基于ArcGIS和蒼穹軟件的土地利用圖的制圖綜合

馮賀珍 ，翁敏

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079; 2.武漢大學地理信息系統(tǒng)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079)

1 引 言

受計算機技術(shù)及地圖技術(shù)理論的限制，地圖的全自動化制圖綜合還不能完全實現(xiàn)，目前還需要使用人機交互的辦法。為了提高制圖綜合的質(zhì)量和速度，國內(nèi)外工作者提出了兩種解決方法:①采用單一的軟件進行數(shù)據(jù)的綜合和入庫，馬晶等人利用ArcGIS 進行1∶ 10 000土地利用現(xiàn)狀圖制圖綜合的研究［1］，但效率不高;②采用自主研制的軟件解決制圖綜合的問題，艾廷華等人基于VC + +研制了地圖綜合縮編軟件Do-Map［2］，但自主研發(fā)的軟件并沒有投入市場，廣泛為測繪行業(yè)人士使用。目前制圖綜合問題的難點主要在于以下幾個方面:①制圖綜合的復雜性及綜合后信息的不完整;②全自動化綜合還不能完全實現(xiàn);③自動綜合的理論不能完全轉(zhuǎn)化為計算機可以識別和執(zhí)行的工作流程;④自動綜合使用的軟件雜亂，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。

針對以上問題，在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，本文采用ArcGIS 10.0 軟件和蒼穹軟件結(jié)合的方法進行土地利用現(xiàn)狀圖的編繪和數(shù)據(jù)入庫的工作。ArcGIS 10.0 軟件可以對空間數(shù)據(jù)進行存儲、編輯、更新、管理、分析等操作。蒼穹(KQ)空間數(shù)據(jù)庫具有對空間數(shù)據(jù)的顯示、查詢、修改、輸出等功能，能夠進行破碎圖斑的融合以及成果數(shù)據(jù)的入庫［3］，兩種軟件的結(jié)合可以高效地制作土地利用圖。ArcGIS 的數(shù)據(jù)格式主要有E00 、Shape、Geodatabase、Coverage，其中E00 是ArcGIS 的外部交換格式。ArcGIS 通過E00 數(shù)據(jù)格式和其他軟件相互轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過程中一般存在屬性和圖形數(shù)據(jù)的丟失問題，但是ArcGIS 的shape 數(shù)據(jù)格式能夠和蒼穹空間數(shù)據(jù)庫無縫連接，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中可以直接把ArcGIS 導出的shape 數(shù)據(jù)導入到蒼穹軟件已建好的數(shù)據(jù)庫中［4，5］。

2 地類圖斑制圖綜合的理論

2.1 土地分類規(guī)范

根據(jù)《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，土地利用現(xiàn)狀采用二級分類體系，分為一級類和二級類，其中一級類12 個，二級類57 個，二級類是在一級類的基礎(chǔ)上劃分的。12 個一級類依次為:耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地［6］。在進行與土地利用規(guī)劃有關(guān)的工作時，必須計算出地類圖斑的面積，土地利用現(xiàn)狀分類是準確統(tǒng)計各地類圖斑橢球面面積和凈面積的基礎(chǔ)。第二次全國土地調(diào)查給出各地類面積之間的關(guān)系為:

A=T－S－L－K

式中:A 為地類圖斑的面積;T 為圖斑的面積;S 為零星地物的面積;L 為線狀地物的面積;K 為扣除地類的面積［7］。

2.2 制圖綜合的原則

空間數(shù)據(jù)綜合的問題雖然復雜，但歸納起來只有3個:是否需要綜合、如何綜合、綜合的實施［2］。其中是否需要綜合的問題會因工作性質(zhì)的不同、空間尺度的不同和相關(guān)操作人員對問題理解的不同而發(fā)生相應的變化;如何綜合的問題會隨著地圖學理論及相關(guān)理論的發(fā)展不斷完善;綜合的實施受計算機技術(shù)的影響很大。制圖概括的目的是將地表最重要、最基本的事物或現(xiàn)象反映在地圖上，舍去某些非本質(zhì)的、次要的事物或現(xiàn)象［8］，并可以延長地圖的時效性，避免地圖很快地失去作用?？傮w來說，制圖綜合的實質(zhì)是對地圖要素進行合理的選取和概括。選取是從制圖要素中選擇出重要的物體表現(xiàn)在地圖上;概括是對物體的形狀、數(shù)量和質(zhì)量的化簡。選取和概括既有區(qū)別又緊密相連，概括通常是在選取的基礎(chǔ)上進行的［9，10］，具有科學性和藝術(shù)性。

2.3 土地利用圖制圖綜合的特點

土地利用現(xiàn)狀圖是表達土地資源的類型、面積、結(jié)構(gòu)、關(guān)系等要素的專題地圖，具有全覆蓋、無縫隙、無重疊的特點［7］。其內(nèi)容包括小圖斑的綜合、大圖斑的合并、狹長圖斑的骨架化和線狀圖斑的處理。圖斑合并時需要考慮兩種鄰近方式:語義鄰近和空間鄰近。土地利用圖和普通地圖制圖綜合的不同之處表現(xiàn)在:①普通地圖的制圖綜合主要依據(jù)比例尺的變化而變化，土地利用圖的制圖綜合主要受地圖內(nèi)容和表示方法的限制。②普通地圖要素的制圖綜合程度一致，土地利用圖的專題要素主要包括地類界線、地類圖斑、線狀地物及其注記，其綜合的程度也不一致。③普通地圖綜合后不需要過多考慮面積的平衡，土地利用圖綜合后要保證要素之間無重疊、無縫隙，還要使綜合后各地類面積保持平衡。

3 地類圖斑自動綜合的技術(shù)方法及試驗分析

土地利用現(xiàn)狀圖的編制以及數(shù)據(jù)的入庫是一項規(guī)范性、系統(tǒng)性很強的工作，能夠為國土資源等相關(guān)部門提供決策、規(guī)劃。為了避免傳統(tǒng)純手工綜合和利用單一軟件綜合造成的工作效率不高、工作量大的問題，本次工作在青海省同仁縣已有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助ArcGIS 10.0 軟件、蒼穹(KQ)數(shù)據(jù)庫軟件以及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件，采用人機交互的方法制作土地利用現(xiàn)狀圖，最終得到數(shù)據(jù)庫成果和各種圖形、圖表成果。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

3.1 線狀地類圖斑的制圖綜合

線狀圖斑是指河流、公路、鐵路等呈線狀的地類圖斑［11］。《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了基本比例尺下圖斑上圖的最小寬度(城鎮(zhèn)、村及工礦用地為圖上4．0 mm2，耕地、園地為6．0 mm2，林地、草地等其他地類為15．0 mm2)［6］，如果不滿足上圖最小尺寸的要求就需要進行制圖綜合。對于線狀圖斑的綜合，我們參考Bader 和Weibel 提出的骨架線剖分方法［12］，提取線狀圖斑的骨架線，并把線狀圖斑的面積分配到相鄰的圖斑中，當幾何鄰近地塊不止一個時，需要把骨架線剖分。被骨架線分割的面狀地類圖斑即使在同一個行政區(qū)域內(nèi)，地類編碼相同也不能合并。相反，如果河流、公路、鐵路等線狀地物的寬度能夠滿足要求，就按照面狀地類圖斑對待，不需要提取骨架線。如下圖所示:圖2中的河流是合并前的線狀地類圖斑，地塊A 和B 是被河流隔開的內(nèi)陸灘涂。圖3是綜合后的線狀河流，可以看出合并前的河流圖斑的面積被分配到與之鄰近的圖斑中，內(nèi)陸灘涂A 和B 由于被河流隔開不能合并成一塊圖斑。

圖2 綜合前的河流

圖3 綜合后的河流

3.2 面狀地類圖斑的制圖綜合

除了河流、交通要素等線狀圖斑，其他都是面狀地類圖斑。面狀地類圖斑處理的流程如下:

(1)面狀圖斑的打散處理。由于不同類型的地類圖斑可能連在一起，首先在ArcGIS 10.0 的高級編輯器下對圖斑進行“拆分多部分要素處理”，打散相連接的地類圖斑。

(2)面狀圖斑的制圖綜合。首先運用蒼穹軟件根據(jù)距離最近的原則進行微小圖斑的合并，把微小圖斑合并到與之空間鄰近的地類圖斑中，這種做法比在ArcGIS 10.0 軟件下進行微小圖斑的合并要快速、簡單，而且能夠避免手動合并過程中容易出現(xiàn)的跨行政區(qū)劃合并、遺漏和重復合并等錯誤。在ArcGIS 10.0軟件中，微小圖斑的合并是手動進行的，而蒼穹軟件下的合并是按照要素的地類代碼和權(quán)屬單位代碼根據(jù)距離最近的原則自動合并的。如下圖所示:圖4為合并前的圖斑，圖斑個數(shù)為236 個，圖5為合并后的圖斑，圖斑個數(shù)為70 個，圖斑個數(shù)減少了166 個。

圖4 合并前的地類圖斑

圖5 合并后的地類圖斑

(3)在ArcGIS 10.0 軟件中進行面狀圖斑的進一步綜合。經(jīng)過蒼穹軟件處理后的地類圖斑需要在Arc-GIS 10.0 軟件中做進一步的處理，這時要根據(jù)語義鄰近和空間鄰近兩方面進行圖斑的合并。在同一行政區(qū)域內(nèi)部，語義鄰近要優(yōu)先選擇，如果需要合并的地類圖斑附近沒有與之地類編碼相同的地類圖斑，就應該把該地類圖斑合并到與它距離最近的地類圖斑中。而且要保證合并后各種地類圖斑的面積變化不能過大。如圖6所示，圖斑A 和B 都是水澆地，圖斑C 是有林地，圖斑D 是天然牧草地。圖斑A 和B、C、D 空間鄰近，圖斑A 和圖斑B 不僅空間鄰近，而且語義鄰近，所以優(yōu)先選擇圖斑A 和圖斑B 合并，如圖7所示。如果把圖斑B 合并到圖斑A 中，合并后圖斑的屬性和圖斑A的屬性相同。相反，如果把圖斑A 合并到圖斑B 中，合并后圖斑的屬性和圖斑B 的屬性相同。另外，如果地類圖斑不屬于同一個行政區(qū)域，則不能合并。

圖6 合并前的圖斑

圖7 合并后的圖斑

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及入庫

(1)把綜合后的地類圖斑先在ArcGIS 10.0 下進行拓撲檢查，檢查線線要素之間是否交叉、懸掛，線面要素之間是否懸掛，面面要素之間是否有空洞、重疊等錯誤。

(2)圖形錯誤檢查完畢后，把輸出的shape 數(shù)據(jù)導入到蒼穹軟件下已經(jīng)建好的數(shù)據(jù)庫中并對屬性數(shù)據(jù)進行維護。主要有數(shù)據(jù)編號的維護、ID 值的維護、圖斑面積和橢球面積的維護以及圖斑面積的平差結(jié)果等。

(3)數(shù)據(jù)庫建立完成后可以在專業(yè)的土地調(diào)查質(zhì)檢軟件中建立檢查任務，對數(shù)據(jù)庫進行質(zhì)檢。主要包括邏輯錯誤、拓撲錯誤、報表錯誤和圖件錯誤等。

(4)把質(zhì)檢軟件檢查出來的錯誤返回到ArcGIS 10.0 和蒼穹軟件下修改。最終得到無誤的數(shù)據(jù)庫和各種圖件成果。

3.4 實例應用及結(jié)果分析

同仁縣位于青海省東南部，東鄰甘肅省夏河縣，西連貴德縣，南接澤庫縣，北與循化、尖扎縣接壤，地處青藏高原與黃土高原的過渡地帶，隆務河縱貫全境南北，形成東西部山區(qū)和中部河谷地區(qū)的地形，全縣總面積3 275 km2。研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)來源于青海省第二次土地調(diào)查，原始比例尺1∶ 10 000。經(jīng)過ArcGIS 10.0 和蒼穹軟件處理后的地類圖斑面積比例基本保持平衡，微小圖斑的處理過程由手動轉(zhuǎn)為自動，圖斑的個數(shù)減少了2 173個，制圖綜合的結(jié)果令人滿意。最終的土地利用圖如圖8所示。

圖8 同仁縣土地利用圖

4 結(jié) 語

在青海省同仁縣土地利用現(xiàn)狀圖的編繪及成果輸出方面，本研究利用ArcGIS 10.0 軟件、蒼穹(KQ)數(shù)據(jù)庫軟件、土地調(diào)查質(zhì)檢軟件相結(jié)合的方法，趨利避害，順利完成了這項工作。與在單一軟件下處理的結(jié)果相比，大大減少了勞動量，提高了工作效率，也提高了工作質(zhì)量。以上是基于ArcGIS 10.0 和蒼穹軟件相結(jié)合的方法對土地利用現(xiàn)狀圖制作過程的一些探討，重點是地類圖斑的制圖綜合。但是要實現(xiàn)地類圖斑全自動化綜合，還需要很大的努力。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，制圖綜合的自動化水平也在不斷地提高，但是離全自動化綜合還有一定的距離，我們要做的工作分為兩個方面:一方面是進行科學探究，找到提高制圖綜合水平的技術(shù)和模型，服務于生產(chǎn)，比如把遺傳算法和專家知識應用于制圖綜合是目前研究的一個熱點;另一方面在現(xiàn)有制圖綜合理論和技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，靈活運用多種軟件，合理利用各種軟件的優(yōu)點，加快制圖綜合的速度，提高制圖綜合的質(zhì)量，減少人力物力。

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