So this paper proposes an automatic correction algorithm of water element attribute. Based on the analysis of the structure characteristics and topological relation, we put forward three basic principles of correction which include network proximity, structure robustness and topology ductility. Based on the WJ-Ⅲ map workstation which is developed by Chinese Academy of Surveying and Mapping, we realize the automatic correction of water elements. Finally, practical data are used to validate the method. The results show that our method is highly reasonable and efficient.

national geographic census; attribute correction; structural river network; river network selection

郭沛沛，李成名，殷勇，等.面向地理國(guó)情普查水系要素的屬性自動(dòng)校正算法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(6)：57-60.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0190.

2016-11-11

國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目(A1608；A1615)

郭沛沛(1986—)，女，博士生，研究方向?yàn)榈貓D制圖綜合與GIS基礎(chǔ)算法。E-mail：guopeipei925@163.com

P284

A

0494-0911(2017)06-0057-04