地形圖自動分幅模型的設計與實現

李小強 楊俊山

(1. 鄭州鐵路職業技術學院 鐵道工程學院, 河南 鄭州 451460; 2. 河南省地球物理空間信息研究院, 河南 鄭州 450009)

0 引言

地形圖的分幅與編號,在地圖的生產、管理和使用中都有重要意義。我國國家基本比例尺有1∶100萬～1∶500共11種比例尺,各種比例尺地形圖在1∶100萬分幅和編號的基礎上逐級分幅和編號[1]。ArcGIS是一個全面的、可伸縮的地理信息系統(Geographic Information System，GIS)平臺,提供了400余個地理處理(Geoprocessing)工具,為用戶提供完整的解決方案[2-3]。利用ArcGIS進行地形圖分幅需要操作者熟練掌握各個地理處理工具和圖幅編號的計算方法,通過多步驟配置建立[4-5],操作起來較為復雜,且對于不同研究區分別構建地形圖分幅空間數據庫(以下簡稱“分幅數據庫”)時會造成大量重復勞動。有學者利用ArcPy[6]、ArcObject[7]、ArcEngine[8]等結合高級編程語言實現了分幅數據庫的構建,但需要操作者具有較高的編程能力。另外,實際生產中,生產單位技術實力參差不齊,有些單位將任意間隔的矩形分幅出圖,不利于成果的統一管理和使用。所以有必要找出一種更快捷、便利的分幅數據庫構建方法。

本文基于ArcGIS Model Builder設計了一套地形圖自動分幅的地理處理模型,實現了自動構建適應研究區范圍的多種比例尺地形圖分幅空間數據庫的功能,從而為地形圖的批量分幅編制與輸出提供基礎[9-10]。

1 原理與流程

ArcGIS系統下的Model Builder是用于構建工作流的可視化編程語言,可用來創建、編輯和管理模型,而模型是將一系列地理處理工具串聯在一起的工作流[11-12],使用戶能夠在短時間內設計出滿足特定任務要求的模型[13-15]。利用Model Builder進行建模的關鍵是將整個建模過程分解為一系列GIS數據批處理、文件轉換和空間分析操作,圖1為地形圖自動分幅模型的設計流程。

圖1 模型設計流程

2 模型設計實現

模型中通過變量來保存值或對磁盤數據進行引用,數據的類型多種多樣,可以是數據庫中的要素類、表、柵格數據集、shapefile、coverage等。本文研究以矢量數據為輸入數據的分幅數據庫構建實現過程,其他類型數據可以通過相關地理處理完成向矢量數據的轉換。

2.1 自動預處理

2.1.1投影變換

我國基本比例尺地形圖是按規定的經差和緯差進行分幅的,當一個矢量數據的地理空間參考未定義或與目標地理坐標系(如2000國家大地坐標系、1980國家大地坐標系)不同時,需要進行投影變換。首先調用ArcToolBox下數據管理工具箱(Data Management Tools)中的投影(Project)工具實現投影變換。為使用戶能夠在模型工具對話框中指定相關變量的值,增加模型工具對話框的友好性和共享性,設置相關變量為模型參數(變量右上角帶P標識)(圖2)。

2.1.2數據融合

通過融合操作,可以將包含多個要素的矢量數據融合成為只有一個要素的數據,從而可以方便地獲取矢量數據的空間幾何信息,如幾何中心點、西南角、東北角坐標,而這些信息將用來計算分幅參數。

圖2 投影變換和數據融合 注：P是標識出變量的符號

2.1.3分幅參數計算

分幅參數主要包括比例尺、經差、緯差、原點坐標、Y軸坐標、右上角坐標等,各個參數的含義及作用如表1。通過向融合后的矢量成果中添加相關字段并計算來存儲分幅參數,各字段名稱及計算表達式如表2所示。在Data Management Tools中調用添加字段(Add Field)工具依次完成相關字段的添加,調用計算字段(Calculate Field)工具依次完成字段的計算存儲。經過分幅參數計算后,得到預處理結果圖層,模型如圖3所示。

圖3 自動預處理模型 注：P是標識出變量的符號

表1 各分幅參數含義及作用

表2 字段計算詳細說明

2.2 自動分幅

2.2.1分幅數據庫幾何構建

創建漁網(Create Fishnet)地理處理工具可實現分幅矢量數據的創建。Create Fishnet需要的分幅參數包括:圖幅的空間范圍、寬度和高度以及旋轉的角度。通過獲取字段值(Get Field Value)地理處理工具獲取預處理矢量結果中的相關字段值,作為Create Fishnet工具的輸入,便將分幅參數傳遞給Create Fishnet工具,實現分幅數據庫幾何空間的構建(圖4)。新構建的圖幅缺少空間參考信息,調用Define Projection(定義投影)將圖幅定義為指定的地理坐標系。

2.2.2分幅數據庫屬性賦值

圖4 分幅初步構建處理 注：P是標識出變量的符號

圖幅屬性賦值主要是本圖幅及其鄰接圖幅編號的計算。圖幅編號由其所在1∶100萬地形圖的圖號、比例尺代碼和各圖幅行列號組成。通過向圖幅圖層中添加并計算字段來實現,字段計算VB代碼如下,圖幅編號等于A&B&C&D&E。鄰接圖幅編號的計算方法與之類似,只需在圖幅的行號D和列號E計算時調整±1即可,在此不在贅述。

‘A、B為1∶100萬地形圖圖號的行號和列號,[CY]、[CX]為圖幅中心點緯度和經度坐標。

A=CHR(Int([CY]/4)+65)

B=Right("0"& (Int([CX]/6)+31),2)

‘JC、WC為經差和緯差,C為比例尺代碼,三個參數均通過模型行內變量替換獲取。

JC=%寬度%

WC=%高度%

C="%比例尺代碼%"

If (C="B" or C="C" or C="D" or C="E" or C="F" or C="G" or C="H" or C="I") Then

‘D、E表示圖幅在指定比例尺中的行號和列號。

D=Right ("000"& Round((4/WC-Int(([CY]-Int([CY]/4)*4)/WC)),0),3)

E=Right ("000"& (Int(([CX]-Int ([CX]/6)*6)/JC)+1),3)

ElseIf (C="J" or C="K") Then

D=Right ("0000"& Round((4/WC-Int(([CY]-Int([CY]/4)*4)/WC)),0),4)

E=Right ("0000"& (Int(([CX]-Int ([CX]/6)*6)/JC)+1),4)

End If

分幅數據庫幾何構建和屬性賦值后,即完成了分幅數據庫的初步構建,模型如圖4所示。

2.2.3圖幅篩選

經過以上步驟得到的分幅數據庫初步構建結果的空間范圍為原點坐標和右上角坐標構成的矩形區域,含有多余圖幅。為獲得與原始矢量數據范圍相適應的圖幅,調用按位置選擇(Select Layer By Location)工具將預處理結果與初步構建的分幅數據庫進行疊置篩選,再用復制要素(Copy Features)輸出即可。至此,完成了地形圖自動分幅模型的設計,實現了覆蓋某一矢量數據范圍的用戶指定比例尺地形圖分幅數據庫的自動構建功能。模型整體設計如圖5所示。

圖5 完整的地形圖自動分幅模型 注：P是標識出變量的符號

3 應用實例

以信陽市浉河區第三次全國土地調查(簡稱“三調”)外業調查工作底圖分幅編制為例,驗證地形圖自動分幅模型的有效性、便利性。三調的主要任務包括土地利用現狀調查、土地權屬調查、專項用地調查與評價、國土調查數據庫建設及成果匯總等[16]。為保證項目進度、做好任務分發,提高精細化、標準化管理水平,需將相關基礎數據渲染制作成工作底圖分幅輸出。利用地形圖分幅空間數據庫自動構建模型,利用模型對數據進行自動化、流程化處理,ArcGIS初學者即可快速實現1∶5 000、1∶2 000分幅數據庫的構建,為外業調查工作底圖批量分幅編制輸出提供了數據基礎,有利于項目的快速開展。

4 結束語

本文利用ArcGIS Model Builder對相關地理處理工具進行流程化組合,設計了一套基于ArcGIS Model Builder的地形圖自動分幅模型,實現了自動構建適應研究區范圍的多種比例尺地形圖分幅空間數據庫的功能。(1)該模型可在任一搭載有符合ESRI空間建模標準環境的計算機中運行,可以很好地實現共享與復用;(2)避免了常規方法的煩瑣操作,省去了中間數據,大大提高了地理數據處理效率,降低作業人員的勞動強度;(3)該模型可應用在國土、測繪、城建、規劃、林業、地礦等行業生產和管理中,具有較好的推廣意義。