答星，楊曉東，張倩，孔祥娟，沈瑩

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022)

1 引 言

地理國情監(jiān)測是綜合利用現(xiàn)代測繪、遙感、GIS、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、云計(jì)算、通訊等技術(shù)，在普查成果的基礎(chǔ)上對自然、人文和社會經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行動態(tài)、定量監(jiān)測，用以分析評估地理國情信息的時(shí)空特征和變化趨勢，形成涵蓋資源分布與利用、生態(tài)環(huán)境評估、區(qū)域規(guī)劃、城鎮(zhèn)化發(fā)展、經(jīng)濟(jì)布局、社會公共服務(wù)等諸多方面的地理國情監(jiān)測產(chǎn)品[1]。地理市情(即城市地理國情)監(jiān)測則是地理國情監(jiān)測的重要組成部分，在確?？傮w目標(biāo)一致的基礎(chǔ)上，圍繞城市發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，對城市地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快、地表覆蓋變化最頻繁的區(qū)域進(jìn)行指標(biāo)深化和擴(kuò)充。建立從宏觀到微觀，從全市域、都市發(fā)展區(qū)到主城區(qū)的多層次、多尺度的監(jiān)測體系，形成彰顯地域特征的地理市情智庫，為城市戰(zhàn)略規(guī)劃、地方政府管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、突發(fā)事件應(yīng)對、社會公眾服務(wù)等提供科學(xué)支撐和有力保障[2]。

武漢市測繪研究院于2016年率先實(shí)現(xiàn)了地理國情普查到市情監(jiān)測工作的轉(zhuǎn)段，按普查標(biāo)準(zhǔn)與要求完成了2016年武漢市地理市情監(jiān)測工作。同期，國家測繪地理信息局也組織了全國地理國情基礎(chǔ)性監(jiān)測試點(diǎn)工作，并于2017年正式下發(fā)了全國基礎(chǔ)地理國情監(jiān)測實(shí)施方案。依據(jù)2017年《湖北省基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書》及《武漢市2017年度地理國情監(jiān)測工作方案》等要求，在完成國家統(tǒng)一地理國情監(jiān)測任務(wù)基礎(chǔ)上，更新完善武漢市地理市情監(jiān)測的相關(guān)內(nèi)容，為政府、企業(yè)和社會各方面提供真實(shí)可靠和準(zhǔn)確權(quán)威的地理國情數(shù)據(jù)及專題分析報(bào)告，助力武漢創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，充分發(fā)揮測繪地理信息“基礎(chǔ)地理智庫”的作用。

2 主要監(jiān)測任務(wù)

武漢市測繪研究院承擔(dān)了2017年地理國情監(jiān)測、地理市情深化監(jiān)測及統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告編制三個(gè)階段工作。地理國情監(jiān)測是利用由國家測繪地理信息局統(tǒng)一下發(fā)的2016版基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果作為2017年變化監(jiān)測的本底數(shù)據(jù)，以武漢市2016年自主更新的地理市情監(jiān)測成果作為重要參考資料。較普查階段的數(shù)據(jù)生產(chǎn)而言，在數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上有較大改變，如數(shù)據(jù)庫按行政界線分為分區(qū)及不分區(qū)管理；更新要素層增加UV前綴進(jìn)行區(qū)分；編輯過程中需對生產(chǎn)要素進(jìn)行標(biāo)記；要素代碼調(diào)整及新增屬性項(xiàng)添加；遙感解譯樣本采集要求變更等。

地理市情深化是在2016年獨(dú)立完成的地理市情監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，融合2017年地理國情監(jiān)測成果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行成果深化監(jiān)測更新，從而滿足市區(qū)兩級的數(shù)據(jù)建庫、專題數(shù)據(jù)庫更新、以及統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告編制等需求。在國家和湖北省普查指標(biāo)基礎(chǔ)上，武漢市增加了地下空間利用、行業(yè)專題信息2個(gè)一級類、8個(gè)二級類、33個(gè)三級類、11個(gè)四級類，共分為12個(gè)一級類、67個(gè)二級類、167個(gè)三級類和11個(gè)四級類。

統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告編制工作是在地理市情監(jiān)測及專題數(shù)據(jù)庫更新完成基礎(chǔ)上進(jìn)行的，包括基本監(jiān)測成果、基本統(tǒng)計(jì)報(bào)告、區(qū)域?qū)ｎ}性監(jiān)測與特色研究三個(gè)部分?；颈O(jiān)測成果用以展示地形地貌、地表覆蓋、國情要素、地理單元、專題數(shù)據(jù)五個(gè)方面的監(jiān)測成果統(tǒng)計(jì)和兩期數(shù)據(jù)對比分析?；窘y(tǒng)計(jì)報(bào)告是按照國普辦統(tǒng)一規(guī)定要求，利用國普辦下發(fā)的基本統(tǒng)計(jì)軟件，完成地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地表、交通網(wǎng)絡(luò)、居民地及設(shè)施、地理單元等7個(gè)方面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，形成基本統(tǒng)計(jì)成果。區(qū)域?qū)ｎ}性監(jiān)測與特色研究則按照區(qū)級“十三五”規(guī)劃目標(biāo)和發(fā)展重點(diǎn)，開展資源分布支持度、生態(tài)環(huán)境容納度、經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)度、城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展度和公共服務(wù)均等度5個(gè)方面的專題性監(jiān)測與綜合評價(jià)以及區(qū)域功能定位和特色研究[3]。具體工作內(nèi)容如表1所示。

主要階段的任務(wù)表 表1

3 監(jiān)測框架流程

地理國情監(jiān)測是在2016年國家下發(fā)的監(jiān)測本底數(shù)據(jù)成果庫基礎(chǔ)上，對照2016年下發(fā)衛(wèi)星遙感影像及2017年下發(fā)的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行兩期影像對比，通過變化識別，甄別變化區(qū)域，對地理國情信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行監(jiān)測更新。地理國情監(jiān)測采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法開展，按照“內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔”組織生產(chǎn)，并完成遙感解譯樣本采集及元數(shù)據(jù)制作。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市地理市情深化監(jiān)測的需求，提取2017年更新后的國情數(shù)據(jù)庫中的變化更新信息(符合國家標(biāo)準(zhǔn))，并更新至武漢市地理市情數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)對市情擴(kuò)展及細(xì)化的圖層進(jìn)行補(bǔ)充要素更新。通過收集、整合最新的多行業(yè)專題資料，對專題數(shù)據(jù)庫進(jìn)行行業(yè)專題的監(jiān)測與更新，對與地理市情數(shù)據(jù)庫中同時(shí)利用到的專題資料，確保數(shù)據(jù)一致性。最后利用2017年地理市情深化監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與專題數(shù)據(jù)庫，按功能區(qū)單元完成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告編制工作。具體項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程如圖1所示：

圖1項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程圖

4 項(xiàng)目實(shí)施過程中的技術(shù)難點(diǎn)

首先，全國性的監(jiān)測核準(zhǔn)時(shí)間緊，任務(wù)重，遙感影像底圖是整個(gè)核準(zhǔn)階段的重要參考資料，利用省普查辦分批次地提供了多種時(shí)態(tài)、不同傳感器的衛(wèi)星遙感影像，如何快速生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的影像底圖數(shù)據(jù)，對整個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。

其次，2017年地理國情監(jiān)測工作是在2016年國家下發(fā)的監(jiān)測本底數(shù)據(jù)成果庫基礎(chǔ)上，國家對數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)、編輯標(biāo)注方式、分類標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了較大幅度的改變，本底數(shù)據(jù)資料下發(fā)較晚、提交成果資料復(fù)雜，如何快速甄別變化區(qū)域是提高國情監(jiān)測數(shù)據(jù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

再者，地理市情深化的內(nèi)容與指標(biāo)比地理國情監(jiān)測更加細(xì)化，且數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)有較大不同，如直接將地理國情監(jiān)測成果導(dǎo)入地理市情深化監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中會產(chǎn)生大量的邏輯一致性問題。因武漢市實(shí)際管理單元與行政區(qū)界線劃分不統(tǒng)一，兩套數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)融合過程中還需考慮如何將省級驗(yàn)收的13個(gè)行政區(qū)拆分為16個(gè)實(shí)際管理單元，因此如何更加科學(xué)地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合方案從而既能滿足地理國情監(jiān)測需求，又能快速地完成地理市情深化成為技術(shù)難點(diǎn)。

最后，專題資料是地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的補(bǔ)充和完善，也是后期統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用服務(wù)的重要內(nèi)容。由于搜集到相關(guān)職能部門的專題數(shù)據(jù)在格式、時(shí)效、管理模式、數(shù)字化程度等均有不同，導(dǎo)致收集的資料存在時(shí)點(diǎn)不統(tǒng)一、內(nèi)容不統(tǒng)一和格式不統(tǒng)一等差異。如何快速整理利用各類專題資料，進(jìn)行空間定位和入庫以及滿足專題統(tǒng)計(jì)和制圖需求直接關(guān)系到監(jiān)測成果的深層次應(yīng)用。

5 數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的技術(shù)創(chuàng)新

5.1 基于PF像素工廠的影像底圖快速生產(chǎn)

以北京二號衛(wèi)星和高分二號衛(wèi)星采集的48景高分辨率衛(wèi)星遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分辨率 0.8 m，利用PF像素工廠高性能的分布式并行計(jì)算能力，按照幾何糾正、配準(zhǔn)、鑲嵌、裁切、坐標(biāo)變換等步驟處理原始影像。特別是其Mosaic模塊中的自動鑲嵌線計(jì)算快視圖，將勻光、勻色工序放在參考影像上進(jìn)行，極大減少了數(shù)據(jù)量的計(jì)算[4]。針對高分二號衛(wèi)星的綠波段直接融合會使植被顯示效果較為暗淡、層次感不強(qiáng)的問題，通過波段加權(quán)運(yùn)算，利用綠波段與近紅外波段進(jìn)行加權(quán)處理，如B_NEW=B_GREEN*a+B_NIR(1-a)，a權(quán)重值為0.8-0.9，形成較為理想的真彩色影像。對正射糾正后整景影像采集不少于50個(gè)檢查點(diǎn)，且均勻分布于監(jiān)測影像重疊區(qū)域，確保整景精度不超限。最后按 1∶25 000標(biāo)準(zhǔn)分幅最小矩形外擴(kuò)100個(gè)像素的矩形裁切影像，得到共計(jì)110幅監(jiān)測影像。利用PF像素工廠極大地提高了衛(wèi)星遙感影像的處理效率，同樣規(guī)模的影像生產(chǎn)項(xiàng)目較常規(guī)軟件處理，效率可提高一倍，成果精度滿足地理國情生產(chǎn)需求。影像處理前后變化如圖2所示。

圖2影像經(jīng)像素工廠處理影像的前后變化

5.2 監(jiān)測工作的重點(diǎn)和界定方法

地理國情監(jiān)測不僅涵蓋地表覆蓋的自然單元，還包括地理國情要素和地理單元方面的人文因素，設(shè)計(jì)并提取地理國情監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域?qū)ν苿訑?shù)據(jù)生產(chǎn)是非常必要的環(huán)節(jié)。對于地表覆蓋圖層，監(jiān)測階段首先重點(diǎn)針對本底數(shù)據(jù)庫中的TAG值處于變化階段的4圖斑及CC碼大類為7和8的圖斑進(jìn)行逐一核實(shí)。借助多時(shí)像遙感數(shù)據(jù)的光譜異質(zhì)性與形狀異質(zhì)性運(yùn)用分類后比較法，對每景影像設(shè)置統(tǒng)一的分類體系，然后對比兩期影像分類數(shù)據(jù)提取變化圖斑。由于光譜相似性較近的圖斑閾值難以界定，因而對細(xì)微變化無法有效提取。同時(shí)，因耕園林草地塊間的輪種會產(chǎn)生較多冗余變化圖斑，需要人工排查，但此法對較大面積的地表開挖區(qū)或城建變化區(qū)的提取效果較好[5]。此外，利用武漢市測繪研究院逐年航飛的全市域航攝影像，通過像素工廠快速匹配生成地表高程模型間的差分處理，提取超閾值區(qū)域，能有效監(jiān)測建筑物增建區(qū)域的變化區(qū)域。

對于國情要素和地理單元要素圖層的監(jiān)測，先根據(jù)地表覆蓋中生產(chǎn)標(biāo)記為“17*”類圖斑進(jìn)行更新，對新增路網(wǎng)、建筑區(qū)、水域等要素則較為直觀，但對于如城鎮(zhèn)功能單元要素類的新增、要素屬性項(xiàng)擴(kuò)充和完善等，則更多地需要參考收集資料，進(jìn)行屬性掛接或定位上圖。根據(jù)要素編輯標(biāo)記字段，反向檢查修改更新區(qū)域是否需要同步更新地表覆蓋，以免產(chǎn)生邏輯一致性問題。

5.3 地理國情監(jiān)測與地理市情深化數(shù)據(jù)的融合方法

由于省局下發(fā)的武漢市地理國情監(jiān)測本底數(shù)據(jù)庫是按13個(gè)行政區(qū)界線劃分，與地理市情深化使用16個(gè)功能區(qū)界線劃分單元不一致。同時(shí)，地理國情數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)了保留要素唯一值編碼和更新編輯標(biāo)記以便數(shù)據(jù)的歷史回溯，但這極大地增加了人工排查、機(jī)查錯(cuò)誤的問題。如直接將地理國情監(jiān)測成果合并再重新依照地理市情深化數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新，會產(chǎn)生大量的邏輯一致性問題，給后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析和專題信息提取造成干擾。為更好地利用和融合兩套數(shù)據(jù)，對地理市情深化監(jiān)測中的唯一編碼及要素變化標(biāo)識不保留，后期再通過兩期數(shù)據(jù)對比提取滅失及編輯圖斑，此法能確保更新后要素邏輯的一致性。對不同類型的地理國情監(jiān)測要素層，筆者總結(jié)設(shè)計(jì)了以下三種情況處理方法，確保國情監(jiān)測和市情監(jiān)測深化的一致性和成果的完整性。

(1)對分類指標(biāo)不變且不需細(xì)化的圖層，保留利用地理國情監(jiān)測成果，采取合并后拆分處理，確保從國家到地方分類指標(biāo)的一致和延續(xù)，如LCA，HYDA等；

(2)對分類指標(biāo)不變、但需市情細(xì)化的圖層，首先提取地理國情中的編輯成果，在原地理市情數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行還原，然后再根據(jù)有關(guān)專題資料或影像對照進(jìn)行更新，如LCTL，LRDL；

(3)對分類指標(biāo)改變的圖層，應(yīng)先將地理國情中對應(yīng)圖層的要素進(jìn)行地理市情標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，確保無誤后再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，如地理國情中CtyDataset城鎮(zhèn)功能單元數(shù)據(jù)集包含13個(gè)圖層，但地理市情數(shù)據(jù)庫則在BUCA層利用CC碼進(jìn)行細(xì)分存儲，同時(shí)還需對國情庫中CPDA單位院落圖層進(jìn)行市情細(xì)分指標(biāo)深化(114A-114K)。

5.4 專題數(shù)據(jù)庫更新方法

專題數(shù)據(jù)庫是地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的補(bǔ)充和完善，是后期進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析與專題性監(jiān)測的重要信息來源，也是相關(guān)專題圖表制作的主要數(shù)據(jù)源。專題數(shù)據(jù)庫涵蓋基礎(chǔ)性監(jiān)測及專題性監(jiān)測的信息圖層，對前者應(yīng)保證與地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中信息一致，再輔助擴(kuò)充無須在地理國情監(jiān)測的要素，并根據(jù)制圖要求進(jìn)行要素幾何格式的轉(zhuǎn)換，如教育資源分布圖中對幼兒園和中等職業(yè)學(xué)校等進(jìn)行了擴(kuò)充，制圖表達(dá)過程則需將CPDA中的面要素轉(zhuǎn)換為點(diǎn)要素存儲，如圖3所示。對專題性監(jiān)測涉及的深化項(xiàng)內(nèi)容應(yīng)確保入庫要素投影坐標(biāo)系的一致，通過專題細(xì)化形成城市建設(shè)管理、公共管理服務(wù)、納稅企業(yè)、人口、市情深化、政務(wù)服務(wù)、制圖輔助等7個(gè)子數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類管理，根據(jù)年度收集專題信息資料進(jìn)行核實(shí)和更新，掛接并擴(kuò)充相關(guān)圖層的專題信息。

為減少專題數(shù)據(jù)上圖定位的復(fù)雜性，綜合運(yùn)用武漢市測繪研究院研發(fā)的百度地圖API，遍歷專題數(shù)據(jù)表，對各類專題信息進(jìn)行地址、名稱的解析和逆解析，快速獲取每條地名地址的百度坐標(biāo)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)校正后展點(diǎn)成圖。對定位率在80%以上的點(diǎn)位、定位精度在 5 m～20 m，實(shí)現(xiàn)地名地址的批量定位。對定位率較低的數(shù)據(jù)，利用武漢市測繪研究院研發(fā)的“勘測成果一張圖”的地名地址搜索功能，并經(jīng)百度、高德等國內(nèi)權(quán)威地圖網(wǎng)站中的街景地圖輔助核實(shí)，確保更新數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 教育資源分布圖

6 結(jié) 語

目前，地理國情監(jiān)測已成為測繪地理信息轉(zhuǎn)型升級、服務(wù)國家改革發(fā)展大局的主攻方向，是推動測繪地理信息技術(shù)向跨學(xué)科、跨行業(yè)知識融合的一條新的途徑[6]。武漢正處于建設(shè)國家中心城市的關(guān)鍵時(shí)期，構(gòu)建符合國情、市情需求的本底數(shù)據(jù)庫，不斷創(chuàng)新數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式，建立高性價(jià)比的一體化監(jiān)測技術(shù)體系，才能有效促進(jìn)該項(xiàng)工作的業(yè)務(wù)化、規(guī)范化和常態(tài)化。武漢市測繪研究院從2013年積極響應(yīng)國家號召，開展地理國情初始普查，到2016年自主摸索開展地理市情深化監(jiān)測研究與應(yīng)用，再到2017年統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地理國情監(jiān)測與地理市情深化工作的同期進(jìn)行，旨在不斷探索各類監(jiān)測成果的專題性研究分析能力，拓展服務(wù)領(lǐng)域，充分發(fā)揮其在“經(jīng)濟(jì)、城市、民生”三個(gè)升級版中的基礎(chǔ)公益智庫作用。