基于Model Builder的毛刺檢測技術(shù)研究

陳欣 鄭剛

（江蘇省森林資源監(jiān)測中心 江蘇南京 210036）

森林資源管理“一張圖”年度更新，是在林地保護利用規(guī)劃林地落界生成的林地“一張圖”基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)和遙感等技術(shù)手段，對發(fā)現(xiàn)的改變林地用途和采伐林木等變化圖斑，通過核對檔案資料、現(xiàn)地驗證等方法，完成更新期間發(fā)生的林地范圍、林地利用狀況（地類）、林地管理屬性和林木資源等變化情況的調(diào)查，形成最新的森林資源管理“一張圖”成果數(shù)據(jù)[1-2]。2012年，江蘇省完成了全省林地保護利用規(guī)劃林地落界并初步構(gòu)建了全省林地“一張圖”數(shù)據(jù)庫；2012年底和2013年，分別開展了兩次年度更新縣級試點工作；2014年，開展了年度更新全省試點工作；2016年，完成了全省更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)整工作；2017年起，全省逐年開展更新工作，實現(xiàn)了更新工作常態(tài)化。由于歷史的原因，數(shù)據(jù)中存在大量“毛刺”，如何快速檢測“毛刺”是提高效率的有效途徑。

在分析森林資源管理“一張圖”圖形毛刺產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，提出了基于Model Builder模型構(gòu)造器的森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)毛刺檢測技術(shù)方法。

1 毛刺產(chǎn)生的原因

1.1 林地落界過程中產(chǎn)生

2012年全省林地保護利用規(guī)劃林地落界是以當(dāng)時全省最新的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)即2007-2009年全省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展林地“一張圖”林地邊界確認(rèn)工作。全省2007-2009年森林資源二類調(diào)查為非全覆蓋調(diào)查，未對非林地進行勾繪和調(diào)查，只勾繪和調(diào)查了林地小班；而全省林地落界工作要求對全省范圍所有國土進行全覆蓋調(diào)查，即全省范圍內(nèi)所有地塊（包括林地和非林地）都需要作為小班進行勾繪和調(diào)查，生成全省范圍全覆蓋調(diào)查的“一張圖”數(shù)據(jù)[3]。

面是由線構(gòu)成，線是由點構(gòu)成。毛刺主要是指矢量數(shù)據(jù)中線上存在的空間邏輯性錯誤，即組成線的相鄰節(jié)點出現(xiàn)急劇回折，如線打折出現(xiàn)回頭、線突然出現(xiàn)一處冒尖、線上存在重復(fù)節(jié)點等現(xiàn)象。由于縣級林業(yè)部門技術(shù)力量、技術(shù)水平和軟件平臺等原因，各縣森林資源二類調(diào)查普遍存在相鄰林地小班存在縫隙和邊界處林地小班與行政界線之間不吻合等情況，利用GIS軟件生成的全覆蓋數(shù)據(jù)存在大量的細碎和毛刺，若對所有小班逐一過堂識別并修改毛刺小班的話，工作量特別大。

圖1為林地保護利用規(guī)劃林地落界過程中產(chǎn)生的毛刺。

圖1 林地保護利用規(guī)劃林地落界過程中產(chǎn)生的毛刺

（a.非全覆蓋調(diào)查，網(wǎng)格線區(qū)域為二類調(diào)查林地小班，黑粗線為行政界線；b.全覆蓋調(diào)查，網(wǎng)格區(qū)域為二類調(diào)查林地小班，灰色區(qū)域為非林地小班，黑粗線為行政界線，標(biāo)識點位置為毛刺；c.幾種可能出現(xiàn)的毛刺類型）

1.2年度更新過程中產(chǎn)生

森林資源管理“一張圖”年度更新任務(wù)是在前期“一張圖”數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用更新年度內(nèi)的植樹造林、森林采伐、規(guī)劃調(diào)整、占用征收林地、毀林開墾和森林災(zāi)害等森林資源檔案資料，將“一張圖”數(shù)據(jù)庫時點調(diào)整到更新年度的12月31 日。國家林草局發(fā)布的《林地變更調(diào)查工作規(guī)則》中也強調(diào)要建立森林資源檔案制度，建立林地變更調(diào)查工作圖和林地管理檔案信息系統(tǒng)，并加強日常林地等森林資源檔案管理和及時更新，實現(xiàn)常態(tài)化林地變更監(jiān)管。江蘇各縣級單位雖然逐步重視日常林業(yè)檔案資料建立，但是檔案建立程序不規(guī)范，特別是植樹造林和森林采伐的檔案資料，未以森林資源管理“一張圖”為底圖進行區(qū)劃調(diào)查勾繪，僅根據(jù)影像在新建圖層上調(diào)查勾繪，與前期年度“一張圖”成果更新疊加后，又會產(chǎn)生新的毛刺。

同時，自2016年度更新起，年度更新成果要與國土部門土地調(diào)查及其變更調(diào)查數(shù)據(jù)有效疊加銜接，對“一張圖”上所有小班進行圖形疊加并備注其在國土調(diào)查數(shù)據(jù)中的地類，填寫林地管理類型，區(qū)分林業(yè)部門和非林業(yè)部門管理。由于國土部門土地調(diào)查與森林資源管理“一張圖”年度更新執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不一致，其圖斑界線與“一張圖”小班界線存在明顯差別，疊加銜接后將會產(chǎn)生大量新的毛刺。據(jù)統(tǒng)計，2012年全省林地落界小班數(shù)量為105 萬組，全省現(xiàn)有的與國土調(diào)查數(shù)據(jù)疊加銜接后的“一張圖”小班數(shù)量約為319 萬組，小班數(shù)量增加了兩倍多。

2 基于Model Builder 的毛刺檢測技術(shù)

2.1 ModelBuilder 模型構(gòu)造器

模型構(gòu)造器（Model Builder）是ArcGIS用來創(chuàng)建、編輯和管理模型的應(yīng)用程序。通過模型構(gòu)建器創(chuàng)建模型并將其共享為工具能夠擴展ArcGIS 功能，其創(chuàng)建的工具可在Python腳本和其他模型中使用[4]。模型構(gòu)造器能將ArcToolbox 中的多種空間分析工具在模型圖表中串聯(lián)，模型運行時工具將按照順序流程執(zhí)行，從而實現(xiàn)流程化和自動化，實現(xiàn)多用戶共享，極大提高數(shù)據(jù)處理效率[5-6]。因此，利用Model Builder 進行毛刺檢測技術(shù)流程設(shè)計，將大大減少逐個小班檢查的工作量，并能重復(fù)使用流程化的操作步驟，大大提高工作質(zhì)量和工作效率。

2.2 技術(shù)思路

根據(jù)毛刺特點和江蘇省歷次年度更新成果數(shù)據(jù)，擬采用角度分析法進行毛刺小班檢測篩選。通過大量數(shù)據(jù)分析，毛刺點公共邊夾角基本小于3度，故通過分析和檢測每個多邊形小班的所有的相鄰邊界的夾角，并篩選出小于3度的夾角的折點作為毛刺點。按照模塊化和流程化的設(shè)計原則，利用模型構(gòu)造器，分以下步驟進行毛刺檢測技術(shù)流程路線設(shè)計：

（1）小班統(tǒng)一編號。將需要進行毛刺檢測的所有小班合并后，存儲為shp、mdb或gdb格式，并對所有面狀多邊形小班統(tǒng)一編制唯一識別號。

（2）計算小班邊界方位角。計算所有多邊形小班所有折邊的方位角。

（3）生成小班折點并賦值。提取所有多邊形小班的邊界折點，將所有多邊形小班每個相鄰兩條邊界的方位角值存儲到兩條邊界相交折點屬性表相應(yīng)的字段中。

（4）邊界夾角計算。計算相鄰邊界的夾角，并將夾角值存儲到相鄰邊界相交的節(jié)折點屬性表相應(yīng)的字段中。

（5）毛刺點篩選。篩選出小于3度的夾角的折點作為毛刺點，并存儲為shp、mdb或gdb格式。

圖2為基于ModelBuilder的毛刺小班檢測篩選技術(shù)路線。

圖2 基于ModelBuilder 的毛刺小班檢測篩選技術(shù)路線

2.3 自動檢測工具的構(gòu)建

2.3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

合并需要進行毛刺檢測的小班，并為小班賦唯一編號值。具體步驟為：

（1）利用“合并”（Merge）工具將所有需要進行毛刺檢查的小班合并為shp格式的矢量文件。

（2）在合并后的小班文件中，新建長整型的字段，字段命名為“唯一編號”，并利用屬性計算器，將shp圖形的“FID”字段值賦予該字段，對小班賦唯一編號值。

2.3.2 計算邊界線方位角

分別計算每個小班邊界折線的起始-結(jié)束方位角。方位角值范圍介于0-360°之間，其中，正北為0°。具體步驟為：

（1）利用“面轉(zhuǎn)線”（Polygon To Line）工具（“識別和存儲面鄰域信息”不勾選），將所有小班從面狀多邊形轉(zhuǎn)為線狀多邊形，轉(zhuǎn)換后原面狀小班數(shù)量等于線狀多邊形數(shù)量。

（2）利用“在折點處分割線”（Split Line At Vertices）工具將上一步生成的線狀多邊形在折點處分割為邊界折線，分割后的邊界折線將保留“唯一編號”字段和字段值，用于識別該邊界折線隸屬哪個小班。

（3）利用“添加幾何屬性”（Add Geometry Attributes）工具，勾選“線的起始-結(jié)束方位角”（LINE-BEARING）選項，在上一步分割后的邊界折線屬性表中自動添加“BEARING”（方位角）字段，并自動計算該折線的方位角。

2.3.3 生成小班折點

利用“要素折點轉(zhuǎn)點”（Feature Vertices To Points）工具，點類型分別選擇“起點”（START）和“終點”（START）將前上一步分割后的含方位角的邊界折線的折點轉(zhuǎn)換為點，最終生成兩個shp格式點文件：帶有“唯一編號”和“BEARING”（方位角）字段的“起點”shp格式點文件，以及帶有“唯一編號”和“BEARING”（方位角）字段的“終點”shp格式點文件。

2.3.4 新建存儲夾角值的點文件

利用“創(chuàng)建要素類”（Create Feature Class）工具，創(chuàng)建點要素，利用“添加字段”（Add Field）工具，分別添加“唯一編號”“唯一編號_1”“BEARING”“BEARING_1”和“夾角”等字段，作為存儲夾角值的點文件。

2.3.5 小班所有邊界夾角計算

前步生成的小班“起點”和“終點”點文件分別包含了兩條相交折線的方位角值，因此可以利用Model Builder的迭代功能（遍歷所有小班唯一編號值），通過“唯一編號”字段值逐一選擇某個小班對應(yīng)的所有“起點”和“終點”，利用“標(biāo)識”（Identity）工具、屬性計算器和“追加”（Append）工具，完成一次迭代流程，生成某個小班的所有折線夾角點。具體步驟為：

（1）利用ModelBuilder的“迭代要素選擇”（Iterate Feature Selection）迭代器，將“起點”點文件中的“唯一編號”字段作為迭代字段，每迭代一次，輸出“起點”點文件中的一個“唯一編號”值和該“唯一編號”值對應(yīng)的所有起點要素，利用“選擇”（Select）工具，選出“終點”點文件相同“唯一編號”值對應(yīng)的終點要素。通過這個步驟，即可選擇同一小班所有的“起點”和“終點”。

（2）利用“標(biāo)識”（Identity）工具，用上步選擇的“終點”標(biāo)識上步選擇的“起點”，在“起點”屬性表中將自動增加“唯一編號_1”和“BEARING_1”（方位角）字段，這兩個字段為“終點”對應(yīng)的字段和值。通過該步驟，一個折點上具有了相交于該點的、與小班編號值相對應(yīng)的兩個折線的方位角。

（3）利用“計算字段”（Calculate Field）工具，計算上述生成的點文件中“夾角”字段，在“夾角”字段中輸入“ABS（ABS（[BEARING]-[BEARING_1]）-180）”表達式，即可計算相交于該點的兩條折線的夾角。

（4）通過“追加”（Append）工具將上述步驟生成的某個小班對應(yīng)的夾角點文件追加到存儲夾角值的點文件。

2.3.6 毛刺點檢測

利用查詢構(gòu)造器，選擇存儲夾角值的點文件中“夾角”字段值小于3的所有點，就是毛刺點。

圖3 為基于ModelBuilder 的毛刺檢測技術(shù)流程。

3 討論與結(jié)論

利用ModelBuilder模型構(gòu)造器的特點，構(gòu)建毛刺檢測自動化工具，將繁瑣的重復(fù)操作步驟進行集成化和流程化，實現(xiàn)自動檢測，提高了工作效率，便于基層林業(yè)工作者快速掌握，為“一張圖”數(shù)據(jù)毛刺檢查和毛刺修改提供了快捷的操作手段，也為ModelBuilder用于森林資源管理“一張圖”年度更新工作提供了示范。

由于ModelBuilder也存在一定的局限性，利用ModelBuilder構(gòu)建的毛刺檢測自動化工具不能單獨由一個模型而是由于幾個模型共同完成，因此，后續(xù)可以借助Python腳本將基于ModelBuilder的毛刺檢測自動化工具優(yōu)化成一個腳本工具；同時，還可利用ModelBuilder構(gòu)建毛刺自動化修改工具。