自然保護區專題地圖制圖關鍵技術研究與應用

張何欣

(大連市自然資源事務服務中心，遼寧 大連 116000)

1 引言

自然保護區是有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物的天然集中分布區，是山水林田湖草統一治理的關鍵環節[1，2]。自然保護區的各項工作均會產生數據，這些數據既是工作的重要依據，也是自然資源大數據體系的重要組成部分[3～5]。科學合理利用工作產生的數據有利于保護區的精準有效管理[6，7]，同時也極大的豐富了自然資源“一張圖”的內涵[5]。數據空間可視化是數據科學利用的基礎，而制作專題地圖是實現空間可視化的重要手段[8，9]。專題地圖能夠準確直觀的表達數據的地理空間分布特征以及內在邏輯，是挖掘數據客觀規律的重要工具[10]。專題地圖制圖技術可概擴為兩個方面，一是建立統一的地理空間數據庫，二是設計統一的專題地圖符號系統[11～13]。本文將專題地圖制圖技術應用于遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區，以保護區管理業務為導向，構建專題數據庫，設計直觀簡潔的地圖符號系統，編制專題地圖，為保護區數據的科學利用打下基礎。

2 數據資源及制圖要求

遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區位于大連市旅順口區，由蛇島、九頭山、老鐵山和老虎尾四部分組成，主要保護對象是蛇島蝮蛇、候鳥及其生態環境[14]。保護區數據資源基本情況如表1所示[15]。

根據保護區特點及數據基本情況，參考《自然保護區功能區劃技術規程》制定如下制圖要求(表2)[16]。

表1 保護區數據資源基本情況

表2 自然保護區專題地圖制圖要求

3 關鍵技術

3.1 專題GIS數據庫建立

由表1可知，自然保護區專題數據格式不統一，且專題圖層的存儲管理方式各異，基于以上數據特點，本文將專題GIS數據庫建庫分為3個步驟。

(1)統一數據標準。本文采用Data Interoperability數據互操作引擎完成*.kml、*.kmz格式向*.shp格式的跨平臺轉換。根據保護區經度范圍，選取CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_40作為統一的地理參考，應用七參數模型(模型參數由測繪地理信息部門提供)實現坐標系轉換。經計算重合點點位中誤差，點位的平均精度滿足小于圖上0.1mm的轉換精度要求[17]。

(2)拓撲檢查及問題數據修正。如圖1a所示，老鐵山西側、老虎尾東北角保護區范圍線與行政區劃海岸線不重疊，存在拓撲錯誤。在GIS平臺中建立內容為“邊界面必須被其他要素的邊界覆蓋”的拓撲規則，以旅順口區行政區劃數據為基準，對保護區沿海范圍線進行拓撲修正，共修復拓撲問題97處，確保了數據準確(圖1b)。

圖1 拓撲檢查及問題數據修正

(3)數據庫結構設計。按自然保護區管理的有關要求設計各圖層的數據庫結構(表3)。為使各類數據得到有效管理，本文在參考其他專題地圖標準[18]的基礎上，設計圖層的命名規則：保護區名稱+“_”+[年份]+“_”+[內容](例如遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區_2009年至2020年_保護區范圍及功能區劃圖)。

表3 自然保護區范圍及功能區劃數據庫結構

3.2 地圖符號設計與測試

直觀準確的地圖符號可增加專題地圖表現力[19]，GIS軟件內置的地圖符號難以表達保護區獨有的專題特征，應依據專題數據幾何特征以及屬性特征設計地圖符號。主流的專題地圖符號設計方案分為柵格地圖符號和矢量地圖符號。二者在固定比例尺的地圖中無差別，但采用GIS動態可視化時，柵格地圖符號加載效率低，顯示卡頓現象明顯，為確保自然保護區后續專題數據高效利用，本文采用矢量地圖符號方案設計。

(1)符號設計。地圖符號按幾何特征可分為點狀符號、線狀符號和面狀符號。按屬性特征，點狀符號可分為重點巡查點、監測點、珍稀鳥類3種，共21個符號；線狀符號可分為巡查路線、境界線2種，共3個符號；面狀符號即保護區范圍及功能區劃，共4個符號。因采用天地圖作為底圖，水系、交通等普通地理要素(表2)的符號不必單獨設計。點狀符號可基于字體文件制作，編輯好符號樣式后生成字體庫(*.ttf)，安裝即可使用。線狀符號可按標準[15]在現有符號基礎上改造而成。面狀符號采用簡單填充符號設計，配色應符合規范[16]。地圖符號設計示例如表4所示。

(2)符號測試。為測試地圖符號是否存在無法渲染、渲染速度慢等問題，并測試在不同比例尺地圖中顯示情況，本文參考相關標準規范[15，16]制定測試項目(表5)，并進行測試。

經測試，在上述5種比例尺條件下，所有地圖符號均可渲染，無遺漏現象，但隨著比例尺的增大，點符號的渲染時間在延長，由1∶250000時的5 s增至為1∶1000的10.6 s，在靜態地圖中無影響，但應用于動態地圖時要優化；在使用天地圖數字線劃圖作底圖時，所有符號均可清晰辨識，但當使用遙感影像時，因圖面整體偏暗，部分黑色符號辨識較困難，但更換亮度和飽和度較高的顏色會極大提高辨識度。

4 自然保護區專題地圖制圖及應用

為驗證技術路線的可行性，本文按制圖要求編制自然保護區專題地圖，并以此為基礎分析保護區范圍和功能區劃變化、珍稀鳥類空間集聚程度，為保護區管理提供參考。

表4 地圖符號示例

表5 地圖符號測試項目

4.1 專題地圖制圖模板設計

專題地圖制圖即是將比例尺、制圖網等數學要素，圖例、指北針等輔助要素以及專題空間數據相疊加，形成內容充實、圖面美觀的地圖產品。由于表達的是相同的地理空間的不同專題內容，圖件的數學要素和輔助要素可以共享。本文以1∶50000制圖比例尺為例，設計制圖模板(圖2)，內置圖廓、圖例、公里格網、指北針等要素，并預留了圖名。在制作多幅地圖時，只需加載專題數據，不必重復設置數學要素和輔助要素，提高了制圖效率，確保了圖件風格統一。

圖2 專題地圖制圖模板

4.2 自然保護區范圍及功能區劃變化專題應用

遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區自成立以來共經歷6次調整，分別是1980～1998年(沒有功能區劃)、1999～2002年(開始有功能區劃)、2002～2005年、2005～2009年、2009～2020年、2020年至今。歷次調整的范圍及功能區劃如圖3所示。

圖3 保護區歷次調整的范圍及功能區劃

由圖3可知，保護區范圍經歷了由大到小的變化過程。地圖數據分析結果顯示保護區面積由剛成立時的12389.02 hm2下降至8383.68 hm2，減少了32.33%。自1999年設置三個功能分區起，核心區、緩沖區、實驗區面積分別減小了41.43%、62.48%和56.41%(截至第五次調整)。第六次調整后實行自然保護地差別化管控，將自然保護地分為核心保護區和一般控制區，其中核心保護區與原核心區功能相同，一般控制區由原緩沖區和實驗區合并而成，具體情況如表6所示。

表6 保護區范圍及功能區劃變化情況 hm2

4.3 自然保護區珍稀鳥類分布熱度專題應用

遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區鳥類資源豐富，共有鳥類340種[20]，鳥類分布情況如圖4所示，在旅順鹽場(A區域)、小東溝(B區域)、老鐵山岬(C區域)、老虎尾半島-大潮口濕地(D區域)以及蛇島東部地區分布較集中。

圖4 保護區鳥類資源分布

由圖4可知，鳥類分布集中區域主要為沿海灘涂、濕地(A、C、D區域)，以及高山叢林(B區域)，其中，A、D區域以及蛇島主要為水鳥棲息地，面積分別約為950 hm2、794 hm2，分布有銀鷗等水鳥約28種，也有紅隼、游隼等少量猛禽分布；B、C區域為猛禽主要棲息地，總面積約為684 hm2，分布有赤腹鷹等猛禽約10種。將保護區鳥類觀測數據展示在專題地圖上，可直觀反映不同鳥類分布情況，為鳥類科學研究、開展護鳥活動提供了基礎資料。

5 結論

本文在分析自然保護區數據特點，總結專題地圖制圖技術要點的基礎上，提出自然保護區專題地圖制圖關鍵技術，以保護區管理業務為導向，構建了專題GIS數據庫，設計了具有自然保護區特色的地圖符號，創新性的提出了地圖符號測試方法，設計了便于高效制圖的制圖模板，并在遼寧蛇島老鐵山國家級自然保護區選取保護區范圍及功能區劃、珍稀鳥類分布兩個專題進行應用實證。結果表明，本文提出的關鍵技術合理可行，能夠為自然保護區數據空間可視化和科學利用提供支持，并且地圖數據分析結果為自然保護區精細化管理提供了參考。未來應進一步加強空間數據的采集，如采用“國土調查云”平臺搜集各類數據，構建更加完善的專題數據庫，為自然保護區智慧化管理提供豐富的數據資源。