基于GDAL的標(biāo)準(zhǔn)圖幅生成及數(shù)據(jù)批量裁剪方法*1

鄒廣黔，夏正清，吳孔江，王靜宇

(貴州省第一測(cè)繪院，貴州 貴陽　550025)

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基于GDAL的標(biāo)準(zhǔn)圖幅生成及數(shù)據(jù)批量裁剪方法*1

鄒廣黔，夏正清，吳孔江，王靜宇

(貴州省第一測(cè)繪院，貴州 貴陽550025)

摘要：目前，大多數(shù)GIS軟件均能實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的裁剪，但集標(biāo)準(zhǔn)圖框生成及可定制的批量裁剪為一體的軟件則較少。據(jù)此，文章通過研究矩形圖框、梯形圖框的計(jì)算方法以及高斯投影正、反算法，在VC6.0中使用C++及開源GDAL庫(kù)實(shí)現(xiàn)了各種比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖框的批量生成，并可根據(jù)用戶的各類需求實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)(.shp格式)和柵格數(shù)據(jù)(.tif/.img/.pix格式)的批量裁剪，從而實(shí)現(xiàn)了GIS數(shù)據(jù)裁剪的高效性及可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：GDAL；矢量數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)；批量裁剪；C++；標(biāo)準(zhǔn)圖幅

0引言

現(xiàn)今GIS軟件已能在縣級(jí)行政區(qū)范圍甚至省級(jí)行政區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)的管理與分析，但對(duì)于實(shí)際工作來說，將項(xiàng)目區(qū)按一定比例尺劃分是必不可少的：一方面便于圖形的編繪，另一方面便于成果的管理。在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域，數(shù)據(jù)主要由兩部分構(gòu)成，即矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)是通過記錄坐標(biāo)的方式將點(diǎn)、線和面等地理空間實(shí)體進(jìn)行表示和存儲(chǔ)，具有“位置明顯、屬性隱含”的特點(diǎn)；柵格數(shù)據(jù)是將地理實(shí)體以像元形式表示和存儲(chǔ)，每個(gè)像元由行列號(hào)確定其具體位置，具有“屬性明顯、位置隱含”的特點(diǎn)[1]。地圖有兩種分幅方式，即矩形分幅和經(jīng)緯線分幅：前者對(duì)應(yīng)比例尺為1∶2 000、1∶1 000及1∶500三種；后者則對(duì)應(yīng)為國(guó)家基本比例，分別為1∶100萬、1∶50萬、1∶25萬、1∶10萬、1∶5萬、1∶2.5萬、1∶1萬及1∶5 000八種[2-3]。

以2014年全國(guó)范圍內(nèi)開展的第一次地理國(guó)情普查項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目要求上交1∶2.5萬或1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅的DOM數(shù)據(jù)、地表覆蓋及地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容[4]。在項(xiàng)目實(shí)際開展過程中，貴州省將原始DOM進(jìn)行1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅裁剪，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行地表覆蓋、地理國(guó)情要素等數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，然后再進(jìn)行接邊得到全縣的地表覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)、地理國(guó)情要求數(shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容。在項(xiàng)目后期質(zhì)量檢查評(píng)定過程中，需要按圖幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)定，為此，需將縣級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)按照1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅進(jìn)行裁剪以便統(tǒng)計(jì)相關(guān)矢量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)或面積，且在相關(guān)專題資料的使用過程中也要對(duì)其進(jìn)行裁剪，如第一次全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)。由上述內(nèi)容可以看出，需要對(duì)矢量數(shù)據(jù)(地表覆蓋數(shù)據(jù)、地理國(guó)情數(shù)據(jù))及柵格數(shù)據(jù)(DOM)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖幅裁剪(1∶1萬、1∶2.5萬及1∶5萬)，對(duì)于大比例尺測(cè)圖，可能會(huì)有1∶500、1∶2 000等矢量數(shù)據(jù)及柵格數(shù)據(jù)的裁剪。目前，市面上的GIS軟件大都帶有裁剪功能(如ArcGIS的clip及extract by mask分別用來對(duì)矢量數(shù)據(jù)及柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪)，但基于各類比例尺圖框的批量裁剪則較少。為此，本文利用GDAL開源庫(kù)，使用C++在VC6.0中編程實(shí)現(xiàn)了基于各類比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖框的矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)批量裁剪，且對(duì)裁剪的相關(guān)要求可實(shí)現(xiàn)定制(如外擴(kuò)距離，左上角坐標(biāo)等)。

1GDAL概述

GDAL全稱為Geospatial Data Abstraction Library，是一個(gè)在X/MIT許可協(xié)議下讀寫柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的開源庫(kù)，它利用抽象數(shù)據(jù)模型來表達(dá)所支持的各種格式[5]。GDAL作為GIS領(lǐng)域的開源庫(kù)，它提供了對(duì)各種格式的柵格數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)的讀寫、轉(zhuǎn)換、處理等功能，并公布了相關(guān)的源代碼，為用戶從底層進(jìn)行功能擴(kuò)展提供了便利[6]。GDAL自2007年發(fā)布1.1.0版本以來，至今已經(jīng)到了1.11.1版本，本文使用的版本為2014年4月25日發(fā)布的1.11.0版本。

2數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)圖幅批量裁剪流程

為便于分幅圖形數(shù)據(jù)的再使用，數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)圖幅批量裁剪分兩大部分組成，即標(biāo)準(zhǔn)圖幅生成(以圖幅名稱命名的ShapeFile格式面文件)和數(shù)據(jù)裁剪(矢量數(shù)據(jù)及柵格數(shù)據(jù))，具體流程見圖1。

圖1　數(shù)據(jù)批量裁剪流程Fig.1　Batch clipping flow of data

3標(biāo)準(zhǔn)圖幅批量生成

3.1矩形圖框批量生成

本文所述矩形圖框僅限于大比例尺，即1∶500、1∶1 000、1∶2 000，圖幅大小為50 cm×50 cm。矩形圖框以整公里、整百米或整五十米坐標(biāo)進(jìn)行分幅，圖幅號(hào)以西南角坐標(biāo)公里數(shù)編號(hào)[5-7]。

3.1.1批量計(jì)算圖幅號(hào)

通過輸入的起止投影直角坐標(biāo)，批量計(jì)算相應(yīng)比例尺圖幅號(hào)，計(jì)算方法[7]如下：

1)計(jì)算東、北方向的圖幅總數(shù)

row=(MAXY-MINY)/DY；col=(MAXX-MINX)/DX。其中，(MINX，MINY)和(MAXX，MAXY)分別為起止點(diǎn)的坐標(biāo)，DX和DY為不同比例尺圖幅的東方向和北方向?qū)嶋H距離，見表1。

表1大比例尺DX及DY取值(50 cm×50 cm標(biāo)準(zhǔn)圖幅)

Tab.1Large-scale DX and DY values(50 cm×50 cm standard mapsheet)

比例尺DXDY1∶5002502501∶10005005001∶200010001000

2)獲取所有圖幅的圖幅號(hào)

以上一步中求取的row及col進(jìn)行循環(huán)，得到所有圖幅號(hào)，如當(dāng)前row為i，col為j，則圖幅號(hào)計(jì)算如下：

x=(MINX+i×DX)/1 000；y=(MINY+j×DY)/1 000；圖幅號(hào)即為y-x。

3.1.2批量繪制圖框

在VC中使用GDAL庫(kù)提供的相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖框的批量繪制，保存格式為ShapeFile面文件，輸出方式有兩種：一種為一幅一個(gè)文件，并以圖幅號(hào)作為其文件名；另一種為所有圖框均生成到一個(gè)文件中，并為其增加一個(gè)TFH字段以便管理?，F(xiàn)以第一種情況為例對(duì)批量繪制圖框進(jìn)行介紹：

1)首先通過圖幅號(hào)獲取四角坐標(biāo)，并存入對(duì)應(yīng)的數(shù)組，對(duì)圖框有特殊需求的，可在此計(jì)算，如地理國(guó)情普查項(xiàng)目中DOM裁剪計(jì)算公式[8]為：

(1)

式中：R為DOM分辨率。通過計(jì)算得到新的起止坐標(biāo)，并以此得到四角坐標(biāo)，以西南角為起點(diǎn)順時(shí)針將東坐標(biāo)及北坐標(biāo)分別存入X及Y數(shù)組中，通過編寫代碼即可實(shí)現(xiàn)圖框文件的批量生成。

2)將數(shù)組中的坐標(biāo)串轉(zhuǎn)換為面狀圖形，起止點(diǎn)重合才能形成一個(gè)完整面，代碼為：

for(int i=0；i<4；i++)

{ pt.setX(X[i])；pt.setY(Y[i])；pRing->addPoint(&pt)；}

pt.setX(X[0])；pt.setY(Y[0])；

pRing->addPoint(&pt)；

pRing->closeRings()；

pPolygon->addRing(pRing)；

OGRGeometry *pGeo=(OGRGeometry*)pPolygon；

OGRFeature *PF=OGRFeature：：CreateFeature(pDefn)；

PF->SetGeometry(pGeo)；

pLayer->CreateFeature(PF)；

3.2梯形圖框批量生成

梯形圖框主要用于國(guó)家基本比例尺，即1∶5 000-1∶50萬，按照最新編號(hào)方法對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。

3.2.1批量計(jì)算圖幅號(hào)

1)計(jì)算起止圖幅號(hào)

梯形圖框均以1∶100萬圖框向下擴(kuò)展而得，其圖幅總數(shù)計(jì)算方法較矩形框有所不同，不能通過坐標(biāo)直接計(jì)算，只能通過圖幅號(hào)間接計(jì)算。通過輸入的起止經(jīng)緯坐標(biāo)，獲取起止圖幅號(hào)，計(jì)算公式為：

(2)

式中：a、b表示當(dāng)前圖幅在1∶100萬比例尺中的行列號(hào)，前者用字母表示，后者用實(shí)際值表示；c、d表示當(dāng)前圖幅號(hào)的行列號(hào)；LONG和LAT表示待求圖幅號(hào)的經(jīng)緯度，用十進(jìn)制度表示；DLONG和DLAT表示不同比例尺的經(jīng)差及緯差(見表2)。

表2中小比例尺經(jīng)差及緯差取值及代碼

Tab.2Latitude and longitude difference values and codes in small and medium scale

比例尺DLONGDLAT總行數(shù)總列數(shù)代碼1∶50001'52.5″1'15″192192H1∶100003'45″2'30″9696G1∶250007'30″5'4848F1∶5000015'10'2424E

對(duì)于輸入坐標(biāo)為投影直角坐標(biāo)的，需通過高斯反算公式計(jì)算其經(jīng)緯度方可計(jì)算圖幅號(hào)，相關(guān)公式見文獻(xiàn)[9]。

2)獲取起止點(diǎn)內(nèi)的所有圖幅號(hào)

依據(jù)起止點(diǎn)圖幅號(hào)中的a、b、c、d四個(gè)值，批量計(jì)算范圍內(nèi)的所有圖幅號(hào)，需考慮如下4種情況進(jìn)行計(jì)算：首先是a、b均不變，即當(dāng)前比例尺圖幅都在一幅1∶100萬圖幅內(nèi)；其次是a變b不變；再次是a不變b變；最后是a、b均改變。

3.2.2批量繪制圖框

批量繪制圖框步驟：

1)通過圖幅計(jì)算西南角經(jīng)緯度

通過3.2.1的圖幅號(hào)計(jì)算公式反推計(jì)算LAT及LONG，該經(jīng)緯度即為當(dāng)前圖幅西南角坐標(biāo)。

2)獲取四角經(jīng)緯坐標(biāo)

通過第一步中的經(jīng)緯度及不同比例尺的經(jīng)差和緯差，得到四角經(jīng)緯坐標(biāo)如下：

西南(LONG，LAT)；東南(LONG+DLONG，LAT)；東北(LONG+DLONG，LAT+DLAT)；西北(LONG，LAT+DLAT)。

3)獲取四角直角坐標(biāo)

通過第二步中獲取的經(jīng)緯度，通過高斯正算公式計(jì)算獲取其對(duì)應(yīng)的投影直角坐標(biāo)，在此可對(duì)圖框的特殊要求進(jìn)行定制，將最終的四角X坐標(biāo)和四角Y坐標(biāo)寫入對(duì)應(yīng)的X及Y數(shù)組中，高斯正算公式見文獻(xiàn)[8]。

4)圖形批量生成

按照3.1.2中的方法批量生成ShapeFile格式的面圖框。

4批量裁剪

4.1矢量數(shù)據(jù)批量裁剪

通過讀取被裁剪數(shù)據(jù)文件夾及裁剪框文件夾，實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)裁剪。保存結(jié)果有兩種：一種為全部裁剪結(jié)果存放到一個(gè)文件夾中，并在被裁剪文件名前加入裁剪框名稱，以示區(qū)別；另一種為以裁剪框名稱新建文件夾，將裁剪結(jié)果按原名稱保存到對(duì)應(yīng)的文件夾下?，F(xiàn)以第一種方法為例簡(jiǎn)要敘述實(shí)現(xiàn)過程[5，7]：

1)獲取保存文件名，代碼如下：

EndFileName=DesFol+"\"+CJKShpName+ "-"+BCWJShpName+".shp"；

2)獲取待裁文件，代碼如下：

OGRDataSource *pSDS=OGRSFDriverRegistrar：：Open(BCWJFilePath，F(xiàn)ALSE)；

OGRLayer *pSLayer=pSDS->GetLayer(0)；

3)獲取裁剪框文件，代碼如下：

OGRDataSource *pEDS=OGRSFDriverRegistrar：：Open(CJKFilePath，F(xiàn)ALSE)；

OGRLayer *pELayer=pEDS->GetLayer(0)；

4)創(chuàng)建裁剪結(jié)果圖層，代碼如下：

OGRDataSource *pDstDS=pDriver->CreateDataSource(EndFileName，NULL)；

對(duì)點(diǎn)、線、面使用不同的參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建，代碼如下：

OGRSpatialReference *pSRS=pSLayer->GetSpatialRef()；

if(pELayer->GetGeomType()==wkbPolygon)

pDstLayer=pDstDS->CreateLayer("polygon"，pSRS，wkbPolygon，NULL)；

if(pELayer->GetGeomType()==wkbLineString)

pDstLayer=pDstDS->CreateLayer("polygon"，pSRS，wkbLineString，NULL)；

if(pELayer->GetGeomType()==wkbPoint)

pDstLayer=pDstDS->CreateLayer("polygon"，pSRS，wkbPoint，NULL)；

5)執(zhí)行裁剪，代碼如下：

pSLayer->Intersection(pELayer，pDstLayer，NULL，GDALTermProgress，NULL)；

裁剪結(jié)果中的屬性名稱既有裁剪框的也保留了被裁數(shù)據(jù)的，若裁剪框只有自帶的FID及Shape兩個(gè)字段，則裁剪結(jié)果屬性名稱僅為被裁數(shù)據(jù)的，屬性值將復(fù)制原有內(nèi)容，但面積、長(zhǎng)度等與幾何圖形相關(guān)的屬性在裁剪后并未自動(dòng)更新，需手動(dòng)重新計(jì)算以更新其值。

4.2柵格數(shù)據(jù)批量裁剪

柵格數(shù)據(jù)裁剪分兩種：基于矩形的規(guī)則裁剪和基于多邊形的不規(guī)則裁剪，GDAL庫(kù)中對(duì)應(yīng)的接口為RasterIO函數(shù)和GDALWarp工具。由于本文所述標(biāo)準(zhǔn)圖幅均為規(guī)則裁剪，所以選擇RasterIO函數(shù)來進(jìn)行影像裁剪。裁剪框坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)與被裁文件保持一致，如果被裁文件為地理坐標(biāo)，則裁剪框坐標(biāo)也必須為地理坐標(biāo)。本文柵格數(shù)據(jù)為投影直角坐標(biāo)，所以裁剪框坐標(biāo)必須為投影直角坐標(biāo)，具體裁剪流程如下：

1)獲取待裁柵格數(shù)據(jù)的6參數(shù)及其它相關(guān)信息，代碼如下：

GDALDataset *pSrcDS=(GDALDataset*)GDALOpen(m_RSPATH，GA_ReadOnly)；

double GeoTranform[6]；

pSrcDS->GetGeoTransform(GeoTranform)；

關(guān)于6參數(shù)的說明：

0—像素1，1(左上方)的Y坐標(biāo)；

1—Y方向上的像素分辨率；

2—平移量；

3—像素1，1(左上方)的X坐標(biāo)；

4—旋轉(zhuǎn)量；

5—X方向上的像素分辨率。

其中，0、3分別為東方向最小和北方向最大值(即西北方向起始像元中心點(diǎn)坐標(biāo))，1、5分別為東方向和北方向分辨率，2、4則為東方向和北方向的旋轉(zhuǎn)值(一般為0)。

獲取行列值，代碼如下：

int rXSize=pSrcDS->GetRasterXSize()；

int rYSize=pSrcDS->GetRasterYSize()；

獲取波段：

int nDstBC=pSrcDS->GetRasterCount()；

2)獲取西北角直角坐標(biāo)及東南角直角坐標(biāo)

對(duì)于矩形框，通過圖幅號(hào)即可計(jì)算西北角直角坐標(biāo)；對(duì)于梯形框，需通過圖幅號(hào)計(jì)算其西北角經(jīng)緯度后使用高斯正算公式得到直角坐標(biāo)。此處計(jì)算西北角直角坐標(biāo)為像元起始點(diǎn)的中心點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)于有外擴(kuò)及其它要求的，在此進(jìn)行計(jì)算即可。

算例：計(jì)算1∶1 000比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖框外擴(kuò)100個(gè)像元的西北角直角坐標(biāo)及東南角坐標(biāo)

MINX=atof(TFH.Right(5))*1000- GeoTranform[1]*100；

MAXY=atof(TFH.Left(6))*1000+500+ ABS(GeoTranform[5])*100；

MAXX=atof(TFH.Right(5))*1000+500+ GeoTranform[1]*100；

MINY=atof(TFH.Left(6))*1000- ABS(GeoTranform[5])*100；

3)獲取在被裁數(shù)據(jù)中的行列號(hào)，代碼如下：

double dTemp = GeoTransform[1]*GeoTransform[5] - GeoTransform[2]*GeoTransform[4]；

Col=int((GeoTransform[5]*(X-adfGeoTransform[0])-GeoTransform[2]*(Y-GeoTransform[3]))/dTemp+0.5)；

Row=int((GeoTransform[1]*(Y-GeoTransform[3])-GeoTransform[4]*(X-GeoTransform[0]))/dTemp+0.5)；

4)計(jì)算裁剪后的行列數(shù)，代碼如下：

int nPixel=(int)(((MAXX-MINX)/ adfGeoTranform[1])+0.5)；

int nLines=(int)(((MAXY-MINY)/ABS(adfGeoTranform[5]))+0.5)；

5)創(chuàng)建裁剪結(jié)果，代碼如下：

GDALDataset *hDstDS=hDriver->Create(pszDstFile，nPixel，nLines，nDstBandCount，eDT，NULL)；

6)執(zhí)行裁剪，代碼如下：

pSrcDS->RasterIO(GF_Read，Col，Row，nPixel，nLines，pDataBuff，nPixel，nLines，eDT，nDstBC，pBand，0，0，0)；

hDstDS->RasterIO(GF_Write，iEndX，iEndY，nPixel，nLines，pDataBuff，nPixel，nLines，eDT，nDstBC，pBand，0，0，0)；

如被裁數(shù)據(jù)小于裁剪框范圍，需正確計(jì)算Row、Col、iEndX、iEndY、nPixel、nLines等6個(gè)參數(shù)的值才能保證裁剪結(jié)果的正確性。分以下4種情況進(jìn)行設(shè)置：

①裁剪框東邊大于被裁文件，代碼如下：

nPixel= rXSize-Col；iEndX=0；iEndY=0；

②裁剪框南邊大于被裁文件，代碼如下：

nLines= rYSize-Row；iEndX=0；iEndY=0；

③裁剪框西邊大于被裁文件，代碼如下：

iEndX=ABS(Col)；nPixel=nPixel-iEndX；iStartX=0；

④裁剪框北邊大于被裁文件，代碼如下：

iEndY=ABS(Row)；nLines=nLines-iEndY；iStartY=0；

5結(jié)論

本文通過C++語言及開源GDAL庫(kù)，在VC中實(shí)現(xiàn)了各種比例尺的標(biāo)準(zhǔn)圖框生成。圖框生成方式有最小外接矩形、標(biāo)準(zhǔn)圖框及最小外接矩形外擴(kuò)等，結(jié)果為一個(gè)或若干個(gè)ShapeFile面文件；通過圖框可實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的批量裁剪，通過GDAL庫(kù)提供的RasterIO函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)基于各類比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖框的柵格數(shù)據(jù)批量裁剪，對(duì)于柵格數(shù)據(jù)裁剪有特殊需求的均可在程序中實(shí)現(xiàn)，如計(jì)算起始點(diǎn)像元中心點(diǎn)坐標(biāo)、生成TFW文件、生成柵格數(shù)據(jù)的投影文件等。

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ZOU Guang-qian，XIA Zheng-qing，WU Kong-jiang，WANG Jing-yu

(FirstSurveyingandMappingInstituteofGuizhouProvince，GuiyangGuizhou550025，China)

Abstract：At present，most GIS software can realize the clipping of the vector and raster data，but there has been less softwares which conbines the generation of standard frame and customizable batch clipping.And than this paper studies the calculation method of rectangular frame and a ladder frame，and Gauss projection positive and negative algorithm，using of C++ and the open source GDAL library in VC6.0 to generate the various scale standard frame，and can realize the batch clipping of the vector data(.shp format)and raster data(.tif/.img/.pix format)according to the needs of users，so as to achieve the clipping efficiency and scalability of GIS data.

Key words：GDAL；vector data；raster data；batch clipping；C++；standard mapsheet

* 收稿日期：2016-03-17

中圖分類號(hào)：P 208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-9394(2016)02-0001-04

作者簡(jiǎn)介：鄒廣黔(1974～)，男，貴州平壩人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)繪與地理信息應(yīng)用研究方面的工作。

地礦測(cè)繪2016，32(2)：1～4

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources