基于ArcMap的歷史湖泊地圖水體的矢量化方法

張濤，胡振，宋銘凱

（1.浙江師范大學(xué)，浙江 金華 321004；2.61175 部隊(duì)，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在參與長江三峽集團(tuán)有限公司的項(xiàng)目“長江生態(tài)格局與關(guān)鍵過程長期演變及效應(yīng)研究”中，經(jīng)常需要涉及大面積圖幅的歷史時(shí)期的紙質(zhì)地形圖數(shù)據(jù)的收集與研究。為和現(xiàn)代遙感影像數(shù)據(jù)格式相統(tǒng)一以及將紙質(zhì)地圖導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信息化地理學(xué)相關(guān)處理和分析，需要將紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)化成矢量數(shù)據(jù)。

柵格數(shù)據(jù)矢量化的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于二值化簡單多邊形圖像的自動(dòng)識(shí)別生成矢量數(shù)據(jù)，但是對(duì)于復(fù)雜的彩色地圖和大面積的批量矢量化研究尚有欠缺。本文基于Arc Map軟件，對(duì)大型彩色地圖進(jìn)行矢量化，提取其中主要圖斑的地理信息，為之后地理信息從業(yè)人員快速處理類似的歷史地形圖提供一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 矢量和柵格數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采取多種分析方法以提供地理信息，其廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，在地理學(xué)的相關(guān)研究中，我們經(jīng)常用GIS 來管理和分析地理信息數(shù)據(jù)，同時(shí)在GIS 中最常見的兩種信息數(shù)據(jù)形式為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。

矢量數(shù)據(jù)是通過記錄坐標(biāo)的方式，盡可能精確地表示點(diǎn)、線、面等地理實(shí)體的位置。其具有“位置明顯，屬性隱含”的特點(diǎn)，擁有較強(qiáng)的可編輯能力；數(shù)據(jù)表達(dá)精度高，存儲(chǔ)量??；方便拓?fù)浞治龊蛶缀芜\(yùn)算。矢量數(shù)據(jù)通常通過點(diǎn)、線、面三種抽象幾何要素來表達(dá)空間實(shí)體的相關(guān)關(guān)系。

柵格數(shù)據(jù)是用規(guī)則的陣列來表示空間地物分布的數(shù)據(jù)組織，組織中每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。相較于矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)具有“屬性明顯，位置隱含”的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易用于數(shù)據(jù)交換；但同時(shí)數(shù)據(jù)量大且質(zhì)量低。常用于表示地表形態(tài)，如DEM、遙感圖像和土地利用數(shù)據(jù)。

鑒于矢量和柵格數(shù)據(jù)各有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)和運(yùn)用范圍，并且通常需要運(yùn)用對(duì)應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此我們應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)需求和工作環(huán)境選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)形式或者靈活的在二者之間對(duì)其相互轉(zhuǎn)換。

2 傳統(tǒng)矢量化方法

在進(jìn)行長時(shí)間序列的相關(guān)研究中，常用到歷史紙質(zhì)地圖或其他紙質(zhì)圖集，為方便信息的收集、處理和分析，常常通過掃描的方式將紙質(zhì)地圖掃描信息化，其數(shù)據(jù)常以柵格數(shù)據(jù)的格式存儲(chǔ)于電子媒介中，出于幾何分析的需求，通常要將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的地圖矢量化采用人工目視解譯，創(chuàng)建矢量數(shù)據(jù)對(duì)地理要素進(jìn)行框選和標(biāo)記的方法。這種方法在操作上十分依賴人力和時(shí)間成本，且成果存在一定的主觀誤差。

3 湖泊歷史地圖數(shù)據(jù)特征和矢量化設(shè)計(jì)

3.1 湖泊歷史地圖的特點(diǎn)

一般歷史地圖分為彩色和黑白，圖中常包含信息有經(jīng)緯網(wǎng)、比例尺、圖例、成圖（出版）年份和地類地物等。在與湖泊相關(guān)的歷史地形圖中，湖泊一般呈大面積連續(xù)或河網(wǎng)連接連續(xù)的相同圖例地物、地形出現(xiàn)在地圖上，與周邊的其他地物、地形呈現(xiàn)明顯圖案或色彩的差別，本次研究所選用的數(shù)據(jù)是1930年以來東洞庭湖歷史地形圖，圖中圖形信息包含了水體、濕地、耕地和其他用地地類，包含的文字信息有經(jīng)緯網(wǎng)、比例尺、圖例和坐標(biāo)系以及對(duì)地點(diǎn)的標(biāo)注。

3.2 矢量化設(shè)計(jì)

根據(jù)湖泊歷史地圖的特點(diǎn)和最終的矢量數(shù)據(jù)需求，本次研究將結(jié)合Arc Map 的基本工具和其中的Arc Scan 模塊對(duì)矢量化做出以下方法設(shè)計(jì)：（1）對(duì)歷史地圖進(jìn)行掃描錄入和配準(zhǔn)，獲得具有地理位置屬性的柵格空間數(shù)據(jù)集；（2）調(diào)用重分類工具對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，以前景值和背景值來區(qū)分湖泊和其他地物，獲得值為1 或0 的柵格數(shù)據(jù)集；（3）調(diào)用Arc Scan 模塊將二值化中的湖泊作為前景值進(jìn)行自動(dòng)矢量化，反復(fù)調(diào)整參數(shù)設(shè)置以優(yōu)化矢量過程和結(jié)果，獲得初步的矢量圖斑；（4）結(jié)合柵格圖像數(shù)據(jù)，調(diào)用Arc Map 中相關(guān)工具對(duì)矢量化結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，去除噪點(diǎn)和其他誤差值，以獲取符合需求的高質(zhì)量矢量化數(shù)據(jù)。

4 自動(dòng)矢量化方法實(shí)現(xiàn)

4.1 地圖配準(zhǔn)

根據(jù)歷史地形圖中的地圖文字信息或者說明文件中的地理坐標(biāo)系、投影和經(jīng)緯度信息等建立相對(duì)應(yīng)的空間數(shù)據(jù)集。首先將地圖以柵格數(shù)據(jù)的形式載入Arc Map 軟件中，在Arc Map 的圖層列表中設(shè)置Layer 的坐標(biāo)系和投影，使其與歷史地形圖中的說明信息一致。運(yùn)行Geo Referencing 配準(zhǔn)工具，依據(jù)地圖上標(biāo)注的經(jīng)緯度選擇合適的經(jīng)緯線交叉點(diǎn)或者選擇其他無經(jīng)緯信息的特殊地標(biāo)點(diǎn)（一幅地圖一般選擇4 個(gè)點(diǎn)），本次樣本中所選擇的配準(zhǔn)點(diǎn)為歷史地形圖中的手繪的4 個(gè)角點(diǎn)（圖1，這4 個(gè)點(diǎn)分布均勻且擁有準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息）。當(dāng)配準(zhǔn)的殘差在允許范圍內(nèi)時(shí)，選擇保存地理配準(zhǔn)，即將無地理信息的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閾碛凶鴺?biāo)系和投影的地理柵格數(shù)據(jù)。

圖1 地理配準(zhǔn)

4.2 地圖二值化

一般的柵格圖像可分為多波段組合或者單波段圖像，彩色歷史地形圖一般擁有三個(gè)波段通過RGB 組合成像，對(duì)比柵格圖像的各個(gè)波段的圖像質(zhì)量，依據(jù)水體的顯示效果排序，選擇顯示效果最優(yōu)的一個(gè)波段載入Layer（單波段柵格圖像無需此操作步驟）（如圖2所示），在Layer 下調(diào)用該波段的Layer Properties 中的Symbology 模塊，選擇Classified，將Classes 設(shè)置為2（即分為兩類），調(diào)整合適的閾值對(duì)該波段進(jìn)行二值化處理，在設(shè)置閾值時(shí)需要不斷嘗試調(diào)整，以使得水體和陸地可以很好地區(qū)分開。同時(shí)為避免之后矢量化過程中，柵格地圖中的經(jīng)緯線和注釋造成的矢量圖斑割裂，應(yīng)默認(rèn)將其設(shè)置為前景值范圍內(nèi)與水體合并（之后的優(yōu)化處理過程中，刪除多余部分更加方便）。得到的圖像可以在Layer 中清晰表現(xiàn)為黑色與白色兩個(gè)值，各對(duì)應(yīng)最小值至閾值和閾值至最大值兩類灰度值，將湖泊設(shè)置為前景值（黑色）其余地物為背景值（白色）（如圖3所示）。

圖2 單波段載入圖像

圖3 二值化圖像

4.3 自動(dòng)矢量化參數(shù)設(shè)置和實(shí)現(xiàn)

通過調(diào)用Arc Scan 模塊矢量化前景值得到湖泊水體初步矢量圖斑。在Arc Map 中打開Catalog 建立Personal Geodatabase 以用來儲(chǔ)存Arc Scan 模塊執(zhí)行生成的矢量數(shù)據(jù)，在 Personal Geodatabase 下建立新的Feature Dataset，并設(shè)置成和柵格地圖相同的地理坐標(biāo)系或投影坐標(biāo)系以確保生成的矢量數(shù)據(jù)擁有和柵格地圖相同的地理信息。在新生成的Feature Dataset 下添加New Feature Class，分別為Polyline、Polygon 要素用于存儲(chǔ)矢量線要素和矢量面要素。在Arc Map 中調(diào)用Arc Scan 模塊（調(diào)用前應(yīng)先在Customize中的Extensions 和Customize Model 中勾選Arc Scan 以啟用該模塊功能），在Arc Scan 中調(diào)用Vectorization Settings 對(duì)矢量化過程的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，主要設(shè)置參數(shù)包括調(diào)控連接點(diǎn)處處理，最大線寬（Intersection Solution，Maximum Line Width）等，可以依據(jù)實(shí)際地圖做出相應(yīng)調(diào)整，也可在Styles 中選擇預(yù)設(shè)的常用模型，本次地圖應(yīng)考慮到經(jīng)緯線對(duì)連接點(diǎn)的影響，經(jīng)過多次調(diào)整實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，最終將節(jié)點(diǎn)處設(shè)置為None，最大線寬設(shè)置為20（如圖4所示）以獲得最好的矢量化結(jié)果，同時(shí)要在Options 中設(shè)置水體的一類Foreground。

圖4 參數(shù)設(shè)置

4.4 矢量化結(jié)果優(yōu)化

經(jīng)過之前的步驟，ArcScan 工具可以輸出初步的矢量化成果，如圖5所示，但是一般這樣的矢量數(shù)據(jù)都還存在很多需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方。本次研究實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了常見的幾個(gè)問題：（1）由于紙質(zhì)地圖的長時(shí)間保存導(dǎo)致紙質(zhì)下降或者掃描時(shí)掃描機(jī)器自身精度不夠或過高將紙質(zhì)紋理掃入等的各種系統(tǒng)誤差原因，柵格數(shù)據(jù)會(huì)存在很多噪點(diǎn)或空缺值，這些誤差直接反映在初步矢量化的結(jié)果中矢量圖斑存在大量的點(diǎn)面空值；（2）由于Arc Scan 工具的局限性，其他地物或地名與水體相連的部分也被矢量化并入水體斑塊，存在很多多余部分（如圖5所示）；（3）Arc Scan 追蹤像素點(diǎn)的原理導(dǎo)致矢量圖斑的邊界呈現(xiàn)明顯鋸齒狀，如圖6所示。

圖5 矢量化初步結(jié)果

圖6 鋸齒狀邊界

為優(yōu)化以上問題導(dǎo)致的矢量成果質(zhì)量低，本次實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了一些常用的有效措施來消除這些問題，從而獲取更高質(zhì)量的矢量數(shù)據(jù)。第一步，剔除多余的未連接的像素點(diǎn)生成的冗余矢量圖斑，在Layer 下調(diào)用Polygon 矢量要素集的Table，對(duì)其按面積篩選，因?yàn)樗崛〉乃w面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地名注釋和其他標(biāo)注，依據(jù)需求的大小設(shè)定閾值，將需要的Polygon 導(dǎo)出即可去除其他不需要的矢量圖形，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)出后的圖斑

第二步，將矢量面中的空洞值填補(bǔ)并與相連接的矢量圖斑融合，在Arc Map 中調(diào)用Feature To Polygon，選擇導(dǎo)出矢量要素保存在的Layer，將一個(gè)矢量面和它的空洞值轉(zhuǎn)換成多個(gè)面要素，再調(diào)用該矢量要素所在Layer 的Table，對(duì)所有的矢量面圖形進(jìn)行合并處理，得到一個(gè)完整的矢量面圖形，如圖8所示。

圖8 合并后的面

第三步，對(duì)以追蹤像素點(diǎn)為原理的自動(dòng)矢量化所生成的鋸齒狀邊界進(jìn)行進(jìn)行平滑處理，在Arc Map 中調(diào)用Smooth Polygon 工具，選擇合并后的矢量面所在的Layer，根據(jù)需求和出圖結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整設(shè)置平滑值（本次樣本選擇50），平滑后得到對(duì)應(yīng)優(yōu)化后的矢量圖形，如圖9所示。

圖9 平滑處理后的邊

第四步，對(duì)應(yīng)平滑后的矢量圖形，任然存在部分與經(jīng)緯線和地圖注釋相連接的多余面，調(diào)用Arc Map 中的Cut Polygon 工具對(duì)其剪裁，最終獲得符合要求的水體矢量化圖形，如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的自動(dòng)矢量化圖形

5 結(jié) 論

本次研究實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了歷史湖泊地圖的一種矢量化方法，通過調(diào)用Arc Map 中的Arc Scan 和其他各種工具提取大面積的湖泊水體，并快速得到高質(zhì)量的矢量化數(shù)據(jù)。方法中的Arc Scan 模塊自動(dòng)矢量化大大減少了傳統(tǒng)矢量化的人力和時(shí)間成本，消除了主觀判斷所存在的人為誤差，提高了矢量化結(jié)果的精度。但是，本次研究實(shí)驗(yàn)也有以下幾個(gè)需要改進(jìn)的點(diǎn)：（1）部分Arc Map 中的工具的調(diào)用需要手動(dòng)操作完成，未能實(shí)現(xiàn)全部的自動(dòng)化。（2）最終成果的優(yōu)化仍然需要手動(dòng)結(jié)合原圖識(shí)別修改，還需進(jìn)一步節(jié)省人力成本和時(shí)間成本。

經(jīng)過本次方法實(shí)驗(yàn)，Arc Map 軟件是可以提供完整的自動(dòng)矢量化操作的，傳統(tǒng)的矢量化方法因其煩瑣重復(fù)的操作流程和大量人力時(shí)間成本投入必將在不遠(yuǎn)的將來淘汰。本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與不足也揭示了完整自動(dòng)矢量化所缺失的幾個(gè)重點(diǎn)所需要的進(jìn)一步研究的方向：（1）基于AE（Arc Engine）平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)全程按步驟自動(dòng)調(diào)用Arc Map 中的模塊，方便批量操作；（2）伴隨著當(dāng)今人工智能技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)算力的提升?；谟?jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的能力，可以通過大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別矢量圖斑形狀規(guī)則以達(dá)成自動(dòng)優(yōu)化矢量化結(jié)果。