自然保护区专题地图制图关键技术研究与应用

张何欣

(大连市自然资源事务服务中心，辽宁 大连 116000)

1 引言

自然保护区是有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物的天然集中分布区，是山水林田湖草统一治理的关键环节[1，2]。自然保护区的各项工作均会产生数据，这些数据既是工作的重要依据，也是自然资源大数据体系的重要组成部分[3～5]。科学合理利用工作产生的数据有利于保护区的精准有效管理[6，7]，同时也极大的丰富了自然资源“一张图”的内涵[5]。数据空间可视化是数据科学利用的基础，而制作专题地图是实现空间可视化的重要手段[8，9]。专题地图能够准确直观的表达数据的地理空间分布特征以及内在逻辑，是挖掘数据客观规律的重要工具[10]。专题地图制图技术可概扩为两个方面，一是建立统一的地理空间数据库，二是设计统一的专题地图符号系统[11～13]。本文将专题地图制图技术应用于辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区，以保护区管理业务为导向，构建专题数据库，设计直观简洁的地图符号系统，编制专题地图，为保护区数据的科学利用打下基础。

2 数据资源及制图要求

辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区位于大连市旅顺口区，由蛇岛、九头山、老铁山和老虎尾四部分组成，主要保护对象是蛇岛蝮蛇、候鸟及其生态环境[14]。保护区数据资源基本情况如表1所示[15]。

根据保护区特点及数据基本情况，参考《自然保护区功能区划技术规程》制定如下制图要求(表2)[16]。

表1 保护区数据资源基本情况

表2 自然保护区专题地图制图要求

3 关键技术

3.1 专题GIS数据库建立

由表1可知，自然保护区专题数据格式不统一，且专题图层的存储管理方式各异，基于以上数据特点，本文将专题GIS数据库建库分为3个步骤。

(1)统一数据标准。本文采用Data Interoperability数据互操作引擎完成*.kml、*.kmz格式向*.shp格式的跨平台转换。根据保护区经度范围，选取CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_40作为统一的地理参考，应用七参数模型(模型参数由测绘地理信息部门提供)实现坐标系转换。经计算重合点点位中误差，点位的平均精度满足小于图上0.1mm的转换精度要求[17]。

(2)拓扑检查及问题数据修正。如图1a所示，老铁山西侧、老虎尾东北角保护区范围线与行政区划海岸线不重叠，存在拓扑错误。在GIS平台中建立内容为“边界面必须被其他要素的边界覆盖”的拓扑规则，以旅顺口区行政区划数据为基准，对保护区沿海范围线进行拓扑修正，共修复拓扑问题97处，确保了数据准确(图1b)。

图1 拓扑检查及问题数据修正

(3)数据库结构设计。按自然保护区管理的有关要求设计各图层的数据库结构(表3)。为使各类数据得到有效管理，本文在参考其他专题地图标准[18]的基础上，设计图层的命名规则：保护区名称+“_”+[年份]+“_”+[内容](例如辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区_2009年至2020年_保护区范围及功能区划图)。

表3 自然保护区范围及功能区划数据库结构

3.2 地图符号设计与测试

直观准确的地图符号可增加专题地图表现力[19]，GIS软件内置的地图符号难以表达保护区独有的专题特征，应依据专题数据几何特征以及属性特征设计地图符号。主流的专题地图符号设计方案分为栅格地图符号和矢量地图符号。二者在固定比例尺的地图中无差别，但采用GIS动态可视化时，栅格地图符号加载效率低，显示卡顿现象明显，为确保自然保护区后续专题数据高效利用，本文采用矢量地图符号方案设计。

(1)符号设计。地图符号按几何特征可分为点状符号、线状符号和面状符号。按属性特征，点状符号可分为重点巡查点、监测点、珍稀鸟类3种，共21个符号；线状符号可分为巡查路线、境界线2种，共3个符号；面状符号即保护区范围及功能区划，共4个符号。因采用天地图作为底图，水系、交通等普通地理要素(表2)的符号不必单独设计。点状符号可基于字体文件制作，编辑好符号样式后生成字体库(*.ttf)，安装即可使用。线状符号可按标准[15]在现有符号基础上改造而成。面状符号采用简单填充符号设计，配色应符合规范[16]。地图符号设计示例如表4所示。

(2)符号测试。为测试地图符号是否存在无法渲染、渲染速度慢等问题，并测试在不同比例尺地图中显示情况，本文参考相关标准规范[15，16]制定测试项目(表5)，并进行测试。

经测试，在上述5种比例尺条件下，所有地图符号均可渲染，无遗漏现象，但随着比例尺的增大，点符号的渲染时间在延长，由1∶250000时的5 s增至为1∶1000的10.6 s，在静态地图中无影响，但应用于动态地图时要优化；在使用天地图数字线划图作底图时，所有符号均可清晰辨识，但当使用遥感影像时，因图面整体偏暗，部分黑色符号辨识较困难，但更换亮度和饱和度较高的颜色会极大提高辨识度。

4 自然保护区专题地图制图及应用

为验证技术路线的可行性，本文按制图要求编制自然保护区专题地图，并以此为基础分析保护区范围和功能区划变化、珍稀鸟类空间集聚程度，为保护区管理提供参考。

表4 地图符号示例

表5 地图符号测试项目

4.1 专题地图制图模板设计

专题地图制图即是将比例尺、制图网等数学要素，图例、指北针等辅助要素以及专题空间数据相叠加，形成内容充实、图面美观的地图产品。由于表达的是相同的地理空间的不同专题内容，图件的数学要素和辅助要素可以共享。本文以1∶50000制图比例尺为例，设计制图模板(图2)，内置图廓、图例、公里格网、指北针等要素，并预留了图名。在制作多幅地图时，只需加载专题数据，不必重复设置数学要素和辅助要素，提高了制图效率，确保了图件风格统一。

图2 专题地图制图模板

4.2 自然保护区范围及功能区划变化专题应用

辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区自成立以来共经历6次调整，分别是1980～1998年(没有功能区划)、1999～2002年(开始有功能区划)、2002～2005年、2005～2009年、2009～2020年、2020年至今。历次调整的范围及功能区划如图3所示。

图3 保护区历次调整的范围及功能区划

由图3可知，保护区范围经历了由大到小的变化过程。地图数据分析结果显示保护区面积由刚成立时的12389.02 hm2下降至8383.68 hm2，减少了32.33%。自1999年设置三个功能分区起，核心区、缓冲区、实验区面积分别减小了41.43%、62.48%和56.41%(截至第五次调整)。第六次调整后实行自然保护地差别化管控，将自然保护地分为核心保护区和一般控制区，其中核心保护区与原核心区功能相同，一般控制区由原缓冲区和实验区合并而成，具体情况如表6所示。

表6 保护区范围及功能区划变化情况 hm2

4.3 自然保护区珍稀鸟类分布热度专题应用

辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区鸟类资源丰富，共有鸟类340种[20]，鸟类分布情况如图4所示，在旅顺盐场(A区域)、小东沟(B区域)、老铁山岬(C区域)、老虎尾半岛-大潮口湿地(D区域)以及蛇岛东部地区分布较集中。

图4 保护区鸟类资源分布

由图4可知，鸟类分布集中区域主要为沿海滩涂、湿地(A、C、D区域)，以及高山丛林(B区域)，其中，A、D区域以及蛇岛主要为水鸟栖息地，面积分别约为950 hm2、794 hm2，分布有银鸥等水鸟约28种，也有红隼、游隼等少量猛禽分布；B、C区域为猛禽主要栖息地，总面积约为684 hm2，分布有赤腹鹰等猛禽约10种。将保护区鸟类观测数据展示在专题地图上，可直观反映不同鸟类分布情况，为鸟类科学研究、开展护鸟活动提供了基础资料。

5 结论

本文在分析自然保护区数据特点，总结专题地图制图技术要点的基础上，提出自然保护区专题地图制图关键技术，以保护区管理业务为导向，构建了专题GIS数据库，设计了具有自然保护区特色的地图符号，创新性的提出了地图符号测试方法，设计了便于高效制图的制图模板，并在辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区选取保护区范围及功能区划、珍稀鸟类分布两个专题进行应用实证。结果表明，本文提出的关键技术合理可行，能够为自然保护区数据空间可视化和科学利用提供支持，并且地图数据分析结果为自然保护区精细化管理提供了参考。未来应进一步加强空间数据的采集，如采用“国土调查云”平台搜集各类数据，构建更加完善的专题数据库，为自然保护区智慧化管理提供丰富的数据资源。