基于ArcGIS的土地利用現(xiàn)狀圖縮編方法研究

畢 強(qiáng)，崔 利，段建剛，楊清臣

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130012;2.長春工程學(xué)院，吉林長春130021)

基于ArcGIS的土地利用現(xiàn)狀圖縮編方法研究

畢 強(qiáng)1，崔 利2，段建剛1，楊清臣1

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130012;2.長春工程學(xué)院，吉林長春130021)

從ArcGIS的制圖綜合功能出發(fā)，結(jié)合相關(guān)的制圖綜合理論，提出基于ArcGIS平臺的人機(jī)交互式縮編技術(shù)方法，并對其中關(guān)鍵過程的處理技巧進(jìn)行闡述。

ArcGIS;土地利用現(xiàn)狀圖;制圖綜合

一、概 述

第二次全國土地調(diào)查是我國加強(qiáng)土地管理和調(diào)控的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作［1］。土地利用現(xiàn)狀圖則是土地調(diào)查的一項(xiàng)重要成果，它以地圖的形式，全面、系統(tǒng)、直觀地反映本行政區(qū)的土地利用類型，分布、利用現(xiàn)狀以及與自然、社會經(jīng)濟(jì)等要素相互關(guān)系的專題地圖。根據(jù)《第二次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)縮編技術(shù)指標(biāo)規(guī)范(試行)》要求［2］，要利用數(shù)據(jù)庫管理和計(jì)算機(jī)輔助制圖等技術(shù)，采用縮編等手段，在完成1∶10 000土地調(diào)查基礎(chǔ)圖件的基礎(chǔ)上，編制1∶50 000、1∶100 000標(biāo)準(zhǔn)分幅土地利用現(xiàn)狀圖和相應(yīng)比例尺的縣、鄉(xiāng)兩級土地利用現(xiàn)狀圖。

傳統(tǒng)的土地利用現(xiàn)狀圖制圖綜合方法速度慢、精度差，難以體現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀圖的現(xiàn)勢性。因此，迫切需要快速、高效的制圖綜合方法來解決這個問題。由于計(jì)算機(jī)制圖綜合目前還處于理論研究階段，要實(shí)現(xiàn)完全的自動化綜合難度很大，因此本文基于上述需要，探究基于ArcGIS平臺以人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)土地利用制圖綜合的方法，并論述其中若干關(guān)鍵過程的處理技巧。

二、縮編原則

制圖的基本目的是以縮小的圖形來顯示客觀世界［3］。制圖綜合的主要目的是保證圖面清晰醒目，保持與比例尺相應(yīng)的地圖內(nèi)容的詳細(xì)程度;符合地圖用途，在有限的圖面上反映制圖區(qū)域的地理特征和區(qū)域特征;從龐大而復(fù)雜的地理信息中進(jìn)行去粗取精，反映本質(zhì)的、主要的方面，舍棄非本質(zhì)的、次要的方面，以確保地圖的易讀性。針對第二次全國土地調(diào)查完成的1∶10 000土地利用現(xiàn)狀圖的特點(diǎn)，在縮編時應(yīng)遵循以下七條基本原則［4－5］:

1)土地利用數(shù)據(jù)縮編應(yīng)合理概括區(qū)域土地利用語義特征，圖斑歸并時遵循土地利用類型屬性鄰近優(yōu)先原則。

2)土地利用數(shù)據(jù)縮編前后土地利用類型分布面積的視覺對比應(yīng)保持一致，對主要一級地類的面積比例變化進(jìn)行控制。

3)土地利用數(shù)據(jù)縮編時應(yīng)保持要素的區(qū)域分布特征，如土地利用類型圖斑的大小、密度等區(qū)域特征及其區(qū)域之間對比、道路網(wǎng)分布密度特征等。

4)土地利用數(shù)據(jù)縮編時應(yīng)考慮要素綜合的優(yōu)先級，次要地物避讓重要地物。

5)土地利用數(shù)據(jù)縮編時應(yīng)保持要素的地理特征，如岸線的類型特征、水系分布特征等，保持特定要素的特殊形態(tài)特征，如建設(shè)用地、機(jī)場等的規(guī)則輪廓特征等。

6)土地利用數(shù)據(jù)縮編后各要素之間空間關(guān)系協(xié)調(diào)，保持邏輯一致性。

7)土地利用數(shù)據(jù)縮編應(yīng)保證綜合后要素的位置精度和屬性精度，并保持?jǐn)?shù)據(jù)完備性。

三、ArcGIS的制圖綜合功能

ArcGIS是美國Esri公司開發(fā)的新一代GIS軟件，它是一個全面的、完善的、可伸縮的GIS軟件平臺，由三個重要部分組成:ArcGIS桌面軟件、數(shù)據(jù)路通ArcSDE和網(wǎng)絡(luò)軟件ArcIMS。本文主要基于Arc-GIS桌面軟件開展相關(guān)工作。

ArcMap、ArcCatalog和 ArcToolbox是 ArcGIS桌面軟件的應(yīng)用環(huán)境，其中ArcMap是創(chuàng)建、瀏覽、查詢、編輯、繪制和出版地圖的工具;ArcCatalog是瀏覽、組織、分發(fā)、記錄GIS數(shù)據(jù)的工具，類似于Windows的資源瀏覽器;ArcToolbox是執(zhí)行復(fù)雜的地理數(shù)據(jù)處理的工具。

ArcToolbox中集成了數(shù)種制圖綜合的功能［5-6］，包括多邊形聚合(aggregate polygons)、道路中心線提取(collapse dual lines to centerline)、要素融合(dissolve)、區(qū)域融合(dissolve regions)、要素取舍(eliminate)、線狀要素簡化(simplify line)、多邊形簡化(simplify polygon)、建筑物簡化(simplify building)、曲線平滑(smooth line)等，這些功能最大的優(yōu)點(diǎn)是可以對圖層的所有要素進(jìn)行批量處理，為制圖綜合自動化提供了解決方案，最大程度上滿足了常用制圖綜合方法的需求。

四、設(shè)計(jì)方案與縮編技術(shù)指標(biāo)

1.設(shè)計(jì)方案

借助ArcGIS軟件，采用人機(jī)協(xié)同的工作形式，將地圖綜合過程分解，合理地進(jìn)行人機(jī)分工，交互式地完成地圖縮編工作。首先將縣級土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行切割;然后分別編繪鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)，得到鄉(xiāng)級土地利用現(xiàn)狀圖縮編數(shù)據(jù)庫，并生成鄉(xiāng)級土地利用現(xiàn)狀圖;再將鄉(xiāng)級土地利用現(xiàn)狀圖縮編數(shù)據(jù)庫整合為全縣數(shù)據(jù)庫;最后對整合后的全縣數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編繪，得到縣級土地利用現(xiàn)狀圖縮編數(shù)據(jù)庫，從而生成縣級土地利用現(xiàn)狀圖。土地利用現(xiàn)狀圖縮編技術(shù)流程如圖1所示。

2.縮編技術(shù)指標(biāo)

土地利用現(xiàn)狀圖反映的主要內(nèi)容是各類用地的分布情況，縮編的主要工作就是把小面積地類圖斑合并到相鄰的大面積地類圖斑中。參考《第二次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)縮編技術(shù)指標(biāo)規(guī)范(試行)》的要求，對第二次土地調(diào)查形成的1∶10 000土地利用現(xiàn)狀成果數(shù)據(jù)庫逐級綜合縮編到1∶50 000、1∶100 000，歸納整理其主要縮編指標(biāo)(以縮編到1∶50 000土地利用現(xiàn)狀圖為例)如下:

1)面積規(guī)則:圖上面積小于4 mm2的地類圖斑需進(jìn)行歸并，但不同的用地類型其對應(yīng)的最小上圖指標(biāo)不同。

2)寬度規(guī)則:圖上寬度小于1 mm的道路用線狀地物表示。

3)長度規(guī)則:圖上長度12 mm以上的道路予以保留，河渠的最小上圖長度依據(jù)密度分區(qū)不同而采取不同的指標(biāo)。

4)綜合規(guī)則:小于0.5 mm×0.6 mm的道路、河渠、海岸線岸部彎曲細(xì)部，一般舍去拉直;地類圖斑界線小于0.5 mm×0.6 mm的彎曲可綜合。

5)重要性規(guī)則:遵循從高級到低級、從主要到次要、從大到小、從整體到局部的順序原則。如地類圖斑中，耕地、居民地和獨(dú)立工礦、交通用地等可從緊執(zhí)行規(guī)則，林地、草地、未利用地等可從松執(zhí)行規(guī)則。而線狀地物重要性次序?yàn)楹恿鳌㈣F路、高速公路、國道、干渠、縣(含)以上公路、農(nóng)村道路、溝渠、林帶、管道。

6)合并規(guī)則:性質(zhì)相近規(guī)則，即在進(jìn)行相鄰地類圖斑合并時，盡可能歸并到性質(zhì)最相近的地類;權(quán)屬相同規(guī)則，即對地類圖斑進(jìn)行合并時，要考慮行政界線，在同一行政區(qū)域內(nèi)進(jìn)行合并。

圖1 土地利用現(xiàn)狀圖縮編技術(shù)流程圖

五、縮編關(guān)鍵技術(shù)

圖形縮編是編制工作中最主要的環(huán)節(jié)，也是工作量最大的環(huán)節(jié)，合理的縮編步驟和方法，有利于提高作業(yè)效率，能使工作有條不紊地進(jìn)行。

1.線狀地物的綜合取舍

1)道路選取:鐵路、鄉(xiāng)(含)以上公路應(yīng)全部選取，平原中的農(nóng)村道路可適當(dāng)選取，丘陵、山區(qū)的小路應(yīng)全部選取。

2)河流溝渠選取:河流應(yīng)全部選取，溝渠可適當(dāng)選取。

3)并列線狀地物:只保留一條主要線狀地物(作求積線用)，其余線狀地物可舍掉。所選取的道路、河流等應(yīng)成網(wǎng)狀，以充分反映不同地區(qū)分布密度的對比關(guān)系及通行狀況。

2.地類圖斑的綜合取舍

(1)按地類編碼和坐落代碼合并圖斑

在ArcMap下打開地類圖斑圖層，利用ArcTool-Box下的命令來實(shí)現(xiàn)圖斑的綜合取舍功能。通過要素融合(dissolve)命令，按照同地類同坐落的原則對地類圖斑圖層進(jìn)行合并。

(2)打散圖斑

用要素融合(dissolve)合并圖斑時，地類圖斑會出現(xiàn)多部分的現(xiàn)象。將經(jīng)過要素融合(dissolve)操作生成的地類圖斑圖層全部選中，用打散工具(explode multi-part feature)對地類圖斑進(jìn)行打散處理，使各圖斑分散為獨(dú)立的單元。

(3)地類圖斑的綜合取舍

圖斑合并的前提是圖斑所屬行政區(qū)相同，圖斑合并分兩步進(jìn)行:一是按地類等級合并地類相同且相鄰的圖斑;二是面積小于某一規(guī)定數(shù)值的小圖斑，根據(jù)合并規(guī)則將其合并到相鄰的圖斑中。

利用圖斑屬性選擇需要綜合取舍的圖斑，選擇完成后，與其鄰近的上一級地類相同的圖斑，利用要素取舍(eliminate)命令，將需要綜合取舍的圖斑合并。如果還有小圖斑沒有被合并，則用要素取舍(eliminate)，依據(jù)設(shè)定合并小圖斑到相鄰圖斑面積最大或重合邊最長的圖斑。操作過后，如果還有小圖斑沒有被合并，則反復(fù)調(diào)用要素取舍(eliminate)命令，直到檢查至沒有不夠上圖的小圖斑為止。這一步在使用條件組合查詢地類圖斑時經(jīng)常會出現(xiàn)語法錯誤，為了避免出錯，提高效率，可以先將不同地類圖斑的最小上圖指標(biāo)按照縮編指定的比例尺計(jì)算出實(shí)際面積，然后將不同比例尺下的SQL查詢語句寫下來分別存儲為exp文件。這一步需要仔細(xì)檢查由字段、運(yùn)算符、屬性值構(gòu)成的表達(dá)式的正確性，以后查詢選擇圖斑要素時就可以輕松調(diào)用exp文件即可。

3.圖形的概括

線狀、面狀地物隨著比例尺的縮小，其輪廓線上的很多折點(diǎn)對整體形態(tài)的影響隨之減少，從而導(dǎo)致折點(diǎn)的冗余，需要消除多余折點(diǎn)，保持線條的基本形態(tài)，對其形狀進(jìn)行簡化，這也是土地利用現(xiàn)狀圖制圖綜合中的重要一步。對于土地利用現(xiàn)狀圖，小于0.5 mm×0.6 mm的道路、河渠、海岸線岸部彎曲細(xì)部，一般需要舍去拉直;地類圖斑界線小于0.5 mm×0.6 mm的彎曲也需要綜合。自然界的地物邊界由于受自然條件的影響，大多數(shù)應(yīng)該光滑且具有曲線美;而人工地物應(yīng)該棱角分明，特別是建筑物(如平板房)應(yīng)具有四四方方的結(jié)構(gòu)。所以，對這兩類地物圖形的化簡有很大的區(qū)別。人工地物邊界消除細(xì)小鋸齒，使棱角清晰分明，如道路的去彎拉直，使用線狀要素簡化(simplify line)命令;自然地物其邊界多作光滑處理，如河流、海岸線岸部使用曲線平滑(smooth line)命令。針對人工地物邊界的化簡，如建筑物，自動化實(shí)現(xiàn)的效果并不好，所以需要結(jié)合人工判讀并修正。

特別要注意的是當(dāng)有一些線狀地物為圖斑邊界的時候，該線狀地物的化簡應(yīng)與圖斑邊界的化簡一致，即應(yīng)保證化簡后的線狀地物還是化簡后的圖斑的邊界。用1∶10000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)縮編到1∶50 000土地利用現(xiàn)狀圖效果圖的對比如圖2、圖3所示。

圖2 1∶10 000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(局部)

圖3 從1∶10 000縮編到1∶50 000的土地利用現(xiàn)狀圖(局部)

六、結(jié) 論

土地利用現(xiàn)狀圖縮編工作是一項(xiàng)系統(tǒng)性、規(guī)范性很強(qiáng)的工作，盡管目前的技術(shù)水平距離自動制圖綜合還需要有一定的過程［7］，但是隨著研究的深入，部分工作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動化或半自動化，使得工作效率明顯提高。筆者通過參加第二次土地調(diào)查項(xiàng)目，在1∶10 000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，基于ArcGIS軟件平臺依靠人機(jī)交互的方式縮編完成1∶50 000、1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖的工作實(shí)際，探索出一套縮編的技術(shù)方法。除總結(jié)出上述若干技術(shù)要點(diǎn)外，體會到實(shí)際作業(yè)中還需要注意以下幾個問題:

1)圖形和屬性相互匹配。在進(jìn)行系列比例尺綜合的過程中，要注意保持圖形要素和屬性記錄的一致性。做到圖形化簡符合綜合的要求，其屬性也要產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這主要與作業(yè)員的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真和熟練程度有關(guān)。圖形和屬性相互匹配還表現(xiàn)在圖斑在屬性表中必能找到對應(yīng)的屬性記錄，屬性表中的記錄也能找到其對應(yīng)的圖斑，二者是一一對應(yīng)并且是準(zhǔn)確的。

2)制定周密的制圖綜合設(shè)計(jì)書。制圖綜合是一項(xiàng)復(fù)雜的工程技術(shù)，需要通盤考慮，制定周密的計(jì)劃和設(shè)計(jì)書。遵循從“整體到局部，從局部到整體”的設(shè)計(jì)思路。從整體上進(jìn)行全要素的分析，確定整個圖面的負(fù)載和表示的突出要素，確定各要素的比例關(guān)系和協(xié)調(diào)關(guān)系，制定整體的綜合指標(biāo)參數(shù)，使圖面既保證重點(diǎn)，又照顧一般。局部考慮主要是對每個要素進(jìn)行單獨(dú)的綜合分析。從局部到整體的思路是整個圖面再平衡的過程，根據(jù)成圖后數(shù)據(jù)的分析，對圖面的各類面積比例再作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整［8］。

3)加強(qiáng)對道路、水系網(wǎng)的銜接。道路和水系是整個綜合成圖的骨架，采用計(jì)算機(jī)制圖綜合往往存在道路不貫通、斷頭路多、道路網(wǎng)絡(luò)不清晰等銜接不好的現(xiàn)象;線狀地物的綜合關(guān)鍵是要注意地物的重要性和連通性，防止“斷頭”現(xiàn)象。

［1］國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第二次全國土地調(diào)查培訓(xùn)教材［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

［2］國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第二次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)縮編技術(shù)指標(biāo)規(guī)范(試行)［R］.北京:國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2010.

［3］祝國瑞.地圖學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2004.

［4］中華人民共和國國土資源部.TD/T 1014—2007第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］吳秀芹，張洪巖，李端改，等.ArcGIS 9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［6］朱蕾，張瑋，楊麗君，等.GIS支持下的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)制圖綜合［J］.上海地質(zhì)，2009(4):42-45.

［7］鄧紅艷.基于保質(zhì)設(shè)計(jì)的自動制圖綜合研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2006.

［8］劉耀林，焦利民.顧及尺度效應(yīng)和景觀格局的土地利用數(shù)據(jù)綜合指標(biāo)研究［J］.測繪學(xué)報(bào)，2009，38(6):549-555.

Study of the Methods of Land Use Map Generalization Based on ArcGIS

BI Qiang，CUI Li，DUAN Jiangang，YANG Qingchen

0494-0911(2011)03-0078-04

P285.23

B

2010-11-10

畢 強(qiáng)(1973—)，男，吉林長春人，高級工程師，主要從事測繪工程項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)與管理工作。