基于HPD和空间信息多级网格的测绘工程规划研究

1基于HPD和空间信息多级网格的测绘工程规划研究吕玉晓（广东海事局海测大队广州510320）ResearchofHydrographicProjectPlanBasedonHPDandSpatialInformationMulti-gridLvYuxiao摘要：海道测量生产数据库（HPD）的引进改变了测绘数据的采集和管理模式，本文指出以图幅为中心进行测绘工程规划的缺陷，并分析了测区精度分布图和测量时间分布图在测绘工程规划中的作用。最后结合空间信息多级网格理论，提出以四叉树方案划分海区，构建测绘工程规划系统的整体思路和系统框架。关键词:HPD；测区精度；测量时间分布；空间信息多级网格；四叉树；测绘工程规划系统海道测量生产数据库（Hydrographicproductiondatabase，HPD)是2007年交通部海事局重点引进的空间数据信息系统，该系统由加拿大CARIS公司开发研制。它在源数据管理方面的优势主要表现在：改变了早期GIS软件大多采用文件系统存储空间信息的方式，以OracleSpatial作为空间数据库平台进行空间数据组织；在多比例尺空间数据与信息的表示上，通过数据模型来支持空间数据的多尺度表达,用同一数据库表达同一地物的多个层次的比例尺版本,并建立内在的联系,以解决各层次间的更新和维护互动问题。空间信息多级网格(SpatialInformationMulti－Grid,SIMG)研究在广域网络环境下的空间信息资源如何有效整合才能够有利于空间信息的共享。主要涉及三个技术:网格计算、基于Web服务的信息共享技术和空间信息互操作技术。目前空间信息多级网格研究在国内才刚刚兴起，李德仁等[1]指出了从数字地图到空间信息多级网格的发展趋势,提出了广义空间信息网格和狭义空间信息网格的概念[2],分析了空间信息多级网格的关键技术[3],并研究了全球网格划分的编码策略、存储方式、网格编码与地理坐标转换方法等[4]。1HPD中Source数据层只存储最高精度和最新测量时间的数据HPD的引进旨在建立海事测绘无缝连续无重叠的空间数据库，以加强信息资源的有效管理、整合、分析和宏观调控，所以在规划HPD的Usage时，提出Source层来作为海道测量数据的基础层。一个物标只存一次，就存储于Source层中。它的数据集建立原则是，所有海域是2连续无重叠的，所以不管该海区存在几种精度（或不同比例尺重叠）的数据，我们只选取具有最高精度和最新测量时间的数据入库；数据更新和维护，也以Source层为基础，其他产品级Usage（具比例尺区间）只存储物标的表现形式，并随Source层的数据改变而进行更新。因此Source层成为一个变比例尺或者称为无比例尺的数据层，其数据精度不一致，有的海区精度高，数据密集，有的精度低，数据稀疏；海区内测量时间分布也是变化的。2空间数据库管理模式下，以纸海图图幅结合其比例尺进行测量规划和任务制定的缺陷HPD空间数据库要求数据连续无重叠，而图幅尤其是经济发达河口重叠现象严重。例如《桂山岛至沙角》（80801），比例尺1:75000,覆盖的图幅达18幅（见图1）。图1.80801图幅索引下面是以图幅为基础，结合出图比例尺进行测绘任务布置的例子节选：“80801图幅内还包含以下图幅：《南沙港（80804）》（基测）、《马友石至内伶仃（80831）》（基测）、《大铲岛及附近（80832）》（基测）、《铜鼓航道（80503）》（基测）、《妈湾至蛇口（80504）》（检测）、《伶仃航道一、二、三、四》（检测）。以上基测图水域可以不测，直接套用今年新测成果；80504图测至5米等深线；伶仃航道由于处在测图中间，为方便外业测量，可考虑全测。”根据此任务书进行测量，必然造成除80804、80831、80832、80503外的水域全部按照1：375000出图比例尺进行测量。于是造成这些水域的数据形成两套：一套是大比例尺数据，精度高，不是最新（如80504图幅水域），一套为小比例尺数据，精度低，时间最新。显然，这些数据在导入HPD数据库时，会出现矛盾：如果导入新测数据则无法满足大比例尺图幅水域的精度要求，影响出图；保留旧数据，相当于新测资料无用。当然在目前的生产流程下，以文件进行数据管理，我们可以两套数据同时采用，用来出版各自比例尺的纸海图。但也造成面向社会同一水域，不同大小比例尺图的时效性不一致。其实既然我们承认大比例尺图幅水域（如80504）的时效性没有过期，完全可以满足保障航行安全的需求，又何必对该水域进行精度低的重新测量，完全可以采用该水域的旧资料进行编绘。在对珠江口水域的计划内任务进行统计分析后，发现这种问题时有出现，如80831和80832的基测任务。所以以图幅进行数据采集和管理，相当于还停留传统GIS模式，不适应数据库的管理。3数据库管理模式下的测绘规划3.1年度测绘计划的制定必须以客观实际即最大程度地保障航行安全为基础空间数据库的引入，改变了数据以文件即图幅方式的管理，也必将影响年度测绘计划的制定。某一水域它应该以什么样的精度进行测量，它的数据时效性是否过期，需不需要测量，什么时候测量，都是以客观实际即最大限度地保障航海安全为基础的。只有在分析了各水域的具体情况后，我们才能划定哪些区域（具体地理位置）以什么方式什么精度和什么时候测量，即建立测区观念。客观实际的变化决定了测区是动态变化的。而不是笼统制定哪些图幅（定位简单，动态性不强）进行基测或航道检测。3.2数据库管理模式下电子海图和纸海图出版发行年度计划应在详细分析水域情况后，确定测量区域，然后根据测量区域数据变化涉及的图幅，确定海图出版。测量数据应及时向社会发布，所以当年测量数据应及时入库，并充分利用电子海图小改正方便且速度快的优势，对数据有改动的区域，其涉及电子海图图幅都要进行小改正或者再版，纸海图也应结合实际进行改版或加印。3.3测量精度分布图和测量时间分布图的制定可以为测绘规划提供有力服务3.3.1不同海区需根据其对航行安全的重要性和潜在危险，制定测区的测量精度分布图出于航行安全的目的，对各水域的测量精度应做严格要求。目前我们按照交通部海事局内部文件要求，对港池、航道、锚地等重要水域采用多波束全覆盖扫测；其他水域则按照出图比例尺的图上1厘米测线间距进行单波束测量，这种做法对大比例尺图没有问题，但是对4于小比例尺（如1：75000）测区则精度不够。所以我们建议规划测区精度分布，比较重要水域应参考《IHO海道测量规范》（S-44），将最大测线间距和出图比例尺结合起来，做更细致的规划；或者在制定每年测量计划线时，根据一定的偏移量做适当的平移，从而更好地覆盖测量区域。测区精度分布图的制定能够为做好测量计划和下达测绘任务书提供有用参考，避免多比例尺图幅重叠区域的重复测量，保持HPD空间数据库数据的唯一性和连续性。图2为珠江口部分水域测量精度分布简略示意图。图2.测量精度分布示意图3.3.2测量时间分布图由于同一空间区域内不同主题的数据获取时间可能不一致,这就要求测量数据在数据库内不能简单叠加,必须建立基于时间的数据管理，同一空间只存储最新数据。制定测量时间分布图可以让计划制定者对测量数据的时效性一目了然，它与测区精度分布图的结合，可以避免测量资料精度和测量时间的冲突，造成HPD中数据库难以维护。图3为粤港澳高速船航行水域测量数据时效图。5图3.测量数据时效图3.4测区精度和数据时效跟踪在HPD中的实现测区精度分布图的制定需要我们将以往的航道、港池、锚地界线资料全部入库，并根据新资料随时更新。一旦制定，测区精度空间分布的变动不大，可以在精度低即数据稀疏处的测区用稀疏网格填充，精度高即数据密集的测区用密集的网格填充。测区的属性如测量方式、测线间距、测图比例尺需要输入和查询，可修改HPD的数据字典，新建物标并关联相应属性。由于建立HPD生产数据库最主要的目的是服务海图产品生产，故建议类似的不用于生产且需要修改数据字典的数据另外建专题库存储更新。时效性分布图的更形和维护可以由外业数据管理员在HPD源数据编辑器中同步完成，所有新测资料由外业数据管理员在《外业资料入库经历簿》中登记，在ProjectEditor建立年度入库无边界工程，并于SourceEditor建立Workspace中导入。鉴于HPD数据库的海量水深处理能力的局限，所有水深，包括计划内和计划外的，测量比例尺大于1：5000的按1：5000抽稀选取后导入水深USAGE（Bathymetricdata）；测量比例尺小于1：5000的直接导入水深USAGE，在特殊区域通过适当人工干预比较的方法进行水深取舍并入库。与此同时，所有测区都使用M_QUAL元物标覆盖，并在CATQUA、CATZOC、TECSOU属性中说明水深测量的精度、手段，在SORDAT属性中注明具体测量年月。所有水深都须在物标SOUNDG的SORDAT属性中注明6具体测量年月。测量时间数据可以从HPD水深的USAGE直接提取，并根据不同年限用不同透明色覆盖，实现测区精度和数据时效的统一跟踪。图4为HPD中所制作的简略测量精度和时效分布图图4.HPD实现的测量精度和测量时间分布的结合由于HPD是生产数据库，所以只能形成可视化分布图和部分属性，如果用该系统进行测绘规划，一些规划中需要的功能，可能没法很好的实现，如规划中和已实施的测量工程的区分；测量计划线的制定及多次平行实现；测量工程的区域管理和快速索引定位等等。4基于空间信息多级网格的测绘工程规划系统4.1珠江口水域空间信息多级网格划分——基于行列编码的四叉树方案4.1.1四叉树网格方案由于海图图幅在数据库管理中具有相对局限性，所以建议采用空间信息多级网格对多图幅重叠水域进行空间数据管理和分析，以实现不同精度不同比例尺数据的连续无重叠管理，7即形成一个变网格的统一数据集。地球表面的网格研究是使用地理坐标系来进行网格划分的,如EQT(EllipsoidalQuadtrees,椭球四叉树)[5]、全球四叉树系统[6]等,这些研究都以使用经纬线来划分网格。基于行列编码的四叉树网格方案,基本方法如下:第一步:从一个固定的起算点开始,以固定的经纬度进行初次的行列状网格划分,此时划分后的网格称为基本网格。第二步:以基本网格作为初始网格,在其上进行逐级的四叉树划分,形成各级的子网格。图5是网格划分基本方法的图示。图5.四叉树网格方案4.1.2珠江口测量网格索引对珠江口水域进行多级网格划分，其基本网格的经差和纬差都为20′，网格大小与测量精度（或测图比例尺）相关，精度越高则划分更密集的网格。珠江口共形成四级四叉树，其经纬差分别为10′、5′、2.5′。具体编码和索引如下：8图6.珠江口测量网格索引4.1.3采用多级网格进行测量工程和数据管理的优势：划分和编码方法清晰简单。采用“基于行列编码的四叉树网格”划分方法后得到的每一个网格(包括基本网格和各级子网格)都具有一个惟一的地址编码与之对应。编码计算快捷。一点的地面坐标求取覆盖该点的网格编码,或从网格编码求取该网格对应的地面位置都很方便，正算反算的算法相对简单。网格连续无重叠。与纸海图图幅相比，网格管理动态性强，可随时拆分和融合。网格与电子海图图幅间关系密切，有利于电子海图图幅重新划分。4.2测绘工程规划系统架构4.2.1总体思路为发挥空间数据库管理测绘数据的优势，沉淀历年测量规划资料和经验，增强信息分析统计，科学规范制定测量计划和下达测绘任务，在测量精度和测量时间分布图的基础上，将测量海域划分为不同层次的多级网格，以单元网格为基本单位,对测量精度、测量方式、测量时间、规划中的测量区域、测量计划线等进行储存管理，辅助支持测绘计划和工程管理的9分析与决策，并通过Web发布数据，与测绘生产项目系统结合，在下放任务书时直接点选网格，即可调入网格相关信息。4.2.2系统框架图7.测绘工程规划系统系统采用C/S和B/S相结合的模式。系统数据库的建立、更新维护在客户端/服务器的交互中完成；数据的发布、用户查询显示、测绘任务提醒等在浏览器/服务器完成。用于辅助进行测量精度划分