基于空間分析的航空物探專題底圖制作方法
——以達州—華鎣測區(qū)為例

張琦潔，閆紅雨，張婷婷，吳云，高姍

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質(zhì)重點實驗室，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地理底圖是航空物探圖件的重要基礎(chǔ)部分，對航空物探專題圖件起著定位定向作用。但其信息量較多，直接用于航空物探專題圖中易造成主次不清，壓蓋主要信息的問題[1-4]。如何根據(jù)需求快速獲得所需地理信息，方便用戶使用，提高質(zhì)量及精度成為航空物探地理底圖編制的研究重點。

目前國內(nèi)外關(guān)于制作航空物探專題底圖還未形成一套完整流程，對其制作方法的研究也較少，以往航空物探底圖制作一般通過收集所需矢量地圖數(shù)據(jù)文件及紙介質(zhì)地圖資料，由人工在畫紙上描繪底圖[5-6]。進入信息化時代后，地理信息的出現(xiàn)解放了部分人力，由傳統(tǒng)的手繪底圖改為電子化制作，制圖人員一般采用以下方法：將所收集的底圖掃描至電子版，借助MapGIS等專業(yè)軟件，通過比例尺變換、投影變換等方式校正底圖文件，根據(jù)要素類別逐一對其進行矢量化，得到最終所需的地理底圖。此方法在制作過程中耗費大量的人工，且在矢量化過程中，存在較強人為因素，誤差較大[7-9]。2010年，國家測繪局公開向社會發(fā)布1∶25萬公眾版地形數(shù)據(jù)庫成果，在經(jīng)過一系列脫密處理后，供社會各界參考及出版使用，在此基礎(chǔ)上不斷更新，該數(shù)據(jù)應(yīng)用性廣且實用性極強。自此之后，航空物探底圖制作方法演變?yōu)榻柚藬?shù)據(jù)，針對不同比例尺，根據(jù)屬性信息對各地理要素(居民點、居民區(qū)、湖泊、河流、道路、境界線等)手動逐步抽稀、轉(zhuǎn)換及渲染。該方法雖節(jié)省了部分人工，但效率極低，且數(shù)據(jù)還原度不高。

空間分析是以一種定量統(tǒng)計方式對點、線、面的分布方式進行分析的方法，近幾年被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，目前國內(nèi)外許多學(xué)者都對其進行了深入研究[10-13]。徐斌等[14]利用空間分析模型進行了地下水化學(xué)類型分區(qū)，更好地反映了地下水化學(xué)類型的空間演化特征。金鑫等[15]建立良渚古城遺跡空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化，為考古遺址提供新的思路。筆者提出將其與航空物探底圖制作相結(jié)合，以四川省達州—華鎣測區(qū)為例，展示空間分析技術(shù)在航空物探調(diào)查專題底圖中的具體應(yīng)用，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化，滿足用戶的需求。該研究成果大大簡化了地理底圖編制流程，提高了航空物探專題圖件的制作效率，同時也為1∶25萬地形數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用提供了參考。

1 研究區(qū)概況及研究路線

本文所選研究區(qū)達州—華鎣測區(qū)位于四川盆地東北部，具體經(jīng)度范圍為106°55′～107°55′，緯度范圍為29°55′～31°05；行政區(qū)劃主要隸屬于達州市、廣安市等，東南部分跨及重慶市墊江、梁平等地，研究區(qū)東西長約96 km,南北寬約129 km,總面積約12 432 km2，地勢北東高南西低。從氣候上看，該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫暖，四季分明，日照充分，雨量豐沛。交通方面，研究區(qū)內(nèi)公路網(wǎng)及鐵路網(wǎng)發(fā)達，有多條高速公路及重要運輸鐵路線，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間也有公路相通，交通較為便捷。水運方面，研究區(qū)重要河流較多，河流發(fā)育，有多條長江支流，區(qū)內(nèi)其余次級水系多呈樹枝狀分布，年均徑流量大(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 The position diagram of study area

航空物探專題底圖要素由公路、鐵路、境界線、河流、湖泊、居民點、居民區(qū)7個要素組成，針對不同要素的特點，研究方法略有不同，具體方法如圖2所示。

圖2 航空物探專題底圖制作路線Fig.2 Making road-map of special base map of aerial geophysical exploration

2 空間分析原理

空間分析是地理信息系統(tǒng)的重要支柱，有助于識別數(shù)據(jù)的趨勢，創(chuàng)建數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并能更好地解決數(shù)據(jù)集之間的復(fù)雜關(guān)系。在GIS中，空間分析有助于提取GIS數(shù)據(jù)層之間的空間關(guān)系。它可以涉及空間、數(shù)值及單個數(shù)據(jù)層或數(shù)據(jù)集之間的統(tǒng)計分析。

空間查詢包括按屬性查詢及GIS中的幾何查詢。屬性數(shù)據(jù)描述了數(shù)據(jù)的空間特征，可以以特定特征進行查詢。幾何查詢有5種原始形式：按點查詢、按矩形查詢[16-17]、按線查詢、按圓查詢及按多邊形查詢[18]。將空間查詢方法與航空物探專題底圖相結(jié)合，便于地理要素的快速查詢及屬性更改等，提高工作效率。

緩沖區(qū)分析是空間分析方法中較常使用的一種[19]，對于水系等線要素，一般是以其為中心軸線，生成距離中心軸線固定距離的多邊形以供使用。在數(shù)學(xué)上定義緩沖區(qū)為：設(shè)P為一點或一組點，一條線或由點組成的區(qū)域，則B(P,h)是距P中所有距離為h點的緩沖區(qū)，即：

B(P,h)={q|d(p,q)≤h},p∈P，

式中：d(p,q)為最小歐氏距離[20]。

緩沖區(qū)分析代表了地理空間目標的一種影響程度[20]，對于解決水系等線要素的鄰近度問題提供了一個很好的工具。

空間疊合分析是指將同一個空間參照系統(tǒng)下的兩個或多個圖層進行疊加，對于底圖中矢量數(shù)據(jù)，疊加分析包括點與面、線與面、面與面3種，疊合方式有合并、相交、擦除、裁剪等。通過將不同要素進行空間疊合分析，可以更快速選取所需底圖信息。

3 專題底圖制作方法

3.1 數(shù)據(jù)收集

本文利用公眾版1∶25萬全國地形數(shù)據(jù)庫進行分類整合，該數(shù)據(jù)的完整性及精確性等均符合國家測繪局制定的有關(guān)技術(shù)規(guī)定和要求，質(zhì)量可靠。研究區(qū)原始1∶25萬地形資料數(shù)據(jù)采用2000國家大地坐標系，1985國家高程基準，共由9個數(shù)據(jù)類組成，包括公路、河流、居民區(qū)、居民點等專業(yè)信息，數(shù)據(jù)原始存儲格式為.gdb，每個數(shù)據(jù)類文件類型為.shp格式。研究區(qū)內(nèi)原始底圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)原始1∶25萬公眾版地形Fig.3 The original 1∶250,000 public edition topographic map of the study area

3.2 技術(shù)方法

3.2.1 空間分析在水系網(wǎng)中的應(yīng)用

水系要素一般根據(jù)航空物探專題圖的性質(zhì)、用途、比例尺及地區(qū)水文特點進行選擇。通過圖4對比發(fā)現(xiàn)，1∶25萬公眾版地形數(shù)據(jù)庫的水系要素完整豐富，但將其直接用于航空物探專題圖中，信息較為繁瑣。1∶400萬公開版地形數(shù)據(jù)庫的水系具有明確等級及詳細水系名稱，且密度滿足中等比例尺航空物探地理底圖主要水系編制需要，但其制作時間較早，未滿足時效性要求，且其精度較低，不能滿足1∶25萬成果圖制作要求。本研究在兩者基礎(chǔ)上提出應(yīng)用緩沖區(qū)分析方法對水系進行抽稀處理。

圖4 1∶25萬地形數(shù)據(jù)庫(a)與1∶400萬地形數(shù)據(jù)庫(b)水系要素對比Fig.4 Part of the 1∶250,000 terrain data (a)and 1∶4,000,000 terrain data (b) comparison map

以1∶400萬地形數(shù)據(jù)庫水系要素為模板，應(yīng)用空間疊合分析方法，將其與1∶25萬地形數(shù)據(jù)庫水系要素進行空間位置匹配，做緩沖區(qū)分析。緩沖區(qū)半徑的設(shè)定對后續(xù)工作的影響較大，通過多次實驗分析，對研究區(qū)內(nèi)水系建立不同緩沖區(qū)半徑的效果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)內(nèi)水系建立不同緩沖區(qū)半徑200 m(a)、500 m(b)、700 m(c)對比效果Fig.5 Comparative effects of different buffer radius of 200 m (a), 500 m (b) and 700 m (c) established by river systems in the study area

通過對比發(fā)現(xiàn)，當緩沖區(qū)半徑設(shè)為500 m時效果最佳，既能保持原始河流的完整性，又能最大限度減少河流枝杈數(shù)量，保證篩選后的水系無枝丫、無毛刺，粗略篩選出主要水系。緩沖區(qū)分析后剩余的河流枝杈處理一般較為繁瑣，本文借助空間查詢方法，以NAME和LENGTH字段選定小區(qū)域，逐步進行篩選，通過屬性字段剔除遠離主要水系的明顯無效數(shù)據(jù)。

在對湖泊等面狀水系要素提取時，本文提出以湖泊與河流的拓撲關(guān)系為選取準則，按位置選取湖泊數(shù)據(jù)， 以最大限度保證每條湖泊入河。根據(jù)屬性數(shù)據(jù)，按面積進行篩選，保留大小適宜的湖泊、水庫、島嶼等數(shù)據(jù)。因?qū)ｎ}圖中湖泊要素一般需要標注名稱等信息，刪除上述要素NAME字段為空的數(shù)據(jù)。檢查湖泊、水庫、島嶼等數(shù)據(jù)，保證保留標志性水域信息。通過實驗證明，該方法處理所得到的水系網(wǎng)，操作流程簡單且結(jié)果準確可靠，精度滿足專題圖要求。

3.2.2 空間分析在道路網(wǎng)中的應(yīng)用

道路網(wǎng)主要包括鐵路、公路、其他道路3大類，選擇和編繪一般按照級別順序，即先鐵路，后公路，次要公路，其他道路視地區(qū)特點作網(wǎng)狀補充。

鐵路級別較高，一般選擇全部保留，特殊情況下可通過屬性信息提取選取。公路及其他要素的篩選采用以下方法：

公路的屬性字段如表1所示，主要包括GB、NAME、RTEG等信息，研究區(qū)內(nèi)高速公路共44條，一級公路2條，二級公路330條，三級公路406條，其余均為四級及等外級等公路；根據(jù)該地交通特點，按照保留國家級與省級公路的原則提取框架，將符合表達式：“RTEG”=‘高速’OR“RTEG”=‘一級’的公路信息保留。經(jīng)過提取后的公路信息如圖6所示，疏密度已滿足航空物探專題圖的要求。

圖6 原始公路(a)及提取后公路(b)對比Fig.6 Contrast map of original highway (a) and extracted highway (b)

表1 1∶25萬地形圖公路屬性信息Table 1 The highway’s attribute information table of 1∶250,000 topographic map

應(yīng)用空間屬性分析方法，初步刪除遠離所留公路的明顯無效數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量。在對數(shù)據(jù)進行粗篩過程中，會有部分次要公路或其他公路因?qū)傩约墑e低被誤刪，為了對特定地區(qū)做網(wǎng)狀補充，對保留下來的每一條公路進一步處理，補充不連續(xù)地段，并按屬性字段剔除多余公路與毛刺。經(jīng)過空間分析處理后的公路網(wǎng)，既能保證所保留公路均為高級別公路，又能滿足航空物探專題圖的制作規(guī)范要求。

3.2.3 空間分析在境界線中的應(yīng)用

航空物探專題圖中境界線的提取方法較為簡單，根據(jù)國家測繪地理信息局頒布的2012版1∶25萬地形要素數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)說明，應(yīng)用屬性查詢，提取國界線及省界線，簡便快捷。

3.2.4 空間分析在居民區(qū)中的應(yīng)用

根據(jù)《航空物探數(shù)字制圖與印刷技術(shù)規(guī)定》[21]，居民地在航空物探專題圖中主要與成圖比例尺有關(guān)，選取密度與成圖比例尺成反比。選取方法可依據(jù)屬性信息，按照由高級到低級，優(yōu)先選取具有特殊意義的地名原則進行篩選。

居民區(qū)要素由于缺少屬性信息，無法根據(jù)上述原則選取，但可根據(jù)不同比例尺將所需居民點要素(圖7)選取后，引入空間查詢方法，按照空間位置進行選擇。所需居民點及原始居民區(qū)要素如圖7所示，以1∶25萬圖件為例，根據(jù)屬性信息查詢，將符合表達式“GB”=‘31030’ OR “GB”= ‘31060’的縣及其以上居民點保留。1∶25萬地形數(shù)據(jù)庫中原始居民區(qū)要素如圖7a所示。保留后的縣級以上居民點信息如圖7b所示，應(yīng)用空間屬性分析方法，按位置信息進行篩選，選擇相交空間分析方法，保留相交后的居民區(qū)要素。

圖7 原始居民區(qū)信息(a)及提取后的居民點信息(b)Fig.7 The original residential area information (a) and the extracted residential area information (b)

通過上述空間分析方法抽稀處理，研究區(qū)航空物探專題底圖各要素如圖8所示。

圖8 航空物探專題底圖要素Fig.8 The elements for thematic base-map elements of airborne geophysical exploration

4 結(jié)論

應(yīng)用空間分析方法制作航空物探專題底圖，研究結(jié)果既做到內(nèi)容充實、清晰易讀、滿足用戶需求，又未壓蓋航空物探專業(yè)信息，符合規(guī)范要求。該研究成果大大節(jié)省了人工處理時間，進一步簡化了處理流程，形成一套成熟的航空物探專題底圖制作方法,同時減少了數(shù)據(jù)冗雜，為航空物探數(shù)字制圖提供了新的方向，提升了工作能力，為其他領(lǐng)域?qū)ｎ}底圖的制作提供了一定的參考。