海岸線變化的單鏈曼延編號(hào)快速匹配方法

成思遠(yuǎn),張 英,翟 亮

1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)研究中心，北京 100036； 2. 自然資源部測(cè)繪科學(xué)與地球空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036

海岸線具有獨(dú)特的地理、形狀和動(dòng)態(tài)特征，是描述海陸分界的最重要的地理要素[1]，承載著豐富的生態(tài)、環(huán)境和資源信息，對(duì)海岸帶的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)有著重要的指示作用[2]。近年來(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在海岸帶區(qū)域自然環(huán)境變遷和人為開發(fā)活動(dòng)的綜合影響下，海岸線不斷發(fā)生變化，其相關(guān)研究得到普遍的關(guān)注[3-5]。對(duì)海岸線變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，有助于促進(jìn)海岸線保護(hù)與利用管理的科學(xué)化[6]。

海岸線要素是一種形態(tài)復(fù)雜且有特定地理意義的線要素[7]，海岸線變化基本特征包括位置變遷、類型轉(zhuǎn)移等。海岸線位置變遷的分析在和海岸線變化研究中占據(jù)重要地位，可先通過(guò)地圖疊加分析對(duì)岸線位置變遷形成基本的了解和定性認(rèn)識(shí)，再通過(guò)長(zhǎng)度、面積和速率等數(shù)值統(tǒng)計(jì)量對(duì)岸線位置變遷進(jìn)行定量分析[3]。文獻(xiàn)[8]從岸線長(zhǎng)度、海陸域面積變化等方面分析渤海灣地區(qū)岸線的時(shí)空變遷特征。文獻(xiàn)[9]通過(guò)計(jì)算海岸線變化速率，對(duì)夏威夷群島的考艾島、歐胡島、毛伊島的岸線位置變遷趨勢(shì)進(jìn)行了分析。依據(jù)海岸線是否有人工干預(yù)，將海岸線劃分為自然岸線和人工岸線兩種類型。海岸線變化不僅包括位置變遷，還需要考慮類型轉(zhuǎn)移，情況較為復(fù)雜[10]，需要將變化前后的岸段進(jìn)行對(duì)應(yīng)匹配，再根據(jù)空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析變化前后岸段由于類型遷移發(fā)生的變化。若僅考慮位置變遷的變化情況，會(huì)形成“一對(duì)一”的變化岸段匹配關(guān)系；本文同時(shí)考慮了位置變遷和類型轉(zhuǎn)移的變化情況，因此形成了“一對(duì)一”和“多對(duì)多”等多種變化岸段匹配關(guān)系。

對(duì)海岸線變化進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，缺乏現(xiàn)成的分析工具，靠人工匹配往往需花費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)存在未能有效考慮變化岸段與相鄰岸段之間的空間鄰近關(guān)系的缺陷[11-13]。事實(shí)上，變化岸段與其相鄰岸段構(gòu)成的空間場(chǎng)景中包含特定的空間特征，充分挖掘這種空間結(jié)構(gòu)特征知識(shí)能夠提供新的匹配思路[14]。基于此，本文參考了針對(duì)道路等矢量線要素顧及空間鄰域關(guān)系進(jìn)行聯(lián)動(dòng)匹配的方法[15-19]，引入單鏈蔓延編號(hào)思想，將各時(shí)相海岸線轉(zhuǎn)換為有序編號(hào)的蔓延鏈，結(jié)合編號(hào)結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)海岸線變化的快速匹配；再分別根據(jù)“一對(duì)一”和“多對(duì)多”變化岸段的匹配關(guān)系，歸納多種變化類型的判斷公式，最后設(shè)計(jì)兩種記錄表來(lái)存儲(chǔ)海岸線變化匹配結(jié)果信息。本文方法能夠有效減少匹配時(shí)間和人力投入，提高匹配準(zhǔn)確率，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。

1 海岸線變化的快速匹配方法

1.1 單鏈蔓延編號(hào)原理

單鏈蔓延編號(hào)是針對(duì)一條連續(xù)不斷的線狀數(shù)據(jù)，顧及其組成線段的結(jié)點(diǎn)間連通性和空間鄰域關(guān)系[20]，利用拓?fù)浞治龊蛶缀畏椒ǖ葘?duì)相鄰線段進(jìn)行兩兩關(guān)聯(lián)，再?gòu)囊欢说搅硪欢艘来螌?duì)每個(gè)線段重新組織編號(hào)的方法。該方法模仿了一種通過(guò)目標(biāo)地物特征和空間關(guān)聯(lián)關(guān)系尋找特定地物的人類思維習(xí)慣，實(shí)際上是一種通過(guò)考慮空間關(guān)系來(lái)關(guān)聯(lián)傳遞信息的過(guò)程[21]。海岸線在特定區(qū)域內(nèi)具有連續(xù)性，據(jù)此特征可通過(guò)空間連接方法來(lái)關(guān)聯(lián)各段。以一組由7條線段組成的岸線數(shù)據(jù)為例，蔓延編號(hào)前各線段編號(hào)呈無(wú)序態(tài)(圖1(a))，蔓延編號(hào)后各線段編號(hào)呈空間有序化(圖1(b))。

圖1 單鏈蔓延編號(hào)示例Fig.1 An example of single-chain numbering

單鏈蔓延編號(hào)建立在獲取候選連接集并確定首尾線段的基礎(chǔ)上?？臻g連接是指根據(jù)線段的相對(duì)空間位置將連接線段與目標(biāo)線段產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，利用空間連接分析可將相鄰線段兩兩一組關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而得到候選連接集。候選連接集中兩端首尾線段僅有1個(gè)相鄰線段，其余各線段均有且僅有2個(gè)相鄰線段，可據(jù)此確定首尾線段。由給定的首線段m1蔓延編號(hào)到給定的尾線段mn(n為線段總數(shù))，流程如下：①將首線段m1編號(hào)為1；②在候選連接集中找到m1唯一的關(guān)聯(lián)線段m2，編號(hào)為2；③m2有2個(gè)關(guān)聯(lián)線段，將其中還未編號(hào)的線段作為下一級(jí)線段m3，編號(hào)為3；④以此類推，將當(dāng)前線段mi(1

1.2 海岸線變化的定義與匹配

海岸線變化匹配是在不同時(shí)相的海岸線數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)并提取變化后，將不同時(shí)相中變化的海岸線互相匹配的過(guò)程[22]。圖2展示了T1、T2兩期的局部連續(xù)海岸線的編號(hào)與匹配結(jié)果。對(duì)于某時(shí)相某地區(qū)的連續(xù)海岸線而言，不考慮類型屬性時(shí)海岸線只有一整條；若考慮類型屬性，海岸線可分為若干條具有不同類型屬性的海岸線，本文即對(duì)考慮類型屬性情況下的海岸線變化匹配展開研究。在圖2中，一般結(jié)點(diǎn)是不同類型岸線之間的連接點(diǎn)，且變化起止點(diǎn)屬于一般結(jié)點(diǎn)。對(duì)于T1、T2兩期的局部連續(xù)海岸線，通過(guò)ArcGIS擦除或相交等空間疊加分析工具，得到若干條位置變遷或類型遷移的岸線，統(tǒng)稱海岸線變化。如圖2所示，第1處為通過(guò)相交并比較類型屬性得到的僅發(fā)生類型遷移的岸線；另外兩處為通過(guò)互相擦除得到的發(fā)生位置變遷的岸線，包括發(fā)生類型遷移與不發(fā)生類型遷移這兩種情況。變化的海岸線在空間上不連續(xù)，對(duì)于某一時(shí)相的岸線，空間相鄰的多條連續(xù)海岸線變化組成1個(gè)變化岸段，獨(dú)立存在的單條海岸線變化也屬于1個(gè)變化岸段；完全未變化的海岸線組成若干個(gè)未變岸段。每個(gè)變化岸段的兩個(gè)端點(diǎn)稱為變化起止點(diǎn)，T1和T2的變化起止點(diǎn)是共點(diǎn)的。

圖2 海岸線變化匹配示例Fig.2 Examples of coastline changes matching

由圖2可知，若首尾岸線均屬于未變化岸段，則兩期海岸線具有位置完全相同的變化起止點(diǎn)。若從同一起點(diǎn)開始，朝同一方向出發(fā)，T1個(gè)變化岸段與T2的第1個(gè)變化岸段相匹配，T1的第1個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為2，T2第1個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為2，匹配關(guān)系為1∶1；T1第2個(gè)變化岸段與T2第2個(gè)變化岸段相匹配，T1的第2個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為4，T2第2個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為4，匹配關(guān)系也為1∶1；T1第3個(gè)變化岸段與T2第3個(gè)變化岸段相匹配，T1的第3個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為6、7、8，T2第3個(gè)變化岸段的岸線編號(hào)為6，匹配關(guān)系為3∶1；以此類推。

因此，結(jié)合單鏈蔓延編號(hào)原理，設(shè)計(jì)如圖3所示的海岸線變化匹配流程，分4個(gè)環(huán)節(jié)：①分別對(duì)T1、T2原始岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。②分別對(duì)T1、T2岸線數(shù)據(jù)蔓延編號(hào)。③T1、T2變化岸段提取。利用空間鄰近分析，在已編號(hào)的T1岸線中，尋找已編號(hào)的T2首岸線的最近鄰岸線[23]，若同樣是首岸線，說(shuō)明T1、T2編號(hào)方向一致，否則需將T2岸線編號(hào)反向；然后通過(guò)空間疊置分析得到T1、T2變化岸段。④T1、T2海岸線變化信息分析。首先對(duì)T1、T2變化岸段進(jìn)行匹配，并判斷每個(gè)變化岸段的匹配關(guān)系，最后根據(jù)匹配關(guān)系判斷T1、T2海岸線變化類型。

圖3 海岸線變化匹配流程Fig.3 Flowchart of coastline changes matching

1.3 匹配關(guān)系與變化類型

針對(duì)兩個(gè)不同時(shí)相海岸線矢量數(shù)據(jù)的變化岸段進(jìn)行匹配后，可得到相互匹配的各個(gè)變化岸段中岸線數(shù)量比，即匹配關(guān)系，再根據(jù)海岸線變化匹配結(jié)果來(lái)判斷海岸線變化類型?？紤]到“一對(duì)多”是“多對(duì)多”匹配關(guān)系的特殊情形，下面分“一對(duì)一”和“多對(duì)多”兩種變化岸段匹配關(guān)系對(duì)位置變遷、類型轉(zhuǎn)移、新增、消失等多種海岸線變化類型[24]進(jìn)行討論。

“一對(duì)一”的變化岸段匹配關(guān)系中，若待判斷變化類型的一條岸線為i，其匹配的另一條岸線為j，參考式(1)

(1)

位置變化度CL(i,j)描述岸線i相對(duì)與岸線j的位置信息變化情況，Li與Lj分別表示岸線i與岸線j的位置信息，當(dāng)位置信息不一致時(shí)位置變化度CL(i,j)為1；參考式(2)

(2)

類型變化度CT(i,j)描述岸線i相對(duì)于岸線j的類型信息變化情況，Ti與Tj分別表示岸線i與岸線j的類型信息，為與位置變化度有所區(qū)別，當(dāng)類型信息不一致時(shí)，類型變化度CT(i,j)為2；參考式(3)

C(i,j)=CL(i,j)+CT(i,j)

(3)

綜合變化度C(i,j)描述岸線i相對(duì)于岸線j的綜合變化情況。圖4展示了“一對(duì)一”匹配關(guān)系下的位置變遷、類型轉(zhuǎn)移以及消失或新增3種海岸線變化類型，其中N和H表示不同類型岸線，是岸線自身屬性。

圖4 “一對(duì)一”匹配關(guān)系下的變化類型Fig.4 Change types under the “one to one” matching relationship

多對(duì)多的變化岸段匹配關(guān)系中，若待查詢變化類型的一個(gè)變化岸段為I，其匹配的另一個(gè)變化岸段為J，當(dāng)I與J完全重合，即兩個(gè)變化岸段僅發(fā)生類型變化時(shí)，可分成若干個(gè)“一對(duì)一”的變化岸線匹配關(guān)系，因此僅討論I與J兩個(gè)變化岸段的位置發(fā)生變化時(shí)的情況：在變化岸段I中以變化岸線i為例，參考式(4)

(4)

岸線i對(duì)于變化岸段J的類型變化度CT(i,J)描述岸線i的類型信息是否發(fā)生變化，Ti表示岸線i的類型，TJ表示變化岸段J的類型集，當(dāng)Ti?TJ時(shí)，表示類型發(fā)生變化，類型變化度為2；參考式(5)

C(i,J)=1+CT(i,J)

(5)

岸線i對(duì)于變化岸段J的綜合變化度C(i,J)描述岸線i的綜合變化情況。圖5展示了多對(duì)多匹配關(guān)系下的海岸線變化類型，“一對(duì)多”(圖5(a))和“多對(duì)一”(圖5(b))為“多對(duì)多”(圖5(c))的特殊情形。

圖5 “多對(duì)多”匹配關(guān)系下的變化類型Fig.5 Change types under the “many to many” matching relationship

綜上所述，根據(jù)綜合變化度C(i,j)或C(i,J)來(lái)判斷岸線i是否發(fā)生變化以及變化類型：綜合變化度為0時(shí)，岸線i位置和類型均未發(fā)生變化；綜合變化度為1時(shí)，岸線i僅發(fā)生位置變遷；綜合變化度為2時(shí)，岸線i僅發(fā)生類型轉(zhuǎn)移；綜合變化度為3時(shí)，岸線i同時(shí)發(fā)生位置變遷和類型轉(zhuǎn)移，即岸線新增或消失的情況。

2 技術(shù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在ArcGIS中采用Arcpy實(shí)現(xiàn)本文海岸線變化匹配方法，基于Arcpy編寫Python腳本工具可以充分利用ArcGIS已有的分析工具，減少程序編寫難度，同時(shí)也能提高運(yùn)行效率[25]。以我國(guó)兩個(gè)地區(qū)為例進(jìn)行海岸線變化快速匹配試驗(yàn)，每個(gè)地區(qū)準(zhǔn)備2015年和2019年兩期海岸線數(shù)據(jù)，海岸線位置和類型界定以高分辨率遙感影像人工解譯判讀為主，類型分為自然岸線與人工岸線兩類。兩期數(shù)據(jù)均先完成格式統(tǒng)一和拓?fù)錂z查等預(yù)處理，消除了因數(shù)據(jù)源帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)已有變化起止點(diǎn)的4組岸線進(jìn)行單鏈蔓延編號(hào)，得到2015年地區(qū)Ⅰ212條岸線(圖6(a))、2015年地區(qū)Ⅱ 2241條岸線(圖6(b))、2019年地區(qū)Ⅰ216條岸線(圖6(c))及2019年地區(qū)Ⅱ 2269條岸線(圖6(d))的編號(hào)結(jié)果。

圖6 海岸線編號(hào)結(jié)果示例Fig.6 Examples of coastline numbering results

分別提取出兩個(gè)地區(qū)的變化岸段后，通過(guò)對(duì)變化岸段匹配關(guān)系與海岸線變化類型的判斷，發(fā)現(xiàn)地區(qū)Ⅰ中，2015年有53條變化的海岸線，其中僅位置變遷12條、僅類型轉(zhuǎn)移28條以及消失13條，如圖7(a)所示，同時(shí)2019年的53條變化的海岸線中有僅位置變遷12條、僅類型轉(zhuǎn)移28條以及新增13條，如圖7(c)所示。在地區(qū)Ⅱ中，2015年的704條變化的海岸線中有僅位置變遷568條、僅類型轉(zhuǎn)移79條以及消失57條，如圖7(b)所示，同時(shí)2019年的730條變化的海岸線中有僅位置變遷577條、僅類型轉(zhuǎn)移79條以及新增74條，如圖7(d)所示。

圖7 海岸線變化類型示例Fig.7 Examples of coastline change types

抽樣檢驗(yàn)是試驗(yàn)結(jié)果管理中的重要統(tǒng)計(jì)技術(shù)手段，通過(guò)抽取一定量的樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，既可以判斷試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量，同時(shí)又不需要付出太大的工作量，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量分析具有重要意義[26]。本文對(duì)地區(qū)Ⅰ和地區(qū)Ⅱ進(jìn)行了等分抽樣檢驗(yàn)，每10條變化的海岸線中抽取中間一條，并且將最后一條變化的海岸線也作為抽樣樣本。地區(qū)Ⅰ在2015年變化的海岸線共53條，按照岸線編號(hào)順序依次抽取第5、15、25、35、45、53條，樣本數(shù)為6條；地區(qū)Ⅱ在2015年變化的海岸線共704條，按照岸線編號(hào)順序抽取的岸線次序?yàn)?、15、25、…、685、695、704，樣本數(shù)為71條，兩個(gè)地區(qū)抽取的岸線編號(hào)和匹配結(jié)果見表1，地區(qū)Ⅰ和地區(qū)Ⅱ的海岸線變化均未有錯(cuò)漏匹配的情況。

表1 匹配結(jié)果抽樣檢驗(yàn)Tab.1 Sampling inspections of matching results

2.3 討論分析

結(jié)合單鏈蔓延編號(hào)思想快速實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的海岸線變化匹配，前提是兩期變化岸段是一一對(duì)應(yīng)的，因此需要在匹配之前將各期變化岸段一一進(jìn)行打斷操作處理，以保證兩期匹配中不發(fā)生錯(cuò)位和遺漏。在保證各個(gè)變化岸段對(duì)應(yīng)的變化起止點(diǎn)全部打斷后，才會(huì)得到后期變化匹配準(zhǔn)確無(wú)誤的結(jié)果。在匹配過(guò)程中，可能存在某個(gè)變化起止點(diǎn)未被打斷，導(dǎo)致后續(xù)變化岸段匹配出錯(cuò)，利用等分檢查方法快速找到出錯(cuò)源頭，修改后重新匹配，循環(huán)操作直到得到完全正確的匹配結(jié)果。因此，匹配過(guò)程也是檢查前期處理結(jié)果的過(guò)程，本文提出的匹配方法不僅可以解決匹配問(wèn)題，還可以有效協(xié)助檢查前期處理過(guò)程可能出現(xiàn)的斷點(diǎn)錯(cuò)誤，以確保匹配結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

為方便海岸線變化信息查詢和錯(cuò)誤檢查，設(shè)計(jì)了變化岸段匹配記錄表和海岸線變化統(tǒng)計(jì)表這兩種變化信息表，自然岸線和人工岸線類型分別用N、H表示。以地區(qū)Ⅱ?yàn)槔?，變化岸段匹配記錄?表2)的每條記錄包括匹配關(guān)系、岸線編號(hào)、岸線類型等信息，起到兩期數(shù)據(jù)之間的岸段關(guān)聯(lián)作用；海岸線變化統(tǒng)計(jì)表(表3)則是針對(duì)每條變化的海岸線統(tǒng)計(jì)其所屬變化類型及相匹配岸線，每條岸線統(tǒng)計(jì)了時(shí)相、編號(hào)、類型、匹配岸線編號(hào)以及變化類型等信息。(注：表2和表3示意圖如圖8所示。)

圖8 海岸線變化Fig.8 Diagrams of change segments of coastlines

表2 變化岸段匹配記錄Tab.2 Matching record of change segments of coastlines

表3 海岸線變化統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical table of coastline changes

此外，本文試驗(yàn)區(qū)的海岸線可構(gòu)成一條連續(xù)不斷單鏈的一組線狀數(shù)據(jù)，符合單鏈蔓延編號(hào)方法的適用條件。然而，當(dāng)海岸線由多條分割的單鏈組成或?yàn)殚]環(huán)等情況時(shí)，無(wú)法直接使用本文提出的方法，需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。對(duì)于多條分割的單鏈構(gòu)成海岸線的情況，需將各單鏈分別進(jìn)行蔓延編號(hào)及匹配。對(duì)于閉環(huán)鏈的情況，如海南省海岸線數(shù)據(jù)，可去除一條未變岸線，將其轉(zhuǎn)化為一條不閉合單鏈，完成單鏈蔓延編號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為解決兩期海岸線矢量數(shù)據(jù)的變化岸段匹配關(guān)系識(shí)別困難的問(wèn)題，本文引入單鏈蔓延編號(hào)的思想，提出了一種快速匹配的方法，實(shí)現(xiàn)了海岸線變化的有序匹配，還根據(jù)“一對(duì)一”和“多對(duì)多”的變化岸段匹配關(guān)系歸納了位置變遷、類型轉(zhuǎn)移、新增和消失等變化類型的判斷公式。最后以我國(guó)兩個(gè)地區(qū)為例，開展海岸線變化快速匹配的技術(shù)試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了變化岸段匹配記錄表和海岸線變化統(tǒng)計(jì)表兩種變化信息存儲(chǔ)表，建立新舊岸線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便空間數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)。相較于人工逐條匹配需花費(fèi)大量時(shí)間和人力，本文自動(dòng)化匹配方法的操作效率和匹配準(zhǔn)確率大大提高。本文方法同樣適用于多期海岸線變化匹配，但是針對(duì)多期變化信息的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步改進(jìn)。