ArcGIS ModelBuilder模型設(shè)計方法在影像解譯中的應(yīng)用

張建新，紀(jì) 凱

（1.安徽省第四測繪院，安徽 合肥230031；2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230051）

在影像解譯過程中，大量的數(shù)據(jù)分析、處理工作需要通過GIS軟件來完成。目前常用的GIS軟件有ERDAS、ArcGIS等，這些軟件提供了功能強(qiáng)大的分析和處理工具；其中ArcToolbox的各種工具已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。然而在應(yīng)用過程中，需要把多種工具組合在一起，才能有效地完成某項具體的任務(wù)。另外待處理數(shù)據(jù)有著類型相同、數(shù)量龐大的特點，如果每一項操作、每一個數(shù)據(jù)都需要人工干預(yù)，勢必會降低生產(chǎn)效率；而且人工管理繁雜的原始資料和過渡數(shù)據(jù)更容易產(chǎn)生錯誤。

ModelBuilder是一種可視化編程環(huán)境，直接利用ArcGIS平臺中已有的各類工具，把幾種工具按一定的規(guī)則組合起來，前一個工具的輸出作為后一工具的輸入，最終形成一個流程化的模型程序。目前基于ArcGIS的開發(fā)研究主要集中在ArcObject和ArcEngine功能應(yīng)用方面；而ModelBuilder具有可視性、快捷性、組合性等特點，非常適合實際生產(chǎn)中，可根據(jù)具體需求快速地構(gòu)建模型程序。因此有必要深入研究ModelBuilder并推廣到生產(chǎn)單位中。

本文利用影像解譯研究ModelBuilder設(shè)計模型的方法以及如何有效地控制模型程序的正常運行；通過實際應(yīng)用去驗證模型程序在生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用；通過對比試驗，分析ArcObject和 Model-Builder各自特點及適用范圍。

1 ModelBuilder設(shè)計模型的技術(shù)與方法

1.1 ModelBuilder設(shè)計模型的方法

ModelBuilder設(shè)計模型的主要步驟如圖1所示。其中工具和腳本是模型實現(xiàn)具體功能的核心部分，一個模型程序由多個工具或腳本組成。ModelBuilder的優(yōu)勢在于能直接使用ArcGIS提供的所有工具（包括Esri網(wǎng)站可供下載的工具），無需編寫大量的代碼便可實現(xiàn)強(qiáng)大功能。每一個工具需要有一定的輸入、輸出變量和參數(shù)才能正常運行。一般情況下前一個工具的輸出可作為后一工具的輸入，第一個工具的輸入和最后一個工具的輸出可作為人機(jī)交互的接口，也可作為該模型與其它模型連接的接口。

圖1 模型的設(shè)計流程

控制工具是控制整個模型有序運行的必要手段；如同其他編程語言一樣，ModelBuilder也提供了判斷分支、迭代循環(huán)、前提條件等工具或腳本。模型中所有工具、腳本、變量、參數(shù)等要按一定的順序連接起來，經(jīng)過反復(fù)驗證和調(diào)試成最終的成果模型。模型程序可保存在ArcToolbox工具箱中，便于隨時使用。在設(shè)計新模型時，可將已有模型作為模型工具重復(fù)使用，不必重新設(shè)計。

1.2 模型程序的控制技術(shù)

模型的核心部分是一些ArcGIS內(nèi)置的處理工具或分析工具，通過工具的功能組合實現(xiàn)模型的功能。ArcGIS所提供的工具基本可以滿足實際工程的需要，因此絕大多數(shù)模型的設(shè)計重點不是研究如何實現(xiàn)具體的功能，而是如何控制一系列工具，使其有序的運行。

ModelBuilder提供了多種迭代器，這些迭代器相當(dāng)于編程語言中的循環(huán)指令（如For，While等），其作用是控制模型重復(fù)執(zhí)行任務(wù)。例如：“要素類迭代器”將工作空間或數(shù)據(jù)集中的所有要素類分別提取并執(zhí)行相應(yīng)操作，不斷循環(huán)直至所有的要素類被處理完成。因此在模型中的適當(dāng)位置放置迭代器，對于模型實現(xiàn)批處理功能有十分重要的意義。但ModelBuilder并不提供迭代嵌套功能，如需對每個要素類中所有要素分別提取，就不能把“要素迭代器”嵌入“要素類迭代器”中使用。經(jīng)過試驗分析，通過以下方法可以解決ModelBuilder循環(huán)嵌套的問題。將“要素迭代器”所實現(xiàn)的功能生成一個模型工具，設(shè)置好接口參數(shù)；使用“要素類迭代器”迭代預(yù)先構(gòu)建的模型。

If-then-else邏輯看似簡單，功能卻十分強(qiáng)大，根據(jù)不同條件執(zhí)行不同的操作。然而ModelBuilder并沒有提供條件分支工具。通過分析研究，該功能可以通過編寫腳本工具或利用“計算值”工具輸出布爾值的兩種方法來實現(xiàn)。

以上為python腳本工具的核心代碼，判斷field＿value值的兩種情況，分別設(shè)置兩個布爾型參數(shù)。應(yīng)用時把腳本工具添加到模型中，通過兩個布爾型參數(shù)的“true”或“false”來控制程序的分支路線。

運用迭代器和分支腳本控制模型運行實例如圖2所示，其功能是：“要素迭代器”提取每一個線要素，判斷其字段值，確定是否應(yīng)閉合，如需要則執(zhí)行閉合操作。

除了常用的循環(huán)、判斷工具外，ModelBuilder還提供了一些其它的程序控制工具，如“合并分支”、“停止”等，由于使用起來比較簡單，這里就不再贅述。

圖2 迭代與分支的應(yīng)用

1.3 利用python擴(kuò)展模型功能

Python是一種不受局限、跨平臺的開源編程語言，它功能強(qiáng)大且簡單易學(xué)。Python已延伸到Arc-GIS中，成為了一種用于數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動化的語言。ArcPy為用戶提供了使用Python語言操作所有地理處理工具的入口，并提供了多種有用的函數(shù)種類，用于處理和詢問GIS數(shù)據(jù)。使用Python和ArcPy，可以開發(fā)出大量的用于地理處理的實用程序。

Python腳本可以不依賴ArcGIS獨立運行，可以作為腳本工具保存到工具箱中使用，也可以嵌入到模型工具中隨整個模型一起運行。下面具體分析Python腳本在ModelBuilder的應(yīng)用的兩種方式。

1）Python作為腳本工具的應(yīng)用。

以上部分代碼的作用是從一個工作空間中，提取各種要素類，然后判斷該要素類是否存在“NAME”字段，如存在，即把變量“intext”的值賦給該字段。如此不斷循環(huán)，直到所有的“NAME”字段都被賦值；“intext”值可以是固定值，也可以是某一個或某幾個字段計算出的值。原本非常煩瑣的字段處理過程，僅通過幾句簡潔的代碼就能輕松實現(xiàn)。因本示例程序需要引用到ArcPy類庫，還應(yīng)在程序之前加入“import arcpy”代碼。

如果需要將上述Python程序作為腳本工具供ModelBuilder調(diào)用，還應(yīng)設(shè)置好接口參數(shù)。一般利用“arcpy.GetParameterAsText（）”函數(shù)來實現(xiàn)接口參數(shù)的設(shè)定。

2）Python嵌入內(nèi)置工具的應(yīng)用。在“計算字段”工具的“代碼塊（可選）”控件中填寫Python腳本，在“表達(dá)式”控件中加入變量運算式；以此實現(xiàn)在“代碼塊”程序的控制下，根據(jù)“表達(dá)式”計算出不同的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 Python嵌入內(nèi)置工具的應(yīng)用

通過實例分析，Python腳本非常靈活地應(yīng)用在ArcGIS的各個內(nèi)置工具中；對于擴(kuò)展ModelBuilder功能有著十分重要的意義。

2 ModelBuilder在影像解譯工程中的應(yīng)用

在當(dāng)前測繪生產(chǎn)中，普遍采用“內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性”生產(chǎn)流程，因此影像解譯對于測繪生產(chǎn)有著非常重要的意義。影像解譯的整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括：柵格影像預(yù)處理、柵格影像解譯、矢量數(shù)據(jù)提取、圖形編輯、屬性錄入等；其中每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有各自的特點，有些環(huán)節(jié)依靠計算機(jī)自動化處理數(shù)據(jù)，有些環(huán)節(jié)依靠人工判讀和人機(jī)交互處理數(shù)據(jù)。如何減少人機(jī)交互操作量，實現(xiàn)自動化處理，也是現(xiàn)在測繪科研的一個方向。

2.1 柵格影像預(yù)處理

柵格預(yù)處理工作包括投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、波段合成、重采樣、鑲嵌與裁剪、DEM正射校正等。柵格影像預(yù)處理工作涉及到海量影像數(shù)據(jù)；有著數(shù)據(jù)處理時間長，對計算機(jī)性能要求高的特點；但其工作流程相對單一，非常適用于計算機(jī)程序化地批量處理。利用ModelBuilder把ArcToolbox中現(xiàn)有的柵格處理、分析工具，按一定的方法連接起來，構(gòu)成自動化處理的模型。

在影像預(yù)處理工作中，需要把一整幅影像按照一定的范圍線，裁切成多塊圖像，供后期解譯時使用，如圖4所示。

圖4 影像自動裁切的方法

模型所示：分塊工作空間中存放了多個裁切范圍面，迭代器分別提取并提供給“裁切工具”作為輸入?yún)?shù)，裁切工具同時收集被裁切影像等參數(shù)，然后開始執(zhí)行裁切任務(wù)，最終把裁切好的影像存放在輸出工作空間中，如此循環(huán)直至裁切完成。

使用模型，避免手工重復(fù)操作，在計算機(jī)性能和存儲空間滿足要求前提下，可利用空閑時間自動化地處理數(shù)據(jù)。

矢量分割模型功能：將CAD結(jié)合表中圖號作為label點，利用裁切線自動構(gòu)面，再通過ArcToolbox的“Split”空間分析工具，把整個SHP面分割成獨立裁切面，自動命名并自動存儲，如圖5所示。

圖5 自動獲取裁切面的方法

把圖4和圖5兩個模型再通過ModelBuilder組合起來形成新的模型，操作起來會更加方便、快捷。如果需要實現(xiàn)多幅影像批量裁切功能，還應(yīng)在模型中加入“柵格迭代器”。

在柵格影像預(yù)處理中，絕大多數(shù)的處理工作都可以通過模型程序?qū)崿F(xiàn)自動化操作。模型設(shè)計的總體方法與圖4、圖5類似。

2.2 矢量數(shù)據(jù)編輯與出圖

影像解譯后期工作主要是數(shù)據(jù)編輯、檢查修改和屬性錄入等；這些數(shù)據(jù)處理過程可以由Model-Builder為具體工作設(shè)計模型程序。例如：自動封閉線模型、面裂隙檢查模型、自動消除懸掛與偽節(jié)點模型、屬性自動錄入模型等。通過ArcToolbox中的“編輯工具”、“拓?fù)涔ぞ摺?、“分析工具“、“字段工具”等常用工具的組合，再配合控制工具及Python腳本實現(xiàn)上述模型功能。

在影像的矢量提取工作完成之后，還需要利用整個測區(qū)的柵格影像和矢量成果制作1∶2 000分幅調(diào)繪底圖。調(diào)繪底圖內(nèi)容包括高分辯率影像、圖斑邊線、注記、界線等。具體工作包括柵格和矢量數(shù)據(jù)的裁切、屬性標(biāo)注、線寬、線型修改、圖外整飾等。以上工作可以使用ModelBuilder設(shè)計出自動分幅、自動符號化、自動整飾等模型程序。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在影像解譯工程中，除了數(shù)據(jù)處理、空間分析、地圖制圖外，統(tǒng)計工作也非常重要，成果中往往包括大量的統(tǒng)計表格。

某影像解譯項目的工作情況統(tǒng)計見表1，由ModelBuilder設(shè)計的模型根據(jù)成果矢量數(shù)據(jù)和任務(wù)分配表自動生成。模型中應(yīng)用了“增加字段”、“空間連接”、“生成面要素”等ArcGIS內(nèi)置工具和python腳本工具等。此類模型可以快速地提取信息，生成工作量統(tǒng)計表、元數(shù)據(jù)表、其它統(tǒng)計表等。

3 ArcObject與ModelBuilder的對比

ArcObject是ESRI基于微軟組件對象模型技術(shù)所構(gòu)建的一系列COM組件集，用戶可以使用任何支持COM的編程語言（如VB、VC＋＋、C＃）進(jìn)行開發(fā)。ArcObject提供許多ArcGIS底層的基本功能，可以把這些基本功能組合集成一個強(qiáng)大的ArcObject功能。ArcObject可以對ArcGIS進(jìn)行底層控制且更加靈活；但ArcObject有繁多的接口、對像模型圖，讓學(xué)習(xí)ArcObject變得非常困難。另外開發(fā)ArcObject應(yīng)用的人員還應(yīng)具備多年程序開發(fā)經(jīng)驗。

表1 某影像解譯項目工作情況統(tǒng)計表

ModelBuilder是基于可視化的開發(fā)工具，也是一種高度集成化的開發(fā)方法。開發(fā)人員不需要花費大量的時間去學(xué)習(xí)，也不需要花費大量時間編寫和調(diào)試程序。實踐證明只要利用幾天時間去學(xué)習(xí)ArcGIS幫助文檔，即便是非程序員也可以輕松地構(gòu)建成出實用的模型程序，特別適合生產(chǎn)任務(wù)緊急時使用。兩種開發(fā)方法的對比見表2。

以“自動封閉線”功能作為試驗對象，使用ModelBuilder和ArcObject這兩種開發(fā)方法分別設(shè)計出程序，通過對比分析，再說明各自方法的特點。使用ModelBuilder的設(shè)計方法在圖2中已說明，這里不在贅述，以下是利用ArcObject SDK和C＃編寫的核心代碼：

表2 ArcObject與ModelBuilder的對比

該程序應(yīng)用了ImxDocument、IenumFeature、Ifeature、Ipolyline、IpointCollection等接口類。其核心部分是：用接口IPointCollection中的方法“AddPoint（inPoint，［，before］［，after］）”，為 Polyline要素增加頂點。

通過分析：ModelBuilder設(shè)計的模型有著結(jié)構(gòu)清晰，操作簡單的優(yōu)點。ArcObject設(shè)計程序其優(yōu)點在于豐富的接口類和底層控制能力，可以實現(xiàn)許多ModelBuilder無法實現(xiàn)的功能；例如在人機(jī)交互式操作方面，ModelBuilder很難實現(xiàn)響應(yīng)用戶隨時發(fā)出的指令和動作。

使用以上兩種方法分別處理相同的數(shù)據(jù)，以此作為各自運行效率的對比。在約150條左右的Polyline線自動封閉試驗中：使用模型程序，數(shù)據(jù)處理總花費時間約為56s；使用ArcObjects程序，數(shù)據(jù)處理總花費時間約為5s。ArcObjects程序處理數(shù)據(jù)更快是因為ArcObjects直接從底層讀取并修改數(shù)據(jù)；而模型程序每操作一個要素，都要調(diào)用模型中所有的工具。

因此ArcObjects SDK和ModelBuilder作用互補(bǔ)，ArcObjects可通過新的行為來擴(kuò)展ArcGIS，而ModelBuilder是專為自動執(zhí)行任務(wù)而設(shè)計的。

4 結(jié)束語

本文研究ModelBuilder設(shè)計模型的方法，把所設(shè)計好的模型程序應(yīng)用于影像解譯的實際生產(chǎn)過程中，ModelBuilder無論在提高地理數(shù)據(jù)處理效率，還是在擴(kuò)展ArcGIS功能方面都有著十分重要的意義。在研究過程中，本文對比分析了利用ModelBuilder構(gòu)建的模型與利用ArcObjects設(shè)計的應(yīng)用程序之間的差異；筆者也對如何有效地運用兩種程序方案為測繪生產(chǎn)服務(wù)提出了自己的觀點。

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