“数字林业”是林业信息化发展的必然趋势, 是提高森林资源管理效率与发展林业经济最为有效的手段之一。目前“数字林业”技术基本成熟, 但林业部门却一直难以实现数据的自动采集与更新。林业数据采集与更新方法的复杂性是制约林业数据获取与更新的主要原因(徐爱俊等, 2004)。

传统的森林资源二类调查方法用纸质地形图进行小班区划, 各单位负责本区域范围的区划, 各独立区划区域间既可能重叠, 又可能出现缝隙, 相邻区域的公共边界也不能保证完全一致。在各区域内部, 应用地形图标准图幅的分块数据进行调绘, 同一区域不同图幅区划结果也存在边界问题(张良弓等, 1997; 张洪明, 1998; 应水金, 1997; 王玉山等, 2003)。随着计算机技术的发展, GIS技术在二类资源调查中广泛应用。其中一个重要应用就是对现有小班数据的数字化与管理。在对原有纸质小班区划数据进行数字化时, 既要对图幅进行接边合并, 也要对相邻区域进行边界合并, 以满足区划空间的一致性与完整性。为了解决这一问题, 通常的做法是在数据汇总时, 应用GIS软件中的接边功能, 以半自动或手工编辑进行图形边界接边处理, 消除重叠与遗漏区域, 工作量很大。目前通用的GIS软件中重叠边界线的处理可以自动融合, 但会降低精度(华慧等, 2000; 李智广, 2001; 罗传文等, 2003)。因此基于GIS的小班区划中, 避免或者减少重叠边界线的处理具有重要意义。

随着高分辨率遥感影像的出现与发展, 以影像并结合数字化扫描地形图作为背景数据进行屏幕勾绘, 在二类调查中得到广泛应用(曾伟生等, 2003; 李春干等, 2004, 杨燕琼等, 2002)。为了满足小班图形面积计算与汇总、平差以及分析制图的需要, 需要保证小班边界的一致性, 2个相邻小班的边界既不能交叉重叠, 也不能有空隙存在, 必须完全重合。为此, 可从一开始就进行调查区域边界的控制, 然后通过对区域边界由上至下的逐级分割, 保证区域边界的一致性。但仍没有有效的机制保证进一步的区划或操作不影响公共边界, 公共边界发生改变后, 增加了数据自动汇总工作的难度。

边界锁定这一概念在图像处理软件如Photoshop以及3D Studio中都有应用, 主要通过位置锁定, 防止误操作移动辅助线的位置。但该方法与本文中的内涵不完全相同, 本文通过对其内涵与功能的进一步发掘, 提出基于空间图形数据的边界锁定技术。通过分析GIS中的数据模型, 选择基于拓扑关系的多边形数据模型作为表示小班图形的基础, 提出基于小班边界与多边形编码为基础的图形分割方法, 以保证小班区划过程数据的逐级分割以及区划结果的逐级汇总。在区划过程中, 应用边界锁定技术保证了不同区划者之间公共边界的一致性; 结合自动编码技术, 提高了编码的工作效率。通过合理的组织过程, 形成一个高效的小班区划流程, 有效地解决了多人协作中小班边界的一致性问题, 从而可将所有人的区划工作形成完整的小班区划图。在整个区划过程中保证了各级编码只输入1次, 各个边界线只勾绘1次, 提高了工作效率。由于边界数据的一致性, 区划的结果形成了一整套由省到村的各个管理级别的区划图。

1 基于ViewGIS二类调查小班区划的总体设计

目前国内二类调查基本以省为单位开展, 具体组织单位为省林勘院, 实施单位为林勘院或者林勘院指导下的县调查队或资源站。基于GIS的小班区划流程可按图 1方式组织。

首先确定各级行政界的编码原则以及各级行政区划与小班的编码规则, 然后从上到下依次确定各级经营界、经营界编码、经营区划编码。对当前级别以上边界进行锁定, 依照经营区划边界将图形分割为下级的经营界。在各个经营界内再进行下级经营界的确定与区划, 依次进行直到小班界的区划。在进行到小班区划完成后, 依据小班的空间位置进行小班自动编码。基于GIS的小班区划完成后, 需要进行外业调查及小班区划修正。对于修正完的数据, 可以很方便地进行数据的由下到上的逐级汇总与检查工作, 形成一套完整的小班区划数据及各级经营界数据。

2 关键问题及解决方法

依据以上介绍的工作流程, 基于GIS进行森林资源二类调查, 需要解决以下几个关键问题:首先如何选定合适的空间数据模型, 保证区划操作的高效实现; 其次, 如何建立全局统一的小班边界及小班编码体系, 实现编码的高效输入; 然后, 在区划过程中如何有效管理公共边界, 保证各个协作人员区划结果的一致性; 最后, 如何将区划数据由上到下进行逐级分割, 保证多组多人同时进行工作, 小班区划工作完成后再将区划数据由下到上逐级汇总合并形成各个管理等级的区划图。以下对各个问题进行分析并提出解决方法。

2.1 小班区划的空间数据模型

对于GIS来说, 一般用多边形数据模型来表示小班。常用的多边形数据模型一般有2种方式:一种是基于拓扑模型; 另一种是基于实体对象的模型。实体对象模型是由多边形边界的x, y坐标对的集合及说明信息组成, 是最简单的一种多边形矢量编码法, 文件结构简单, 但多边形边界被存储2次产生数据冗余, 而且缺少邻域信息; 拓扑模型是通过建立一个完整的拓扑关系结构, 彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法, 但增加了算法的复杂性和数据库的大小(陆守一, 1998)。

对于小班区划, 需要维护公共边界及对其进行分割与合并等操作, 同时还要维护公共边的一致性。由于没有显式的相邻多边形公共边界的描述, 并且公共边独立的存在于2个相邻的多边形中, 所以难于进行边界的锁定与维护。基于拓扑关系的空间数据模型, 相邻多边形的公共边为一独立共享线状对象, 有明确的特征信息。因此基于拓扑关系的多边形数据模型更适合作为边界锁定管理的基础。

2.2 经营界及小班编码

经营界与小班编码是小班区划的重要内容, 也是以后进行数据一致性检查的重要标准。经营界与小班编码必须考虑编码的全局一致性、完整性、实用性、灵活性及可扩展性。编码的内容体现到区划中需要考虑编码的输入效率, 如何提高工作效率也是一个重要问题。经营界编码与区划编码有着内在的联系, 检查两者的一致性可以帮助发现隐含的问题。这些工作可通过在GIS软件的基础上, 形成一些具有林业特色的操作, 由软件自动完成, 提高工作效率。

2.2.1 编码原则与方法

边界线与小班编码原则为:有标准的采用现有标准, 包括国家标准、行业标准规范, 没有编码标准的可依据所用编码体系相同的编码原则进行扩充(陆元昌等, 2002)。边界线的编码, 如国界、省界、地区界、县界均可参照国家标准(GB/T13923-92) (中华人民共和国行政区划代码(GB/T 2260-1999)), 而乡界、村界(林场)、小班界可相应扩展为61060、6070、61080等。小班编码依据管理等级逐级增加的原则构成, 如省级小班编码组成为:地区编码+区县行政编码+乡代码+村代码+小班码, 地区级编码可以不包含本地区小班编码。由于林业经营管理的区划单位与国家行政区划的单位并不完全重合, 有些经营单位会跨越多个行政管理单元, 因此小班编码中各级林业经营单位的编码不能直接采用现有行政区划代码。对于县级以上林业经营区域编码, 可在全国到县级行政区划编码的基础上, 扩展出与各行政管理级别相对应的林业管理单位编码。也可建立一套自己独立的编码体系, 并建立与行政区划单位的对应关系。这样既满足林业本身管理工作的需要, 也可满足其他部门对林业数据使用的要求。小班编码除了考虑各级区划码外, 可以在小班编码前加入小班类型的编码。例如林带与小班可以统一编码, 但需要一位类别码加以区分。也可考虑区别不同工程类别进行编码, 这些内容主要根据应用需求进行扩展。另一个问题是考虑小班变化, 如果要维持现在的区划边界(经营界)不变, 需要有代码表示经营界内发生的变化, 就有必要在区划的小班编码增加一位编码, 记录变化情况。因此省级森林资源二类调查小班编码的大致顺序与长度如下:省代码(2) +地区码(2) +区县码(2) +乡码(2) +村码(2) +类别码(1) +小班码(1) +扩展码(1)。对于长度不够或者多出的级别, 可根据情况进行取舍。对于与各级行政区划对应的同级林业管理单位, 其编码纳入到同级别经营区划编码中。

2.2.2 经营界编码与区划单元编码

区划过程的一个重要问题是如何减少编码输入工作量, 提高工作效率。由于区划依据由上至下逐级进行, 因此要在区划前进行新增区划线的编码定义, 则所有新增区划线缺省赋予相同编码, 就可减少手工逐个赋值的工作量。对于区划过程来说, 下一级编码区划是在上级区划编码的基础上附加本级编码构成。那么只需输入本级区划的编码, 依据本级区划与上级区划的空间关系, 自动将相应的上级区划代码添加到本级区划代码的前面, 这样就可减少人工输入所有编码的工作量, 也减少了人为输入出错的机会。这一功能可一直应用到最低一级需要手工编码的区划。

2.2.3 基于空间位置的小班自动编码

小班编码一般有2种方式:手工编码工作量大, 不同编码者依据相同原则进行编码也会产生不一致的现象; 计算机自动编码具有良好的一致性, 对于相同的空间数据每次产生相同的代码, 另外还可以消除人工输入的工作量及输入中的人为误差。小班空间编码依据以下原则:同一个林班内的小班依据空间位置由左到右、由上到下进行编码; 对于由多个不相连部分组成的林班, 各个不同部分的编码顺序仍旧依据由左到右、由上到下的顺序, 而每一部分内部仍旧依据第一条原则编码。小班码完成后, 依据小班与林班的空间对应关系自动在小班码前面附加林班编码, 就自动形成完整的小班编码。

2.2.4 基于小班编码的边界检查

由于小班编码依据行政区划由高到低排列, 因此可依据小班编码推断边界线的特征值。比如2个小班的区县编码及以前的编码一致, 而乡编码不同, 则他们公共边界的特征值必然为乡经营界的编码。依据这种关系可以找出边界编码与小班编码不一致的地方, 指导查找错误和勘误工作。

2.3 边界锁定

现有二类调查区划的第1步是境界线的确定, 目前从土地(民政)部门拿到的境界线数据只是到达乡界。如果各个区县自行矢量化各自的边界, 即使使用相同的背景数据, 生成的边界也不能完全重合。因此有必要由全省统一各区县的境界数据, 以保证区县边界完全重合。区县边界完全一致的优点是可以将二类调查的数据由乡级自动合并为县级小班图, 由区县小班数据合并为地区数据, 地区数据合并为全省数据。合并完的数据保持了良好的空间一致性及完整性, 保证了数据的无缝拼接。为了实现无缝拼接, 必须保证各级境界划分后, 境界线在下一级区划过程中形状保持不变, 因此需要软件支持边界线锁定功能。

本文中的边界锁定是对实际工作中一系列相关操作的称谓, 主要是通过对指定编码的边界线进行标记, 在以后的编辑操作与拓扑处理中, 不但保证边界线的位置不变, 而且维护锁定线的形状保持不变, 拓扑关系正确而进行的一系列处理。边界锁定并不是指不对线进行任何操作, 而是在保证线的形状保持不变的前提下进行操作。

对线进行的编辑与拓扑操作包括线的整体操作及针对折点的操作, 根据各种操作是否改变原有线的几何位置与形状, 判定锁定线能否进行或支持相应操作。

表 1中列举了主要二类小班区划过程中公共边所涉及到的基本操作。其中删除折点的操作只有当所删除折点与前后2个折点共线时, 该折点的删除才是允许的。对于线操作过程引起线分离而生成的新线, 新生成线继承原有线的属性, 包括编码。

线锁定操作需要指定锁定边界的特征值, 由锁定人指定锁定人及锁定密码, 就可保证由上级部门确定的边界线只有上级部门的锁定人有权对锁定线进行解锁及更新修改操作。同样由下级部门锁定的边界线也只有下级部门有权进行解锁及更新修改操作。

在小班区划过程中, 边界线锁定功能以经营界编码为基础, 由高到低进行逐级锁定。比如进行村界区划时, 就要依据编码对村级以上的所有经营界进行锁定。如果村界的特征码为61070, 那么对于所有特征值不为61070的线就不允许直接进行鼠标修改, 这样就避免在区划过程中鼠标误操作改变上级边界线, 同时所有新添加的区划线的特征值缺省均为61070。

2.4 图形分割与汇总

分区域分单元进行小班区划, 就需要在逐级区划的过程中将上级的区划结果划分为子区域的图形, 由下级单位完成子区域的区划与定界工作。基于GIS进行区划, 就可利用基于编码的自动提取功能生成各个子区域的边界图。由于区划编码包含了完整的行政区划信息, 因此, 基于全县的乡级经营界就可生成单个乡级经营界图。由负责各个乡的工作人员继续完成村级经营界的区划与定界工作。

分区域分单元进行小班区划的目的是为了满足多个单位多人同时进行区划, 达到提高效率的目的。因此, 最后的小班图需要逐级合并起来成为各个级别的小班区划图。由于已应用了边界锁定功能, 因此合并操作就可保证数据的一致性、准确性, 消除了边界相互交叉重叠需要大量手工处理及自动处理所引入的误差。

在完成整个区域或全省的小班区划工作后, 所形成的是一个全信息的全省小班区划图。在该图的基础上, 基于小班与经营界编码信息, 可以派生出各级经营界图, 如全省地区级经营界图、县级经营界图, 直到村级经营界。相应各地区也可生成本地区的县级经营界图, 直到村级经营界的一系列数据。这些经营界可以作为以后落实各级统计结果的图形基础。

3 结论与讨论

本文提出的方法是基于国内各省开展二类调查区划工作流程的基础上, 综合运用GIS各项基本功能, 以特有的边界锁定技术为核心, 保证了二类区划的各级代码只输入1次, 所有边界线只勾绘1次, 既保证了数据的准确性、完整性及一致性, 又有效地提高了区划的工作效率。该方法已在北京市林业勘察设计院2004年的二类调查中进行了实际应用, 结果表明该方法能够有效保证数据的一致性与完整性, 并提高了工作效率, 产生了良好的经济及社会效益。

本文提出的方法为全国各省的二类调查提供了一套完整的解决方案, 包括组织管理与技术保障。该方法也适用于各省现在使用的分阶段分区域进行二类调查的情况, 只要按照级别进行边界锁定, 各个子区域既可同时展开调查区划, 也可以一个调查队逐个完成多个区域的区划。边界锁定这一方法还可以应用到森林资源管理的许多工作中, 为科学管理提供保障。例如指定范围的造林作业设计, 下级单位只能对自己负责的边界进行调整, 而不会影响到整体的区划布局。也可用于多人协同设计, 每个人负责一个子区域的设计, 然后将设计结果进行汇总。

基于GIS进行二类调查相对于传统方法, 一次就实现了森林资源数据的数字化工作。以后的二类调查可在前期调查的基础上, 进行局部更新, 或者进行数据的动态更新。二类调查区划保证了数据采集过程空间数据的一致性。对于以后森林资源的动态更新及维护, 仍然涉及到数据一致性的维护, 需要进一步的研究。