基于ArcPy的地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢技術(shù)研究*

李乃強(qiáng)

(江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引言

Python作為一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，憑借其簡潔、易讀及可擴(kuò)展性日漸成為程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域備受青睞的語言之一。使用Python作為ArcGIS的腳本語言將大大提升ArcGIS數(shù)據(jù)處理的效率，更好地實(shí)現(xiàn)ArcGIS內(nèi)部的任務(wù)自動(dòng)化[1]。

ArcPy 封裝了ArcGIS大部分功能進(jìn)而構(gòu)建而成的站點(diǎn)包，目的是以實(shí)用高效的方式通過 Python 執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動(dòng)化創(chuàng)建基礎(chǔ)。

基于菜單界面的ArcGIS for Desktop能夠支持許多復(fù)雜的操作和空間分析，但用戶還需要更多的功能來解決遇到的難題。那么，通過Python腳本調(diào)用ArcPy可以自動(dòng)執(zhí)行在ArcGIS中需要通過菜單建模才能實(shí)現(xiàn)的繁瑣操作。例如，將1 000個(gè)shapefile文件轉(zhuǎn)成地理數(shù)據(jù)庫中的要素類，雖然可以運(yùn)行1 000次相應(yīng)的工具，但是在ArcGIS中肯定還有其他更高效和更簡捷的方法。這時(shí)，只需要使用Python編寫一小段代碼就能解決這個(gè)問題。

地理空間數(shù)據(jù)在入庫之前，需要進(jìn)行屬性檢查、邏輯一致性等一系列檢查，空間數(shù)據(jù)包含屬性特征、幾何特征和拓?fù)涮卣?，通過Arcpy提供的方法，可以減少除拓?fù)溴e(cuò)誤編輯之外的重復(fù)性工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢查入庫流程的自動(dòng)化[2]。

在公開文獻(xiàn)中，基于Arcpy的腳本工具雖然已在地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接邊檢查、長江河道水下空間數(shù)據(jù)提取批處理、建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方面被廣泛應(yīng)用[3-5]，主要通過ArcGIS基礎(chǔ)功能的組合應(yīng)用，但是對(duì)要素變化檢測(cè)、空間參考信息、拓?fù)錂z查等方面的高級(jí)功能描述較少。為此，本文結(jié)合最新版本的ArcPy站點(diǎn)包新擴(kuò)展功能，以土地利用更新數(shù)據(jù)檢查為例，介紹了相關(guān)技術(shù)原理和關(guān)鍵功能代碼。

1 Python和ArcPy技術(shù)特點(diǎn)

1.1 Python腳本語言

Python的諸多特點(diǎn)使它可以作為ArcGIS的腳本語言，這些特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1)簡單易學(xué)。相對(duì)于其他高度結(jié)構(gòu)化的編程語言(如C++或Visual Basic)而言，Python更容易被掌握。它的語法簡單，編程者將有更多的時(shí)間來解決實(shí)際問題，而不需要在學(xué)習(xí)Python語言上耗費(fèi)太多精力。

2)免費(fèi)且開源。Python是一款免費(fèi)并且開源的軟件，用戶可以自由地分發(fā)該軟件的副本，查看并修改源代碼，或者將其中一部分代碼用在其他免費(fèi)的程序里。Python語言如此好用的一個(gè)重要原因在于它有一個(gè)十分活躍的用戶社區(qū)，社區(qū)里的成員都積極地參與Python的開發(fā)和維護(hù)。

3)跨平臺(tái)。Python支持包括Windows、Mac、Linux在內(nèi)的各種平臺(tái)。不同平臺(tái)上的Python程序只需要作極小的改動(dòng)甚至不改動(dòng)，就能在其他平臺(tái)上正常運(yùn)行。由于ArcGIS for Desktop只能在Windows上運(yùn)行，所以Python的這種特性在ArcGIS中似乎沒有得到明顯的體現(xiàn)，但是需要了解的是，Python的用戶之所以如此龐大，其中一個(gè)重要原因就是它跨平臺(tái)的特性。

4)解釋性。許多程序語言(如C++或Visual Basic)需要將程序源文件轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以理解的二進(jìn)制代碼。這就需要有適用于各種程序語言的編譯器。而Python是一種解釋性語言，它不需要編譯就可以直接運(yùn)行。這一特點(diǎn)使Python使用起來更加簡單，并具有更強(qiáng)的移植性。

5)面向?qū)ο?。Python是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。面向?qū)ο蟮某绦虿辉偈枪δ艿亩哑?，而是由一系列相互作用的?duì)象構(gòu)建起來的，很多現(xiàn)代編程語言都支持面向?qū)ο缶幊獭?/p>

與其他語言比較，Python也有不足之處：

1)Python大部分?jǐn)U展軟件包是由許多企業(yè)或個(gè)人開發(fā)和維護(hù)，并沒有直接集成在Python軟件中，用戶如要用到這些軟件包，需要收集和安裝。

2)Python是解釋型語言，不是以本地機(jī)器碼運(yùn)行，所以運(yùn)行速度比編譯型語言慢。

1.2 ArcPy站點(diǎn)包

ArcPy 封裝了ArcGIS大部分功能進(jìn)而構(gòu)建而成的站點(diǎn)包(見圖1)。目的是以實(shí)用高效的方式通過 Python 執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和地圖自動(dòng)化創(chuàng)建基礎(chǔ)[6-8]。

圖1 ArcPy體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Arcpy architecture

2 地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢內(nèi)容

地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)檢內(nèi)容主要包括：要素幾何類型、空間參考系統(tǒng)、數(shù)據(jù)空間范圍等基礎(chǔ)檢查；字段類型、字段值域、關(guān)系類等要素類檢查；自相交、偽節(jié)點(diǎn)、懸掛點(diǎn)、壓蓋相交等拓?fù)錂z查[9]。

3 Python調(diào)用ArcPy的技術(shù)方法

3.1 要素類型和空間參考檢查

應(yīng)用arcpy.Describe函數(shù)不僅可以獲取FeatureClass、GDB FeatureClass、Table、Dataset的文件路徑、數(shù)據(jù)類型等通用屬性，還能獲取空間數(shù)據(jù)的幾何類型、要素類型、空間參考、是否具有空間索引等屬性信息。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

def checkDataTypeAndSpatialRef(logger，landUseFeatureClass):

desc=arcpy.Describe(landUseFeatureClass)

#【要素類型獲取】

#要素的幾何類型

shapeType=desc.shapeType

#要素類型

featureType=desc.featureType

#【要素空間參考獲取】

#projectionName投影坐標(biāo)系名稱GCSName地理坐標(biāo)系名稱

spatial_ref=desc.spatialReference

3.2 要素類屬性結(jié)構(gòu)檢查

要素類屬性結(jié)構(gòu)檢查主要針對(duì)要素類的入庫管理、變化監(jiān)測(cè)等應(yīng)用需求。

ArcPy提供了DetectFeatureChanges_management方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線狀地物的變化監(jiān)測(cè)，查找更新線要素與基本線要素在空間上匹配的位置，并檢測(cè)空間更改、屬性更改或同時(shí)檢測(cè)這兩種更改以及無更改的情況，并創(chuàng)建一個(gè)包含匹配的更新要素及其更改信息、不匹配的更新要素和不匹配的基礎(chǔ)要素的輸出要素類[10]，返回如圖2所示變化前后的線狀地物變化類型對(duì)照表。

圖2 線狀地物變化類型對(duì)照表Fig.2 Comparison of types for linear feature changes

圖2中變化檢測(cè)類型：

1)S代表空間，表示空間發(fā)生更改的匹配更新要素。

2)A代表屬性，表示屬性發(fā)生更改的匹配更新要素。

3)SA代表空間和屬性，表示空間和屬性均發(fā)生更改的匹配更新要素。

4)S_LD代表空間更改以及線的反方向。

5)SA_LD代表空間和屬性的更改以及線的反方向。

6)NC代表無更改，表示未發(fā)生任何更改的匹配更新要素。

7)N代表新要素，表示新加入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不匹配更新要素。

8)D代表刪除，表示可能需要從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中刪除的不匹配基礎(chǔ)要素。

對(duì)于其他類型的要素，ArcPy提供了FeatureCompare_management方法，能夠得到整體的狀態(tài)信息，通過將需要入庫的要素類與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中的要素類進(jìn)行比較，如果幾何定義和字段屬性都相同，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的增量追加了。代碼如下：

def checkAttrSchema(targetLandUseFeatureClass，landUseFeatureClass):

#【要素幾何定義和字段屬性檢查】

#得到總體描述

out_compare_file="D:/developdemo/dev2018dataschemaresult.txt"

compare_result=arcpy.FeatureCompare_management(targetLandUseFeatureClass，landUseFeatureClass，"OBJECTID"，"SCHEMA_ONLY"，""，".000000008983 Unknown"，".001"，".001"，""，""，"CONTINUE_COMPARE"，out_compare_file)

#result.getOutput(1) 獲取此工具的狀態(tài)未檢測(cè)到差異時(shí)將顯示′true′值；檢測(cè)到差異時(shí)將顯示′false′值。

3.3 要素拓?fù)錂z查

要素拓?fù)錂z查包括7個(gè)步驟：①創(chuàng)建數(shù)據(jù)集；②導(dǎo)入需要拓?fù)錂z查數(shù)據(jù)；③創(chuàng)建拓?fù)洌虎芟蛲負(fù)渲刑砑右仡?；⑤添加拓?fù)湟?guī)則；⑥驗(yàn)證拓?fù)?；⑦?dǎo)出拓?fù)溴e(cuò)誤。本文主要介紹土地利用數(shù)據(jù)庫拓?fù)錂z查，創(chuàng)建拓?fù)錂z查的數(shù)據(jù)集，針對(duì)同一個(gè)圖層內(nèi)要素壓蓋、縫隙，不同圖層要素空間包含關(guān)系等圖形拓?fù)鋯栴}自動(dòng)化檢查。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

def checkDataTopology(landUseFeatureClass，buildingFeatureClass，topoGdbPath):

#【拓?fù)錂z查】

#數(shù)據(jù)集中需要導(dǎo)入進(jìn)行拓?fù)錂z查的數(shù)據(jù)

landUseTopoFeature=topologyFeatureDataset+"/"+landUseFileNameNoExt

#根據(jù)土地利用類型抽取水田

expression="CLASS='水田'"

out_Layer="selectlayer"

arcpy.MakeFeatureLayer_management(landUseFeatureClass，out_Layer，expression，""，"")

if int(arcpy.GetCount_management(out_Layer).getOutput(0)) > 0:

arcpy.CopyFeatures_management(out_Layer，landUseTopoFeature)

buildingTopoFeature=topologyFeatureDataset+"/"+buildingFileNameNoExt

arcpy.CopyFeatures_management(buildingFeatureClass，buildingTopoFeature)

#創(chuàng)建拓?fù)湟?guī)則

arcpy.CreateTopology_management(topologyFeatureDataset，topologyName，"")

#添加拓?fù)湟?guī)則適用的空間數(shù)據(jù)

arcpy.AddFeatureClassToTopology_management(in_topology，landUseTopoFeature，1，1)

arcpy.AddFeatureClassToTopology_management(in_topology，buildingTopoFeature，1，1)

#針對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行單項(xiàng)檢查

#arcpy.AddRuleToTopology_management(in_topology，"Must Not Have Gaps (Area)"，landUseTopoFeature，""，"#"，"")

arcpy.AddRuleToTopology_management(in_topology，"Must Not Overlap (Area)"，landUseTopoFeature，""，"#"，"")

#針對(duì)建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行壓蓋檢查

arcpy.AddRuleToTopology_management(in_topology，"Must Not Overlap With (Area-Area)"，landUseTopoFeature，""，buildingTopoFeature，"")

拓?fù)錂z查錯(cuò)誤導(dǎo)出會(huì)按照數(shù)據(jù)集中的要素類型生成對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤要素。

3.4 數(shù)據(jù)入庫和屬性更新

采用Append的方法將質(zhì)檢通過的數(shù)據(jù)追加到數(shù)據(jù)庫中，并更新追加數(shù)據(jù)的相關(guān)屬性。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

def data2TargetGDB(targetLandUseFeatureClass，landUseFeatureClass):

#【入庫更新】

arcpy.Append_management(landUseFeature-Class，targetLandUseFeatureClass，"NO_TEST"，"，"")

queryfilter="timeVersion=""

fields=[′timeVersion′]

with arcpy.da.UpdateCursor(targetLandUseFeatureClass，fields，queryfilter) as cursor:

for row in cursor:

row[0]=datetime.datetime.now().strftime(′%Y-%m-%d %H:%M:%S′)

cursor.updateRow(row)

arcpy.AddMessage("地理空間數(shù)據(jù)入庫完成!")

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了地理空間數(shù)據(jù)檢查的主要內(nèi)容，并結(jié)合要素類型和空間參考檢查、要素類屬性結(jié)構(gòu)檢查、要素拓?fù)錂z查、數(shù)據(jù)入庫和屬性更新等功能需求，介紹了利用 Python調(diào)用ArcPy相關(guān)功能函數(shù)的技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)代碼，可供同類項(xiàng)目借鑒。