試論基于GIS 的土地專題圖的制圖概括技術(shù)

1、試論基于GIS 的土地專題圖的制圖概括技術(shù)1 李長輝（宣城市國土資源局）2彭建林（廣德縣房地產(chǎn)管理局） 摘要:本文結(jié)合數(shù)字國土工程項目的實踐,探討基于GIS的數(shù)字土地專題圖制圖概括的理論和技術(shù)方法,并針對專題圖制圖概括所涉及的若干技術(shù)問題提出具體的解決途徑。關(guān)鍵詞:GIS；土地專題圖；制圖概括一前言土地專題圖是根據(jù)應(yīng)用目的確定目標地圖的主題和比例尺,利用數(shù)據(jù)綜合手段生成的目標地圖。它不僅要遵循地圖概括的基本原則,還要考慮土地的位置、分布、利用現(xiàn)狀、規(guī)律性及典型特征等信息,并顧及不同應(yīng)用目的對上述信息表達的不同要求。二數(shù)字制圖概括的特點制圖概括是指根據(jù)地圖的主體、用途、比例尺和制圖區(qū)域的特點,對

2、各地理要素及其內(nèi)在聯(lián)系加以分析和研究,并將地面最重要、最基本的事物或現(xiàn)象反映在地圖上,而舍去某些次要的、非本質(zhì)的事物或現(xiàn)象的過程。隨著計算機數(shù)字制圖的興起,制圖概括的內(nèi)涵發(fā)生了許多變化,其概念擴展為在GIS環(huán)境下對空間信息和屬性信息的加工方法。由于專題圖的特殊要求,使其與傳統(tǒng)的普通地圖制圖概括有較大的差別,這主要表現(xiàn)在:1. 普通地圖的制圖概括完全基于對各要素的同等概括,所反映的內(nèi)容、采用的方法和要求達到的精度隨地圖比例尺的不同而不同。專題圖是一類特殊的專用圖,是反映不同部門、不同領(lǐng)域的專題類型、質(zhì)量、數(shù)量、利用現(xiàn)狀及其分布等的專用地圖。影響制圖概括的主要因素是專題圖的具體內(nèi)容和表示方法。如在

3、土地專題圖中,地籍圖、土地利用現(xiàn)狀圖等是反映一個地區(qū)土地類型、質(zhì)量、數(shù)量、利用現(xiàn)狀及其分布等的專題地圖,農(nóng)用地分等圖是反映一個地區(qū)的土地等別、質(zhì)量、數(shù)量、分布等的專題地圖。2. 數(shù)字制圖概括則是在一定比例尺的限制之下,從GIS的應(yīng)用目標出發(fā),對數(shù)據(jù)進行抽象和概括,生成各種專題用途的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集。普通地圖的制圖概括是靠制圖人員通過對客觀現(xiàn)實的認知和經(jīng)驗,在頭腦中先建立抽象模型,再運用制圖者的繪圖技巧在圖紙上實現(xiàn)的。由于采用了計算機輔助制圖,數(shù)字制圖概括較手工概括更為快捷、準確。特別是以數(shù)字地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖為工作底圖編繪的各類土地專題圖,實現(xiàn)了對地理要素和專題要素的分層處理,既提高了

4、成圖精度,又便于信息的交換與共享。3. 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)高度的統(tǒng)一。在通常土地管理過程中,土地利用方式的變更往往會引起空間數(shù)據(jù)的改動,其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)也必將隨之發(fā)生變化?？臻g數(shù)據(jù)的分析常常需要使用屬性數(shù)據(jù)。三數(shù)字土地專題圖的制圖概括數(shù)字土地系列專題圖多用面狀圖形(一般為不規(guī)則多邊形)來描述土地用地類別的性質(zhì)、質(zhì)量、數(shù)量、分布特征、土地用地現(xiàn)狀、土地等(級)別及評價等專題要素,這些要素與各地的自然地理要素、社會經(jīng)濟要素密切相關(guān)。在進行制圖概括時往往要涉及各種不同的專用地圖和相關(guān)信息,須遵循以下主要規(guī)則。1. 地圖規(guī)則土地類型系列制圖必須遵循地圖制圖的一般規(guī)則。地圖規(guī)則的內(nèi)容很廣,從單個地理要素

5、的圖形表達到整個地圖的圖面整飾的全過程,一般從合理性及精度兩個方面描述。在進行土地類型系列制圖時,一般要著重處理屬性信息概括后造成的不符合地圖規(guī)則的狀況。如不同因素圖件進行疊置或圖斑的類型由子類向父類轉(zhuǎn)換,實際上是一個從源圖斑到目標圖斑的轉(zhuǎn)換過程,這種轉(zhuǎn)換不但包括區(qū)域邊界形狀的改變,更重要的是包括源圖斑所包含的屬性信息到目標圖斑的屬性信息的轉(zhuǎn)換。一般說來,從地圖表達合理性的角度,如果不考慮其他因素的影響(如重要線狀地物或境界線),兩個相鄰接的圖斑不應(yīng)該具有相同的屬性信息,否則要將兩個圖斑合并為一個圖斑。在進行屬性信息變換的同時還需要進行空間信息(位置信息、面積信息等)的相應(yīng)變換,以滿足地圖表達

6、的基本規(guī)則和土地管理工作現(xiàn)實性的需要。2. 幾何規(guī)則制圖概括的目的之一是避免在圖面上出現(xiàn)不可識別或出現(xiàn)不合理的圖形。對于土地類型專題圖來說,除保證地類圖斑或級(等)別圖斑位置準確外,還要求圖形間保持正確的拓撲關(guān)系和表達方式。(1) 正確的拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)概括必然會改變原始數(shù)據(jù)所反映的地理對象之間的拓撲關(guān)系,它包括拓撲關(guān)系的幾何意義和屬性意義的正確與合理性兩個方面。拓撲關(guān)系的幾何意義是對數(shù)據(jù)概括后所反映的地理對象進行拓撲分析和地理精度的合理性分析,如在進行圖形數(shù)據(jù)疊加工序時,并不是簡單地將兩幅數(shù)字化圖件數(shù)據(jù)放在一起,重新生成一次拓撲關(guān)系,而是要分析每一弧段與圖件A的有關(guān)圖斑的拓撲關(guān)系,還要分析與圖件

7、B有關(guān)的圖斑的拓撲關(guān)系,此外還要對每一個結(jié)點重新做一次與弧段的拓撲分析。拓撲疊加是對兩幅圖件做全面空間分析的疊加,疊加產(chǎn)出結(jié)果既可以用作邏輯的“交”,也可以用作邏輯的“或”和邏輯的“差”分析(如圖1)。但是拓撲關(guān)系的變化需要遵循一定的規(guī)則,如在對疊加出現(xiàn)的“碎屑多邊形”進行處理時,不能因為刪除某個小面積圖斑而造成空洞或原來處于外側(cè)鄰接關(guān)系的兩個圖斑概括后不能變成包含關(guān)系或相離關(guān)系等。地理精度的合理性分析是指在表達和處理地理要素之間關(guān)系時的合理程度。如水系的連通性、高層次地物壓蓋低層次地物、主要地物與次要地物處理等,以及在概括過程中,在空間允許的情況下,要盡量保持因區(qū)位、地形、土壤等因素條件變化

8、所引起的等(級)別或地類的變化,即土地要素的概括要考慮與地理要素的關(guān)系。圖1 拓撲分析拓撲關(guān)系的屬性意義是圖斑屬性概括前后的面積比率平衡關(guān)系,一般說來,土地系列專題圖均系根據(jù)目標地圖的主題突出表現(xiàn)土地要素的分布特征,如在進行數(shù)字農(nóng)用地等別圖的制圖概括時,概括前各地類面積(工作底圖上的地類面積)應(yīng)與成果圖(如等別圖)上的各地類面積比率保持平衡,只有這樣才能真實地反映該地理地域土地的質(zhì)量和數(shù)量的分布特征,也是衡量概括結(jié)果是否合理的標準之一。(2) 閾值的設(shè)定地圖圖面上的幾何圖形和距離的表達一般要受地圖比例尺精度的約束。在進行土地系列制圖綜合時,往往要根據(jù)制圖目的,在保持制圖圖斑位置準確的基礎(chǔ)上,還

9、要求圖形的可識別度即圖形表達清晰程度。圖形的可識別度包括面積和距離的最小識別單位,稱為最小面積閾值和最小距離閾值。a面積閾值的設(shè)置。通常兩幅圖件各圖斑疊加前互不相關(guān),疊加后會形成很多“細碎圖斑”,拓撲疊加在實際應(yīng)用中需要解決的一個問題是剔除在進行圖形數(shù)據(jù)疊加時出現(xiàn)的“細碎圖斑”或圖斑出現(xiàn)鋸齒狀。事實上,系統(tǒng)軟件在執(zhí)行拓撲疊加任務(wù)的過程中,可以安排隨時計算閉合區(qū)域面積的程序,若計算出一個封閉區(qū)域的面積小于事先設(shè)定的面積閾值,即需要進行圖斑合并,將該面狀圖形與周圍的圖斑融合。b. 距離閾值的設(shè)置。該閾值既可約束彼此不相鄰地物之間的最短可視距離,也可以用來約束面狀圖形(如道路、水系等)狹窄部分的最小

10、寬度。如地物之間的距離小于該閾值,可以認為人眼已經(jīng)不能識別它們之間的距離。而面狀圖形的狹窄部分則可以用線段表達。3. 屬性數(shù)據(jù)的概括規(guī)則專題地圖的概括需要重點考慮目的圖的專題屬性特征,其屬性數(shù)據(jù)的概括規(guī)則在概括過程中至關(guān)重要。在屬性數(shù)據(jù)概括中,屬性數(shù)據(jù)的概括主要體現(xiàn)在屬性數(shù)據(jù)按照一定的體系進行單向和邏輯一致性的類型轉(zhuǎn)換。四、掃描誤差的校正與圖形拼接圖紙掃描是目前對工作底圖內(nèi)容進行數(shù)字化處理的主要技術(shù)手段,也是一個容易被忽視,而實際上對成果質(zhì)量有重大影響的技術(shù)環(huán)節(jié)。工作圖經(jīng)野外調(diào)繪,往往會產(chǎn)生圖紙變形和調(diào)繪線差異,經(jīng)圖紙掃描后出現(xiàn)拼接誤差。如何根據(jù)拼接誤差的大小選擇圖紙變形糾正的方法,是實際工作

11、中十分關(guān)注的技術(shù)問題之一。圖幅的掃描誤差包括幾何誤差與輻射度誤差兩個方面。幾何誤差來源于儀器誤差和圖紙變形。從誤差校正的角度,可將幾何誤差分解為系統(tǒng)誤差、局部誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差一般可通過辨識與量測標記點進行校正,如采用紙質(zhì)DOM進行野外土地現(xiàn)狀調(diào)查時,調(diào)繪圖的圖紙變形較大且不均勻,這時可根據(jù)圖紙變形情況按坐標格網(wǎng)點或劃分變形區(qū)域按區(qū)域格網(wǎng)進行糾正。如采用4個圖廓點的線性校正可改善圖因掃描時引起的旋轉(zhuǎn)和大區(qū)域的圖紙變形；采用圖廓點和區(qū)域格網(wǎng)點的二次線性、曲線校正可校正局部的圖紙變形。殘余誤差僅是在圖像上量測圖廓點的誤差,一般在0.5像元之內(nèi),可通過取中點進行避免。圖紙掃描的輻射度誤差主要指

12、灰度誤差。一般說來,線劃密集的圖紙,經(jīng)過二值化掃描后會出現(xiàn)線劃中斷或粘連現(xiàn)象。對于紙質(zhì)不好的圖紙,最好不要在掃描前二值化,而應(yīng)該先進行多級灰度掃描,再采取浮動閾值法軟件二值化。通過上述分析與處理并顧及多方面的殘余誤差,圖幅的掃描誤差主要由圖幅的掃描誤差和多方面的殘余誤差組成。五、面積加權(quán)內(nèi)插法和面積量算一些土地經(jīng)濟評價成果圖中的目標圖斑往往由多個因素的源圖斑疊置形成,這時目標圖斑的屬性值(含分值)應(yīng)考慮源圖斑的共同作用與影響。在進行目標圖斑面積要素處理時多采用面積內(nèi)插方法。所謂面積內(nèi)插,是指按照源圖斑空間數(shù)據(jù)的分布特征與規(guī)律,采用一定的插值算法求取目標圖斑中的數(shù)據(jù)分布。面積內(nèi)插算法大體可分為3

13、類:面積加權(quán)內(nèi)插法、基于表面模型的面積內(nèi)插法和基于統(tǒng)計模型的面積內(nèi)插法。我們在實際工作中采用較多的是面積加權(quán)內(nèi)插法。它是根據(jù)目標區(qū)域內(nèi)各源圖斑所占面積的百分比為權(quán)來確定目標圖斑的新屬性數(shù)值。目標圖斑的面積量算是土地專題圖的重要內(nèi)容之一。不同的土地專題圖其量算方法和要求亦存在一定的差異。土地專用圖的面積量算有兩種情況:一種是按生成的目標圖斑直接求算；另一種是在目標圖斑中要扣除線狀地物面積, 先作緩沖區(qū)得到緩沖區(qū)圖斑,接著緩沖區(qū)圖斑與相應(yīng)的地類圖斑進行拓撲,最后扣除其緩沖區(qū)面積。在進行面積量算時,無論屬于何種情況均需滿足目標區(qū)域內(nèi)的實際面積與量算面積的邏輯一致性原則。六、結(jié)束語如何正確理解和執(zhí)行規(guī)程,掌握數(shù)字土地專用圖制圖概括中的“協(xié)調(diào)”和“綜合”的原則,做到既保證成圖的數(shù)學(xué)精度和地理精度,又便于進行逐級成果匯總,是目前土地專用圖制圖的關(guān)鍵所在。參考文獻:1 TD 1002293.土地利用現(xiàn)狀調(diào)查地(市)級匯總技術(shù)規(guī)程S .2 TD/ T 100422003.農(nóng)用地分等規(guī)程S.3 GB/ T 18508