基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中外業(yè)軌跡概化方法探討

龔其琛，李 磊，鄒 威

（1.中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430000；3.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

年度基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)從2016年開(kāi)始，是第一次地理國(guó)情普查的延續(xù)，根據(jù)與監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)匹配度最高的遙感影像對(duì)第一次地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行年度更新，保證地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的時(shí)效性，提升數(shù)據(jù)在學(xué)術(shù)研究、工程應(yīng)用、政府決策方面的使用價(jià)值。為提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更新準(zhǔn)確度，與第一次地理國(guó)情普查生產(chǎn)流程相同，需要對(duì)年度監(jiān)測(cè)成果中存疑處進(jìn)行實(shí)地外業(yè)核查，外業(yè)過(guò)程中所記錄的軌跡還需入庫(kù)。由于外業(yè)量較大，導(dǎo)致外業(yè)軌跡存在大量重復(fù)路段、節(jié)點(diǎn)冗余問(wèn)題，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)定，在入庫(kù)前要對(duì)軌跡進(jìn)行概化處理，僅需能夠反映外業(yè)調(diào)查整體情況即可[1-7]。人工處理工作量較大，可以利用ArcGIS ArcScan模塊對(duì)軌跡群進(jìn)行柵格化，然后提取柵格中心線的思路，自動(dòng)生產(chǎn)全省概化軌跡，更新屬性后直接入庫(kù)。

1 使用軟件介紹

1.1 ArcGIS

ArcGIS是美國(guó)Esri公司研發(fā)的構(gòu)建于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之上的無(wú)縫擴(kuò)展的GIS產(chǎn)品家族。它整合了數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算等主流的IT技術(shù)，宗旨在為用戶提供一套完整的、開(kāi)放的企業(yè)級(jí)GIS解決方案。ArcGIS以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合分析功能和靈活的可擴(kuò)展性在測(cè)繪行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)上的出色發(fā)揮也為它吸引了廣大的用戶群。

1.2 ArcScan

ArcScan 在 ArcMap 環(huán)境下運(yùn)行，并且依賴于自身的用戶界面，該界面支持在矢量化過(guò)程中使用的工具和命令。與其他 ArcGIS 擴(kuò)展模塊一樣，必須先在ArcMap 中啟用 ArcScan 擴(kuò)展模塊，之后才能使用該模塊。此外，必須將“掃描矢量化”工具條添加到地圖，才能訪問(wèn)支持矢量化工作流的工具和命令[1]。

掃描矢量化可以對(duì) ArcGIS 所支持的任何以二值圖像表示的柵格數(shù)據(jù)格式進(jìn)行矢量化。這就要求使用兩種顏色來(lái)對(duì)柵格圖層進(jìn)行符號(hào)化?？梢允褂?ArcMap 的“唯一值”或“分類”渲染選項(xiàng)來(lái)將柵格分離成兩種顏色。大部分掃描文檔通常由兩種用來(lái)描繪前景和背景的顏色組成。通常，前景用深色（如黑色）表示，而背景用淺色（如白色）表示。但是，這些顏色可以顛倒或用不同的值表示。只要兩種顏色具有唯一的值，掃描矢量化就支持對(duì)當(dāng)前前景柵格像元進(jìn)行矢量化。

2 操作流程與方法

2.1 流程概述

以2018年基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)入庫(kù)外業(yè)調(diào)查軌跡入庫(kù)流程為例，原始外業(yè)軌跡坐標(biāo)系為CGCS 2000地理坐標(biāo)系，其空間分布情況如圖1所示。

圖1 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)原始外業(yè)軌跡示例

圖中，原始軌跡中存在大量的軌跡重復(fù)，軌跡重復(fù)緣于外業(yè)調(diào)查中的路段重復(fù)勘踏，或僅僅是由于儀器未關(guān)閉路線采集功能，如果按照技術(shù)要求，人工整理軌跡的話，逐條路線編輯工作量較大。

使用ArcGIS ArcScan模塊進(jìn)行軌跡概化，整體思路如圖2所示。

圖2 軌跡概化思路

2.2 操作詳解

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在正式開(kāi)始處理數(shù)據(jù)前，需統(tǒng)一整理數(shù)據(jù)。外業(yè)原始軌跡坐標(biāo)系統(tǒng)由作業(yè)員在外業(yè)平板上設(shè)定，要先核查坐標(biāo)系是否正確，坐標(biāo)系設(shè)置無(wú)誤的前提下，外業(yè)原始軌跡成果坐標(biāo)系應(yīng)該為CGCS 2000地理坐標(biāo)系。但由于后續(xù)需要進(jìn)行緩沖操作，需要以米為緩沖距離單位，因此需要將地理坐標(biāo)系數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)系，此處統(tǒng)一選擇CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換設(shè)置界面

2.2.2 道路線緩沖

獲取投影坐標(biāo)系軌跡成果之后，就可以對(duì)線要素進(jìn)行緩沖（buffer）操作，緩沖操作可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：①將線狀軌跡要素轉(zhuǎn)換為面狀軌跡要素，為下一步轉(zhuǎn)柵格做準(zhǔn)備；②在轉(zhuǎn)換為面狀要素的過(guò)程中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)面融合。

這也意味著在緩沖設(shè)置時(shí)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1）緩沖距離的選擇。緩沖距離既不能太長(zhǎng)也不能太短，太長(zhǎng)會(huì)令面緩沖成果失去道路的空間形態(tài)，導(dǎo)致在后續(xù)面緩沖成果轉(zhuǎn)換為線狀要素時(shí)與真實(shí)道路相差甚遠(yuǎn)；太短則會(huì)導(dǎo)致相同道路的不同軌跡緩沖面寬度過(guò)窄無(wú)法重疊，影響后續(xù)面融合操作。

2）融合。每段原始軌跡會(huì)生成一個(gè)獨(dú)立緩沖面，為方便后續(xù)轉(zhuǎn)換，需要將各個(gè)軌跡生產(chǎn)的面進(jìn)行融合。緩沖工具界面設(shè)置如圖4所示。

圖4 緩沖工具界面設(shè)置

3）要素轉(zhuǎn)柵格。在緩沖后，就可以根據(jù)緩沖面提取道路面中心線，ArcGIS提取條狀面要素中心線有兩種方式，一種是直接使用ArcToolbox中“提取中心線”（CollapseDualLinesToCenterline）工具進(jìn)行，這種方式可直接將雙線矢量要素轉(zhuǎn)換為單線是兩要素；第二種是先將矢量面要素轉(zhuǎn)換為二值化柵格，然后使用ArcScan套件提取其中心線。

很明顯，由于采取軌跡緩沖構(gòu)面的方式，使用第二種方式較好?！疤崛≈行木€”的方式需要先將軌跡緩沖面轉(zhuǎn)換為雙線，在道路復(fù)雜處很容易由于線條較多導(dǎo)致提取結(jié)果不符合現(xiàn)實(shí)情況，而將緩沖面轉(zhuǎn)換為柵格在一定程度上是對(duì)道路節(jié)點(diǎn)復(fù)雜面構(gòu)成的融合，提取結(jié)果會(huì)更加真實(shí)[2-4]。

4）柵格重分類?！耙剞D(zhuǎn)柵格”工具所生成的柵格成果柵格單元值域并不規(guī)范，而ArcScan模塊從柵格提取線狀要素的前提需要將柵格二值化，二值化之后的柵格特征為：軌跡緩沖面所覆蓋的柵格單元值為1，其他柵格單元值均為0。

將柵格二值化需要用到ArcToolbox中“重分類”（ReClassify）工具，設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 柵格二值化設(shè)置

如上圖，“重分類”工具將原始柵格已存在的灰度值統(tǒng)一調(diào)整為1，將空值“Nodata”調(diào)整為0。生成的柵格成果與原始軌跡對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 柵格成果與原始軌跡對(duì)比圖

5）ArcScan生成線要素。生成二值化柵格之后，即可使用ArcScan模塊將提取中心線。點(diǎn)擊ArcMap菜單欄自定義→擴(kuò)展模塊激活A(yù)rcScan工具，右鍵單擊ArcMap工具欄空白處調(diào)出ArcScan工具欄，先點(diǎn)擊“矢量化設(shè)置”進(jìn)行柵格矢量化的參數(shù)設(shè)置，將柵格最大線寬度調(diào)為最大值100以盡可能擴(kuò)大能轉(zhuǎn)換為中心線的道路寬度限值，輸出柵格像元大小設(shè)置為5m。新建一個(gè)空白的shape線文件用來(lái)存放轉(zhuǎn)換后的線文件數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊矢量化→生成要素工具進(jìn)行中心線提取，在生成要素工具上勾選“將各線要素的平均寬度保存到現(xiàn)有字段”。

通過(guò)以上操作，原始軌跡空間概化工作即已完成，由于概化軌跡成果未繼承原始軌跡屬性，因此需要人工以縣為單位添加軌跡屬性即可[5-6]。

2.2.3 成果比對(duì)

軌跡概化成果與原始軌跡對(duì)比情況如圖7所示，下圖中藍(lán)色線條為軌跡概化成果，紅色線條為原始軌跡。

圖7 軌跡概化前后情況對(duì)比

圖中顯示，原本需要人工打斷、刪除、調(diào)整的軌跡線段，自動(dòng)生成了概化的軌跡分布趨勢(shì)線，且線條走向自然，結(jié)構(gòu)合理，滿足了基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)軌跡入庫(kù)的技術(shù)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文探索了一種復(fù)雜路線軌跡自動(dòng)化概化的方法，其實(shí)質(zhì)是將擁有不同偏移量的相同空間線狀要素提取為最能反映其空間分布情況的線狀要素，本思路可進(jìn)一步延伸到諸如道路面提取中心線、河流面提取中心線、交通軌跡群處理等領(lǐng)域。ArcScan作為ArcGIS一個(gè)比較冷門的模塊，在柵格數(shù)據(jù)矢量化方面有很多尚待發(fā)掘的功能，除此之外，ArcScan結(jié)合ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)，也是一個(gè)很有價(jià)值的思考方向。