海陸空間信息一體化集成共享研究與應用

吳秀蕓，王海江，梁寒冬，付蔚霞

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

海洋是地球生命的搖籃，是人類生存與可持續發展的重要空間，是未來社會經濟發展規劃的重要領域[1]。21世紀是海洋世紀，許多國家都在制定全新的海洋發展戰略，我國對海洋的開發利用也進入了一個嶄新的階段。隨著我國“21世紀海上絲綢之路建設”、“互聯網+”等的深入實施，海洋信息技術在海洋強國戰略中的地位越來越突出[1]。加強海陸信息化資源整合，加快海洋信息成果轉化，實現海陸一體化統籌開發利用，已成為推動海洋事業發展的重要抓手。

寧波市作為海洋大市，擁有遼闊的海域面積和豐富的海洋資源，全市海域總面積為8 233 km2，岸線總長為1 594 km，約占全省海岸線的24%。本文以寧波市為例，創新性地提出并研究了海陸地理空間數據整合技術，制定了海陸統一的數據格式、空間基準和分類編碼，消除了海陸數據在空間位置、屬性結構等邏輯上的差異性，解決了目前存在的海洋與陸地地理信息無法集成共享的問題，實現了多源異構海陸數據的有機融合，并在此基礎上搭建了海陸一體化共享服務平臺，為各級海洋業務應用提供了統一的空間信息協同共享服務框架。

1 海陸數據融合

海陸地理空間數據整合的關鍵是解決數據之間存在的格式差異、空間基準差異、語義差異和幾何位置差異等。本文研究了多源海陸地理空間數據整合技術，基于一定的地理空間數據標準、語義和空間位置一體化數據模型對海陸數據進行基礎轉換、地理對象提取和融合處理，形成了覆蓋全域全要素的海陸一體化地理空間數據。

在遵循國家和現有行業標準的前提下，首先對輸入的海陸地理空間數據進行標準化，包括數據格式的統一和空間基準的統一，以實現海陸數據的初步互通；然后根據數據類型（矢量和柵格），分別采用相應的地理空間數據融合方法消除海陸數據之間存在的差異，實現海陸數據的一體化管理。具體技術流程如圖1所示。

1.1 統一空間基準和格式

空間基準的統一是空間地理數據處理的基礎，是實現海陸一體化融合的關鍵。首先將不同數據的投影坐標系轉換為地理坐標系（CGCS2000），將高程數據統一歸算到1985國家高程基準，將水深數據統一歸算到理論最低潮面（理論深度基準面）；再進行數據格式的統一，由于數據獲取方式的多源性，采用不同的數據生產平臺，就會產生不同的數據格式，進而擁有不同的數據模型，這對實現數據的交換、共享和一體化管理帶來了很大困難[2]，為了便于今后數據在各部門之間的共享交換，統一采用Shapefile作為標準的矢量地理空間數據格式，tiff作為標準的柵格數據格式。

1.2 矢量數據融合

圖1 技術流程圖

1）海陸地理要素屬性編碼整合。由于海陸矢量數據分別采用不同的分類編碼標準，導致其在語義上存在異構，無法進行數據交換和共享。目前國內還沒有統一的海陸一體化數據分類編碼標準，為了實現數據的一體化管理，本文以GB/T 13923-2006《基礎地理信息要素分類與代碼》、GB/T 20257.1-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》、GB/T 20257.2-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第2部分：1∶5 000、1∶10 000地形圖圖式》、GB/T 20257.3-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第3部分：1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000地形圖圖式》、GJB 2680-96《軍用數字海圖要素屬性編碼規則》、GB 12319-1998《中國海圖圖式》等標準規范為基礎，設計了新的地理要素分類和編碼體系，對地理要素進行編碼整合，即給地理要素賦予相應的統一編碼表示方式。按照從屬關系，本文將地理要素分為陸域/海洋類、大類、中類、小類和子類。分類采用線分類法，分類代碼由一位字母符號和10位十進制數字組成，分別為門類碼、大類碼、中類碼、小類碼、子類碼、要素碼、幾何特征碼和圖形特征碼，門類碼即陸域/海洋分類碼，大類、中類、小類與GB/T 13923-2006《基礎地理信息要素分類與代碼》保持一致，子類和要素根據海洋信息管理需要進行擴充（圖2）。對各類數據進行重新整理、歸類分級、屬性編碼和數據分層，消除海陸矢量數據語義上的差異，建立海陸空間數據庫的標準化體系，為實現海陸數據一體化管理和海陸數據相互轉換共享提供依據。

如圖2所示，第一位為門類，即陸域/海洋分類碼，L表示陸域類要素，H表示海洋類要素；第二位為大類碼；第三位為中類碼，是在大類基礎上細分形成的要素類；第四、五位為小類碼，是在中類基礎上細分形成的要素類；第六、七位為子類碼，是在小類基礎上細分形成的要素類；第八位為要素碼，是在子類基礎上細分形成的要素；第九位為幾何特征碼，用于標識要素的幾何特征，其中點為[1、2]、線為[3、4]、面為[5]、注記為[9]；第十、十一位為圖形特征碼，用于標識要素的圖形特征，代碼參見GB/T 13923-2006《基礎地理信息要素分類與代碼》。

圖2 海洋地理信息要素分類代碼結構

2）海陸數據空間融合。海陸數據空間融合是對海、陸地理空間對象的部分或全部特征屬性進行匹配，實現地理空間對象的整合和唯一表達的過程。首先通過地理對象位置匹配和屬性匹配的方法，確定海陸重疊區域內的相同地理要素并進行合并，以消除海陸矢量數據之間存在的幾何位置差異；再重新建立拓撲關系；最終實現海陸數據之間的相互轉換和共享。利用位置特征對海圖和地形圖重疊區域進行計算匹配[3]，若兩個地理空間對象之間的距離小于給定閾值，則認為這兩個地理空間對象為同一對象并進行整合，同時對比遍歷各個地理對象，比較對象屬性信息的一致性，判斷是否為同一個地理空間對象。

在繪制確定空間對象圖形結構時，應充分考慮地物在海圖和地形圖中的代表性和詳細程度。例如，海圖和地形圖都對海岸帶區域的海洋和陸地部分進行表示，但二者表示的差異較大，地形圖對海岸帶附近的居民地、地貌和道路的表示比海圖更詳細、準確，而海圖對灘涂的表示比地形圖更詳細[3]，因此在實現海陸一體化的過程中，居民地、地貌和道路應選擇地形圖中的數據，灘涂則應選擇海圖中的數據。對于無法進行優先級別篩選的情況，本文采取特征點融合的方法，對每條同一個地理空間線實體進行簡化，只保留其特征點，融合成新的對象圖形來更準確地記錄對象的結構特征（圖3）。

圖3 特征點融合技術

1.3 柵格數據融合

對于影像等柵格數據，本文采用改進的SIFT特征提取和匹配方法進行配準。考慮到SIFT特征的多量性，首先可對大幅面的圖像進行重采樣，并提取特征點；經過全局參數優化后，再把匹配點的坐標按比例傳遞到原始圖像的坐標系下，求取原始圖像的變換模型參數；然后把待匹配圖像變換到參考圖像坐標中，進行插值和重采樣；最后進行拼接、調色和切割處理，得到海陸一體化柵格影像。柵格數據融合流程如圖4所示。

圖4 柵格數據融合流程圖

2 平臺共享應用

目前，該研究成果已被成功應用于實際工程項目中，實現了寧波市電子地圖、影像、水下地形、灘涂、海岸線、海堤、海島、碼頭和海域行政界線等陸地、海洋地理數據的有機融合；并在此基礎上搭建了寧波市海洋基礎地理信息庫管理平臺，實現了海洋信息的統一管理、查詢統計、服務發布和共享交換，為全市各級海洋部門業務應用提供了統一的空間信息協同共享服務框架。平臺的主要功能包括：

1）海陸一張圖展示。平臺提供了海陸一張圖展示服務，包括融合后的海陸一體化電子地圖數據、影像數據等，并可在各類地圖數據中進行自由切換，方便地圖瀏覽和漫游。

2）海洋專題信息查詢。平臺提供海洋分類信息查詢和結果展示功能，支持全圖查詢和框選查詢兩種查詢方式，如通過輸入關鍵字“山島”，可在地圖上定位到梅山島，并顯示詳細信息；還可進行海洋專題信息的統計分析，如統計全市海岸線長度，固定區域海島類型、面積、個數等。

3）海洋信息分層管理。平臺提供海洋信息分類管理功能，灘涂、海岸線、海島、海堤等海洋專題信息以專題圖層的形式疊加在基礎地理底圖上，地圖和專題要素瀏覽時，可任意選擇或自由切換圖層，實現對海洋專題數據的集中展示和分層管理[4]。

4）海陸空間數據發布共享。平臺提供各種地圖和海洋專題圖層的注冊發布功能，各區縣（市）海洋管理單位制作的專題圖層可注冊到系統中，通過服務接口的方式，在各級應用系統中形成統一、標準和共享的GIS服務[5]，以實現地圖資源的共建共享。

5）后臺配置維護。后臺可對數據應用情況進行跟蹤監控，詳細記錄用戶的使用情況[6]，并對用戶權限進行分配和控制。不同的用戶擁有不同級別的數據訪問能力和功能模塊使用權限[7]。

3 結 語

本文研究了海陸地理空間數據一體化融合技術[8]，制定了海陸統一的數據格式、空間基準和分類編碼，實現了海陸矢量數據和柵格數據的有機融合，并已成功應用于寧波市海洋信息化管理工作中，為各級海洋部門提供了統一的海洋地理空間服務框架，促進了全市海洋地理數據的標準化和充分共享。