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基于数据融合探讨如何构建陆海一体化平台

2020-06-04 623 上传者：管理员

摘要：在对已有的陆海地理信息数据进行融合的基础上,建立陆海一体化地理信息平台,全方位展示天津地区陆海基础数据和信息资源,实现陆图、海图数据的二三维一体化管理、分析、发布和共享,进一步拓宽测绘服务领域。

关键词：
倾斜摄影
实景三维
挖方分析
数据融合
测绘学
测绘服务
陆海一体化
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1、引言

目前“陆海统筹、联动发展”已成为我国国家战略,地理信息技术在陆地范围内已得到广泛应用,而海洋应用系统始终处于以海图为中心的独立发展状态中。因此,在天津地区开展陆海一体测绘和数据融合,统筹管理陆海地理信息资料,建立陆海一体化数字地理空间框架,实现海岸带海域地理环境的信息化,有利于加强我国海洋海岸带国土资源的陆海统筹及宏观调控能力。

在对天津市已有陆海数据资料的整理、分析和提取的基础上,开展陆海一体化地理信息数据融合管理。同时,建设陆海一体化地理信息服务平台,准确掌握海洋地理环境信息,对加强天津市海洋国土资源开发和利用的调控能力,科学把握海洋强市战略的整体布局,落实国家战略,推动陆海社会经济协调可持续发展具有重要的战略意义和现实作用。

2、陆海数据融合与建库

陆海数据融合是一体化平台建立的基础条件,通过对天津市多尺度、多年代、多源陆海数据资源的整理,分析陆海地理信息数据存在的语义差异、空间位置差异、地物形态差异,探究差异产生的原因,并研究天津市陆海数据融合方法,构建陆海地理信息的统一数据模型,实现有效的陆海地理信息数据管理。进而实现陆地地形图和电子海图在分类编码体系、空间基准、地图投影、空间几何位置等逻辑层次上地理空间数据的整合,最终实现陆海地理信息数据的物理无缝存储,建立天津市陆海一体化的地理信息系统平台。

2.1陆海地理信息数据融合方法

陆海地理信息数据融合包括陆海要素统一分类编码、天津市陆海地理信息空间分析和融合两部分。

天津市陆海要素统一分类编码:在掌握天津市陆海数据资源的基础上,进行陆海要素的语义整合。由于地形图和电子海图对同一类地理要素的特征、粒度描述的差异,导致两者对同一地理要素的不同认知和描述。陆海数据融合的第一步就是确定统一的地理要素语义描述,即在同一个语义框架下描述每一类地理要素。

该部分工作包含:陆海要素统一分类与编码和统一要素编码映射表的构建;构建统一要素编码映射表,其中该映射关系包括两个方面:①编码体系的映射,即电子海图和地形图与统一编码体系的编码对应关系;②属性的映射,即电子海图和地形图的属性与统一编码体系要素属性的映射关系。

陆海地理信息空间分析和融合:实施空间信息融合的前提是提取融合带要素,在项目原则的指导下,利用前期整理的陆海多源、多时相数据,提取陆地、海洋、海面、潮间带和海岸线等要素,确定空间融合的重点区域和范围并统一其数学基础(主要是地图投影的统一)。采用空间分析方法,提取融合带的陆海要素,进行空间实体的识别、匹配,同时参考空间相似性和专题属性相似性,对于确定的相同地理要素,进行专题属性的合并,进而实施陆海地理信息数据的空间融合,如图1所示。

图1陆海地理信息数据融合技术路线

2.2陆海一体化数据建库

图2建库技术路线

(1)数据分析与数据建库准备:

深入分析现有陆图、海图数据模型、数据库结构体系,针对陆海已有各自成熟数据分类、编码体系,结合数据融合中具体数据、过程数据等存储与管理,建立较完善的融合数据库建库规划。主要分为陆海资料收集、分析、整理以及数据统一分类与编码体系规划两个步骤。

(2)陆海数据库结构设计:

在建库准备基础上,依照各类数据逻辑结构、数据间相互关系、陆海数据统一编码体系,设计相关数据字典、各类陆海融合数据表结构,并完成基础数据的批量迁移或导入。包括数据逻辑结构设计、数据字典及相关表结构设计和数据导入几个部分。

(3)数据组织:

陆海一体化地理信息平台所需的数据资源主要包括陆海融合专题数据、电子海图数据、实景影像三维数据和三维海底地形数据。

陆海融合专题数据包括测量控制点、居民地和垣栅、工矿建(构)筑物及其他设施、交通及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、地貌和土质、植被等融合后的陆海专题数据,每类数据分别包含点、线、面各层,主要用于天津市陆域二维展示。

电子海图数据包括控制点、高程点和陆地方位物,海岸和岛屿,陆地地貌、水系、道路、境界、桥梁、涵闸和管线,居民地,港口和近海设施,干出滩,水深、等深线和地质,航行障碍物,助航设备,航道、锚地和各种海区界线、海底管线,海流和潮汐,对景图、观景点和磁差内容,各种地名、专有地名和说明注记,地理坐标网及标记、图解比例尺等14大类要素,主要用于海域二维展示。

实景影像三维数据是利用A3相机航空摄影后,全自动计算得出的整体的陆地三维模型数据,主要用于陆域三维展示。

三维海底地形数据主要指利用海域水深数据和高密度多波束测深数据,形成海域海底DEM模型数据。再使用VirtualPlanetBuilder地形数据库创建工具,将海底DEM和海底纹理数据生成海量地形分页数据库,主要用于海域三维展示。

三维海面数据三维海面数据是利用虚拟现实技术和OpenGL着色语言对海水表面进行模拟,主要用于海面三维展示。

2.3陆海数据库成果

陆海数据提取库,管理从原始陆图数据库与海图数据库中提取的待融合数据。待融合数据在提取入库时,依据事先设计完成的统一编码规则,对陆海数据分别编码,并存入各自数据表中。

陆海数据融合库,管理陆海融合数据过程中新创建的空间数据。陆海数据融合中,部分要素涉及陆海数据空间运算,而形成新的空间数据,其空间、属性数据与原数据均存在一定差异,为了方便管理与维护,陆海数据融合库存储此类新生成的空间数据。

陆海数据融合一体库,管理陆海融合数据的基本表,主要为外部应用提供数据访问接口,是数据融合的核心成果。

3、一体化平台关键技术

3.1陆海融合综合服务框架

综合服务框架提供了不同类型的陆海一体化共享服务,满足不同层次的应用需求。包括基于数据文件的共享;基于瓦片金字塔的栅格地图瓦片服务;支持OGC标准的WMS、WMTS(栅格地图瓦片服务);支持WFS的陆海矢量地图服务;支持OGC标准的CSW服务以及空间分析服务等内容,如图3所示。

3.2二三维一体化

陆海一体化平台基于WebGIS可视化技术和图形渲染技术,结合三维地图类库Cesium和二维地图类库OpenLayers3中底层数据的转换、接口的封装以及功能的扩展,分析地图类库中陆海地理信息数据的展示和处理,将二维地图对地理地貌数据的展示和三维地球对地理空间地形数据的展示相结合实现了二三维地图的联动以及数据显示、更新与分析结果的同步,并且与OGCWeb服务无缝集成,完成了WebGIS二三维一体化的目标。

图3融合后的陆海地图服务

在二三维一体化基础之上,设计并实现了陆海数据的展示、获取和分析功能,并进行系统优化操作。

3.3倾斜摄影自动化建模

通过倾斜摄影建模获取陆海实景三维模型。倾斜摄影自动化建模技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。倾斜摄影模型极大地扩展了遥感影像的应用领域,使遥感影像的行业应用更加深入。

倾斜数字航摄仪经过航空摄影后,通过空中三角测量、相关像元密集匹配、相对适配、构建三维点云、三角网重构、三角网影像自动贴图以及LOD自动生成等步骤后,全自动计算得出整体的陆地三维模型数据,真实反映了陆上地物的情况,提升了用户体验。

3.4三维陆海填挖方分析

在进行陆上挖方、填海造陆以及海底疏浚等工作时,需要进行陆海填挖方操作。平台基于实景三维或海底DEM模型构建的三维格网,通过不规则三角网格法(TIN)进行土方填挖三维模型的生成和计算。

通过实景三维或DEM特征点进行不规则三角网格数据结构的构建,将区域内所有的离散点构成三角网并进行优化处理。将填挖场地划分成若干三棱柱,用生成的三角网计算每个三棱柱的体积,从而将所有三棱柱的体积汇总得到总的土方量。

4、一体化平台成果

4.1平台结构图

图4陆海一体化地理信息平台结构图

4.2主要功能

(1)陆海融合数据查询

在B/S环境下对融合后的陆海信息进行浏览、查询,包括陆海专题要素、电子海图要素、海洋功能区划、海域使用权审核等信息,生成查询结果统计图,如图5所示。

图5陆海要素融合查询

(2)陆域及航道挖方分析

三维环境施工土方挖取分析功能可以自动计算选定区域的三维土方量,根据要求分析出具体施工需要挖掘的土石体积。

此外,通过在航道中心线上划定一段范围并指定航道的宽度和深度,系统可以自动计算出水下泥沙的体积并生成航道挖方模型,为航道维护提供辅助决策分析,如图6所示。

图6航道挖方分析

(3)三维填海分析

三维填海分析功能根据选定的区域以及需要填埋的高度自动分析出所需要填埋的土石方量,为填海施工前期规划及预算提供辅助决策分析。

(4)水深测算

通过DEM数据结合天津海域85高程信息,在海水面模型中点击查询当前位置的水深,并可模拟海水面上升/下降对陆地地形要素的影响。

5、结语

本文以陆海地理信息数据融合为背景,应用二三维一体化应用集成等关键技术,建立陆海地理信息空间数据集,实现陆海一体化地理信息数据的规范化整合与应用。

平台涵盖陆海一体化基础地理信息数据,将多源地图集成、地理信息分析与专题应用、可视化表达等功能统一整合到服务平台,并且具备实景影像三维浏览、陆海一体化三维集成分析等功能,全方位展示陆海基础数据和信息资源,实现陆海一体化的地理信息融合管理与共享。平台成果已应用于天津市海洋部门,起到了服务决策、服务管理的作用。

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