基于ArcGIS環(huán)境的地形剖面圖制作方法

王春范

(遼寧省第十地質(zhì)大隊(duì)，遼寧 撫順 113004)

1 引 言

地形剖面圖(profile of topography)，是以垂直于地表面的截面切割地面，以反映地面起伏曲線的圖形[1]。是道路、管線、勘探等工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)文件之一[2]，在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。盡管數(shù)字化基礎(chǔ)地理信息成果已經(jīng)逐步普及，多數(shù)GIS軟件也具有剖面自動生成的功能，但是，由于以下兩方面的主要原因，GIS環(huán)境下的地形剖面圖制作，存在許多問題有待探討。

首先，所有具有剖面制作功能的GIS軟件，均是以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而完成的，而常規(guī)DEM數(shù)據(jù)多是以原始DLG數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成的，用DLG數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)時(shí)，必然疊加上DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建過程所產(chǎn)生的誤差，同時(shí)也會將部分地形特征信息丟失；其次，現(xiàn)行的通用GIS軟件，均只具備自動生成簡單地形剖面線的功能，并不能同時(shí)生成剖面圖中的平面投影圖要素，使其難以實(shí)用于工程設(shè)計(jì)。

本文在實(shí)際工作中，探索了一套以原始數(shù)字線劃圖DLG數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS環(huán)境下制作地形剖面圖的方法，現(xiàn)介紹給同行們以供參考。

2 剖面圖地理要素創(chuàng)建及轉(zhuǎn)換處理

剖面圖中的地理要素包括兩方面的內(nèi)容，一是反映高程信息的剖面地形線；二是反映平面位置信息的剖面投影平面圖，在數(shù)字化制圖環(huán)境中，可以將剖面投影平面圖中要求反映的平面坐標(biāo)格網(wǎng)線當(dāng)作一般線要素看待來進(jìn)行處理。這些要素在GIS環(huán)境中，以系統(tǒng)平臺定義的坐標(biāo)系統(tǒng)表達(dá)要素的平面位置信息，要素的高程信息則儲存在與要素相關(guān)的屬性表中。而在剖面圖中，剖面地形線是以高程為縱向參考，以距離剖面起始端點(diǎn)的水平投影距離為橫向參考來作為制圖表達(dá)；在剖面投影平面圖中，是以剖面起始端點(diǎn)為原點(diǎn)，以2個(gè)剖面端點(diǎn)所確定的空間線段在水平面上的投影線為橫軸建立起投影平面圖的制圖參考系。這就需要建立剖面圖制圖參考框架，并據(jù)此構(gòu)造出DLG環(huán)境下平面直角坐標(biāo)系及高程系統(tǒng)與剖面圖制圖參考框架的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)剖面圖地理要素在GIS環(huán)境下的自動轉(zhuǎn)換與編輯制作。

2.1 地形剖面圖制圖參考框架的定義

根據(jù)地形剖面圖的實(shí)際特性，需要分別對應(yīng)地形剖面線圖和水平投影圖建立兩套既有區(qū)別又有聯(lián)系的制圖參考框架。

圖1 剖面圖制圖參考框架示意圖

(1)地形剖面線制圖參考框架

地形剖面線(profile line of topography)，是地表面與沿剖面線方向鉛垂剖切面的交線[3]，是地形剖面圖中的核心地理要素。它的制圖參考框架定義為：

如圖1所示，以地形剖面線起始端點(diǎn)A為原點(diǎn)，以此原點(diǎn)與剖面線終止端點(diǎn)B連線為水平軸，其長度單位與剖面線水平投影長度S相同；以過原點(diǎn)的鉛垂線為縱軸，長度單位與剖面線高程H值相同。

(2)剖面投影平面圖制圖參考框架

剖面投影平面圖(profile projection of plan)，繪制在剖面圖的下方，用以反映剖面線上及其兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)的地物、地貌、地質(zhì)現(xiàn)象、勘探工程等要素分布情況的帶狀平面圖。其制圖參考框架定義為：

在與原地形圖相同的水平投影面上，以地形剖面線起始端點(diǎn)A為原點(diǎn)，以此原點(diǎn)與剖面線終止端點(diǎn)B的連線為水平軸，以過原點(diǎn)A且與水平軸AB相垂直的線為縱軸，兩軸的長度單位與剖面線水平投影長度S相同。

由以上定義可知，兩種制圖參考框架之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，它們分別位于兩個(gè)不同的投影面上，投影方向相互垂直，但共同以投影到水平面上的地形剖面線為橫軸，且在該橫軸上的長度單位相同，這樣就將地形剖面線圖和剖面投影平面圖各自所在投影面聯(lián)系了起來。

2.2 剖面點(diǎn)數(shù)據(jù)處理

(1)圖形文件準(zhǔn)備

剖面點(diǎn)(profile point)，位于剖面線上的項(xiàng)目工程點(diǎn)、地質(zhì)點(diǎn)、地物點(diǎn)、地貌點(diǎn)的總稱，是繪制地形剖面線的依據(jù)。在剖面點(diǎn)數(shù)據(jù)采集之前，須在ArcCatolog環(huán)境下建立用以存儲剖面點(diǎn)數(shù)據(jù)的shapefile，要求其屬性表具有表1列出的字段。

剖面點(diǎn)屬性表 表1

(2)剖面點(diǎn)要素創(chuàng)建

在ArcMap環(huán)境下打開相關(guān)的DLG數(shù)據(jù)文件，包括剖面線文件和新建的剖面點(diǎn)文件，并將剖面點(diǎn)文件設(shè)置為可編輯狀態(tài)。

如圖2(a)所示，由剖面起始點(diǎn)開始，根據(jù)剖面圖測繪的相關(guān)要求，沿著剖面線創(chuàng)建剖面點(diǎn)，經(jīng)圖面內(nèi)插或讀取原有要素高程屬性值等方法確定剖面點(diǎn)位高程值，同時(shí)輸入到屬性表中。

圖2剖面點(diǎn)數(shù)據(jù)處理及成圖

剖面點(diǎn)要素編輯完成并保存后，下一步需要在其屬性表環(huán)境下提取剖面點(diǎn)在地圖窗口下的X、Y坐標(biāo)值，用X、Y值計(jì)算各剖面點(diǎn)與剖面起始點(diǎn)A之間的水平距離。具體操作如下：

①在ArcMap的“內(nèi)容列表”窗口中，選擇剖面點(diǎn)要素類文件并打開其屬性表。

②利用ArcGIS系統(tǒng)提供的屬性表字段“計(jì)算幾何”功能，提取剖面點(diǎn)的x、y坐標(biāo)值，并填充到屬性表的X列和Y列；利用系統(tǒng)的“字段計(jì)算器”功能，用屬性表的X列和Y列數(shù)值及兩點(diǎn)間距離計(jì)算公式，求取各剖面點(diǎn)至剖面起始端點(diǎn)A的水平距離并存入屬性表S列。具體操作如圖3所示。

③在屬性表的“表選項(xiàng)”菜單中選擇“導(dǎo)出新表”項(xiàng)，導(dǎo)出一個(gè)新表，并將其添加到當(dāng)前地圖窗口的內(nèi)容列表中。系統(tǒng)會自動賦給新表一個(gè)默認(rèn)的文件名Export_Output_1。

④在剖圖制圖框架下生成剖面點(diǎn)圖形。在內(nèi)容列表窗口中右擊新表Export_Output_1打開功能菜單，選擇“顯示xy數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，彈出如圖4所示的選項(xiàng)窗口，選擇新表Export_Output_1的S列作x軸，H列作y軸，單擊“確定”按鈕，便會在我們定義的地形剖面線制圖框架內(nèi)創(chuàng)建出顯示剖面線高低起伏特性的點(diǎn)要素圖形，如圖4所示。

圖3 ArcGIS字段計(jì)算器窗口

圖4 ArcGIS“顯示xy數(shù)據(jù)”選項(xiàng)窗口

2.3 地形剖面線繪制

在此之前，須在ArcCatolog環(huán)境下建立一個(gè)用以存儲地形剖面線數(shù)據(jù)的shapefile。將該文件添加到當(dāng)前地圖窗口中，并設(shè)置為可編輯狀態(tài)。用線要素構(gòu)造器繪制編輯地形剖面線圖形，先由剖面端點(diǎn)A開始，用折線順次逐個(gè)連接全部剖面點(diǎn)要素，到剖面端點(diǎn)B結(jié)束，再用ArcMap“高級編輯”中的“平滑”功能選項(xiàng)，將該折線處理成平滑曲線，地形剖面線制作完成。如圖5所示。

圖5 地形剖面圖繪制示意圖

2.4 剖面投影平面圖的制作

剖面投影平面圖制作的基本思路是：根據(jù)平面圖要求的范圍，利用Arctoolbox中的“裁剪”工具，在DLG平面直角坐標(biāo)系中，對要求在投影平面圖中表達(dá)的要素進(jìn)行裁剪處理；利用ArcMap環(huán)境所帶的“空間校正”工具，將平面直角坐標(biāo)系下的圖形要素轉(zhuǎn)換至剖面圖制圖框架中，再經(jīng)取舍、編輯處理后完成投影平面圖的制作。這里需要說明的一點(diǎn)是，有的行業(yè)規(guī)范要求在剖面投影平面圖中繪制高斯投影平面直角縱橫坐標(biāo)線，稱X線和Y線，按照傳統(tǒng)的手工制圖模式，這項(xiàng)工作需要進(jìn)行煩瑣的計(jì)算和展繪。而在本文介紹的方法中，可將坐標(biāo)格網(wǎng)當(dāng)作一般地理要素類看待，與其他地理要素一同進(jìn)行裁剪、轉(zhuǎn)換處理得到。

對于要素類裁剪步驟，此處不做介紹，僅對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換介紹如下。

如圖2(b)所示，為經(jīng)裁剪處理后的地形圖窗口，位于此圖中央的A—B線段為地形剖面線在高斯—克呂格投影面上的水平投影圖，縱橫垂直交叉的格網(wǎng)線是平面直角坐標(biāo)系的X、Y坐標(biāo)方里網(wǎng)線，其他要素是剖面投影平面圖要求繪制的內(nèi)容。

將圖2(b)所示的內(nèi)容，從地形圖所在的高斯平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地形剖面圖的制圖參考框架中，以滿足剖面投影平面投影圖制作的需要。其基本做法是：以剖面線起始點(diǎn)A和終點(diǎn)B的平面直角坐標(biāo)為源數(shù)據(jù)，以A、B兩點(diǎn)在制圖參考框架中的縱橫相對距離為目標(biāo)數(shù)據(jù)，利用ArcMap所帶的“空間校正”功能模塊完成圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在具體的轉(zhuǎn)換操作中，轉(zhuǎn)換目標(biāo)的具體位置由預(yù)先設(shè)定的A、B兩點(diǎn)在制圖參考框架中的數(shù)據(jù)確定。這里有兩點(diǎn)具體要求：一是A、B兩點(diǎn)與地形剖面線的起、止端點(diǎn)必須對齊，即橫向參考數(shù)據(jù)相等；二是A、B兩點(diǎn)的縱向制圖參考數(shù)據(jù)，確定了投影平面圖在整體剖面圖中的圖面位置，要求投影平面圖與地形剖面線圖之間的相對關(guān)系須滿足相關(guān)規(guī)范要求。因此，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前需要進(jìn)行必要的制圖設(shè)計(jì)計(jì)算。轉(zhuǎn)換后的結(jié)果如圖2(c)所示。

2.5 剖面圖輔助要素制作

一幅完整的地形剖面圖，應(yīng)該包括地理要素、數(shù)學(xué)要素、專題要素和輔助要素等4方面內(nèi)容。本文介紹了地理要素和部分?jǐn)?shù)學(xué)要素(X、Y線)的制作，如果專題要素已經(jīng)在地形圖中創(chuàng)建，則可將其當(dāng)作一般地理要素轉(zhuǎn)換到剖面圖中，對于圖廓、注記、圖簽等輔助要素，可依據(jù)規(guī)范按照一般制圖要求完成，本文不做具體介紹。

3 結(jié) 語

本文介紹了一套以數(shù)字線劃圖(DLG)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件系統(tǒng)所具有的圖、表操作功能制作地形剖面圖的方法。

(1)定義了地形剖面圖制圖參考框架；

(2)介紹了在ArcGIS環(huán)境下，地形剖面線的創(chuàng)建以及投影平面圖地理要素和數(shù)學(xué)要素的轉(zhuǎn)換方法；

(3)經(jīng)轉(zhuǎn)換生成剖面圖地理要素，具有屬性數(shù)據(jù)，可以保留其在DLG環(huán)境中的原有屬性數(shù)據(jù)，還可根據(jù)需要擴(kuò)充新的屬性項(xiàng)，這為地形剖面圖空間數(shù)據(jù)庫的建立創(chuàng)造了條件。

致謝：本文在完成過程中得到撫順市勘察測繪院總工程師趙廣信的幫助，在此深表謝意！