基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖制作:以重慶市人口密度圖為例

王 龍 徐 剛 屈 清 王忠志 劉紅紅

（西南大學 地理科學學院，重慶400715）

專題地圖是根據(jù)專業(yè)需要突出反映一種或多種主體要素或現(xiàn)象且表示特定專題信息的地圖[1].區(qū)域?qū)ｎ}地圖是系統(tǒng)深入反映區(qū)域內(nèi)某個領(lǐng)域或多個部門要素的地圖.區(qū)域?qū)ｎ}地圖的制作，是地理信息系統(tǒng)（GIS）的重要組成部分.地理信息可視化已成為地理信息研究的一個重要發(fā)展方向.基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖，具有“主題鮮明、圖面美觀、制作簡單、經(jīng)濟實用”的特點，應用十分廣泛.它可以為政府、建設(shè)規(guī)劃部門提供決策依據(jù)，為區(qū)域科學研究提供參考資料，還是地理相關(guān)學科重要的教學工具.同時，對于區(qū)域地理信息研究和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有重要意義.

基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖的制作方法可概括為:前期準備、數(shù)據(jù)的獲取與輸入、數(shù)據(jù)的編輯處理、地圖整飾、地圖輸出等步驟.本文以重慶市人口密度圖的制作為例，具體介紹基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖的制作方法與過程.以期探討基于GIS制作區(qū)域?qū)ｎ}地圖的方法和經(jīng)驗.

1 前期準備

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國西南部，長江上游、四川盆地東部，介于四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶.轄區(qū)范圍介于28°10′～32°13′N，105°11′～110°11′E之間；南北長約450km，東西寬約470km，總面積82 403km2.四周分別與川、陜、鄂、湘、黔5省接壤.重慶地處我國第二級和第三級階梯的自然過渡地帶，地形以山地和丘陵為主.受西南季風和東南季風交替影響，降水充沛，屬于中亞熱帶濕潤季風氣候.境內(nèi)水資源豐富，河流眾多，長江干流自西向東橫貫全境.各種自然資源豐富多樣.

重慶地處我國東、中、西三大經(jīng)濟地帶中的中西經(jīng)濟地帶的結(jié)合部，是長江上游的經(jīng)濟中心[2].是我國繼北京、天津、上海之后的第4個中央直轄市.截至2010年末，重慶市總?cè)丝? 303.45萬人，全市生產(chǎn)總值10 011.13億元.

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

本文選取重慶市作為研究區(qū)，基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采用掃描矢量化手段從《重慶市地圖集》[3]中獲取.屬性數(shù)據(jù)主要包括:重慶市所轄各區(qū)縣面積以及各區(qū)縣人口數(shù)量（截至2011年）.其中，重慶市所轄各區(qū)縣面積數(shù)據(jù)來源于:重慶市政府公眾信息網(wǎng)（www.cq.gov.cn）.各區(qū)縣人口數(shù)據(jù)來自2011年公布的《重慶市第六次人口普查主要數(shù)據(jù)公報》[4].

1.3 軟件的選擇與準備

目前，GIS基礎(chǔ)軟件的平臺繁多，由于這些軟件產(chǎn)生背景、數(shù)據(jù)存儲方式、處理手段以及功能上的差異，它們的具體應用領(lǐng)域也有很大的不同.本文選擇ESRI公司于2008年6月推出的ArcGIS 9.3軟件作為專題地圖制作的軟件平臺.ArcGIS 9.3是ESRI公司全面整合了多方面計算機主流技術(shù)之后，成功推出的一款代表GIS較高水平的系列產(chǎn)品之一.它是一系列整合應用程序的總稱可實現(xiàn)制圖、地理分析、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理、可視化和空間處理等GIS任務[5]如圖1所示.

圖1 重慶市人口密度圖制作流程圖

2 基于GIS的專題地圖的制作過程

2.1 地圖掃描

地圖掃描是專題地圖制作的基礎(chǔ)性工作之一，掃描圖的質(zhì)量優(yōu)劣會對后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作產(chǎn)生影響，因此掃描過程中盡量避免外界因素對掃描結(jié)果的影響.地圖圖件包括普通地圖圖件和專題地圖兩大類，最為常見的圖件存儲介質(zhì)仍以紙質(zhì)為主.目前，盡管互聯(lián)網(wǎng)上存在著多種形式的各類電子地圖產(chǎn)品，極大的豐富了地圖資料的種類與來源.但由于數(shù)據(jù)來源、制作精度、分辨率、時效性以及地理參考信息等問題，導致其通常難以滿足科學研究的需要[6].因此，對搜集到的紙質(zhì)地圖進行掃描數(shù)字化，便于進一步利用GIS軟件處理.

在利用掃描儀對紙質(zhì)圖件進行掃描時，根據(jù)制圖需求，設(shè)置相應的保存路徑、分辨率、圖像格式.一般情況下，圖像分辨率需達到300DPI以上，本例中將圖像文件格式設(shè)置為TIFF.為了便于使用ArcGIS 9.3自帶ArcScan工具進行矢量化，同時將圖像掃描為灰度圖像.

2.2 幾何糾正和配準

由于圖件存儲介質(zhì)及存放條件變化，掃描時圖件位置偏差等因素影響，得到的掃描圖像可能發(fā)生幾何變形，須通過幾何糾正予以處理.由掃描儀掃描得到的圖像文件為柵格數(shù)據(jù)，故本例采用柵格配準.柵格配準即通過選取若干控制點，對掃描后得到的柵格圖像進行空間坐標匹配.打開ArcMap，新建文檔，載入上一步得到的重慶市初級數(shù)字地圖灰度圖像文件，使用軟件自帶Georeferencing工具對灰度圖像進行幾何糾正與配準，完成后將得到的圖像保存即可.只有經(jīng)過配準后的數(shù)據(jù)，才具有一定的地理意義.在此基礎(chǔ)上獲得的矢量數(shù)據(jù)處在統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)目標位置的顯示與空間分析.

2.3 選擇坐標投影系統(tǒng)

配準后得到的圖像數(shù)據(jù)，需根據(jù)數(shù)據(jù)來源及研究需要為其選擇相應的地理坐標系統(tǒng)和投影坐標系統(tǒng).使得到的初級數(shù)字地圖具有正確的地理參考信息.對專題地圖投影的選擇和設(shè)計至關(guān)重要，它將直接影響地圖的精度和使用價值.當灰度圖像經(jīng)過添加確定的地理坐標和投影系統(tǒng)后，在此基礎(chǔ)上通過矢量化得到的矢量數(shù)據(jù)即具有空間屬性和地理意義.

2.4 空間數(shù)據(jù)矢量化

空間數(shù)據(jù)矢量化過程，就是在軟件平臺的支持下，通過目視判斷和分析，將預處理過的柵格圖像直接呈現(xiàn)在計算機屏幕上，以柵格圖像為背景，采用人機交互的方式，沿柵格數(shù)據(jù)跟蹤，在新建的矢量圖層上勾畫出所需要的相應的點、線、面數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的矢量化提取.對灰度圖像數(shù)據(jù)，矢量化前一般進行“二值化”處理，便于對柵格圖像的識別、提取.ArcMap軟件中，提供了“Editor工具條sketch tool”和ArcScan 2種矢量化工具.對于單一的點要素，可采用前一種工具進行純手工矢量化.對于經(jīng)過預處理且質(zhì)量較高的圖像數(shù)據(jù)，可采用ArcScan工具，進行全自動矢量化、跟蹤矢量化及選定區(qū)域（對象）矢量化.

重慶市人口密度圖采用ArcGIS 9.3的人機交互方式矢量化工具進行地圖要素的矢量化，獲得了重慶市行政邊界矢量圖（包括省級行政邊界和區(qū)縣行政邊界）（圖2）、區(qū)縣政府駐地、三級以上河流矢量圖、主要公路鐵路矢量圖，保存為SHP格式.

圖2 重慶市行政邊界矢量圖層

2.5 拓撲查錯

空間數(shù)據(jù)在采集和矢量化過程中，往往會出現(xiàn)節(jié)點不達或超出、破碎多邊形、錯誤多邊形、邊沿不匹配等問題.通過對圖層建立拓撲關(guān)系，進行拓撲差錯，可以較方便的檢查圖層之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和改正矢量化過程中的錯誤.在重慶市行政邊界圖數(shù)字化過程中，通過在ArcCatalog中對相關(guān)圖層建立拓撲關(guān)系，進行拓撲差錯，查找、糾正圖層錯誤.為保證矢量化質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)拓撲錯誤則返回上一步根據(jù)提示進行矢量化糾正.直至所有拓撲錯誤消除，數(shù)據(jù)達到要求，保存數(shù)據(jù).

2.6 屬性數(shù)據(jù)的輸入

屬性數(shù)據(jù)是空間實體的特征數(shù)據(jù)，一般包括空間實體的名稱、數(shù)量、面積、代碼等內(nèi)容.常用的屬性數(shù)據(jù)輸入的方式有2種:一種是通過手工添加對照空間圖形數(shù)據(jù)直接輸入；另一種是預先建立屬性數(shù)據(jù)表，通過與空間圖形數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)導入.本例采用對照空間圖形數(shù)據(jù)，直接輸入.打開ArcMap，將上一步得到的重慶市行政邊界矢量圖添加進來，并且使圖層處于可編輯狀態(tài).打開圖層屬性表（Attribute table），添加新字段（Add Field）.在屬性表中，分別添加“行政區(qū)名稱、地區(qū)代碼、面積、人口”等4個新字段.結(jié)合地理底圖和前期收集的各區(qū)面積、人口數(shù)據(jù)，對照圖形數(shù)據(jù)依次為各矢量圖層的地圖要素添加屬性數(shù)據(jù).

2.7 屬性數(shù)據(jù)分析與計算

屬性數(shù)據(jù)的分析與計算必須建立在已具有屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)圖層之上，主要使用軟件自帶的字段計算器（Field Calculator），通過對已有屬性數(shù)據(jù)根據(jù)研究需要進行邏輯運算以獲得新的屬性數(shù)據(jù).本例中，在上一步工作的基礎(chǔ)上，在圖層屬性表中新建“人口密度”字段，用以存放人口密度的計算結(jié)果.激活新建字段，打開字段計算器（Field Calculator），輸入計算人口密度的公式:[人口]＊10000／[面積]＝[人口密度].點擊“OK”經(jīng)過軟件運算后，便會在“人口密度”屬性字段中得到各區(qū)縣相應的人口密度數(shù)據(jù).運算完后，保存數(shù)據(jù).

2.8 地理數(shù)據(jù)的可視化

地理數(shù)據(jù)的可視化，就是將地理數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)分類分級的特點，選擇相應的視覺變量，制作全要素或分要素標識的可以閱讀的地圖[7].可視化亦即是空間數(shù)據(jù)屬性信息的符號化，并為其選擇相應的配色方案.ArcGIS 9.3軟件具有強大的專題地圖制作功能，提供包括單一符號、分類符號、分級符號、分級色彩、點值符號等在內(nèi)的多種符號化方式.

本文采用分級色彩的方法，對重慶市人口密度屬性信息在矢量地圖的基礎(chǔ)上進行符號化（圖3）.在符號化的過程中，需要對“人口密度值”進行相應的分類，以便使用不同色彩對“人口密度值”進行分等級區(qū)分顯示.對市、縣級居民地、河流、公路、鐵路等要素結(jié)合已有案例制定符號化方案.地圖要素的配色和符號化是專題地圖制作的關(guān)鍵工作，要反復進行試驗和比較，使符號的選擇和色彩搭配滿足美觀合理的要求[8].進行相應的設(shè)置后，即可完成對相關(guān)空間數(shù)據(jù)的可視化處理，得到符號化后的人口密度矢量圖層和其他要素圖層.

圖3 重慶市人口密度圖

2.9 地圖的整飾

為了使制作出的專題地圖滿足“要素齊備、視覺美觀、信息突出”等要求，還需對從上一步得到的矢量圖層數(shù)據(jù)進行地圖的整飾.地圖的整飾要從專題地圖整體出發(fā)，綜合考慮區(qū)域形狀、圖幅尺寸、圖例和注記等因素，對相關(guān)要素進行科學合理的安排.本例中，使用ArcGIS 9.3軟件，加載數(shù)據(jù)，切換到版面試圖，經(jīng)過初步設(shè)計，調(diào)整圖幅大小，使地圖以合適的比例顯示.通過工具欄依次為圖層添加圖名、圖例、指南針、比例尺等要素.最后為圖幅添加邊框，并進行圖廓整理.滿足設(shè)計要求后，即完成了對地圖的整飾，得到了多個圖層疊加生成的“重慶市人口密度圖”.

2.10 地圖文檔的保存與地圖輸出

對得到的多圖層數(shù)據(jù)，為便于后期進行修改及存儲，通常以地圖文檔的形式進行保存.ArcGIS中，地圖文檔（mxd文件）是包含多個圖層的引用，并不保存相關(guān)圖層的物理數(shù)據(jù).地圖文檔保存具體操作過程如下:在ArcMap已經(jīng)打開的窗口中，首先對要保存的地圖文檔進行重命名，分別選擇存儲路徑、存儲位置、保存方式，以mxd的格式，點擊“save”后即得到的保存的地圖文檔.

地圖輸出有兩種方式:一種是通過與計算機相連接的打印機或繪圖儀，以紙質(zhì)地圖方式直接輸出成圖.另一種方式是將專題地圖以數(shù)字圖片的方式輸出，在各種外部存儲設(shè)備中保存.重慶市人口密度圖的輸出，采用將專題地圖轉(zhuǎn)換為常用的jpg格式圖片的方式.輸出前，選擇相應的輸出路徑、輸出文件格式，設(shè)置輸出的圖片分辨率:設(shè)置為400DPI.在完成地圖輸出后，即可得到以圖片方式存儲的“重慶市人口密度圖”.檢查無誤后，即完成了數(shù)字專題地圖的制作.

3 結(jié)論

基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖的制作，是實現(xiàn)區(qū)域地理信息可視化的一種重要手段.該技術(shù)手段的不斷完善，對于區(qū)域地理信息的研究以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均具有一定的積極意義.本文以ArcGIS 9.3軟件作為處理平臺，以《重慶市人口密度圖》的制作為例，初步的總結(jié)了區(qū)域人口密度專題地圖的制作方法.在此基礎(chǔ)上，較詳細地介紹了從數(shù)據(jù)收集、矢量化、屬性數(shù)據(jù)輸入與處理直至整飾成圖、地圖輸出的整個專題地圖制作的主要過程.地理信息可視化是未來地理信息研究發(fā)展的方向之一，本文對基于GIS的區(qū)域?qū)ｎ}地圖制作進行了初步探究，以期為區(qū)域?qū)ｎ}地圖制作提供一定參考.

[1]田永中，徐永進，黎 明，等.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗教程[M].北京:科學出版社，2010

[2]陳升琪，蔡書良，肖 挺.重慶地理[M].重慶:西南師范大學出版社，2003

[3]星球出版社編.重慶市地圖集[M].北京:星球出版社，2009

[4]重慶日報.重慶市第六次人口普查主要數(shù)據(jù)公報[EB／OL].[2011－05－03].http:∥cqrbepaper.cqnews.net／cqrb／html／2011－05／03／content＿1358014.htm，2011，5

[5]吳 靜，李海濤，何 必.ArcGIS9.3Desktop地理信息系統(tǒng)應用教程[M].北京:清華大學出版社，2011

[6]韓 晨，楊秀英，程 軍.基于 GIS的渭南市人口密度專題制圖[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（35）:20 411－20 413

[7]湯國安，楊 昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析教程[M].北京:科學出版社，2006

[8]樊 紅，詹小國.ARC／INFO應用與開發(fā)技術(shù)[M].武漢:武漢大學出版社，2003