陸海地理要素空間差異對(duì)比研究

呂瑛炯，林 昱

（1.北海航海保障中心，天津 300450；2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

陸海地理要素空間差異對(duì)比研究

呂瑛炯1，林 昱2

（1.北海航海保障中心，天津 300450；2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

在陸地和海洋統(tǒng)籌聯(lián)動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)下，多尺度、多時(shí)相、多源的陸?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的交互共享變得越來越重要；然而陸海地理要素的空間差異給二者的融合和使用帶來了困難。以地形圖和電子海圖為例進(jìn)行對(duì)比分析，著重從二者的空間表現(xiàn)角度進(jìn)行差異比較，并深入分析了其產(chǎn)生的原因，為解決陸海地理數(shù)據(jù)空間差異和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享打下基礎(chǔ)。

地形圖；電子海圖；陸海地理要素；差異對(duì)比；原因分析

地形圖和電子海圖是用于描述陸地和海洋地理信息的重要載體。地形圖屬于普通地圖的一種，是一種詳細(xì)而精確地表達(dá)地面各種要素的地圖[1]，電子海圖則是通過數(shù)字形式表達(dá)各種海域地理信息以及航海信息為主的海圖[2]。二者在數(shù)據(jù)基準(zhǔn)、比例尺、地圖表達(dá)內(nèi)容、分類分級(jí)體系、地物的空間位置和形態(tài)、屬性等方面的差異，給不同數(shù)據(jù)來源的陸?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)融合帶來了困難。

充分認(rèn)識(shí)陸地和海洋地理要素的差異，有利于針對(duì)差異提出解決的策略，在最大程度上達(dá)到陸海地理信息數(shù)據(jù)融合的目的，對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)有陸海地理信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，提高數(shù)據(jù)重復(fù)使用率，節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，增進(jìn)陸海各部門之間的合作，增強(qiáng)陸海地理信息的共享、集成、高效利用以及促進(jìn)陸海統(tǒng)籌聯(lián)動(dòng)發(fā)展具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)地形圖和電子海圖的融合問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]～[6]在討論要素融合之前，簡(jiǎn)要地介紹了地形圖和電子海圖在語義、空間等方面的差異，重點(diǎn)在于闡述數(shù)據(jù)融合的思路和方法，而不是具體分析地形圖和電子海圖的區(qū)別；劉秋生[7-8]著重對(duì)海圖與地形圖上的海岸線、干出灘和干出線等的差異進(jìn)行了分析，認(rèn)為對(duì)于海岸線、干出灘和干出線定義以及測(cè)量的差異導(dǎo)致了區(qū)別的產(chǎn)生；申家雙[9]等詳細(xì)地比較了海岸帶地區(qū)地形圖和海圖表示方法的各種差異，分析了產(chǎn)生這些差異的根本原因，認(rèn)為新建海岸帶地形圖是消除地形圖和海圖差異的方法。

1 地形圖和電子海圖空間差異表現(xiàn)

對(duì)于陸地和海洋的地理要素，不同管理部門在不同規(guī)范中對(duì)其類別的劃分方式不同。地形圖要素分類方法為線型分類法，根據(jù)地理信息要素類別的從屬關(guān)系依次分為大類、中類、小類、子類等，其中大類主要包括定位基礎(chǔ)、水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界、地貌以及植被與土質(zhì)，其他類別均在此基礎(chǔ)上逐漸劃分開來[10]。對(duì)于電子海圖來說，不同的規(guī)范對(duì)于地理要素分類分級(jí)的方法差別較大，國(guó)內(nèi)常見的涉及電子海圖分類分級(jí)等內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)包括HY/T075-2005《海洋信息分類與代碼》[11]和GJB2680-1996《軍用數(shù)字海圖要素屬性編碼規(guī)則》[12]。國(guó)際上廣泛使用的海圖繪制標(biāo)準(zhǔn)為IHO S-57《數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱S-57）[13]，該標(biāo)準(zhǔn)中將海圖表達(dá)的內(nèi)容分為160個(gè)海圖地理物標(biāo)，其內(nèi)容涉及各種類型的航標(biāo)、海岸線及岸線結(jié)構(gòu)物、海底地貌、水文要素等。要比較相同地理要素在地形圖和電子海圖之間的差異，必須根據(jù)定義建立起相同或相似地形圖要素類別與電子海圖要素類別間的映射關(guān)系，從而比較其在空間位置和形態(tài)上的區(qū)別。

為了清晰直觀地顯示陸地和海洋地理要素的空間差異，以天津市的地形圖和電子海圖為例作比較分析。天津位于華北平原北部，東臨渤海，北靠燕山。其疆域全長(zhǎng)約為1 290.8 km，其中海岸線全長(zhǎng)約為153 km，陸界全長(zhǎng)約為1 137.48 km。天津地形圖和電子海圖統(tǒng)一采用WGS84坐標(biāo)系，其中海圖數(shù)據(jù)為000文件格式，比例尺最大為1∶5 000，最小為1∶150 000，采取自由分幅的形式；地形圖數(shù)據(jù)為shape file格式，分為25個(gè)圖幅，每個(gè)圖幅比例尺統(tǒng)一為1∶2 000。獲取二者的重疊區(qū)域，識(shí)別相同地物比較其差異。

1.1 陸地地理要素差異

根據(jù)S-57標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于海圖地理要素的分類，電子海圖中存在大量陸地上的地理要素，如地面地帶、單體建筑、橋梁、渠道（運(yùn)河）、檢查站、柵欄線、防御工事、鐵路、道路、筒倉(cāng)/罐、噴泉、廣場(chǎng)、隧道、植被、瀑布等。對(duì)于這些要素，電子海圖只選取部分簡(jiǎn)要表示其輪廓及地理分布。

如圖1所示，上層覆蓋的為電子海圖的地理要素類別“建筑區(qū)”，在地形圖上與其相同地理位置所對(duì)應(yīng)的為“磚石結(jié)構(gòu)一般房屋”等建筑?？梢娫陔娮雍D上，對(duì)于陸地上建筑一類的地理要素，只是概略表示其所在范圍，不會(huì)詳細(xì)描繪單獨(dú)建筑的位置和輪廓。而在地形圖上，會(huì)選取一部分主要建筑表示其輪廓和地理位置，并能將其分類詳細(xì)到建筑物的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)。

圖1 電子海圖建筑區(qū)與地形圖磚石結(jié)構(gòu)一般房屋

對(duì)于陸地上的水系來說，如圖2所示，電子海圖上地理要素類別為“湖泊”，指的是完全由陸地包圍的大的水域，在地形圖上對(duì)應(yīng)位置的地理要素為“池塘”，是指比湖泊小的水體，一般而言，池塘是小得不需使用船只而多采竹筏渡過的。對(duì)于同一位置的同一塊水體，電子海圖統(tǒng)一將其劃分為湖泊這一大的概念，而地形圖上不光輪廓更為詳細(xì)，對(duì)其類別的劃分也更為細(xì)致。

圖2 電子海圖湖泊與地形圖池塘

交通也是陸地上重要的地理要素，如圖3所示，考慮到制圖的重點(diǎn)和地圖的載負(fù)量，電子海圖對(duì)于道路的表示取舍量較大，只選擇重要的若干條道路表示，而地形圖上對(duì)于道路的表示更為豐富、詳細(xì)。

也許是緣份，我有幸認(rèn)識(shí)了幾位畫唐卡的喇嘛：長(zhǎng)臉的大個(gè)子彭措，瘦骨清相大眼睛的旦增，英俊而憨厚的扎西，圓渾翹鼻子的次正，還有那個(gè)袈裟蓋頭的沉默的金巴。

圖3 電子海圖道路與地形圖道路

1.2 海洋地理要素差異

電子海圖中存在大量詳細(xì)表達(dá)海洋內(nèi)容的地理要素類別，如警告區(qū)、毗連區(qū)、大陸架、非重力流、關(guān)稅區(qū)、深水航道中心線、深水航道部分、等深線、港池區(qū)、疏浚區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)、局部磁力異常、儲(chǔ)木池、磁差、油障、警戒區(qū)、雷達(dá)線、雷達(dá)有效作用距離、雷達(dá)反射器、無線電呼叫點(diǎn)、無線電臺(tái)、推薦航道中心線、調(diào)和常數(shù)預(yù)測(cè)潮流等。這類地理要素在地形圖上一般不表達(dá)或只選擇性地表達(dá)。

圖4 電子海圖海床區(qū)與地形圖海域

如圖4所示，在地形圖上統(tǒng)一表示為“海域”的區(qū)域在電子海圖上有著更為詳細(xì)地劃分，電子海圖上將統(tǒng)一的海域范圍根據(jù)其性質(zhì)更為具體地劃分出“海床區(qū)”，還有依自然性質(zhì)劃分的“大陸架”、以人文社會(huì)性質(zhì)劃分的“專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)”、“毗連區(qū)”等。除此之外更多的是電子海圖上進(jìn)行表達(dá)，而地形圖上不涉及的地理要素。

1.3 陸海交界區(qū)域地理要素差異

陸海交界區(qū)域大部分為海岸帶及其周圍區(qū)域，這一區(qū)域自然資源豐富、交通發(fā)達(dá)，在航運(yùn)、經(jīng)濟(jì)中具有重要地位，也是地形圖和電子海圖上地理要素差異表現(xiàn)最為明顯的區(qū)域，如海岸線、岸線結(jié)構(gòu)物等。

海岸線是陸地和海洋的交匯線，圖5為地形圖和電子海圖上海岸線的比較，可以看出地形圖和電子海圖的海岸線位置并不是完全重合的，形狀也存在差異，這與地形圖和電子海圖的測(cè)量繪制方法不同有關(guān)。地形圖主要是采用航空攝影測(cè)量，受航片變形和水崖線的實(shí)時(shí)位置等因素影響，而電子海圖主要采用測(cè)量?jī)x器實(shí)地測(cè)量，二者的位置和形狀自然會(huì)產(chǎn)生差異。

圖5 電子海圖海岸線與地形圖海岸線

如圖6所示，電子海圖上的地理要素“岸線結(jié)構(gòu)物”，是指建于水域和陸地之間的固定（非漂?。┤斯そㄔ煳?，地形圖上相應(yīng)位置為地理要素“碼頭”，是指海邊、江河邊專供乘客上下、貨物裝卸的建筑物。可見地形圖和電子海圖上這一地理要素的形狀大致相似，但位置和面狀符號(hào)的大小仍存在較大差異，其原因與產(chǎn)生海岸線差異的原因相同。除了碼頭之外，電子海圖上岸線結(jié)構(gòu)物對(duì)應(yīng)的地形圖的地理要素類別還有“堤”、“浮碼頭”等，也存在位置、形狀、大小的區(qū)別。

圖6 電子海圖岸線結(jié)構(gòu)物與地形圖碼頭

1.4 陸海地理信息要素空間差異特征

通過對(duì)地形圖和電子海圖上陸地地理要素、海洋地理要素、陸海交界處地理要素進(jìn)行對(duì)比，對(duì)陸海地理信息要素空間差異的特征和規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)要?dú)w納和總結(jié)，可得出如下結(jié)論：

1）地形圖和電子海圖對(duì)地理要素的選取和表示有一定的偏重，地形圖偏向表達(dá)陸地上的水系、居民地、交通等要素，而電子海圖主要選取海洋中的海域、航標(biāo)、障礙物等進(jìn)行表示。對(duì)于這些類別的地理要素，二者表現(xiàn)差異很大，主要體現(xiàn)在對(duì)于要素選取的量和綜合程度上，因此地理要素的數(shù)量和輪廓都存在很大差異。

2）陸海交界區(qū)域是陸海地理要素沖突最為明顯的區(qū)域，主要是海岸帶及其鄰近區(qū)域。其主要地理要素類別包括海岸線及碼頭、堤等岸線結(jié)構(gòu)物。這些類別的地理要素在地形圖和電子海圖上都很重要，因此都進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。

3）對(duì)于陸海交界區(qū)域的地理要素，其整體的形狀輪廓大致相似，其區(qū)別主要體現(xiàn)在地理要素的位置和形態(tài)上。相同地物的位置存在偏差，對(duì)于線狀要素和面狀要素，其長(zhǎng)度也存在區(qū)別。

地形圖和電子海圖上這些地理要素的空間差異都是表象，了解這些地理要素空間差異產(chǎn)生的原因，才能更好地認(rèn)識(shí)和理解陸海地理信息數(shù)據(jù)，從而處理和解決陸海地理要素的空間差異。

2 空間差異原因及解決方法

由于陸海地理信息數(shù)據(jù)的測(cè)量和繪制由不同部門分管，二者在諸多方面存在差異，現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行總結(jié)并簡(jiǎn)要說明解決方法。

2.1 地形圖和電子海圖產(chǎn)生差異的原因

1）應(yīng)用目的不同。地形圖主要表現(xiàn)地表上基本的自然和人文現(xiàn)象的分布情況及其之間相互的空間關(guān)系，用于陸地資源的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用等，因此對(duì)于海洋要素只是選擇性地表示；而電子海圖主要用于表達(dá)海洋及其毗鄰陸地區(qū)域的要素分布情況，包括海岸、岸線結(jié)構(gòu)物以及各種礁石、航標(biāo)、水文現(xiàn)象等，主要用于指導(dǎo)航海的安全。由于航行對(duì)于相關(guān)海洋要素的位置精度要求較高，因此電子海圖上的海岸線、障礙物等位置較為準(zhǔn)確，輪廓更為細(xì)致。

2）測(cè)量方式不同。地形圖主要采用實(shí)測(cè)及航空航天攝影測(cè)量方法；電子海圖主要利用船舶進(jìn)行海洋水深測(cè)量，對(duì)于岸線及岸線結(jié)構(gòu)物采用實(shí)地測(cè)量。陸地測(cè)量主要用光學(xué)儀器，海洋測(cè)量主要采用聲學(xué)儀器。無論哪種方法均存在誤差，地形圖和電子海圖均根據(jù)其應(yīng)用目的保證了重要地物位置的精確性。

3）制圖表達(dá)方式不同。制圖表達(dá)方式的差異不僅表現(xiàn)在地形圖和電子海圖使用不同的符號(hào)體系，也表現(xiàn)在其對(duì)于地理要素的選取和綜合上。電子海圖對(duì)陸地地理要素表示得比較概略，綜合量較大，而對(duì)海洋要素表現(xiàn)得較詳細(xì)。相反地形圖對(duì)海域內(nèi)容表示得較簡(jiǎn)略，綜合量較大，而對(duì)陸地地理要素表示得很詳細(xì)。

4）時(shí)相差異。在制圖過程中，有時(shí)需要利用原有地圖資料進(jìn)行繪制，地形圖和電子海圖參考的繪圖資料的新舊程度不同會(huì)導(dǎo)致地形圖和電子海圖對(duì)同類地物位置和形狀的差異。而且由于電子海圖需要用于保證航行安全，海圖出版后對(duì)于有關(guān)航行部分的地理要素要定期進(jìn)行修正，保持良好的現(xiàn)勢(shì)性，而地形圖的更新沒有電子海圖頻繁，因此產(chǎn)生了差異。

2.2 陸海地理要素空間融合策略

要消除地形圖與電子海圖在空間位置和形狀上的差異，得到完整統(tǒng)一的陸海地理信息數(shù)據(jù)，需要對(duì)地形圖和電子海圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。其要點(diǎn)在于同時(shí)保持二者的表達(dá)重點(diǎn)，得到滿足需求、精確度更高、屬性更為豐富的地理信息數(shù)據(jù)。對(duì)于陸地地理要素，地形圖明顯內(nèi)容更為豐富，精確度更高，因此當(dāng)產(chǎn)生空間沖突時(shí)，可刪除電子海圖上的陸地地理要素，保留地形圖相應(yīng)部分的地理要素。同理對(duì)于海洋地理要素，電子海圖給予了更為詳細(xì)的表示，可刪除地形圖這部分內(nèi)容，保留電子海圖上的對(duì)應(yīng)內(nèi)容。對(duì)于陸海交界部分的地理要素，考慮到地形圖和電子海圖各有優(yōu)勢(shì)與不足，為了得到精確性更高，現(xiàn)勢(shì)性更好的數(shù)據(jù)，將該部分產(chǎn)生沖突的地物進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，包括同名實(shí)體匹配和幾何圖形合并[4]。

3 結(jié) 語

本文通過比較地形圖和電子海圖上不同類型的地理要素來研究陸海地理要素之間的空間差異，并總結(jié)了陸海地理要素空間差異的特征和規(guī)律；充分了解陸海地理信息數(shù)據(jù)的差異和沖突，解決沖突，增強(qiáng)陸海地理信息數(shù)據(jù)的交互共享，從而滿足國(guó)家和社會(huì)對(duì)于陸地和海洋統(tǒng)籌發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

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P28

B

1672-4623（2016）07-0035-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.010

呂瑛炯，工程師，從事航海圖書編繪工作。

2016-05-04。