海陸地理信息融合技術研究

梁文瓊，王春曉，陳 慧，熊小青*

（1. 自然資源部海南基礎地理信息中心，海南 海口 570203）

由于海南省特殊的地理位置，海陸一體化是自貿港建設、發展“海洋強省”的必然選擇[1]。在海岸帶自然資源管理、岸線管控、生態環境保護、應急救災等方面均需要統籌陸海空間信息[2-4]，而傳統地理信息數據中陸地要素豐富、海洋要素較少，海圖數據中海洋要素豐富、陸地要素缺乏。地理信息行業和海事行業相對獨立，海陸原始數據在數據標準、更新頻率、數據尺度等方面均存在差異[5]；還存在海岸帶地理范圍界定不統一、要素不一致、數學基礎不同等問題，使陸海接邊處存在重復、矛盾等區域[6-8]。海陸地理信息融合旨在實現海域和陸域地理信息數據的同化和集成，形成一套成果矢量數據集，并進行服務集成與發布[9-11]。本文針對海圖和陸圖的特點和差異，對海陸地理信息融合技術進行研究與驗證，為陸海統籌發展提供地理信息技術支持。

1 海圖數據和陸圖數據

1.1 海圖數據

海圖分為一般航行圖、遠岸航行圖、近岸航行圖、港口圖和錨泊圖，主要描述海域地理信息和航海信息。近岸航行圖、港口圖、錨泊圖等包括建筑、植被、道路等陸域地理信息，但概括性強，數據精度和現勢性無法保證。海圖主要采用WGS84坐標系、墨卡托投影；分幅沿海岸或航線進行，圖幅面積大小不固定，相鄰圖幅間有重疊；沒有固定的比例尺系列。電子海圖數據格式為S57 或S63，要素種類繁多，分類分層主要考慮航海需要。與傳統GIS 空間數據庫格式相比，兩種數據結構根據不同標準不同應用領域而設計，在要素分類、要素定義和屬性定義等方面存在很大差別。

1.2 陸圖數據

陸圖一般采用CGCS2000 坐標系、高斯—克呂格投影，有固定的比例尺設計原則；矢量數據一般以空間數據庫形式存儲，包括shape、mdb、gdb 等格式，內容主要包括道路、居民地、水系、境界與政區、基礎設施、地形數據、地名地址等。電子地圖配圖遵照《地理信息公共服務平臺電子地圖數據規范》和《公共服務電子地圖瓦片數據規范》。

2 海陸地理信息融合

2.1 海陸地理信息融合技術流程

海圖和陸圖在數據格式、空間基準、要素表達等方面均存在差異，因此二者的數據一致性建設是實現海陸地理信息融合的關鍵。考慮數據的通用性，海陸地理信息融合按照海圖向陸圖同化的原則，主要包括電子海圖預處理、比例尺匹配、數據整合和海陸接邊等步驟（圖1）。

圖1 海陸地理信息融合技術流程圖

2.2 海圖預處理

電子海圖數據預處理主要包括格式轉換、坐標變換和要素篩選等。格式轉換過程可采用FME軟件中的FME Quick Translator 工具模塊，將S57 標準格式轉換成shape 格式。坐標轉換可借助地理信息行業坐標轉換工具。海圖數據包含元類、制圖類、集合類和地理類4 類特征物標[12-13]，元類描述其他物標的共有信息，制圖類描述制圖方法，集合類描述其他物標間的關系，地理類描述現實世界中地理實體。為減少數據冗余，對轉換后的數據進行要素篩選時只保留在地圖制圖中最關鍵的地理特征要素。

2.3 比例尺匹配

比例尺匹配是陸海一體化地圖服務發布的準備工作，旨在隨著陸圖顯示級別的推進，海圖信息載負實現相應的合理增長，并在固定的顯示級別下要素均衡分布。將海圖不同比例尺圖幅數據與地圖服務各級比例尺范圍進行匹配，并以成圖范圍為界形成分級圖幅接合表。最佳比例尺數據不能覆蓋的區域，采用低等級數據進行補充，低等級數據按照比例尺優先原則進行選取。

2.4 數據整合

數據整合建立在比例尺匹配的基礎上，包括同一級別數據接邊和不同級別同類要素合并等。同一級別不同比例尺或不同圖幅電子海圖間存在重疊區域的，需要對重疊區域進行裁切處理，再對相鄰圖幅進行接邊。重疊區域數據選擇時，遵循最佳匹配比例尺原則和要素最全、覆蓋面最大原則。圖幅間接邊主要遵循小比例尺向大比例尺銜接、同比例尺取平均值等原則，主要分為點要素、線要素和面要素接邊。對不同級別數據類型相同的要素進行合并，并建立文件地理數據庫，形成全要素全覆蓋的電子海圖數據集。

2.5 海陸接邊

海陸無縫接邊直接關系海陸一張圖的成圖效果，包括重疊區域處理和海陸鄰接要素接邊。接邊處理的主要原則為：①海陸重疊區域，陸域性質要素以陸圖數據為準，海域性質要素以海圖數據為準；②從數據完整性和可操作性角度考慮確定接邊線，對鄰接要素幾何位置進行接邊，接邊后的數據保持原有數據格式、屬性和組織方式不變；③河流入海口、橋梁等跨越陸海兩邊的地物，以影像為參考對海圖或陸圖進行調整，以保證接邊后的位置精度。

2.6 地圖服務發布

海圖服務發布可借助Chart Server、ArcGIS Maritime Server 等Web 端服務發布工具，直接將S57 電子海圖發布成服務，無需進行格式轉換和配圖等，方便快捷。然而，海圖分布不均，不同比例尺圖幅接邊效果較差；再加上海圖和陸圖范圍線不一致、坐標系不同，導致兩個服務銜接處有壓蓋或縫隙，放大顯示效果較差。因此，大比例尺海陸一張圖服務采用先融合再發布的方式，首先利用ArcMap 軟件按地圖的顯示級別對接邊后海圖數據進行組織；再根據S52 顯示標準制作海圖符號庫，對海圖數據進行分級渲染，規范化顯示處理；最后將海圖與陸圖集成發布為海陸一體化地圖服務。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗區與數據處理

本文選取海南島西岸洋浦港附近和北部灣海域作為實驗區，面積約為2 000 km2。收集2011—2021年S57標準電子海圖9幅，陸圖采用2020 年海南天地圖公眾版，選取2021 年上半年、大于1 m 分辨率衛星影像作為參考影像，對海陸地理信息融合技術進行驗證。

按照天地圖數據標準，借助格式轉換軟件和坐標轉換工具將S57 電子海圖數據轉換成shape 格式、CGCS2000 坐標系。通過Python 腳本工具對海圖要素進行篩選，去除M_COVR、M_NSYS、M_QUAL 等非地理類要素。

3.2 比例尺匹配

按照天地圖0～19級分級標準，對實驗區海圖數據進行比例尺匹配（表1）。實驗區電子海圖比例尺范圍為1∶15 000～1∶7 000 000，支持顯示到15級，16～19級沿用15 級數據。一般航行圖（C11）、遠岸航行圖（C13）比例尺較小，對應天地圖最大顯示級別為11級，可采用直接發布服務的方式，12級以上海陸一體化地圖服務采用先融合再發布的方式。

表1 比例尺匹配

3.3 數據整合與陸海接邊

建立各級海圖接合表，實驗區分級所得各級海圖不能覆蓋的區域由低等級數據進行補充。接邊時根據距離差的大小，主要采用小比例尺向大比例移位和平均移位的方法。接邊后的海圖要素備注顯示級別屬性后將所有級別的同一類要素進行合并，并以GDB格式存儲所有要素按照點、線、面要素集。

以天地圖數據為基準，對12～19 級電子海圖和天地圖數據進行融合處理（圖2）。根據海圖要素與天地圖的空間關系，主要接邊工作包括：①以天地圖陸域范圍線為界，刪除海圖陸域性質數據，包括建筑區（物）、道路、地面高程、陸地范圍等；②入海河流、橋梁、島礁等跨界要素以影像為參考對海圖或天地圖范圍線進行適當調整，保證接邊后的位置精度；③將與陸地鄰接的海域/命名水域、港區（行政的）、海床區等要素向天地圖接邊；④與陸地關系不大的海水養殖場等以海圖為準，其他海域性質要素以海圖為準。

圖2 海陸融合示意圖

3.4 海陸一體化服務發布

按照S52 標準，利用ArcMap 建立了海圖符號庫，對海圖進行標準化配圖；再與天地圖集成發布了海陸一張圖服務。

本文對實驗區海圖進行了預處理和比例尺分析，并與天地圖分級標準進行了比例尺匹配和圖幅接邊；然后根據海圖要素與天地圖的空間關系，采用不同的方式進行了海陸接邊，主要處理了海圖與天地圖有重疊、要素范圍不一致、位置銜接不準確等問題；最終實現了海圖與天地圖的有效融合。

4 結 語

海陸地理信息融合技術實現了海圖向陸圖的一致化處理以及地理位置上的有效銜接。海陸一張圖從內容上兼顧了陸海信息的表達，填補了原海圖和陸圖信息的空白；從圖面效果上看，海陸接邊處無縫銜接、過渡自然，配圖保留了陸圖與海圖兩種表達習慣，圖面較美觀。海陸一張圖是陸海統籌發展不可或缺的數據基礎和工作底圖，研究成果能為國土空間統籌規劃、自然資源調查管理、社會化監管等提供地理信息服務保障。