基于ArcGIS環境的地形剖面圖制作方法

王春范

(遼寧省第十地質大隊，遼寧 撫順 113004)

1 引 言

地形剖面圖(profile of topography)，是以垂直于地表面的截面切割地面，以反映地面起伏曲線的圖形[1]。是道路、管線、勘探等工程設計的基礎文件之一[2]，在工程設計領域有著廣泛的應用。盡管數字化基礎地理信息成果已經逐步普及，多數GIS軟件也具有剖面自動生成的功能，但是，由于以下兩方面的主要原因，GIS環境下的地形剖面圖制作，存在許多問題有待探討。

首先，所有具有剖面制作功能的GIS軟件，均是以DEM數據為基礎而完成的，而常規DEM數據多是以原始DLG數據為基礎生成的，用DLG數據生成DEM數據時，必然疊加上DEM數據構建過程所產生的誤差，同時也會將部分地形特征信息丟失；其次，現行的通用GIS軟件，均只具備自動生成簡單地形剖面線的功能，并不能同時生成剖面圖中的平面投影圖要素，使其難以實用于工程設計。

本文在實際工作中，探索了一套以原始數字線劃圖DLG數據為基礎，在ArcGIS環境下制作地形剖面圖的方法，現介紹給同行們以供參考。

2 剖面圖地理要素創建及轉換處理

剖面圖中的地理要素包括兩方面的內容，一是反映高程信息的剖面地形線；二是反映平面位置信息的剖面投影平面圖，在數字化制圖環境中，可以將剖面投影平面圖中要求反映的平面坐標格網線當作一般線要素看待來進行處理。這些要素在GIS環境中，以系統平臺定義的坐標系統表達要素的平面位置信息，要素的高程信息則儲存在與要素相關的屬性表中。而在剖面圖中，剖面地形線是以高程為縱向參考，以距離剖面起始端點的水平投影距離為橫向參考來作為制圖表達；在剖面投影平面圖中，是以剖面起始端點為原點，以2個剖面端點所確定的空間線段在水平面上的投影線為橫軸建立起投影平面圖的制圖參考系。這就需要建立剖面圖制圖參考框架，并據此構造出DLG環境下平面直角坐標系及高程系統與剖面圖制圖參考框架的轉換數學模型，以實現剖面圖地理要素在GIS環境下的自動轉換與編輯制作。

2.1 地形剖面圖制圖參考框架的定義

根據地形剖面圖的實際特性，需要分別對應地形剖面線圖和水平投影圖建立兩套既有區別又有聯系的制圖參考框架。

圖1 剖面圖制圖參考框架示意圖

(1)地形剖面線制圖參考框架

地形剖面線(profile line of topography)，是地表面與沿剖面線方向鉛垂剖切面的交線[3]，是地形剖面圖中的核心地理要素。它的制圖參考框架定義為：

如圖1所示，以地形剖面線起始端點A為原點，以此原點與剖面線終止端點B連線為水平軸，其長度單位與剖面線水平投影長度S相同；以過原點的鉛垂線為縱軸，長度單位與剖面線高程H值相同。

(2)剖面投影平面圖制圖參考框架

剖面投影平面圖(profile projection of plan)，繪制在剖面圖的下方，用以反映剖面線上及其兩側一定區域內的地物、地貌、地質現象、勘探工程等要素分布情況的帶狀平面圖。其制圖參考框架定義為：

在與原地形圖相同的水平投影面上，以地形剖面線起始端點A為原點，以此原點與剖面線終止端點B的連線為水平軸，以過原點A且與水平軸AB相垂直的線為縱軸，兩軸的長度單位與剖面線水平投影長度S相同。

由以上定義可知，兩種制圖參考框架之間既有區別又有聯系，它們分別位于兩個不同的投影面上，投影方向相互垂直，但共同以投影到水平面上的地形剖面線為橫軸，且在該橫軸上的長度單位相同，這樣就將地形剖面線圖和剖面投影平面圖各自所在投影面聯系了起來。

2.2 剖面點數據處理

(1)圖形文件準備

剖面點(profile point)，位于剖面線上的項目工程點、地質點、地物點、地貌點的總稱，是繪制地形剖面線的依據。在剖面點數據采集之前，須在ArcCatolog環境下建立用以存儲剖面點數據的shapefile，要求其屬性表具有表1列出的字段。

剖面點屬性表 表1

(2)剖面點要素創建

在ArcMap環境下打開相關的DLG數據文件，包括剖面線文件和新建的剖面點文件，并將剖面點文件設置為可編輯狀態。

如圖2(a)所示，由剖面起始點開始，根據剖面圖測繪的相關要求，沿著剖面線創建剖面點，經圖面內插或讀取原有要素高程屬性值等方法確定剖面點位高程值，同時輸入到屬性表中。

圖2剖面點數據處理及成圖

剖面點要素編輯完成并保存后，下一步需要在其屬性表環境下提取剖面點在地圖窗口下的X、Y坐標值，用X、Y值計算各剖面點與剖面起始點A之間的水平距離。具體操作如下：

①在ArcMap的“內容列表”窗口中，選擇剖面點要素類文件并打開其屬性表。

②利用ArcGIS系統提供的屬性表字段“計算幾何”功能，提取剖面點的x、y坐標值，并填充到屬性表的X列和Y列；利用系統的“字段計算器”功能，用屬性表的X列和Y列數值及兩點間距離計算公式，求取各剖面點至剖面起始端點A的水平距離并存入屬性表S列。具體操作如圖3所示。

③在屬性表的“表選項”菜單中選擇“導出新表”項，導出一個新表，并將其添加到當前地圖窗口的內容列表中。系統會自動賦給新表一個默認的文件名Export_Output_1。

④在剖圖制圖框架下生成剖面點圖形。在內容列表窗口中右擊新表Export_Output_1打開功能菜單，選擇“顯示xy數據”選項，彈出如圖4所示的選項窗口，選擇新表Export_Output_1的S列作x軸，H列作y軸，單擊“確定”按鈕，便會在我們定義的地形剖面線制圖框架內創建出顯示剖面線高低起伏特性的點要素圖形，如圖4所示。

圖3 ArcGIS字段計算器窗口

圖4 ArcGIS“顯示xy數據”選項窗口

2.3 地形剖面線繪制

在此之前，須在ArcCatolog環境下建立一個用以存儲地形剖面線數據的shapefile。將該文件添加到當前地圖窗口中，并設置為可編輯狀態。用線要素構造器繪制編輯地形剖面線圖形，先由剖面端點A開始，用折線順次逐個連接全部剖面點要素，到剖面端點B結束，再用ArcMap“高級編輯”中的“平滑”功能選項，將該折線處理成平滑曲線，地形剖面線制作完成。如圖5所示。

圖5 地形剖面圖繪制示意圖

2.4 剖面投影平面圖的制作

剖面投影平面圖制作的基本思路是：根據平面圖要求的范圍，利用Arctoolbox中的“裁剪”工具，在DLG平面直角坐標系中，對要求在投影平面圖中表達的要素進行裁剪處理；利用ArcMap環境所帶的“空間校正”工具，將平面直角坐標系下的圖形要素轉換至剖面圖制圖框架中，再經取舍、編輯處理后完成投影平面圖的制作。這里需要說明的一點是，有的行業規范要求在剖面投影平面圖中繪制高斯投影平面直角縱橫坐標線，稱X線和Y線，按照傳統的手工制圖模式，這項工作需要進行煩瑣的計算和展繪。而在本文介紹的方法中，可將坐標格網當作一般地理要素類看待，與其他地理要素一同進行裁剪、轉換處理得到。

對于要素類裁剪步驟，此處不做介紹，僅對數據轉換介紹如下。

如圖2(b)所示，為經裁剪處理后的地形圖窗口，位于此圖中央的A—B線段為地形剖面線在高斯—克呂格投影面上的水平投影圖，縱橫垂直交叉的格網線是平面直角坐標系的X、Y坐標方里網線，其他要素是剖面投影平面圖要求繪制的內容。

將圖2(b)所示的內容，從地形圖所在的高斯平面直角坐標系轉換到地形剖面圖的制圖參考框架中，以滿足剖面投影平面投影圖制作的需要。其基本做法是：以剖面線起始點A和終點B的平面直角坐標為源數據，以A、B兩點在制圖參考框架中的縱橫相對距離為目標數據，利用ArcMap所帶的“空間校正”功能模塊完成圖形數據的轉換。在具體的轉換操作中，轉換目標的具體位置由預先設定的A、B兩點在制圖參考框架中的數據確定。這里有兩點具體要求：一是A、B兩點與地形剖面線的起、止端點必須對齊，即橫向參考數據相等；二是A、B兩點的縱向制圖參考數據，確定了投影平面圖在整體剖面圖中的圖面位置，要求投影平面圖與地形剖面線圖之間的相對關系須滿足相關規范要求。因此，數據轉換前需要進行必要的制圖設計計算。轉換后的結果如圖2(c)所示。

2.5 剖面圖輔助要素制作

一幅完整的地形剖面圖，應該包括地理要素、數學要素、專題要素和輔助要素等4方面內容。本文介紹了地理要素和部分數學要素(X、Y線)的制作，如果專題要素已經在地形圖中創建，則可將其當作一般地理要素轉換到剖面圖中，對于圖廓、注記、圖簽等輔助要素，可依據規范按照一般制圖要求完成，本文不做具體介紹。

3 結 語

本文介紹了一套以數字線劃圖(DLG)為基礎數據，利用ArcGIS軟件系統所具有的圖、表操作功能制作地形剖面圖的方法。

(1)定義了地形剖面圖制圖參考框架；

(2)介紹了在ArcGIS環境下，地形剖面線的創建以及投影平面圖地理要素和數學要素的轉換方法；

(3)經轉換生成剖面圖地理要素，具有屬性數據，可以保留其在DLG環境中的原有屬性數據，還可根據需要擴充新的屬性項，這為地形剖面圖空間數據庫的建立創造了條件。

致謝：本文在完成過程中得到撫順市勘察測繪院總工程師趙廣信的幫助，在此深表謝意！