ArcGIS图层矢量化功能在地理国情普查中的应用

秦鸿超，李海波，梅新，唐保勇

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)



ArcGIS图层矢量化功能在地理国情普查中的应用

秦鸿超，李海波，梅新，唐保勇

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

在地理国情普查工作中，利用ArcGIS图层矢量化功能对高分辨率的数字正射影像图(DOM)进行地理信息矢量化提取，结合各部门各行业的专题数据，实现地表覆盖、道路、水域、构筑物和地理单元的信息化整合，完成了地理信息数据库的建立.研究结果表明，应用ArcGIS强大的地理空间图形编辑和数据处理能力，把握其方便、快捷、易操作的功能特点，探索ArcGIS的操作技巧，可极大提高地理国情普查的工作效率.

ArcGIS；地理国情普查；图层矢量化

0　引言

为了对全国的国土资源有全面、详细的掌握，提高国土资源的利用效率，国务院于2013年3月1日印发《国务院关于开展第一次全国地理国情普查的通知》(国发〔2013〕9号)，要求于2013年至2015年开展第一次全国地理国情普查工作.地理国情普查是一项重大的国情国力调查，是全面获取地理国情信息的重要手段，是掌握地表自然、生态以及人类活动基本情况的基础性工作，将为今后地理国情监测提供地理国情本底信息.

20世纪60年代，计算机科学的兴起和它在航空摄影测量与地图制图学中的应用，人们开始有可能用计算机收集、储存和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过计算机数据的分析直接为管理和决策服务，这是导致GIS概念问世的原因.最初的GIS只是一些具体的应用系统，称为一门技术.现在已发展成一个独立的、充满活力的新兴交叉学科.ArcGIS是ESRI公司为用户提供的一个可伸缩的、全面的GIS平台，它的主要功能是实现空间数据的输入/输出管理、空间数据库管理、空间数据处理和分析以及专业应用模型，被广泛应用于测绘与地图制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、土地调查与环境管理以及国防和宏观决策等行业中.ArcGIS是开展和完成地理国情普查的一项重要工具.

1　地理国情普查任务与流程

本文中地理国情普查是在我国国土范围内，采用航空航天遥感、全球导航卫星系统、地理信息系统等先进测绘技术，以时相为2011年1月1日以后的、分辨率优于0.5 m的航空遥感影像为主要数据源，充分利用省测绘地理信息局在基础测绘、数字城市建设以及其他全省性的重大项目中完成的覆盖全省范围内的1∶10 000基础地理信息、1∶50 000基础地理信息以及更大比例尺基础地理信息等资源，整合利用相关部门已有的普查成果以及与地理国情相关的专题信息，通过多源遥感影像快速处理、现场调查、信息提取、地理统计分析等技术手段，对反映地表特征、地理现象和人类活动的各类地理环境要素进行空间化、定量化和属性化的普查，形成自然资源、生态环境和人文现象的空间分布及其相互关系的全面普查结果.

图1　地理国情普查总体技术流

地理国情普查的任务包括：1) 调查国土内自然地理要素的基本情况，包括与自然资源环境相关的地形地貌、植被覆盖、水域、荒漠与裸露地等地理要素的类别、位置、范围、面积等，掌握其空间分布状况；2) 调查国土内人文地理要素的基本情况，包括与人类活动相关的交通网络、居民地与设施、地理单元等地理要素的类别、位置、范围、面积等，掌握其空间分布现状；3) 开展地理国情信息统计分析，包括对自然和人文地理要素等重要地理国情信息的基本统计分析、综合统计分析，以及将我国经济社会数据与地理信息数据进行整合，对经济社会发展指标进行空间化、综合性统计分析评价；4) 建立覆盖全国的地理国情信息数据库，构建我国多元化的地理信息国情数据平台以及发布与服务系统，形成一系列地理国情普查图集和普查报告；5) 形成符合国情的系统性、规范性地理国情普查技术和标准体系，建立科学、高效的地理国情普查工作机制，奠定地理国情监测的基础，提升地理国情信息服务的能力[1].

地理国情普查的具体工作流程(省级)如图1所示，ArcGIS在总体技术流程中的应用主要是在流程图中的地表覆盖分类解译、地理国情要素数据内业采集以及内业数据处理、整理3个部分[1].

2　ArcGIS的技术应用

2.1ArcGIS的矢量化功能电子地图数据主要有矢量和栅格两种格式.通过遥感手段获取的影像地图是以点阵形式存储的位图，即栅格图像.这种图像格式有几个缺点：1)当输入的地图数量比较大时，需要的存储容量十分庞大，提高对计算机性能的要求，增加计算机系统的费用；2)空间位置精度低，难于表达线状、网络状的事物；3)以点阵形式存储的地图不能满足绘图输出和地图数据管理的要求.而矢量化存储方式不仅数据存储量小、空间位置精度高，而且具有空间关系描述全面，对线状、网状事物分析，空间和属性数据查询与更新更加方便等优点[2].

在以往的工作实践中，我们经常需要对栅格图像进行解译、识别，提取其中的地理事物信息，然后将这些信息按图层矢量化，生成矢量文件.通过地图编辑软件进行编辑、校正，并输入地图上的有关属性信息相关数据，生成完整的地图数据库，最终得到一套完整准确的电子矢量地图系统.地理信息系统(GIS)是在计算机硬件、软件系统的支持下，对整个或者是部分地球表层空间中的有关地理分布的数据进行采集、存储、管理、运算、分析或者是可视化表达的信息处理与管理系统.ArcGIS是GIS的一套平台产品，具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布与共享的能力[3].图层矢量化即ArcGIS的一项简单而非常实用的基本功能，其具体操作如图2所示，包括栅格底图导入、矢量数据库创建、人工矢量化、属性数据输入和拓扑检查、接边等5个步骤.

2.2底图及专题资料准备利用ArcGIS进行地表覆盖和地理国情要素信息提取之前，需要收集基础性资料，包括基础地理信息数据、遥感影像资料和控制资料以及行业专题数据等.本次普查中需要利用的资料包括影像资料的收集获取时相为2011年1月1日以后，地面分辨率<1.0 m的卫星影像或分辨率<2.5 m的航空摄影影像，收集的行业专题资料包括水利、林业、国土、交通、统计、民政、环境等多个行业部门的数据，数据为1∶10 000、1∶50 000或更大比例尺的DEM数据、DOM 数据、DLG数据等.影像和DEM数据用于制作地表覆盖和地理国情要素提取的DOM底图数据(以非压缩的TIFF格式存储，可直接导入ArcGIS应用)，专题资料用于制作地理国情要素提取的DLG参考数据.

2.3地表覆盖和地理国情数据内业采集第一步，将准备好的DOM影像图，导入ArcGIS作为地表覆盖分类数据和地理国情要素的数据矢量化采集的底图，如图3所示.具体操作时通常放大到最大空间分辨率.

图2　图层矢量化流程

图3　地表DOM影像

地表覆盖分类数据和地理国情要素的数据分图层，采用file geodatabase方式统一存储在ArcGISgeodatabase数据集中.其中地表覆盖分类数据对整个栅格图像区域的地表进行分类，存储在LCA层中，它的所有图斑合起来的范围和大小与栅格底图重合；地理国情要素数据不连续，在栅格影像图符合采集要求的区域采集，然后按要素类型存储在其他41个层中.整个数据集共42层，具体如表1所示.

表1　数据分层与命名汇总表

第二步，创建矢量数据存储数据库.使用ArcCatlog建立ArcGISgeoDatabase数据集，并在数据集下面创建42个要素类图层[4]，分别存储地表覆盖数据和41个地理国情要素数据，部分如图4所示.本次国情普查中，内业数据处理全部使用Gauss_KrugerCGCS_2000的投影坐标系，数据集建立过程中，投影坐标信息选择CGCS_2000[5].

第三步，人工矢量化.按42个要素类的点、线、面的不同属性，根据要素采集需要，加载到具有DOM底图的操作界面，逐一进行矢量化采集[6].这一过程的数据量很大，比如单幅图的一个LCA图层常达几千个图斑，而一个县通常由几十个分幅构成.要素采集效果如图5所示，图5包括LCA和HYDL两个要素类图层.从效果图可以看出，矢量化的过程就是沿着各类地理要素边界，勾勒出与栅格底图一致的一个个点、线和面状图斑.其中LCA图层中的各图斑之间不能有空隙和重叠部分．

图4　gdb数据库(部分)示

图5　要素矢量化结果示意

第四步，对采集的图斑进行属性数据输入，即属性化.在实际操作过程中，采集完成某种地类图斑，通常按CC码，把图斑分成耕地、园地、林地、草地、房屋建筑(区)、道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地、水域等地表覆盖类型，然后进行属性化.这一过程可用字段计算工具及属性表里的其他技巧操作，可以大量节省数据输入时间.在要素图层的属性表中利用字段计算把选中的所有图斑的CC码一起赋予或者修改成0550，省去一个个输入的时间，也可以选出CC码为1011，长度大于等于200的河流，再利用字段计算工具，统一赋予其他字段的属性.

第五步，拓扑检查和接边.由于前面的操作中可能会无意中移动了图斑，造成图斑间形成空隙或者重叠.所以，最后一步需要对LCA和其他线状图层进行拓扑检查.LCA图层以不能有空隙和不能有重叠为拓扑规则，其他线状图层以禁止重叠和不存在悬挂点为拓扑规则[7].拓扑完成后，按照错误指示逐一修改，直到再次拓扑检查没有错误.最后，完成各图幅边界的连接工作，整个矢量化采集工作完成.

2.4外业核查数据的处理与整理外业核查是把内业采集的后辍名为.gdb的矢量数据库以图层形式转换成.mdb格式的矢量数据库，然后导入外业软件，应用GPS导航，到达与图上对应的实地，核实采集的地理国情信息是否正确、属实，在外业软件上进行纠正和确认工作.外业的标注以新建图层的形式存储在导入外业软件的数据库中，外业核查工作完成后可导出为.shp格式的矢量数据，作为修改内业采集数据时的依据[8-9].如图6(a)所示，紫色的点和数字代码是外业核查时标注的内业有错误的空间位置和正确的属性，红色的代码是依据外业核查结果修改后的数据[10].从图6(b)可以看出，缩放至整张底图尺度的时候，一幅图有较多的错误，说明内业的判读、解译存在问题，所以外业核查及核查后内业的修改是保证本次地理国情普查数据提取工作质量的一项重要工作.

图6　外业数据整理示例

2.5难点问题及解决方法地理国情普查在我国尚属首次，没有可以借鉴的经验和方法，工作中必然遇到各种各样的问题，此次普查工作时间紧、任务重，在保证工作质量的前提下，提高工作效率是本次工作的重点和难点问题.本工作团队针对遇到的一些问题，探索解决问题、提高工作效率的方法.

1) 地表覆盖(LCA)图层面状图斑采集：地表覆盖(LCA)图层是连续的面状图层，要求没有缝隙、没有重叠.在进行该图层信息采集时，如果直接采用构面的方法进行矢量化提取，会产生大量的缝隙或者重叠部分.去除这些不合要求部分要花费大量时间.针对此问题，采用先用线要素勾勒出不同地类图斑边界，再进行拓扑检查，去除线要素的悬挂点，使线状要素勾勒的图形完全闭合，最后采用Arctoolbox—数据管理工具—要素—要素转面的方法，将闭合的线状图形转成面状图形.

2) 地表覆盖(LCA)图层道路信息采集：采集LCA图层道路信息时，如果沿道路轮廓勾勒一个封闭区域，将非常耗时且画出的图形不美观.对此，采用先描画道路中心线，再以中心线为轴，以道路的一半为半径作缓冲区的方法予以解决，这样提取的道路图斑，既快捷又美观.

3) 地表覆盖(LCA)图斑的属性输入：采用先画线再转面的方法采集LCA图层信息，线状要素勾勒的图形转成面状图斑后，属性不能保留，需要对照每个图斑的底图进行重新解译，对面状图斑重新赋属性，导致重复工作，工作效率降低.针对此问题，采用一边用线状要素勾勒面状图斑范围，一边在图斑中心打一个点并赋予相应属性，最后利用Arctoolbox—分析工具—叠加分析—空间连接的方法把点的属性直接赋予面状图斑，节省重复解译识别的工作时间，提升工作效率.

4) 国情要素属性的输入：对国情要素赋属性时，同样遇到工作量大、效率不高的问题.比如道路图层LDRL、lvll等，按照地理国情普查工作技术指标的要求，需要把该类要素在相交的位置打断，这导致多段道路的属性完全一样，同样属性数据要重复输入好几遍.针对这个问题，采用本文中关于地表覆盖和地理国情数据内业采集(见2.3)中的第四步关于图斑的属性化计算的方法，按属性选择后同时赋属性，极大地提高此阶段的工作效率.

3　结语

地理国情普查是一项空间化、定量化和属性化的普查工作，是全面获取地理国情信息、掌握地表自然、生态以及人类活动基本情况的基础性工作.本文中在地理国情普查工作中，利用ArcGIS图层矢量化功能对高分辨率遥感影像和其他专题资料中的地理信息的进行采集、编辑、整理和统计分析，结合各部门各行业的专题数据，实现地表覆盖、道路、水域、构筑物和地理单元的信息化整合，完成地理信息数据库的建立.研究结果表明，应用ArcGIS强大的地理空间图形编辑和数据处理能力，把握其方便、快捷、易操作的功能特点，探索ArcGIS的操作技巧，可极大提高地理国情普查的工作效率，ArcGIS系列软件用于地理国情普查工作中具有可行性.

[1] 鄂地普办〔2014〕15号.湖北省第一次全国地理国情普查项目技术设计书[S].武汉：湖北省第一次地理国情普查领导小组办公室，2014.

[2] 张岩.地图矢量化及地理信息系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[3] 陈坚刚.交通地图道路图层提取与矢量化[D].合肥：中国科学技术大学，2007.

[4] 孙跃龙.基于ArcGIS的地震勘探测量数据管理的应用方案研究[J].石油仪器，2012，26(3)：27-29.

[5] 高德章.大地坐标系与投影坐标系[J].物探化探计算技术，2011，33(1)：51-55.

[6] 何必，李海涛，孙更新.地理信息系统原理教程[M].北京：清华大学出版社，2010：38-62.

[7] 苏盛刚.谈ArcGIS拓扑及其在森林资源数据库建设中的应用[J].林业勘查设计，2010(3)：101-102.

[8] 黄妮妮.基于MDB的OpenGIS统一数据交换格式探讨[J].南方国土资源，2007(11)：58-60.

[9] 吴宏庆.利用ArcObjects实现DWG挂接MDB属性数据转入Geodatabase的方法[J].工程建设，2007，3(39)：22-25.

[10] 常德娥.基于CASS软件的数字化成图及SHP数据转换方法[J].大众科技，2011(1)：32-33.

(责任编辑郭定和)

Application of layer vectorization of ArcGIS in the census of geographical conditions

QIN Hongchao， LI Haibo，MEI Xin，TANG Baoyong

(School of Resources and Environmental Science， Hubei University， Wuhan 430062， China)

In the census of national geographical conditions， combining with each department and industry thematic data， we conducted information extraction work of data vectorization to high resolution digital orthophoto map(DOM)， through the function of layer vectorization of ArcGIS， and accomplished information integration of earth mulching， roads， water area， buildings and geographical unit， and complete the task of building geographic information database.The researches showed that we could apply the powerful capability of ArcGIS for editing of geographic spatial graphics and data processing， and grasped its characteristics of being convenient， rapid and easy in operation， and explored its operative skills， so that we could obviously improve the work efficiency of census of national geographical conditions.

ArcGIS;cesus of geographical condition; layer vectorization

2015-11-23

秦鸿超(1990-)，男，硕士生；李海波，通信作者，教授，E-mail：1278289302@qq.com

1000-2375(2016)05-0424-07

P231.2

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.05.007