基于ArcGIS Engine的自動智能圖幅接邊算法與實(shí)現(xiàn)

穆 凱

（1.新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院， 新疆 烏魯木齊830000）

測繪領(lǐng)域目前常用的圖幅接邊編輯軟件有Geoway、AutoCAD、MapGIS、ArcDIS、Coredraw等，這些軟件在自動接邊時(shí)存在的問題有：不提供接邊檢查、無屬性項(xiàng)接邊、接邊生硬、直角房屋接邊角度變形、獨(dú)立面要素接邊與相鄰面產(chǎn)生面裂隙、大數(shù)據(jù)量接邊計(jì)算緩慢等[1-3]。人工接邊則存在接邊精度無法保證、屬性項(xiàng)接邊檢查工作量大、容易出現(xiàn)遺漏等問題[4]。本文結(jié)合上述常見的接邊問題，按照人機(jī)交互的接邊方式，先檢查再接邊，保留檢查結(jié)果，闡述錯(cuò)誤原因，并能定位錯(cuò)誤位置，保證接邊準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)智能算法確保大數(shù)據(jù)量接邊速度，做到線接邊自然過渡、面接邊角度無變化、無縫接邊。設(shè)計(jì)了多種接邊方案，最終實(shí)現(xiàn)操作者使用該程序能最大程度地提高工作效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 常用的編輯軟件接邊方法

1.1 ArcGIS自動接邊

ArcGIS中利用Spatial Adjustment里的edge match實(shí)現(xiàn)自動接邊。設(shè)置接邊緩沖區(qū)，對接邊要素采用樣條法進(jìn)行平滑?？梢赃x擇一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)由多個(gè)源點(diǎn)連接來保證面要素接邊時(shí)不產(chǎn)生面裂隙，但ArcGIS接邊工具中沒有提供接邊檢查，屬性接邊后無法保持原要素的角度，接邊方式采用主圖附圖各改一半的方式，接邊后有些地方還得靠手工接邊。

1.2 MapGIS接邊

MapGIS提供了一個(gè)“接邊處理”的模塊，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置的方式進(jìn)行接邊范圍及容差設(shè)置，只支持單層接邊，線面接邊要分開，接邊效果生硬不自然，接邊結(jié)果為兩圖各改一半，無接邊檢查，無屬性檢查。

1.3 Geoway接邊

Geoway 軟件中專門設(shè)計(jì)了接邊工程，設(shè)計(jì)了接邊邊線確認(rèn)功能來保證接邊的準(zhǔn)確性，可以設(shè)置接邊緩沖區(qū)，提供了3種接邊方案來應(yīng)對與已成圖接邊時(shí)所產(chǎn)生的問題。在線接邊過程中采用5點(diǎn)遞減的偏移方式進(jìn)行自然過渡處理，保證接邊不生硬。可以采用框選、點(diǎn)選要素的方式進(jìn)行自動接邊。但是在Geoway軟件中沒有提供直接構(gòu)面概念，其中的面要素都是通過線要素構(gòu)面的方式進(jìn)行的，所以對線要素接邊后要進(jìn)行重構(gòu)面的處理。此外Geoway中也沒有提供接邊檢查，以及屬性項(xiàng)接邊的功能，接邊后面形狀有變化。

1.4 AutoCAD、Coredraw接邊

AutoCAD和Coredraw本身并不是專業(yè)的GIS軟件，所以在設(shè)計(jì)中并沒有提供專門的接邊功能，可以通過軟件中自帶的捕捉和屬性查看功能進(jìn)行人工接邊，接邊費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易遺漏，精度不高。

2 智能接邊算法

2.1 設(shè)計(jì)思路

將整個(gè)程序分為接邊檢查與接邊修復(fù)2個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)。接邊檢查功能的設(shè)計(jì)既是對自動接邊功能的一種補(bǔ)充，又是對自動接邊成果的一種檢驗(yàn)。接邊檢查對因特定原因不能實(shí)現(xiàn)自動接邊需要手動接邊的圖幅提供了參考依據(jù)[5]。接邊修復(fù)分為線要素接邊、面要素接邊和屬性項(xiàng)接邊3種類型，修復(fù)側(cè)重各有不同，如圖1所示。

2.2 接邊邊界線的提取

邊界的確定直接影響到接邊的最終成果，它具有唯一性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。下文中各種算法的實(shí)現(xiàn)都是以邊界線的提取為前提的。

首先通過圖號計(jì)算出主圖圖廓四角的大地坐標(biāo)，然后通過高斯反算計(jì)算出投影坐標(biāo)，為了確保圖廓精度，采用人機(jī)互動的方式對圖廓坐標(biāo)予以顯示，并可以進(jìn)行人工校正，再利用主圖與副圖的圖號判斷它們之間的空間位置關(guān)系，確定相鄰邊界線并將其保存為Geometry的數(shù)據(jù)形式，便于空間分析使用。

2.3 接邊檢查算法

圖1 接邊設(shè)計(jì)流程圖

按點(diǎn)查詢按要素修改的接邊方式，判斷這些在邊界上的點(diǎn)是否在限差范圍內(nèi)，可以通過判斷是否存在與其相同類型的鄰圖點(diǎn)就可以。如果鄰圖不存在對應(yīng)接邊點(diǎn)則為空間幾何位置不接邊。在接邊檢查中先提取主圖與副圖邊界線上的點(diǎn)，縮小比較范圍，來提高運(yùn)算效率。具體方法如下：

對已提取的邊界線Geometry建立緩沖極小的緩沖區(qū)，分別對主圖和副圖作緩沖區(qū)分析，提取每幅圖中與邊界線上存在的點(diǎn)并將其分別保存至數(shù)據(jù)庫臨時(shí)表中。

IGeometry geometry = topologicalOperator.Buffer(distance);//對邊界線建立緩沖區(qū)

IRelationalOperator relationalOperator = geometry as IRelationalOperator;//將緩沖區(qū)放入關(guān)系容器中

if (relationalOperator.Contains(pointCollection.get_Point(i)))//提取邊線上的點(diǎn)

再對主圖邊界線上的點(diǎn)逐一建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)范圍為接邊限差的最大距離。逐一與副圖邊界線上的點(diǎn)作比較，如果緩沖區(qū)范圍內(nèi)不存在副圖中的要素和邊界線的交點(diǎn)，則證明該點(diǎn)所在位置的對應(yīng)幾何體與副圖存在幾何位置不接邊的情況，用紅色邊框?qū)υ擖c(diǎn)所在位置進(jìn)行標(biāo)注，并記錄錯(cuò)誤信息。通過axMapControl1.CenterAt方法可以實(shí)現(xiàn)雙擊錯(cuò)誤信息局部放大錯(cuò)誤位置的效果。如果緩沖區(qū)范圍內(nèi)存在副圖點(diǎn)，則查詢其屬性信息是否與主圖屬性一致，如不一致用藍(lán)色邊框標(biāo)出，并記錄具體錯(cuò)誤原因，如圖2所示。

圖2 錯(cuò)誤記錄及錯(cuò)誤標(biāo)注

這種接邊檢查算法可能在面屬性檢查時(shí)出現(xiàn)誤判,將無公共邊但存在公共點(diǎn)的一對面進(jìn)行比較，而對角相鄰的面實(shí)際上屬性是可以不一致的。因此要在屬性比較前判斷2個(gè)面是否存在公共邊，再進(jìn)行屬性比較，如圖3所示。

圖3 蘆葦不會與相鄰的密集進(jìn)行屬性比較

2.4 線要素接邊算法

幾何位置接邊主要分線接邊和面接邊2種，每種方式都有其所側(cè)重的方向。線接邊首先通過接邊檢查后查找出有錯(cuò)誤的點(diǎn)所對應(yīng)的幾何體,判斷幾何形狀是線的幾何體，對該點(diǎn)作緩沖區(qū)查找，找出其可移動限差范圍內(nèi)的最近的一個(gè)屬性相同的線形幾何體與其進(jìn)行接邊。接邊算法是將2條線在圖廓線上對應(yīng)點(diǎn)移動至同一位置實(shí)現(xiàn)接邊，但這種算法所實(shí)現(xiàn)的接邊效果過渡不自然，因此要加入一定的智能算法對角度變化較大的線進(jìn)行擬合。首先判斷接邊前后的線在節(jié)點(diǎn)移動后角度變化是否超過30°，如果超過30°則對其進(jìn)行擬合，如圖4所示。

提取與線要素邊線上的點(diǎn)相鄰的連續(xù)4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理（如不足4點(diǎn)則注記遞減），主要的擬合算法有樣條法和逐漸遞減的方法。測試對5點(diǎn)進(jìn)行2次樣條法擬合和3次樣條法擬合后發(fā)現(xiàn)，在對一些特殊的線段擬合后會超出移動限差位移，所以最終選用逐級遞減方式進(jìn)行擬合過渡。以下為算法的實(shí)現(xiàn)過程（usep1為邊界上點(diǎn)的序號，如果usp1為終點(diǎn)，下式中usp1后改為減號，mdx1 、mdy1為邊界上點(diǎn)坐標(biāo)位移）：

newp12.PutCoords(p1c.get_Point(usep1 + 1).X - (mdx1/ 5 * 4), p1c.get_Point(usep1 + 1).Y - (mdy1 / 5 * 4));

newp13.PutCoords(p1c.get_Point(usep1 + 2).X - (mdx1/ 5 * 3), p1c.get_Point(usep1 + 2).Y - (mdy1 / 5 * 3));

圖4 有過渡的自然接邊與沒有過渡的生硬接邊比較

newp14.PutCoords(p1c.get_Point(usep1 + 3).X - (mdx1/ 5 * 2), p1c.get_Point(usep1 + 3).Y - (mdy1 / 5 * 2));

newp15.PutCoords(p1c.get_Point(usep1 + 4).X - (mdx1/ 5 * 1), p1c.get_Point(usep1 + 4).Y - (mdy1 / 5 * 1));

2.5 面要素接邊算法

面要素接邊主要側(cè)重于解決接邊后面形狀變形、接邊后產(chǎn)生面裂隙和部分面不到邊界線這3類問題。其余接邊算法與線要素接邊相似，都是將2個(gè)不同要素邊線上對應(yīng)的一對點(diǎn)移動至同一位置。

接邊后，面要素形狀變形的原因是在邊界線上點(diǎn)位移后所產(chǎn)生的角度變化。因此只要對邊線上的點(diǎn)和與之相鄰且不在邊線上的點(diǎn)同時(shí)做平行移動，就不會發(fā)生角度變化。通過判斷與需要移動的點(diǎn)、相鄰序號的點(diǎn)和邊界線的關(guān)系判斷面要素點(diǎn)集的單調(diào)性，從而確定需要作平行移動的點(diǎn)[6]。

圖5 1點(diǎn)的相鄰點(diǎn)是2和8，2也在邊線上對1和8點(diǎn)進(jìn)行平行移動

在確定需作同時(shí)平行移動的點(diǎn)后（圖5中8號點(diǎn)）對兩點(diǎn)同時(shí)作平行移動達(dá)到接邊后面要素形狀不變的效果。接邊后產(chǎn)生面裂隙的原因是，在對2個(gè)面要素因接邊發(fā)現(xiàn)位移后，與其有公共邊的相鄰面沒有同時(shí)發(fā)生對應(yīng)位移從而產(chǎn)生了面裂隙[7]。采用對移動節(jié)點(diǎn)作緩沖區(qū)分析的方法提取與之對應(yīng)的面要素，并提取對應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行映射移動，如圖6所示。

通常一個(gè)由4條邊構(gòu)成的面在被裁切后會與切割線有2個(gè)交點(diǎn)，比較復(fù)雜的面會有偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)奇數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，就有可能會是在作業(yè)過程中產(chǎn)生的失誤而導(dǎo)致的有一端點(diǎn)不在邊界線上。除此之外，也會有偶數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，但在特殊情況下也存在部分面不到邊界線的情況。針對此情況，通過逐一判斷與面要素所有在邊界線上的點(diǎn)相鄰序號的左右2個(gè)節(jié)點(diǎn)來判斷它們是否在邊界線上，如果都不在邊界上，則選擇移動限差內(nèi)離邊線距離最近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將其移動至邊界上。

圖6 無縫接邊

3 結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，智能接邊算法可有效節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存資源，快速進(jìn)行圖幅要素的接邊檢查,實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的快速接邊,解決了一般接邊算法存在的接邊生硬、接邊后形狀變化和接邊后存在的面裂隙等問題。而且具有簡單、實(shí)用、運(yùn)行效率高等特點(diǎn),特別是在數(shù)據(jù)量比較大的情況下效果尤其明顯。但是這種算法在對結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的面進(jìn)行接邊時(shí)，暫時(shí)還存在一些遺漏，今后將進(jìn)一步完善。

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[3]王永哲,金永寶,劉烜.基于ArcGIS Engine 9.2的圖幅自動接邊算法的實(shí)現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(34):15 263-15 265

[4]戴相喜,周衛(wèi),高磊.DLG數(shù)據(jù)任意范圍接邊算法及實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報(bào),2008(7):32-35

[5]趙江洪.地理信息系統(tǒng)中多圖幅接邊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪科學(xué),2004(1):45-46，6

[6]曹麗娟.基于ArcObjects的多圖幅自動接邊研究與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊,2010(9):49-51

[7]韓志遠(yuǎn).基于ArcObjects的城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技，2010 (12)：31-32