我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖系統(tǒng)

張盼盼，畢金強(qiáng)，王瑞富

（1.國家海洋技術(shù)中心 天津 300112；2.山東科技大學(xué) 青島 266510）

我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖系統(tǒng)

張盼盼1，畢金強(qiáng)2，王瑞富2

（1.國家海洋技術(shù)中心 天津 300112；2.山東科技大學(xué) 青島 266510）

針對(duì)目前越來越多的ArcGIS用戶制作國標(biāo)地圖的需求，結(jié)合我國海島海岸帶調(diào)查成果制圖需求，對(duì)ArcGIS軟件制圖功能以及國標(biāo)規(guī)定進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基于ArcEngine組件的1∶5萬海島海岸調(diào)查成果制圖系統(tǒng)。系統(tǒng)生成了坐標(biāo)網(wǎng)格與內(nèi)外圖廓，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)注記內(nèi)容的分別讀取并自動(dòng)添加到內(nèi)外圖廓間的精確位置，計(jì)算了圖廓外整飾信息的精確位置并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添加。系統(tǒng)生成的所有圖式內(nèi)容均符合我國1∶5萬地圖圖式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，成功運(yùn)用于我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖中。

國標(biāo)制圖；圖廓整飾；ArcEngine；方里網(wǎng)

地圖制圖是一項(xiàng)具有嚴(yán)格生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù)，一般只能由專業(yè)的地圖生產(chǎn)部門完成，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是GIS軟件技術(shù)的普及，越來越多的行業(yè)和用戶都在制作地圖。

ArcGIS是目前主流的GIS軟件，不僅具有非常強(qiáng)大的空間分析功能，同時(shí)具有強(qiáng)大的制圖功能，但其制圖功能從圖式方面并不支持中國地圖制圖國標(biāo)要求，這為廣大的ArcGIS用戶在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地圖生產(chǎn)時(shí)制造了很大的不便。為此，本文分析了ArcGIS系列軟件在這方面的不足，按照中國基本比例尺地形圖制圖標(biāo)準(zhǔn)，基于ESRI公司的二次開發(fā)包ArcEngine開發(fā)了符合中國2006版地圖圖式國家標(biāo)準(zhǔn)的1∶5萬圖廓圖式制作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖廓圖式的全自動(dòng)生成，應(yīng)用于海島海岸帶調(diào)查成果制圖。

1 ArcGIS軟件標(biāo)準(zhǔn)制圖分析

針對(duì)地圖編繪，各國都頒布有自己的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我國于1991年制訂了新的《國家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)》的國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了國家基本比例尺地形圖的分幅、編號(hào)及編號(hào)應(yīng)用的公式[1]。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，2006年頒布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20257.3-2006（以下簡稱國標(biāo)）代替GB 12342-1990標(biāo)準(zhǔn)版本[2]。國標(biāo)中規(guī)定，1∶5萬圖幅圖式整飾的內(nèi)容包括：內(nèi)外圖廓、方里網(wǎng)、方里網(wǎng)坐標(biāo)注記、地理坐標(biāo)網(wǎng)、圖幅號(hào)、圖幅名、接幅表、比例尺、制圖說明等內(nèi)容。

ESRI公司的ArcGIS系列軟件，其桌面版產(chǎn)品ArcMap的Layout模塊具有強(qiáng)大的地圖整飾功能，風(fēng)格多符合歐美制圖。ArcGIS不支持我國國家基本比例尺地圖分幅標(biāo)準(zhǔn)，不支持國標(biāo)圖廓整飾，因此不能制作符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)的基本比例尺圖式，分析如下：

（1）國標(biāo)規(guī)定1∶5萬地圖上繪制有內(nèi)外兩個(gè)圖廓，圖廓間標(biāo)識(shí)坐標(biāo)注記。內(nèi)圖廓內(nèi)邊界由圖幅角點(diǎn)確定，外邊界向外平移7.5 mm，再向外平移1.5 mm生成外圖廓。ArcGIS不支持國標(biāo)圖幅范圍計(jì)算，不能計(jì)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖幅的邊界，不能直接生成內(nèi)外圖廓，只能在Layout下手動(dòng)調(diào)整線要素。

（2）國標(biāo)規(guī)定1∶5萬地圖上繪制兩種坐標(biāo)網(wǎng)格，地理坐標(biāo)網(wǎng)（經(jīng)緯網(wǎng)）和平面直角坐標(biāo)網(wǎng)（方里網(wǎng)）[2]，坐標(biāo)網(wǎng)格及注記如圖1所示。經(jīng)緯網(wǎng)以圖廓形式表現(xiàn)，在外圖廓間用標(biāo)識(shí)短線標(biāo)識(shí)1′的間隔，僅在內(nèi)圖廓四角標(biāo)識(shí)圖幅四角點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)值精確到′。方里網(wǎng)是以投影帶中央經(jīng)線為縱軸，以赤道為橫軸，以千米為單位，以2 km為間距作平行于縱橫軸的直線構(gòu)成的線功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，其位置及長度要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖幅圖式的坐標(biāo)注記內(nèi)容是確定的，ArcGIS不支持國標(biāo)圖幅，因此無法獲取注記內(nèi)容，更不能實(shí)現(xiàn)注記自動(dòng)拆分標(biāo)注。

（3）國標(biāo)對(duì)圖式中說明信息的繪制位置均有明確規(guī)定，如出版單位繪制在下圖廓左下方偏移5 mm處，成圖方法、測繪標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在東圖廓外下方偏移8 mm處等。ArcGIS添加文本時(shí)，文本框默認(rèn)放置在Data Frame中央，對(duì)于位置精確的文本，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添加。

（4）接幅表顯示了相鄰圖幅的圖名和圖號(hào)，方便索取相鄰圖幅，國標(biāo)規(guī)定繪制在圖廓的右上方。實(shí)際上，接幅表是一個(gè)3行3列固定尺寸的表格，每個(gè)表格長20 mm，寬15 mm，中間一格陰影設(shè)置表示本圖幅，不再標(biāo)注圖名圖號(hào)，其他8格表示相鄰八方向的鄰接圖幅，標(biāo)注有圖名圖號(hào)。ArcGIS不能計(jì)算圖幅號(hào)，不能生成接幅表。

（5）1∶5萬國標(biāo)圖式比例尺采用直線比例尺，比例尺總長50 mm，其中尺頭10 mm，以米為單位注出，主尺40 mm，以公里為單位注出[3]。ArcGIS提供的比例尺模板均只有主尺部分，使用模板不能定義出符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的比例尺。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)圖式中坐標(biāo)網(wǎng)格及坐標(biāo)注記

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ArcGIS軟件在國標(biāo)制圖上的問題分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)生成符合國標(biāo)的地圖圖廓整飾內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)在ArcGIS環(huán)境下制作符合國標(biāo)的1∶5萬比例尺地圖，制圖結(jié)果保存在ArcGIS的工作空間文件（MXD）中。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）國標(biāo)對(duì)圖廓整飾內(nèi)容的標(biāo)注字體樣式有明確規(guī)定，2006版國標(biāo)中需要黑體、宋體、扁宋體、中等線體和細(xì)等線體5種字體樣式。Windows系統(tǒng)自帶字庫不能完全滿足，因此在開發(fā)和使用系統(tǒng)前需安裝需要的字庫。

（2）為了方便實(shí)現(xiàn)鄰接圖表自動(dòng)標(biāo)注，本文建立圖幅數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)示例如表1，記錄圖號(hào)、圖名、政區(qū)說明信息。圖幅數(shù)據(jù)庫內(nèi)容由用戶擴(kuò)充。

表1 圖幅數(shù)據(jù)庫

2.2 流程設(shè)計(jì)

加載ArcGIS的工作空間文件（MXD），本系統(tǒng)生成的地圖圖式信息將保存在該文件中；以鼠標(biāo)點(diǎn)擊或手動(dòng)輸入的方式得到圖幅內(nèi)任意點(diǎn)經(jīng)緯度，據(jù)此計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)圖幅號(hào)，獲取對(duì)應(yīng)圖幅四角點(diǎn)坐標(biāo)。

圖幅號(hào)及圖幅四角點(diǎn)坐標(biāo)是實(shí)現(xiàn)圖廓整飾的基礎(chǔ)，四角點(diǎn)坐標(biāo)確定了圖幅的內(nèi)圖廓，在內(nèi)圖廓基礎(chǔ)上向外平移國標(biāo)規(guī)定的間隔自動(dòng)生成外圖廓。圖幅角點(diǎn)坐標(biāo)確定一組基點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成網(wǎng)格文件。由圖幅四角點(diǎn)坐標(biāo)生成的矩形裁切該文件，得到符合圖幅范圍的方里網(wǎng)數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，計(jì)算坐標(biāo)網(wǎng)數(shù)字注記及其他整飾要素的精確地理位置，基于ArcEngine的Element技術(shù)完成圖幅整飾內(nèi)容的自動(dòng)生成添加，系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的技術(shù)流程，已在我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖中得到實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境Visual Studio2005.net與ArcEngine，開發(fā)語言為C#。圖3為應(yīng)用本系統(tǒng)為我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖的界面圖。

3.1 圖幅號(hào)及圖幅角點(diǎn)計(jì)算

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用效果圖

我國1∶100萬地形圖的分幅按照國際1∶100萬的地圖分幅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[1]。每幅1∶100萬地圖跨越的地理范圍為經(jīng)差4°、緯差6°。從地球赤道起向兩極每緯度4°為一行，依次以拉丁字母A，B，C，…，V表示；從經(jīng)度180°起，自西向東每經(jīng)度6°為一列，依次以阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，3，…，60表示[2]。每幅1∶100萬地形圖劃分為24行×24列，得到576幅1∶5萬圖幅，每幅1∶5萬地圖經(jīng)差15′，緯差10′，劃分后行號(hào)從北向南以1為基號(hào)遞增，列號(hào)由西向東以1為基號(hào)遞增。圖幅編號(hào)樣式如下圖4。

圖4 圖幅編號(hào)樣式

3.1.1 圖幅號(hào)計(jì)算

系統(tǒng)采用以下兩步計(jì)算圖幅號(hào)：

1）計(jì)算1∶100萬圖幅編號(hào)

其中φ，λ分別為某點(diǎn)緯度和經(jīng)度；[]表示分?jǐn)?shù)取整；結(jié)果a，b分別為1∶100萬圖幅所在緯度帶和經(jīng)度帶的編號(hào)[1]。

2）計(jì)算在1∶5萬比例尺下1∶100萬圖號(hào)后的行、列編號(hào)

由上一步計(jì)算得到的圖幅號(hào)反算圖幅西南角點(diǎn)坐標(biāo)依據(jù)下列公式計(jì)算：

其中，參數(shù)如上所述。獲取西南角點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，以經(jīng)差15′，緯差10′推算其余3個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 坐標(biāo)網(wǎng)及注記自動(dòng)生成

坐標(biāo)網(wǎng)是國標(biāo)圖式不可缺少的部分，用于確定地理位置和接圖。1∶5萬國標(biāo)圖式繪制的坐標(biāo)網(wǎng)分方里網(wǎng)和經(jīng)緯網(wǎng)兩種。

3.2.1 方里網(wǎng)生成

1∶5 萬國標(biāo)圖式方里網(wǎng)以2 km為間距。為了提高精度，本系統(tǒng)采用在平面坐標(biāo)系下繪制生成。由于高斯—克呂格投影的各帶坐標(biāo)系間相互獨(dú)立，各帶的坐標(biāo)經(jīng)線向該投影帶的中央經(jīng)線收斂，而方里網(wǎng)是圖面上的平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，所以圖幅地理范圍和投影帶中央經(jīng)線有一定的夾角，即和方里網(wǎng)有一定的夾角。該夾角的存在使方里網(wǎng)不能平行于圖廓以2 km為間距繪制。為此，首先生成大于圖幅地理范圍的方里網(wǎng)，以圖幅四角點(diǎn)生成的面圖層裁切得到符合圖幅范圍的精確方里網(wǎng)。從方里網(wǎng)定義出發(fā)，圖幅西南圖廓角點(diǎn)和東北圖廓角點(diǎn)經(jīng)平面投影轉(zhuǎn)化后，獲取向外延伸的最小整2 km數(shù)值作為方里網(wǎng)繪制的起始點(diǎn)（xmin，ymin）和終止點(diǎn)（xmax，ymax）。向外延伸即取小于西南角點(diǎn)坐標(biāo)值的最大2 km整倍數(shù)，取大于東北角點(diǎn)坐標(biāo)值的最小2 km整倍數(shù)。

3.2.2 經(jīng)緯網(wǎng)生成

1∶5萬圖式跨越15′×10′的范圍，經(jīng)緯網(wǎng)以內(nèi)外圖廓間短線形式表示，間距為1′。為此，系統(tǒng)以ArcEngine的LineElement對(duì)象技術(shù)實(shí)現(xiàn)。以圖廓角點(diǎn)為基點(diǎn)，橫圖廓平分為（15-1）段，縱圖廓平分為（10-1）段，結(jié)合國標(biāo)規(guī)定短線長1.5 mm（實(shí)際距離75 m）確定每個(gè)LineElement對(duì)象的起始終止點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.3 坐標(biāo)網(wǎng)注記自動(dòng)添加

坐標(biāo)網(wǎng)注記以ArcEngine的TextElement對(duì)象技術(shù)實(shí)現(xiàn)，TextElement封裝了文本字體風(fēng)格、位置等屬性，為自動(dòng)添加圖廓不同風(fēng)格的數(shù)字注記內(nèi)容提供了有力的支撐。

經(jīng)緯網(wǎng)僅標(biāo)注圖廓四角點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)值。國標(biāo)規(guī)定的字號(hào)大小轉(zhuǎn)化為圖上距離并結(jié)合國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)注位置，基于圖廓角點(diǎn)平面坐標(biāo)分別計(jì)算每個(gè)TextElement對(duì)象的平面位置。

讀取方里網(wǎng)文件記錄的屬性：Startx、Starty、Endx、Endy和H/V，分別表示線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)平面坐標(biāo)，水平或垂直標(biāo)識(shí)。為了方便確定標(biāo)注位置，水平和垂直向分別處理，對(duì)讀取的屬性值進(jìn)行解析，確定標(biāo)注內(nèi)容。方里網(wǎng)注記生成流程如圖5所示。

圖5 坐標(biāo)注記標(biāo)注流程圖

系統(tǒng)生成的坐標(biāo)網(wǎng)及注記效果如圖6所示。

圖6 圖幅部分坐標(biāo)網(wǎng)及注記

3.3 接幅表生成

由鄰接圖表定義出發(fā)，由8個(gè)LineElement對(duì)象組成3行3列的表格。為達(dá)到陰影效果，中間一格放置同一大小的PolygonElement對(duì)象，該對(duì)象封裝了填充屬性。

基于計(jì)算本圖幅的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，根據(jù)15′的經(jīng)差和10′的緯差向外8個(gè)方向延伸調(diào)用計(jì)算圖號(hào)模塊得到鄰接圖幅的圖號(hào)。以圖號(hào)檢索圖幅庫，獲取圖名。系統(tǒng)添加的接幅表如圖7所示。

圖7 接幅表示意圖

3.4 其他地圖整飾要素生成

成圖信息、出版說明及測繪單位等地圖整飾信息隨制圖數(shù)據(jù)及單位多有變化，系統(tǒng)提供信息錄入界面由制圖人員輸入。1∶5萬圖式圖上距離1 cm代表實(shí)地距離500 m，依此將地圖整飾要素相對(duì)圖廓角點(diǎn)的偏移量轉(zhuǎn)化成平面坐標(biāo)系下距離，進(jìn)而確定每個(gè)整飾對(duì)象的平面位置。

圖解和數(shù)字相結(jié)合表示1∶5萬圖式比例尺。根據(jù)圖廓角點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，計(jì)算下圖廓居中的位置（X，Y）。此點(diǎn)是比例尺中心點(diǎn)，依據(jù)國標(biāo)規(guī)定的具體比例尺長度和刻度標(biāo)識(shí)推算比例尺上下兩個(gè)LineElement對(duì)象的起始終止點(diǎn)坐標(biāo)并設(shè)置LineElement風(fēng)格屬性繪制，進(jìn)而繪制比例尺的分段標(biāo)識(shí)線，在此基礎(chǔ)上對(duì)尺頭部分分為間隔相等的10段，最后添加數(shù)字注釋。繪制的比例尺如圖8。

圖8 1∶5萬國標(biāo)比例尺

4 結(jié)語

介紹基于ArcGIS開發(fā)的1∶5萬制圖系統(tǒng)已在我國海島海岸帶遙感調(diào)查成果制圖中得到應(yīng)用。結(jié)果表明，利用本系統(tǒng)生成國標(biāo)1∶5萬地圖可以有效地縮短成圖時(shí)間，地圖整飾要素位置精確。

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2011-10-08