基于ArcGIS构建图库一体化海图系统的研究

丁鸽，刘开，徐彦中，彭健

（1.济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013； 2.山东省城市空间信息工程技术研究中心，山东济南 250013）

基于ArcGIS构建图库一体化海图系统的研究

丁鸽1，2*，刘开1，2，徐彦中1，2，彭健1，2

（1.济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013； 2.山东省城市空间信息工程技术研究中心，山东济南 250013）

针对现阶段我国海图制图与数据建库相分离的“图库两体化”现状存在的缺陷，提出了基于ArcGIS搭建图库一体化海图生产体系的技术方案。本文以中国北部海区的海事测绘数据为基础，以ArcGIS为平台，进行了一体化海图生产体系的构建研究：进行了海事数据库层次结构、属性字段和属性域规则的设计；定制了ArcGIS海图符号库、实现海图智能标注和创建Representation制图表达等关键制图技术；并基于ArcGIS Engine开发了一体化平台，实现了对ArcCatalog和ArcMap应用程序的直接调用，实现了海图建库与制图输出的一体化。

图库一体化；ArcGIS；海事符号库；制图表达

1　引 言

现阶段，我国海图生产体系采用“图库两体化”生产模式:在海图数据库端，基于Arc/Info系统创建、生产和维护Coverage模型的海图数据；在海图制图端，基于CARIS HPD平台，结合 AutoCAD、MapGIS、Photoshop、Illustrator等软件制作海图矢量文件，然后转换输出为EPS或PDF格式，经制版印刷，实现纸质海图的生产［1］。

这种基于Arc/Info、CARIS和绘图软件等协同作业的跨平台海图生产体系存在诸多缺陷:①海图制图与数据库管理各成体系，信息反馈渠道不畅。②制图工作流不连续，缺乏一致的用户界面，无法实现数据无缝拼接。③不能很好地实现海图注记的加注，过程繁琐。④以图幅为单元的数据存储模式，导致数据库存在大量冗余数据。⑤在进行海图数据维护时，须同时维护S-57电子海图数据库、数字海图数据库和纸质海图数据库等多个数据库。为此，搭建一套平台一体化、编绘智能化、图库一体化的海图生产体系势在必行。

ArcGIS是Esri公司研发的构建于工业标准之上的无缝扩展的GIS家族产品［2］，具有强大的数据库管理功能和绘图分析功能，为用户提供了完整的企业级地图制图与数据建库一体化的GIS解决方案。本文从目前我国海图制图技术的现状和实际需求出发，对海图数据库的数据模型、制图关键技术和图库一体化工艺流程进行了系统研究，提出了基于ArcGIS构建图库一体化海图生产体系的技术方案［3］，并对系统的技术流程进行了设计和实现。

2　一体化海图系统技术流程

2.1技术难点

运用相应的制图规则，基于数据库属性数据进行自动化制图功能的实现，是图库一体化海图系统实现的关键。因此，如果可以利用海图数据库进行制图符号的可视化表达，必将大大缩短制图时间，提高工作效率。但实现由库到图的自动化转换必须解决以下技术难题:

（1）制定合理的技术流程。合理的技术流程，是简化工作步骤、降低工作强度的技术支撑，必须在充分研究和分析海事建库和制图特点的基础上才能实现。

（2）海图数据库的设计。为实现基于数据库属性数据的自动化制图，必须对数据库的模型结构、属性字段和属性域规则进行合理设计［4］。既注重对地理实体的空间坐标和属性信息的反映，又可以在对建库数据进行初步符号化后，在符号属性、制图规则、自由表达3个层面上进行制图编辑，从而达到制图规范和美观要求。

（3）海图制图关键技术的实现。海图是各种海图符号、文字注记、图幅整饰要素等的结合体，是科学性与艺术性的完美结合。精美的符号集合、智能的标注显示、完善的配色方案和渲染规则是创建精确、美观的海图的重要保证，是实现海图制图和可视化的关键技术。

（4）制图表达规则的处理机制。要实现高质量海图产品的生产，必须创建完善的覆盖规则与自由表达机制，实现在不改变库数据空间属性的前提下，对每个要素符号的单独编辑和动态创建。

（5）ArcGIS Engine搭建一体化平台。为有效集成ArcCatalog数据建库模块与ArcMap制图功能模块，应充分利用ArcGIS Engine完善的类库和强大的嵌入式GIS组件库，搭建一个统一的平台，实现建库与制图的一体化。

2.2技术流程

本文基于ArcGIS平台，在系统研究数据建库与制图生产一体化理论与关键技术的基础上，就海图数据库的设计、海图制图关键技术和一体化体系的构建开展研究，以兼顾海图制图与数据建库的统一生产和管理为目的，考虑建库数据与制图符号之间的同步与统一关系，对图库一体化海图系统的技术流程进行了设计。

图1　图库一体化海图系统的技术流程

如图1所示，本技术流程改变我国现有海图生产体系的制作工序，在海图生产体系的前端建立源数据海图库，加强对数据质量的管理与控制，并随时利用新资料和改正数据对源数据库进行更新，始终保持数据库的最佳现势性状态，实现无缝的、现势性强的海图数据的存储［5］。在保证数据组织与属性结构合理的基础上，在海图生产体系的末端，对源数据根据海图用途和制图要求，裁切出特定范围的海图数据进行符号化和可视化展示。并基于ArcGIS Engine将两者集成统一，进行建库与制图的统一，完成海图的生产输出工作。

3　海图数据库设计

3.1Geodatabase数据模型

海图数据具有数据量大、水深关系复杂、数据更新速度快等特点，对数据的有效组织是保证海图内在质量、导航定位精度和空间分析准确性的数学基础。因此，合理的数据模型与组织结构是图库一体化海图系统性能的重要保证。

Geodatabase数据模型与传统数据模型相比具有无与伦比的优势，它采用全关系数据库技术，将矢量、栅格、地址、网络和空间参考等数据一体化存储和管理，它可以自定义自己的对象与关系类型，并通过对象间的拓扑关系、约束规则和相互作用关系，更清晰、准确地反映实体对象的空间几何信息、属性信息、三维信息和多媒体信息等，有利于真正意义上实现建库与制图的一体化，因此本文选用Geodatabase模型进行数据库数据的组织与设计。

3.2海图数据库设计

本文以中国北部海区的海事测绘数据为基础，基于Geodatabase层次模型进行数据的组织与设计。参照《数字海图要素属性编码规则》，将海事数据划分为29个层，每层数据按空间类型分为点、线、面，每一类型关联一个或多个属性表［6］。对海图要素的标识采用6位数字编码方式，前三位为“类码”，后三位为“识别码”，第四位标识要素的几何类型，0为点，1为线，2为面，编码定义到具体要素。

属性字段设计。为实现属性数据驱动的一体化海图制图，结合相关海图规范，本文设计属性表字段除包含要素名称、代码、几何类型、坐标参考、坐标精度等字段外，还增加了海图符号、制图表达、规则ID和覆盖等字段，用于存储要素的符号信息和制图表达规则。

属性域规则设计。属性域规则是一种通过限定要素类或空间属性列表中特定字段的允许值来保证数据有效性和完整性的强制性机制。本文针对海事测绘数据独特的属性特征和行为规则［7］，采用“编码的值”类型的属性域规则，进行了要素类属性域类型、有效值集合、分隔策略和合并策略等限定规则的添加。

4　海图制图关键技术

4.1定制ArcGIS海图符号库

海图符号被称为海图语言，是实现海事数据可视化的工具和桥梁。定制ArcGIS海图符号库是实现应用ArcGIS进行海图制图的基础性工作。

鉴于现行海图制图系统CARIS HPD可以提供比较完善的、满足GB12319-1998《中国海图图式》［8］的矢量符号库，和ArcGIS符号管理器（Style Manager）强大的图元组合机制和支持对TrueType字符的任意调用，本文选用TrueType字体编辑器Font Creator进行海图符号库中单个图元的制作和海图字体库的创建。首先，将CARIS符号库的基础图元和标准海图符号［9］，转存输出为位图，并导入Font Creator进行矢量化；然后，通过缩放、平移、旋转等简单编辑操作，制作满足海图图式要求的矢量点状符号文件，并保存安装在Windows系统自带的符号库中；最后，应用ArcGIS Style Manager的符号定制功能和图元组合机制，建立Arc-GIS平台下的专用海图符号库，保存在ArcGIS安装路径的style目录下，并添加到ArcGIS的style列表中，即可在ArcMap进行海图绘制时调用和共享符号库中的符号，通过选择合适的符号样式，制作出精准、漂亮、美观的海图文档。

4.2添加水深智能标注

水深注记在海图负载量中占相当大的比重，是海图中最主要的注记之一，有直体、斜体、拖尾、加绘危险圈等多种类型，实现较为复杂［10］。现行体系是在海图图面绘制完成后，借助MapGIS手工进行注记的添加，大大降低了成图效率［11］。为克服手工添加水深注记的不足，本文利用ArcGIS的标记转注记功能，先对水深数据添加标注，创建标注要素类，然后将标注转换为注记，存入Geodatabase数据库中，获取不同比例尺下符合要求的水深点注记，完成注记的添加工作。

实测水深注记是最主要、最常见的一类水深注记，《中国海图图式》中明确规定实测水深注记采用右斜等线体表示，且注记的整数和小数部分采用不同的字号大小表示。以实测水深注记为例，我们借助标注管理器和Maplex高级智能标注工具，通过VBScript编码进行实现:在ArcGIS中打开水深数据（“Sounding”）层的属性对话框，设置Labels标签页下的Method值为“Define classes of features and label each class differently.”，并在Class选项中添加不同的注记类，在Label Expression中编写VBScript代码，如图2所示，实现右斜等线体水深标注。经编辑整理后，设定特定的海图显示比例尺，将标注转换为注记存储在数据库中。

图2　VBScript编码实现右斜等线体水深标注

4.3创建Representation海图制图表达

制图表达在利用基于规则的组织结构对数据进行符号化的同时，可以灵活地定制单个要素的个性化表达，在不改变数据库原始数据的基础上，灵活地更新图形的显示外观，改善图面的表达效果，满足高质量地图输出的要求。

在进行海图绘制时，本文根据海图数据库中要素类所包含的不同要素类型，对要素类建立符号化方案和制图规则，来创建所需的制图表达，添加相应的制图表达规则，并设置新规则的符号属性、几何效果和显示等级，创建完整的Representation符号化方案。然后，在进行海图编辑时，为各要素类指定相应的制图表达规则进行要素的符号化显示。

5　一体化平台搭建

在完成海事数据库设计，并解决了海图制图中的关键技术后，本文利用ArcGIS Engine进行一体化海图系统的搭建，将ArcCatalog数据建库模块与ArcMap制图功能模块集成到一个统一的平台上，实现属性匹配制图样式驱动制图，实现海图的一体化生产。

5.1系统框架设计

图库一体化海图系统以海图地理信息数据库为基础，通过一系列功能模块的集成应用，实现海图建库与制图的一体化。根据实际需求，设计一体化海图系统框架结构如图3所示。

图3　图库一体化系统的框架结构

5.2功能实现

ArcGIS Engine与ArcGIS Desktop共享相同的底层组件，大量的开发工作可通过在ArcGIS产品间移植后，再做部分更正与改进来实现。在进行一体化系统搭建时，本文通过定制命令实现在一体化平台中对ArcCatalog和ArcMap的直接调用，不再从零开始编程建立地理数据库及其制图符号体系。在进行功能实现时，基于Engine提供的制图控件和框架控件中的MapControl（地图控件）、PageLayoutControl（页面布局控件）、TOCControl（目录树控件）、ToolbarControl（工具栏控件）进行系统界面的定制；基于Engine提供的一系列命令、工具、菜单和选项集，通过调用System、Display、Output、Carto、Geodatabase、Data-SourceGDB和Controls等Engine类库，构建和扩展现有的ArcGIS应用程序功能；通过 Geometry类库的IpointCollection、ISegmentCollection和IGeometryCollection等API接口，实现对点、线、面、注记等要素的编辑功能。如图4所示，为图库一体化海图系统的制图效果。

图4　图库一体化系统的制图效果

5.3图幅整饰输出

完成一体化平台的搭建之后，即可在一体化平台上进行海事数据的入库和符号化绘制。并根据GB12319-1998《中国海图图式》中对海图图廓整饰元素和图面配置内容的详细说明，添加图面配置要素（海图的图号、标题和图廓注记等），完成海图的制作。然后根据实际需要将海图文档转存或进行打印输出，提交最终的海图产品。

6　结 语

ArcGIS是一个架构完整、功能强大、扩展方便、部署灵活的地理信息平台，为新的海图生产体系的搭建提供了理想的开发环境。本文深入论证了基于Arc-GIS实现图库一体化海图系统的技术流程和关键技术，有利于提高海图制图效率，完善海图数据管理工作，希望对今后海图生产体系的深层次发展和技术体系的进一步完善提供有力参考。

［1］陈惠荣.海图设计自动化关键技术研究［D］.大连：大连海事大学，2011.

［2］牟乃夏，刘文宝，王海银等.ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通［M］.北京：测绘出版社，2012.

［3］Julien Barbeau，Andrew W.Hoggarth.Marine Spatial Data Infrastructure：Hydrographic Workflows and Related Stadards.Proceedings of the Canadian Hydrographic Conference ad National Surveyors Conference，Canada，2008：1～10.

［4］Wells D，Kleusberg A，Vanicek P.A seamless Vertical Reference Surface for Acquisition，Management and Display（ECDIS）of Hydrographic Data.A report prepared for the Canadian Hydrographic Serviceunder Conract Number IIHS4-122，2004.

［5］朱晓华.利用CARIS HPD进行纸海图生产［C］.第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会，成都，2009：437～440.

［6］黄忠刚，魏金桃，纪宏宇等.地形图与海图数据结构对照研究［J］.海洋测绘，2009，29（3）：58～60.

［7］Julia Powell，Chistie Ence，Tara Wallace，etc.Using ArcGIS Nautical Solution to Produce Nvigational Products.Proceedings of the United States Hydrographic Conference，2009.

［8］GB12319-1998.中国海图图式［S］.

［9］CARIS HPD Paper chart editor 2.6 Reference Guide.Universal System Ltd，2008.

［10］刘颖，翟京生，陆毅等.数字海图水深注记的自动综合研究［J］.测绘学报，2005，34（2）：179～184.

［11］Zhai Jingsheng，Lu Yi.Recognition and measurement of marine topography for sounding generalization in digital nautical chart.Marine Geodesy，2005，28：167～174.

Research on Construction of the Database Unified Cartography Chart System Based on ArcGIS

Ding Ge1，2，Liu Kai1，2，Xu Yanzhong1，2，Peng Jian1，2
（1.Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Jinan 250013，China；2.Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information，Jinan 250013，China）

For defects of the existing separation of the chart database construction system and the chart cartography system，a technical scheme to construct a geodatabase and cartography integrated chart system based on ArcGIS has been proposed.On the basis of the northern China marine surveying data and the ArcGIS platform，this paper conducts research on the construction of the chart integration system.It designs the data hierarchy structure，the attribute fields and the domain rules of the marine geodatabase.Also it solves the technologies in the chart cartographic module，such as the customization of the ArcGIS chart symbol libraries，the affixion of chart intellectual labels and the creation of chart cartographic representation.Then it sets up an integrated platform based on ArcGIS Engine，which can directly invoke the Arc-Catalog and ArcMap procedure，makes the chart database construction and cartographic output work can be done integratively.

database integrated chart system；ArcGIS；chart symbol library；representation

1672-8262（2016）04-45-05

P208.2

A

2016—03—19

丁鸽（1989—），男，助理工程师，主要从事竣工测量、精密工程测量、三维点云数据处理等方面研究。

国家自然科学基金资助项目（41174010；41374011）