森林小班跨圖層編號(hào)地理處理模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹明蘭，李亞東，2，樊昌晉，高紹偉

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)隊(duì)，山西 大同 037000）

森林在區(qū)域生態(tài)發(fā)展和氣候變化研究中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，其動(dòng)態(tài)變化有著重要的研究價(jià)值[1-2]。森林小班是準(zhǔn)確標(biāo)示到圖上的基本區(qū)劃單位，是森林資源二類調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和經(jīng)營、管理的基本單位。通常將立地條件、林分因子、采伐方式、經(jīng)營措施相同和集材系統(tǒng)一致的林分劃為一個(gè)小班。森林小班編號(hào)是森林資源管理和制圖工作中的一項(xiàng)重要工作。

在傳統(tǒng)林業(yè)制圖中規(guī)定，小班編號(hào)需要遵循從北向南、從西向東的原則[3]。人工編號(hào)不僅效率低，而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤、漏號(hào)、重號(hào)等問題[4]。以往研究主要利用Access[5]、Excel[6]、ArcGIS與VB[7]、ArcGIS_Engine[8]等工具編制小班自動(dòng)編號(hào)模型，但僅實(shí)現(xiàn)了同一圖層中的自動(dòng)編號(hào)，未達(dá)到批量、跨圖層編號(hào)，也不能集成到ArcGIS空間分析中應(yīng)用和共享。遇到島洞型、南北延伸較長、面積相差較大的小班時(shí)，易出現(xiàn)編號(hào)跳躍、重復(fù)編號(hào)等問題。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)及時(shí)、準(zhǔn)確獲取森林資源信息的要求也越來越高[9]，迫切需要更加快捷、便利的森林小班編號(hào)方法，以提高森林信息采集和生產(chǎn)效率。本研究采用ArcGIS Model Builder模型構(gòu)建器，設(shè)計(jì)了可嵌入到ArcGIS Desktop中運(yùn)行的符合ESRI空間建模標(biāo)準(zhǔn)的通用模型，實(shí)現(xiàn)了在不破壞原圖層屬性和幾何結(jié)構(gòu)情況下，跨圖層森林小班全自動(dòng)編號(hào)功能，并探討了在此過程中遇到的編號(hào)跳躍、島洞型小班的編號(hào)等問題。探索準(zhǔn)確、快捷、高效的森林小班跨圖層自動(dòng)編號(hào)方法，對(duì)提高森林資源調(diào)查工作效率具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 原理與流程

ArcGIS Model Builder模型構(gòu)建器是一種用于構(gòu)建地理處理模型的可視化編程語言，將地理處理模型表示為將一系列流程和地理處理工具串聯(lián)在一起的示意圖，并將一個(gè)流程的輸出用作另一個(gè)流程的輸入[10-11]。模型的建立過程就是對(duì)研究對(duì)象的分析和認(rèn)識(shí)過程，是將問題從“問題域”轉(zhuǎn)移到“解決問題域”的過程。地理處理模型能夠自動(dòng)處理并記錄空間分析和數(shù)據(jù)管理流程。近年來Model Builder建模方法被應(yīng)用到成礦預(yù)測[12]、礦產(chǎn)資源潛力預(yù)測[13]、地質(zhì)建模[14]等各個(gè)領(lǐng)域。Model Builder設(shè)計(jì)的地理處理模型有結(jié)構(gòu)清晰、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)專業(yè)的自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。本研究基于林業(yè)調(diào)查隊(duì)采集的速生豐產(chǎn)林?jǐn)?shù)據(jù)，借助Model Builder模型構(gòu)建器設(shè)計(jì)了自動(dòng)編號(hào)的地理處理模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的森林小班進(jìn)行跨圖層自動(dòng)編號(hào)功能。圖1為森林小班跨圖層自動(dòng)編號(hào)工具的運(yùn)行流程。

圖1 自動(dòng)編號(hào)工具的運(yùn)行流程Fig.1 Operation process of automatic numbering tool

2 功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)林業(yè)制圖中的森林小班編號(hào)是利用程序在同一圖層內(nèi)按順序編號(hào)，遇到不同業(yè)務(wù)來源的多個(gè)圖層，則需對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)圖層構(gòu)建專門的程序，且需要手動(dòng)輸入圖層名稱和保存路徑，不僅增加了工作量，還不利于規(guī)范命名。

借助Model Builder構(gòu)建的跨圖層自動(dòng)編號(hào)模型彌補(bǔ)了以往工具的不足，不僅能跨圖層批量編號(hào)，還可自動(dòng)規(guī)范命名。無需人工參與，全自動(dòng)完成全部編號(hào)工作，并可嵌入到ArcGIS空間分析模型中，與其他模型整合起來應(yīng)用。其設(shè)計(jì)功能有：

1）批量導(dǎo)入圖層功能：設(shè)計(jì)的批量導(dǎo)入多個(gè)圖層功能，對(duì)原始圖層的屬性表結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系及投影不做任何要求情況下，能夠識(shí)別所有加載的ArcMap要素類。

2）正確合并多個(gè)圖層功能：對(duì)批量導(dǎo)入的不同業(yè)務(wù)圖層進(jìn)行自動(dòng)合并，且在合并過程中不破壞原始圖層的屬性與幾何，再將合并后的圖層炸開。

3）統(tǒng)一排序編號(hào)功能：對(duì)炸開的圖層進(jìn)行統(tǒng)一排序編號(hào)，在此過程中能夠正確處理多個(gè)多邊形組成的小班編號(hào)、面積相差較大的小班編號(hào)、島洞型小班編號(hào)、南北延伸較長小班編號(hào)等特殊情形的小班編號(hào)問題。

4）回傳編號(hào)功能：小班排序編號(hào)完成后，將編號(hào)回傳并賦值給原始圖層。

3 模型實(shí)現(xiàn)

1）批量導(dǎo)入業(yè)務(wù)圖層模塊

圖2 自動(dòng)編號(hào)工具的功能設(shè)計(jì)Fig.2 Functional design of automatic numbering tool

在實(shí)際森林調(diào)查數(shù)據(jù)采集過程中，林業(yè)圖層是根據(jù)經(jīng)濟(jì)類、景觀林、生態(tài)防護(hù)林、濕地、新造林、已成熟林等不同業(yè)務(wù)分開存儲(chǔ)的。森林小班編號(hào)時(shí)，分業(yè)務(wù)存儲(chǔ)的獨(dú)立圖層需要參與統(tǒng)一編號(hào)。本研究借助自定義ArcToolbox模型參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)了批量導(dǎo)入業(yè)務(wù)圖層功能。該模塊對(duì)導(dǎo)入圖層的屬性表結(jié)構(gòu)沒有要求，支持外部Shape File、數(shù)據(jù)庫的要素類及已經(jīng)加入到Arc Map視圖中圖層等矢量面狀Polygon圖層，而且與業(yè)務(wù)圖層的加載順序無關(guān)。

2）合并圖層模塊

Model Builder設(shè)計(jì)的跨圖層森林小班自動(dòng)編號(hào)工具在不破壞原始業(yè)務(wù)圖層情況下，對(duì)多個(gè)圖層中的斑塊進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。因此，需要將待編號(hào)的圖層合并為一個(gè)圖層。本研究利用Arc GIS疊加分析中的聯(lián)合工具實(shí)現(xiàn)合并圖層功能。

3）統(tǒng)一編號(hào)模塊

目前，對(duì)小班統(tǒng)一編號(hào)排序方面的普遍做法是：①使用幾何中心排序；②使用外接矩形的左上角點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）進(jìn)行排序。但以上兩種方法均存在一定問題。使用幾何中心排序時(shí)，島洞型小班的內(nèi)部和外部兩個(gè)小班的編號(hào)有可能重疊。當(dāng)小班幾何中心處于小班范圍之外時(shí)，也有可能出現(xiàn)重復(fù)編號(hào)問題（圖3）。

使用外接矩形左上角點(diǎn)坐標(biāo)編號(hào)，當(dāng)遇到南北延伸較長的小班（如圖4的3號(hào)小班）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)視覺跳躍情況（圖4），理想的正確編號(hào)效果應(yīng)為圖4中的右圖。

圖3 島洞型小班重復(fù)編號(hào)示意Fig.3 Repeated numbering diagram of island cave subcompartment

圖4 南北延伸較長小班編號(hào)示意Fig.4 Numbering diagram of north-south extension of longer sub-compartment

為了解決以上問題，本研究采用外接矩形與左上右下對(duì)角線交點(diǎn)方法進(jìn)行排序。實(shí)現(xiàn)方法為將合并后的圖層炸開，再求炸開后每個(gè)小班的外接矩形。然后用(xmin，ymax)和(xmax，ymin)作對(duì)角線相交，取相交結(jié)果點(diǎn)集中x坐標(biāo)值最小點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)作為排序依據(jù)（圖5）。借助ArcGIS空間分析中排序工具進(jìn)行排序，排序前對(duì)y作int(y/Hm)處理，Hm為所有小班南北方向上的平均長度，Hm計(jì)算公式如下：

式中：ymax為北方向最大值；ymin為南方向最小值；n為小班數(shù)。

該方法對(duì)南北延伸較長的小班和面積相差較大的小班進(jìn)行編號(hào)時(shí)，能夠一定程度上保證視覺上的連續(xù)性。

4）回傳編號(hào)模塊

圖5 外接矩形與左上右下對(duì)角線交點(diǎn)示意Fig.5 Diagram of intersection point of outer rectangle with upper left and lower right diagonal lines

利用數(shù)據(jù)庫表鏈接的方法，將排序后的小班編號(hào)掛接到各個(gè)原圖層的后面，再用字段計(jì)算工具，將掛接進(jìn)來的編號(hào)賦值給原圖層。

4 結(jié)果與分析

以山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局林業(yè)調(diào)查隊(duì)采集和處理的速生豐產(chǎn)林?jǐn)?shù)據(jù)為例，利用本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的森林小班跨圖層自動(dòng)編號(hào)工具進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。該數(shù)據(jù)包含1 823個(gè)小班，其中包括窄長型小班和島洞型小班，通過建立模型、批量導(dǎo)入圖層、合并圖層、統(tǒng)一編號(hào)、編號(hào)回傳等功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林小班的自動(dòng)編號(hào)，結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 自動(dòng)編號(hào)工具的模型Fig.6 Model diagram of automatic numbering tool

圖7 自動(dòng)編號(hào)工具的編號(hào)成果Fig.7 Numbering results diagram of the automatic numbering tool

從編號(hào)結(jié)果看，完成了不同業(yè)務(wù)圖層提取的小班進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，小班編號(hào)從左到右、從上到下的順序依次排序，不僅正確識(shí)別了面積相差較大的小班，還確保了南北延伸較長的小班和島洞型小班等特殊多邊形小班的正確編號(hào)，未出現(xiàn)錯(cuò)漏和重復(fù)編號(hào)情況，編號(hào)符合要求。使用本文設(shè)計(jì)開發(fā)的小班自動(dòng)編號(hào)工具不僅編號(hào)正確，還顯著提高了小班編號(hào)效率，而且隨著數(shù)據(jù)量的增加，效率提升更加明顯。

5 結(jié)論與討論

本研究借助ArcGIS Model Builder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了森林小班跨圖層統(tǒng)一編號(hào)的ArcToolbox工具，無需人工參與，全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)跨圖層統(tǒng)一編號(hào)。該工具不僅大幅提高了工作效率，確保了統(tǒng)一編號(hào)的正確性，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理可視化，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的可讀性。具有以下優(yōu)點(diǎn)和意義：

1）傳統(tǒng)Excel函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)森林小班順序編號(hào)，遇到不同業(yè)務(wù)來源的多個(gè)圖層時(shí)，需要手動(dòng)輸入圖層名稱和保存路徑，不僅增加了工作量，還不利于規(guī)范命名。本文中設(shè)計(jì)開發(fā)的地理處理模型工具可以從不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域提取相關(guān)圖層，實(shí)現(xiàn)了跨圖層、批量完成森林小班的全自動(dòng)編號(hào)，彌補(bǔ)了以往對(duì)逐一圖層進(jìn)行人工操作、無法批量編號(hào)的缺點(diǎn)，大幅提高了工作質(zhì)量和效率。

2）ArcGIS+Excel、ArcGIS+VBA方法小班自動(dòng)編號(hào)的過程復(fù)雜麻煩、當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)調(diào)試更復(fù)雜、而且易出現(xiàn)小班編號(hào)視覺跳躍和編號(hào)重復(fù)等問題，本文中利用外接矩形和對(duì)角線求交點(diǎn)方法，解決了南北延伸較長和面積相差較大的小班編號(hào)在視覺上的跳躍問題、島洞型小班的編號(hào)重復(fù)等問題，一定程度上確保了視覺上的連續(xù)性。

3）與ArcGIS Engine小班自動(dòng)編號(hào)工具相比，借助ArcGIS Model Builder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的森林小班跨圖層自動(dòng)編號(hào)模型工具，可以直接嵌入到ArcGIS中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)過程中，無需額外購買ArcGIS Engine產(chǎn)品，直接跟ArcGIS模型連接在一起進(jìn)行流程建模，便于共享和重用。

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的森林小班跨圖層自動(dòng)編號(hào)工具對(duì)提高森林資源調(diào)查工作效率具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。避免了森林小班編號(hào)過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤、漏號(hào)、重號(hào)的現(xiàn)象，即準(zhǔn)確、快捷、高效，還可節(jié)省大量時(shí)間、人力投入，隨著數(shù)據(jù)量的增加，

效率提升更明顯，有著良好的推廣意義。由于受到時(shí)間和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，文章仍然有很多不足和值得改進(jìn)的地方，如根據(jù)不同地區(qū)森林小班形狀的多樣化和動(dòng)態(tài)更新情況，需要進(jìn)一步優(yōu)化模型，將繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化和研究。