白亭穎

(天津海事測(cè)繪中心，天津 300222 )

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陸海地理信息數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究

白亭穎

(天津海事測(cè)繪中心，天津 300222 )

21世紀(jì)世界進(jìn)入海洋世紀(jì)，海洋與陸地之間的聯(lián)系更加密切，實(shí)現(xiàn)陸海一體化成為必然。陸海地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的根本原因是測(cè)繪部門(mén)職能的設(shè)置及部門(mén)間信息溝通的缺乏。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外陸海測(cè)繪部門(mén)的主要職能及其數(shù)據(jù)采集和處理的基準(zhǔn)、投影，確定了陸海數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的具體表現(xiàn)；針對(duì)這些表現(xiàn)，歸納了陸海地理信息融合實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)：語(yǔ)義特征融合和空間特征融合。

地理信息數(shù)據(jù)；陸海一體化；數(shù)據(jù)融合；地圖合并；統(tǒng)一地理編碼

一、引 言

海洋是人類(lèi)賴(lài)以生存的基地。21世紀(jì)，世界各國(guó)越來(lái)越重視海洋，并紛紛開(kāi)發(fā)海洋。海洋和陸地之間存在著廣泛的聯(lián)系，只有加強(qiáng)陸地與海洋間的聯(lián)動(dòng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)陸海一體化發(fā)展，才能更加合理、高效地利用資源。

陸海一體化是指根據(jù)海洋和陸地之間的內(nèi)在聯(lián)系，運(yùn)用系統(tǒng)論和協(xié)同論的思想，統(tǒng)一規(guī)劃和綜合管理陸地和海洋，使其成為一個(gè)統(tǒng)一的陸海系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)陸海資源的更有效配置[1]。陸海一體化的關(guān)鍵是陸海多源地理信息數(shù)據(jù)的融合， 其主要過(guò)程是通過(guò)對(duì)已有的陸海數(shù)據(jù)資料進(jìn)行篩選，得到數(shù)據(jù)源，確定陸海數(shù)據(jù)融合方案，最終得到滿(mǎn)足應(yīng)用需求的產(chǎn)品。陸海地理信息數(shù)據(jù)融合的一般處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的統(tǒng)一、語(yǔ)義融合、空間特征融合3個(gè)過(guò)程[1]。

二、基準(zhǔn)的統(tǒng)一

由于制圖方式和用途不同，對(duì)陸海數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)采用不同的基準(zhǔn)，測(cè)量基準(zhǔn)分為水平基準(zhǔn)和垂直基準(zhǔn)，見(jiàn)表1。實(shí)施陸海數(shù)據(jù)融合時(shí)，若二者基準(zhǔn)不統(tǒng)一，就無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，陸海數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)是空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

表1 我國(guó)陸海水平和垂直基準(zhǔn)[2]

1.平面基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

平面基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換包括坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)，若測(cè)量范圍較大或二者測(cè)量條件相差較大，可采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，以保證精度。比較常見(jiàn)且成熟的七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型主要有布爾莎模型、莫洛金斯基模型和武測(cè)模型等。若對(duì)精度要求不高，為簡(jiǎn)化計(jì)算可采用三參數(shù)轉(zhuǎn)換模型[3]。實(shí)現(xiàn)地圖投影轉(zhuǎn)換主要有3種方法：解析變換方法、數(shù)值變換方法和數(shù)值-解析變換方法。解析變換方法是在已知原投影和新投影解析式的條件下，建立二者之間的函數(shù)關(guān)系式；數(shù)值變換法和數(shù)值-解析變換方法則分別是在不知原投影的解析式和不知原投影方程的情況下，采用多項(xiàng)式數(shù)值逼近法，建立二者之間的函數(shù)關(guān)系式。

2.垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換即實(shí)現(xiàn)陸海數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)和深度基準(zhǔn)的統(tǒng)一。海圖以理論最低潮面作為深度基準(zhǔn)面，不僅沒(méi)有確定的起算面，且隨著時(shí)間會(huì)不斷變化，而陸地的高程基準(zhǔn)以平均海面為基準(zhǔn)，是穩(wěn)定不變的，因此在進(jìn)行陸海數(shù)據(jù)融合時(shí)，應(yīng)以陸地的高程基準(zhǔn)為準(zhǔn)，統(tǒng)一采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)[4]。在海圖中，陸地高程以規(guī)定的國(guó)家高程基準(zhǔn)起算，燈塔、燈樁等高程以平均大潮高潮面起算，深度以規(guī)定的深度基準(zhǔn)面起算，將高程統(tǒng)一到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換方法如圖1所示，公式如下

-L=h′+ 4h

式中，L為深度基準(zhǔn)面值；h′為舊起算面的高程值或深度值；h為不同高程/深度基準(zhǔn)面的改正數(shù)。

圖1 高程/深度基準(zhǔn)面的關(guān)系

三、語(yǔ)義融合

陸海數(shù)據(jù)語(yǔ)義融合是指通過(guò)對(duì)陸海實(shí)體采用統(tǒng)一的分類(lèi)分級(jí)體系，使二者的地理要素編碼得到統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)陸海數(shù)據(jù)語(yǔ)義信息的統(tǒng)一。

1.要素的分類(lèi)分級(jí)方法

要素編碼是指要素中屬性數(shù)據(jù)的編碼，是在對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)的基礎(chǔ)上，將信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)。分類(lèi)體系是地學(xué)編碼的基礎(chǔ)，分類(lèi)是把研究對(duì)象按其性質(zhì)劃分為若干個(gè)組，分級(jí)則是對(duì)同一類(lèi)對(duì)象再按某一方面量上的差別進(jìn)行分級(jí)。分類(lèi)和分級(jí)共同描述了地物之間的分類(lèi)關(guān)系、隸屬關(guān)系和等級(jí)關(guān)系[5]。要素的分類(lèi)分級(jí)主要有兩種方法[5-6]：線(xiàn)分類(lèi)分級(jí)法，是對(duì)分類(lèi)對(duì)象進(jìn)行層級(jí)劃分，即根據(jù)分類(lèi)對(duì)象的特定屬性或特征，將其逐次地分成若干特定層級(jí)類(lèi)目，然后按照一定的層次，線(xiàn)性地將其排列成一個(gè)逐級(jí)展開(kāi)的分類(lèi)體系；面分類(lèi)分級(jí)法，是把分類(lèi)對(duì)象依據(jù)其本身的屬性或特性，分成相互獨(dú)立的若干面，每一個(gè)面都包含一組類(lèi)目，不同面的類(lèi)目可以相互組合成為一個(gè)復(fù)合類(lèi)目。

2.要素的編碼

(1) 編碼的類(lèi)型[6]

編碼按其作用與性質(zhì)分為兩種：分類(lèi)碼和標(biāo)識(shí)碼。分類(lèi)碼用于表示不同類(lèi)別的數(shù)據(jù)，是根據(jù)地理信息分類(lèi)體系設(shè)計(jì)出的各專(zhuān)業(yè)信息的分類(lèi)代碼，同一類(lèi)別的信息從屬于唯一的分類(lèi)碼。在分類(lèi)碼的基礎(chǔ)上，用標(biāo)識(shí)碼對(duì)某一類(lèi)數(shù)據(jù)中的某個(gè)實(shí)體進(jìn)行個(gè)體查詢(xún)檢索。編碼方法可分為符號(hào)編碼法和符號(hào)含義編碼法。其中屬于符號(hào)編碼法的編碼有數(shù)字型、字母型、數(shù)字和字母混合型3類(lèi)編碼；而隸屬于符號(hào)含義編碼法的編碼包括順序碼、層次碼、復(fù)合碼、矩陣碼等。

(2) 陸海編碼融合方法

對(duì)陸海數(shù)據(jù)的編碼融合是在對(duì)象已分類(lèi)分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，一般在編碼過(guò)程中會(huì)用到多種結(jié)構(gòu)的碼，如順序碼、層次碼、復(fù)合碼等。其中層次碼一般是在線(xiàn)分類(lèi)體系的基礎(chǔ)上，將代碼按位分段，按從左到右的次序，各段子碼依次表示編碼對(duì)象的大、中、小類(lèi)別，組成一個(gè)有層次及隸屬關(guān)系的代碼。層次碼有嚴(yán)格的隸屬關(guān)系，能直觀表示對(duì)象的類(lèi)別，因此在我國(guó)被廣泛使用。數(shù)字地形圖要素屬性編碼采用的是一種變長(zhǎng)編碼的形式，在保證要素屬性描述完整的前提下，占用最小的存儲(chǔ)空間。然而，數(shù)據(jù)編碼的復(fù)雜性會(huì)給要素屬性編碼的采集和輸入增加很大的工作量，降低工作效率，因此，變長(zhǎng)編碼形式很難適應(yīng)GIS的發(fā)展需要。海圖要素屬性編碼采用的是定長(zhǎng)編碼結(jié)合要素屬性表的方法，這種編碼方式可以直觀地表示出要素的屬性，而且能充分利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)成熟的處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)要素屬性數(shù)據(jù)的有效管理，因此進(jìn)行陸海編碼融合時(shí)，應(yīng)選擇一種既是層次碼又是定長(zhǎng)的編碼結(jié)構(gòu)。最典型的屬性編碼模型是多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)模型和樹(shù)型結(jié)構(gòu)模型[7]。

如圖2所示，多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)模型中，用一位代碼表示一種屬性。樹(shù)型結(jié)構(gòu)模型中，則用一位或若干位代碼表示每一層次的不同屬性，從而使得對(duì)象的屬性值由其所有上級(jí)代碼加本級(jí)代碼組成。兩種模型相比，多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)模型因其屬性特征易于辨識(shí)，便于在其基礎(chǔ)上生成多種專(zhuān)題圖；而樹(shù)型結(jié)構(gòu)模型層次分明，有利于地圖圖斑類(lèi)別的確定。

四、空間融合

陸海地理信息數(shù)據(jù)空間特征融合是在完成同名實(shí)體匹配的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)相關(guān)地圖實(shí)體幾何位置的融合，從而實(shí)現(xiàn)同一地區(qū)地形圖和海圖數(shù)據(jù)庫(kù)的融合，分為兩個(gè)主要步驟：同名實(shí)體匹配和幾何圖形合并。

圖2 地理屬性編碼模型

1.同名實(shí)體匹配

同名實(shí)體匹配[8]是指通過(guò)一些空間實(shí)體相似度的指標(biāo)，將陸海數(shù)據(jù)庫(kù)中表達(dá)現(xiàn)實(shí)同一地物的實(shí)體識(shí)別出來(lái)，為后面的幾何圖形融合奠定基礎(chǔ)，是陸海數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵。同名實(shí)體匹配算法按匹配方式分為幾何匹配、拓?fù)淦ヅ浜驼Z(yǔ)義匹配3類(lèi)[1]。

1) 幾何匹配是指通過(guò)計(jì)算幾何相似度來(lái)進(jìn)行同名實(shí)體的匹配。最簡(jiǎn)單的幾何匹配是直接將實(shí)體之間的歐氏距離、實(shí)體長(zhǎng)度和方向等作為匹配依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上，出現(xiàn)了很多改進(jìn)方法，如邵世維提出緩沖區(qū)疊加法和空間查詢(xún)法，是對(duì)源數(shù)據(jù)中的實(shí)體做緩沖區(qū)，然后進(jìn)行疊加分析，判斷落入緩沖區(qū)中的實(shí)體[9]；Ashok介紹了用圖論的方法計(jì)算圖形的多種相似度，并提出與環(huán)境有關(guān)和與環(huán)境無(wú)關(guān)的相似度概念，將二者集成得到一個(gè)相似得分，以此判斷實(shí)體之間的相似性[10]；唐文靜提出先計(jì)算不同源數(shù)據(jù)各自的多種指標(biāo)的匹配相似度，如面實(shí)體的方向和形狀相似度等，然后根據(jù)不同實(shí)體的特性給每個(gè)指標(biāo)賦予權(quán)重，計(jì)算總相似度得到匹配實(shí)體。幾何匹配方法得到的匹配結(jié)果比較理想，但是關(guān)于實(shí)體的幾何位置，除點(diǎn)實(shí)體外都比較難以得到一個(gè)精確的值，并且地形圖和海圖中的數(shù)據(jù)精度也各不相同，因此存在一定的誤差。

2) 拓?fù)淦ヅ涫峭ㄟ^(guò)計(jì)算候選同名實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系度量進(jìn)行匹配。Volz提出基于道路實(shí)體的拓?fù)浞指?，用增加種子節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行匹配[11]；童小華提出計(jì)算面實(shí)體之間的重疊面積作為拓?fù)湎嗨贫鹊钠ヅ浞椒ǎ渲兄丿B面積的計(jì)算比較困難[12]，同時(shí)他還提出基于模糊拓?fù)潢P(guān)系分類(lèi)的面實(shí)體匹配方法，這種方法主要適用于大比例尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的規(guī)則面實(shí)體，對(duì)于其他類(lèi)型的面實(shí)體或不同比例尺之間的面實(shí)體的匹配并不一定適用[13]。拓?fù)淦ヅ淇梢杂糜趲缀纹ヅ渲?，以縮小同名實(shí)體的搜索范圍；也可以用于幾何匹配之后，以檢驗(yàn)幾何匹配的效果；但是同一地物實(shí)體在兩幅圖中拓?fù)潢P(guān)系的微小差異都會(huì)導(dǎo)致匹配的失敗。

3) 語(yǔ)義匹配是通過(guò)比較候選同名實(shí)體的語(yǔ)義信息(即屬性信息)進(jìn)行匹配。如陸海數(shù)據(jù)中兩個(gè)大橋名稱(chēng)都為“海河大橋”，則二者為同名實(shí)體。語(yǔ)義匹配操作簡(jiǎn)單且匹配精度高，但是它在很大程度上取決于數(shù)據(jù)源的模型及屬性值等。

在實(shí)踐中進(jìn)行同名實(shí)體匹配時(shí)，通常會(huì)按照匹配條件的強(qiáng)弱順序，先進(jìn)行幾何匹配；強(qiáng)條件匹配不成功再用相對(duì)較弱的條件，如拓?fù)淦ヅ?；最后用語(yǔ)義信息來(lái)進(jìn)行地圖的匹配[14]。

2.幾何圖形合并

陸海數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)采集手段、應(yīng)用方向、比例尺及制圖綜合程度等的不同，二者的同名實(shí)體在形狀和位置上存在一定的差異。因此，實(shí)現(xiàn)陸海數(shù)據(jù)同名實(shí)體匹配后，要進(jìn)行同名實(shí)體的幾何圖形合并。按照形狀特征將實(shí)體分為點(diǎn)、線(xiàn)和面3種類(lèi)型進(jìn)行合并。

點(diǎn)實(shí)體圖形合并最簡(jiǎn)單的方法是將同名點(diǎn)實(shí)體坐標(biāo)值的平均值作為圖形合并后點(diǎn)的坐標(biāo)值。除此之外，比較典型的點(diǎn)實(shí)體合并方法有基于同名點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)剖分的方法，根據(jù)同名點(diǎn)在整個(gè)區(qū)域建立拓?fù)渫瑯?gòu)的三角網(wǎng)，然后在各三角形子區(qū)域內(nèi)根據(jù)3個(gè)相對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并將落入該三角形區(qū)域內(nèi)的其他點(diǎn)以同樣的方式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[15]。

線(xiàn)實(shí)體幾何圖形合并比較典型的是由Filin和Doytsher提出的基于同名線(xiàn)實(shí)體坐標(biāo)投影及平面剖分的方法，利用線(xiàn)實(shí)體之間的坐標(biāo)投影和區(qū)域剖分確定相應(yīng)的變換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)圖形合并[1]。目前比較常用的線(xiàn)實(shí)體合并方法有兩種：特征點(diǎn)融合方法和數(shù)學(xué)形態(tài)法。特征點(diǎn)融合方法是對(duì)每條同名線(xiàn)實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留其特征點(diǎn)，融合產(chǎn)生的新的線(xiàn)實(shí)體即為所求，如圖3所示。

圖3 特征點(diǎn)融合方法

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法是在進(jìn)行實(shí)體匹配后，對(duì)匹配上的兩種數(shù)據(jù)分別做一定寬度的緩沖區(qū)，提取中間重合部分的中軸線(xiàn)，即先把矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后對(duì)中軸線(xiàn)矢量化，得到圖形合并結(jié)果，如圖4所示。

圖4 數(shù)學(xué)形態(tài)法

面實(shí)體最簡(jiǎn)單的合并算法是將其轉(zhuǎn)化為線(xiàn)要素，然后按照線(xiàn)實(shí)體的合并方法進(jìn)行合并。除此之外，郝燕玲提出了基于多因素評(píng)價(jià)的合并變換算法，首先確定影響實(shí)體位置的因素，然后通過(guò)熵法確定各因素的權(quán)重，最后采用加權(quán)位置法實(shí)現(xiàn)同名實(shí)體的幾何位置的合并。該算法適用于所有類(lèi)型實(shí)體，結(jié)果較客觀準(zhǔn)確，并能反映兩幅圖之間精度差異[16]。

五、結(jié)束語(yǔ)

一直以來(lái)，我國(guó)陸海數(shù)據(jù)的采集和維護(hù)由多個(gè)不同部門(mén)分管，數(shù)據(jù)多次重復(fù)采集，數(shù)據(jù)格式、分類(lèi)分級(jí)和編碼方案上都不統(tǒng)一，造成陸海數(shù)據(jù)融合困難。本文對(duì)陸海地理信息數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出了其中存在的問(wèn)題。在我國(guó)，陸海數(shù)據(jù)融合最大的障礙是陸海測(cè)繪管理上的不統(tǒng)一，技術(shù)方法可以解決一部分問(wèn)題，但要想從真正意義上實(shí)現(xiàn)陸海一體化，就必須同時(shí)對(duì)技術(shù)和管理作出改進(jìn)，從而為陸海一體化的建設(shè)作出有益的貢獻(xiàn)。

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Study of Key Techniques for Sea-land Geographic Information Data Fusion

BAI Tingying

白亭穎.陸海地理信息數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(7)：99-102.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0222

2015-03-17

白亭穎(1972—)，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殛懞Ｈ诤?、電子海圖服務(wù)等。E-mail:tjbty@sina.com

P208

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：0494-0911(2015)07-0099-04