宋祿楷 賀致芬 孫曉煒

(山東省國(guó)土測(cè)繪院, 山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

全國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果已在“多規(guī)合一”、城市規(guī)劃實(shí)施監(jiān)管、環(huán)境保護(hù)與治理、自然資源管理、空間用途管制等多個(gè)方面得到應(yīng)用[1-2]。我國(guó)將逐漸構(gòu)建自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)體系,國(guó)土三調(diào)數(shù)據(jù)與地理國(guó)情數(shù)據(jù)融合利用將在生態(tài)文明制度建設(shè)中發(fā)揮更加不可或缺的作用[3-4]。2021年6月,自然資源部印發(fā)《2021年全國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)實(shí)施方案》[5],圍繞自然資源部“兩統(tǒng)一”職責(zé)履行,在自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)框架下,采用2020年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)地表覆蓋數(shù)據(jù)與2020年變更調(diào)查地類(lèi)圖斑數(shù)據(jù)的疊加結(jié)果作為地表覆蓋圖斑底圖數(shù)據(jù),開(kāi)展耕地資源、林草資源、水資源、海島海岸帶和城市要素、人工建(構(gòu))筑物的類(lèi)型、面積、范圍、分布和變化情況的監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)過(guò)程中要求嚴(yán)格保持底圖數(shù)據(jù)“三調(diào)”圖斑的類(lèi)型與界線不變,標(biāo)注變化信息時(shí)采用地理國(guó)情信息代碼。

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中,地理國(guó)情監(jiān)測(cè)覆蓋圖斑和“三調(diào)”地類(lèi)圖斑的疊加,產(chǎn)生了大量的尖銳、狹長(zhǎng)等異形圖斑,將對(duì)監(jiān)測(cè)實(shí)施進(jìn)度和監(jiān)測(cè)成果質(zhì)量造成影響[6-8]。目前有很多針對(duì)尖銳、狹長(zhǎng)圖斑的質(zhì)檢方法研究與應(yīng)用較好[9-10],但仍不能解決人工工作量大的問(wèn)題,狹長(zhǎng)圖斑的剖分綜合多采用Delaunay三角網(wǎng)剖分的方法進(jìn)行狹長(zhǎng)圖斑的剖分綜合處理[11-13],但是該方法對(duì)大圖斑上的尖銳折角,狹窄連接部位的處理效果不佳。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種基于檢測(cè)線的異形面檢查與圖斑自動(dòng)綜合處理的方法,開(kāi)發(fā)了工具并在山東省2021年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用,保證了數(shù)據(jù)成果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 圖斑底圖數(shù)據(jù)的生成過(guò)程與問(wèn)題分析

1.1 圖斑底圖數(shù)據(jù)的生成過(guò)程

2021年度地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的地表覆蓋圖斑底圖數(shù)據(jù)是以第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查及2020年變更調(diào)查成果(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三調(diào)”成果)為底版與2020年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果中的地表覆蓋數(shù)據(jù)層經(jīng)過(guò)疊加后生成的數(shù)據(jù)結(jié)果[14],具體步驟如下：

(1)疊加圖層相交處理。計(jì)算“三調(diào)”地類(lèi)圖層數(shù)據(jù)與國(guó)情監(jiān)測(cè)覆蓋圖層數(shù)據(jù)層的幾何交集。將兩個(gè)圖層中相疊置的圖斑的各部分作為新圖斑寫(xiě)入到輸出圖層中。輸出圖層中的圖斑保留原“三調(diào)”地類(lèi)圖斑的土地類(lèi)型編碼(DLBM)和圖斑標(biāo)識(shí)碼(BSM)屬性,保留原國(guó)情監(jiān)測(cè)覆蓋圖斑中的地理國(guó)情信息碼(CC)、生產(chǎn)標(biāo)記信息(Tag)和地物標(biāo)注屬性(Feature)。

(2)細(xì)碎圖斑歸并處理。數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中由于遙感影像數(shù)據(jù)源時(shí)空不一致、采集指標(biāo)的不同和人工采集誤差等原因,造成了“三調(diào)”地類(lèi)數(shù)據(jù)與國(guó)情監(jiān)測(cè)覆蓋數(shù)據(jù)存在套合差,在經(jīng)過(guò)疊加圖層相交處理后,會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)碎圖斑,需要對(duì)細(xì)碎圖斑進(jìn)行歸并處理?；咎幚碓瓌t是：①將面積小于200 m2的圖斑或者是面積小于400 m2的窄條狀圖斑進(jìn)行歸并;②采取“就近就大”的原則,將細(xì)碎圖斑歸并到位于同一“三調(diào)”圖斑內(nèi)、共享邊最長(zhǎng)、面積比自己大的相鄰圖斑;③若可并入多個(gè)圖斑時(shí),優(yōu)先并入地理國(guó)情信息類(lèi)型相近的相鄰圖斑。

(3)核查標(biāo)記賦值。圖斑底圖數(shù)據(jù)完成細(xì)碎圖斑歸并處理后,針對(duì)國(guó)情圖斑類(lèi)型與三調(diào)圖斑類(lèi)型的相容性,進(jìn)行要求核查標(biāo)記(toCheck)字段的賦值。國(guó)情圖斑類(lèi)型與三調(diào)圖斑類(lèi)型相容時(shí),toCheck賦值為0,表示需要監(jiān)測(cè)變化,不相容時(shí),toCheck賦值為1,表示需要核查。

1.2 圖斑底圖數(shù)據(jù)中的遺留問(wèn)題

地表覆蓋圖斑底圖數(shù)據(jù)雖然對(duì)細(xì)碎圖斑進(jìn)行了歸并處理,但因由于遙感影像數(shù)據(jù)源時(shí)空不一致和采集指標(biāo)不一致等原因[15],在疊加處理后產(chǎn)生了大量尖銳折角、狹長(zhǎng)突出和狹窄連接等異形圖斑問(wèn)題,如圖1所示。這些異形圖斑與正常圖斑融為一體,構(gòu)成一個(gè)整體圖斑,不能自然分割,因此未能通過(guò)細(xì)碎圖斑歸并處理消除問(wèn)題。按要求應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)疊加、編輯、切割等處理過(guò)程形成的與實(shí)地情況不相符、不合理的尖銳狹長(zhǎng)圖斑進(jìn)行處理,如果采用人工手動(dòng)處理,處理工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力,需要通過(guò)開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)工具,實(shí)現(xiàn)異形圖斑的自動(dòng)綜合處理,提高生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 圖斑底圖數(shù)據(jù)中異形圖斑錯(cuò)誤示意圖

2 異形圖斑的處理方法研究

通過(guò)對(duì)圖斑底圖數(shù)據(jù)的生成過(guò)程與問(wèn)題分析,明確的處理思路是將問(wèn)題圖斑中的異形部位從圖斑主體上分割下來(lái),再將分割后的異形圖斑按照細(xì)碎圖斑的處理方法與臨接的同一三調(diào)圖斑邊界內(nèi)的其他圖斑進(jìn)行歸并處理,最終將問(wèn)題修正。其中需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,一是如何快速檢測(cè)出哪些圖斑存在異形部位,二是如何將異形部位合理地從圖斑主體上分割下來(lái)。

2.1 異形圖斑的檢測(cè)方法

僅從圖斑層面考慮,問(wèn)題圖斑不合理的本質(zhì)是異形部位不符合最小采集指標(biāo),表現(xiàn)為局部的尖銳、狹長(zhǎng)面,如果將一個(gè)圖斑沿邊界平行向內(nèi)收縮,則圖斑的尖銳、狹長(zhǎng)部分將首先消失,因此,可以利用這個(gè)原理進(jìn)行異形圖斑的檢測(cè)與分割,構(gòu)造圖斑邊界向內(nèi)的平行復(fù)制線,檢測(cè)圖斑是否存在異形部位?；镜臋z測(cè)步驟是：

(1)確定檢測(cè)閾值,一般小于最小采集指標(biāo)一半長(zhǎng)度。

(2)生成檢測(cè)線,使用圖斑邊界向面內(nèi)方向進(jìn)行平行復(fù)制,生成平行復(fù)制線,如圖中虛線。

(3)拓?fù)渑袛?判斷檢測(cè)線是否在被檢測(cè)圖斑面內(nèi)部,如圖2(a)中檢測(cè)線(虛線)在內(nèi)部則為正常圖斑;如圖2(b)中檢測(cè)線有部分在面外部則為問(wèn)題圖斑。

(a)正常圖斑的檢測(cè)線 (b)異形圖斑的檢測(cè)線

(4)提取檢測(cè)結(jié)果。

2.2 異形圖斑的分割方法

依據(jù)構(gòu)造的檢測(cè)線,在查找問(wèn)題圖斑的基礎(chǔ)上,可以利用問(wèn)題圖斑尖銳、狹長(zhǎng)等異形部位的檢測(cè)線位于圖斑外部,通過(guò)整理和反向平行復(fù)制,獲取切割線,實(shí)現(xiàn)問(wèn)題圖斑異形部位與圖斑主體部位的分割?；镜奶幚聿襟E如下：

(1)檢測(cè)線裁剪,以問(wèn)題圖斑為采集范圍裁剪檢測(cè)線,提取問(wèn)題圖斑面內(nèi)部的檢測(cè)線,如圖3(a)所示。

(2)檢測(cè)線整理,整理面內(nèi)部的檢測(cè)線,將碎線進(jìn)行合并處理,剔除自相交、重疊等拓?fù)溴e(cuò)誤,獲取閉合檢測(cè)線,如圖3(b)所示。

(3)生成裁剪線,按照檢測(cè)時(shí)采用的閾值,與檢測(cè)時(shí)反向平行復(fù)制,獲得用于裁剪問(wèn)題圖斑的裁剪線。

(4)圖斑分割處理,利用生成的裁剪線,對(duì)問(wèn)題圖斑進(jìn)行分割處理,如圖3(c)所示。

(a)異常圖斑的檢測(cè)線 (b)檢測(cè)線整理

2.3 自動(dòng)化處理工具開(kāi)發(fā)

本文基于C#語(yǔ)言和ArcObjects二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)異形圖斑自動(dòng)化處理工具,數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示,包括圖斑檢測(cè)、圖斑分割和圖斑融合四個(gè)處理步驟。

圖4 自動(dòng)化處理工具工作流程圖

(1)圖斑檢測(cè)階段,遍歷底圖數(shù)據(jù),將問(wèn)題圖斑檢測(cè)出來(lái),并提取基本檢測(cè)標(biāo)記進(jìn)行記錄,便于后續(xù)人工核檢與處理。

(2)圖斑分割階段,針對(duì)檢測(cè)出的問(wèn)題圖斑進(jìn)行分割處理,部分完全狹長(zhǎng)的問(wèn)題圖斑會(huì)存在分割處理失敗的情況,將分割處理失敗的圖斑標(biāo)記為A型。

(3)圖斑融合階段,將分割成功后的圖斑進(jìn)行碎面融合處理,當(dāng)同一“三調(diào)”邊界內(nèi)沒(méi)有可以與之融合的圖斑時(shí)則會(huì)融合失敗,將圖斑融合失敗的圖斑標(biāo)記為B型,成功處理的合格圖斑標(biāo)記為C型。

(4)圖斑融合處理后,會(huì)有小部分圖斑無(wú)法一次性將異形錯(cuò)誤消除,如圖5所示,切割的問(wèn)題圖斑1的碎面與正常圖斑3融合又形成了新的問(wèn)題圖斑。可通過(guò)迭代運(yùn)行消除這類(lèi)錯(cuò)誤,也可取消迭代處理,此類(lèi)問(wèn)題采用人工判讀進(jìn)行處理。

(a)原始圖斑

3 數(shù)據(jù)試驗(yàn)

在山東省2021年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中,應(yīng)用開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化工具處理異形圖斑問(wèn)題,大幅度減少了人工處理的工作量,提高了生產(chǎn)效率。在某地46 km2區(qū)域14 623個(gè)圖斑中,經(jīng)自動(dòng)化處理后,標(biāo)記5 038個(gè)圖斑存在異型問(wèn)題,213個(gè)圖斑未進(jìn)行圖斑分割處理,4 825個(gè)圖斑完成圖斑分割融合處理,經(jīng)質(zhì)檢后仍發(fā)現(xiàn)遺留問(wèn)題64條,對(duì)異形圖斑的自動(dòng)綜合處理效率達(dá)94.5%,數(shù)據(jù)處理前后的局部對(duì)比如圖6所示,處理后的底圖數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高,有利于后續(xù)的圖斑解譯與更新。

(a)處理前圖斑 (b)下影像

4 結(jié)束語(yǔ)

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重,面對(duì)大數(shù)據(jù)量的異形圖斑處理工作,本文提出了一種檢測(cè)與處理相結(jié)合的自動(dòng)化處理思路,并在山東省2021年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用,取得良好的應(yīng)用效果。本文方法主要針對(duì)大圖斑中存在的面折刺、面狹長(zhǎng)等圖形錯(cuò)誤,無(wú)法對(duì)完全狹長(zhǎng)的圖斑進(jìn)行處理,可結(jié)合Delaunay三角網(wǎng)剖分方法對(duì)狹長(zhǎng)圖斑進(jìn)行綜合處理,本文制作的自動(dòng)化處理工具在處理過(guò)程中面對(duì)圖斑數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí),效率仍然較低,可針對(duì)性地引入GPU并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行分塊處理,提高處理效率?？傮w上,本文提出的方法在類(lèi)似的面折刺、面狹長(zhǎng)等圖形錯(cuò)誤的自動(dòng)化處理工作中,具有較好的通用性和推廣價(jià)值。