國(guó)土空間規(guī)劃背景下水域劃界定線方法研究

吳啟凡，黃文虎，梁 炎

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都611130；2.中國(guó)移民研究中心，江蘇南京210098)

國(guó)土空間規(guī)劃是國(guó)家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，是各類開(kāi)發(fā)保護(hù)建設(shè)活動(dòng)的基本依據(jù)[1]。建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施，實(shí)現(xiàn)“多規(guī)合一”，強(qiáng)化國(guó)土空間規(guī)劃對(duì)各專項(xiàng)規(guī)劃具有指導(dǎo)和約束作用，是黨中央、國(guó)務(wù)院做出的重大部署[2]。隨著國(guó)土空間規(guī)劃以及第三次土地調(diào)查進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各類土地劃界定線問(wèn)題也得到了社會(huì)各界的高度重視，應(yīng)“多規(guī)合一”的基本要求，各行業(yè)規(guī)劃內(nèi)容需在“一張底圖”中完成，這就給各行業(yè)不同地類界限劃定提出了更高要求[3- 4]，尤其是在水域邊界劃定方面更加困難。本文將針對(duì)涉水地區(qū)水域邊界地類復(fù)雜、界線模糊等特點(diǎn)，具體分析國(guó)土空間規(guī)劃背景下水域劃界方法，以廣東省陽(yáng)江市BJ港測(cè)繪項(xiàng)目為例進(jìn)行具體研究[5- 6]。

1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

本文所選用的飛行器為大疆“悟”系列多旋翼無(wú)人機(jī)DJ—INSPIRE2 T650，無(wú)人機(jī)質(zhì)量為3 290 g，單軸推力19.6 N，該地區(qū)風(fēng)阻25.48 N，故該型號(hào)無(wú)人機(jī)可滿足該沿海地區(qū)抗風(fēng)阻要求；該型號(hào)無(wú)人機(jī)最大飛行速度108 km/h，最大爬升速度6 m/s，滿足高速航測(cè)基本需求；無(wú)人機(jī)通過(guò)電子云臺(tái)搭載CineCore 2.0 X5S鏡頭，可實(shí)現(xiàn)每秒20幀單張2 400萬(wàn)像素?zé)o限連拍，滿足高速航行中穩(wěn)定數(shù)字影像采集需求[7- 8]。

本案例中共利用無(wú)人機(jī)設(shè)備在BJ港測(cè)繪區(qū)采集航測(cè)影像128張，通過(guò)PIX 4D mapper軟件進(jìn)行圖像篩分域拼接得到如圖1所示BJ港測(cè)繪區(qū)全貌圖，影像中黑色區(qū)域?yàn)楹Ｑ?，灰色區(qū)域?yàn)橹脖唬咨珔^(qū)域?yàn)樯车?。為便于具體分析說(shuō)明，本文選取圖1所示方框中區(qū)域進(jìn)行具體研究，該區(qū)域航測(cè)影像如圖2所示。

圖1 BJ港測(cè)繪區(qū)全貌

圖2 研究區(qū)航測(cè)影像拼接

2 劃界定線方法概述

本文利用ESRI ArcGIS軟件從無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)中提取沿海區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，基準(zhǔn)坐標(biāo)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。研究的總體思路是：先通過(guò)色塊識(shí)別對(duì)不同地塊(水域)做一個(gè)初步的分類；再將不同地塊(水域)交界或邊界用多段線標(biāo)記，多段線圖層在ESRI ArcGIS中可以編輯，便于后期處理，以修正得到最終精度更高的地塊(水域)邊緣多段線[9]。

為了實(shí)現(xiàn)高效測(cè)繪要求，在不進(jìn)行人工數(shù)字化的情況下從圖像中提取矢量多段線，需先將光柵圖像分類并創(chuàng)建主圖層。分類原則主要依據(jù)各地塊(水域)的光柵圖譜，在相同圖譜區(qū)間的色塊識(shí)別為相同基礎(chǔ)色，運(yùn)用ESRI ArcGIS分類分析工具中的“實(shí)用程序”，選擇“將柵格轉(zhuǎn)換為圖像”，從下拉列表中選擇圖像，即可得到如圖3所示經(jīng)過(guò)預(yù)處理的光柵圖像地塊(水域)分類圖[10]。

圖3 光柵圖像地塊(水域)分類

然后將生成的圖層從柵格圖像轉(zhuǎn)換為多邊形，將多邊形進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為折線；再?gòu)闹刑崛≡撜劬€作為邊界線[11]。為了執(zhí)行分類功能，需要在原有ESRI ArcGIS軟件中加載“分類分析工具”腳本，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、創(chuàng)建簽名文件、圖像分類、分類聚合、將柵格轉(zhuǎn)換為多邊形、將多邊形轉(zhuǎn)換為折線等方式，最終提取地塊—水域邊界線，得到沙地與植被間(白色與灰色圖塊間)加粗多段線，即海岸線地塊—水域邊界線(見(jiàn)圖4)。下文中將具體論述基于ESRI ArcGIS軟件的劃界定線方法。

圖4 劃界定線示意

3 水域邊界采集方法研究

3.1 格式轉(zhuǎn)換

基于ESRI ArcGIS軟件加載圖像并進(jìn)行分類。分類分析工具要求圖像必須是柵格圖像。非柵格圖像格式需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。在分類分析工具加載“實(shí)用程序”工具，選擇“轉(zhuǎn)換為柵格圖像”，并在下拉列表中選擇圖像完成圖像格式轉(zhuǎn)換。

3.2 創(chuàng)建簽名文件

使用分類分析工具對(duì)圖像進(jìn)行分類必須創(chuàng)建簽名文件。從分類分析工具的下拉菜單中選擇“簽名創(chuàng)建器”，可以列出有監(jiān)督或無(wú)監(jiān)督的分類選項(xiàng)，需將所有元素“初始化”，即選擇“無(wú)監(jiān)督分類”選項(xiàng)卡，并選擇要分類的圖像文件，輸入迭代次數(shù)、有效類別中的最小單元數(shù)、采樣間隔、輸出簽名文件名，以完成簽名文件創(chuàng)建。

3.3 圖像分類

圖像創(chuàng)建簽名文件后即可進(jìn)行圖像分類。即：從“分類分析”工具菜單中選擇“分類”，加載要分析的圖像，選擇剛剛創(chuàng)建的簽名文件，輸入輸出文件的位置及輸出文件名，并將新圖像加載到數(shù)據(jù)框中。該過(guò)程中數(shù)據(jù)框最多可以加載25個(gè)類，如果分類過(guò)多需要運(yùn)用“Spatial Analyst”工具進(jìn)行聚合(重新分類)以使分類總數(shù)小于25個(gè)。

3.4 分類聚合

該過(guò)程是“劃界定線”的關(guān)鍵步驟，若原分類數(shù)量較多，可使用“Spatial Analyst”工具對(duì)圖像進(jìn)行重新分類。從“Spatial Analyst”菜單中選擇“Reclass”工具，選擇“Input Raster”和“Reclass Field”功能，并提供新值以將舊類聚合為更少的新類，選擇輸出柵格位置并輸入新的名稱以完成聚類。

劃界定線的最終目的是劃分地塊—水域的邊界線，那么，只要將待劃界區(qū)域的地塊類別逐漸聚合至兩個(gè)類別，即可更清晰的確定兩者的邊界，以更有效的實(shí)現(xiàn)劃界定線[12]。本文所述案例，按地塊劃分依據(jù)可聚類為15個(gè)地塊(水域)分類，如圖5所示；按本文所述方法，最終將測(cè)繪區(qū)域聚合為兩個(gè)類別，即可得到如圖6所示的分類效果。

圖5 初步分類工作空間

圖6 最終聚類工作空間

3.5 將柵格轉(zhuǎn)換為多邊形

要提取水域的邊緣，還需要使用“Spatial Analyst”工具將柵格圖像轉(zhuǎn)換為多邊形要素。首先從“Spatial Analyst”菜單中選擇“Convert”工具；再選擇“Raster to Feature”；然后從“Raster to Feature”對(duì)話框中選擇“Input Raster-Field”，輸出幾何類型(多邊形)，并選擇輸出位置和名稱，完成將柵格轉(zhuǎn)換為多邊形。

3.6 將多邊形轉(zhuǎn)換為折線

要提取水域分界線，必須將多邊形轉(zhuǎn)換為折線；這樣便可高效提取水域交界處折線作為分界線。本文運(yùn)用XTools Pro 2.2來(lái)實(shí)現(xiàn)該操作(XTools Pro 2.2是ESRI ArcGIS 8.x以上版本配套的擴(kuò)展插件)。首先，選擇要編輯的多邊形，在ArcMap菜單欄中運(yùn)用“工具”下拉菜單中的XTools插件，選擇將多邊形轉(zhuǎn)換為折線。新的折線將自動(dòng)添加到ArcMap的數(shù)據(jù)框中作為新的圖層，以便邊界線單獨(dú)編輯修正。

3.7 水域邊界校準(zhǔn)

上文中所提取的邊界線幾乎可與實(shí)際水域邊界相吻合；但在航測(cè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)航測(cè)影響也可能受到氣候、地上物等外界因素的影響，造成影像數(shù)據(jù)模糊引起誤差；也可能由于河灘地分布分散，形成如圖7所示的多個(gè)區(qū)域，部分小塊區(qū)域被單獨(dú)提取[13]。針對(duì)這種情況，需要以人為干預(yù)的方式對(duì)水域邊界進(jìn)行篩分與修正。這也優(yōu)化了邊界提取的精度校準(zhǔn)功能。(地塊)水域邊界線編輯主要使用ArcGIS中的“編輯器”工具。即，在“編輯器”菜單中，選擇“開(kāi)始編輯”，選擇包含要編輯文件的文件夾，選中要編輯的折線，以此將編輯工具激活。在編輯過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)原有折線不是連續(xù)完整的多段線，可通過(guò)草圖捕獲工具完成邊界抓取與連接；最后從“編輯器”下拉菜單中選擇“保存編輯并停止編輯”來(lái)保存編輯成果，即可得到經(jīng)過(guò)修正后的水域邊界線(見(jiàn)圖8)。

圖7 劃界定線初步成果

圖8 劃界定線最終成果

由圖8可知，通過(guò)人工干預(yù)，可有效去除多余邊界線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水域邊界的連接與修正。地塊邊界線基于原圖層生成多段線，人工操作工作量小，輸出成果效率相對(duì)較高，輸出成果與實(shí)際邊界線相吻合。

4 結(jié)論與展望

本文在航測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中選用的飛行器為大疆“悟”系列多旋翼無(wú)人機(jī)DJ-INSPIRE2 T650，在抗風(fēng)阻、高速航測(cè)、穩(wěn)定數(shù)字影像采集等方面均能滿足要求。無(wú)人機(jī)航測(cè)效率高，受天氣因素影響相對(duì)較小，操作靈活且節(jié)約人力成本，綜合應(yīng)用效果較好。本文所采用的數(shù)據(jù)處理軟件為ESRI ArcGIS軟件，該軟件普適性較高、數(shù)據(jù)接口較好，符合目前國(guó)土空間規(guī)劃時(shí)間緊任務(wù)重，并需基于第三次土地調(diào)查數(shù)據(jù)的要求；在技術(shù)手段上，基本操作過(guò)程主要通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、創(chuàng)建簽名文件、圖像分類、分類聚合、轉(zhuǎn)換多邊形、換折線圖層等完成，最終實(shí)現(xiàn)水域邊界線的提取，是基礎(chǔ)技術(shù)手段的有效結(jié)合，便于各行業(yè)技術(shù)人員盡快熟悉該方法和原理，并投入國(guó)土空間規(guī)劃工作。根據(jù)本文所述案例，運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)水域邊界劃定效率較高，且實(shí)際應(yīng)用效果較好，符合水域邊界實(shí)際情況。綜上所述，本文所選用的數(shù)據(jù)采集工具、軟件平臺(tái)、技術(shù)方法均能滿足國(guó)土空間規(guī)劃地塊(水域)劃界需要，與當(dāng)下規(guī)劃需求及技術(shù)基礎(chǔ)相匹配，普適性較高，應(yīng)用效果較好，具有一定的研究及推廣意義。