ArcGIS空间校正在矢量数据处理中的应用

张立刚

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

ArcGIS平台由美国Esri公司发布，是测绘地理信息技术服务尤其是地理信息系统(GIS)辅助决策的最具代表性的门户系统，具有信息输入与转换、数据采集与编辑、数据存储与管理、数据查询与分析(栅格数据分析、矢量数据分析、三维分析、网络分析)、空间统计与可视化、成果表达与输出、二次开发与编程等先进的技术集成优势。近年来，ArcGIS因为其独特的优势已经使其广泛深入地应用于测绘遥感与地图制图、资源监测、城乡规划、灾害预测与应急保障、土地调查与环境保护、宏观决策等与空间地理信息有关的各行各业。同时，伴随着大数据、云计算、移动互联网、人工智能等新一代信息网络技术的发展，ArcGIS通过其强大的相关检索工具及位置分析功能将Web空间思维有机融合于地理信息的诸多领域，实现了地理空间大数据的可视化查询与管理、智能化分析统计与挖掘等集成发展。文章以最新的ArcGIS 10.3版本为基础，ArcGIS 10.3版本于2014年12月正式对外发布。

1 空间校正工具

1.1 基本原理

ArcGIS空间校正(Spatial Adjustment)工具是其比较常用的GIS数据处理工具，是对数据处理的一种基本变换，其实质是一种多维数学模型。目前广泛应用于原始数据粗加工、图形配准(包括纸质地图和影像地图数字化)、坐标转换等[1]，文章所述空间校正主要针对二维矢量数据处理。矢量数据实际上是一系列相关的二维(x,y)坐标点组，所以空间校正的数学模型可以抽象为如下公式：

E′(x′,y′)=H×E0(x0,y0)

(1)

式中：矩阵E′为变换后目标矢量数据；(x′，y′)为变换后坐标点组，矩阵H为变换系数，矩阵E0为源矢量数据；(x0，y0)为原始坐标点组。因此，可以看出，空间校正的实际过程即通过求解H，使得目标矢量数据与源矢量数据偏差最小[2]。

1.2 校正方法

ArcGIS空间校正方法主要包括变换-仿射、变换-相似、变换-投影、橡皮页变换、边捕捉等五种，其中前三种校正方法比较常用。从广义角度来说，这三种变换方法都是线性变换，只是参数、精度及适用范围不同。同时，变换-仿射、变换-相似、变换-投影满足一定条件下可以相互转换，并且变换-投影是三者中最为复杂、相对运用最广的模型。变换-投影可以分解为变换-仿射、变换-相似、变换-投影的组合，其公式可表示为：

H=HS×HA×HP

(2)

式中：矩阵HS、HA、HP分别是变换-相似、变换-仿射、变换-投影。HP为移动无穷远直线，HA为改变仿射性质，但保持无穷远直线在无穷远处。HS为一般相似变换，它不改变仿射及投影性质，变换HP属于透视变换。对变换-投影，有2 个约束可以消除投影变形，有4个约束可以消除仿射变形。三种变换方法中，变换-仿射适用于两个相似坐标系之间的校正，变换动作包括转换、旋转、缩放、扭曲等，其优势在于能够保留源数据的点位置顺序、平行线及平行线段长度比、面积比等相对位置不变(但向量间夹角可能发生变化)。变换-投影主要适用于遥感影像的图像配准。变换-相似与变换-仿射相似，适用于常用的直角坐标系中变换，变换-相似可以看作变换-仿射的一种简化算法，变换动作只有转换、旋转、缩放等，其优势在于能够保持要素的相对形状条件下，避免图层扭曲[3]。

2 DWG到Shapefile数据转换差异

文章资料收集包括GIS通用的Shapefile格式的DLG(数字线划图)数据及AutoCAD软件下的DWG格式的DLG数据，且两种数据的数学基础均为WGS-84投影下的经纬度坐标。根据实际项目生产要求，需将DWG格式文件统一转换为Shapefile格式文件。在作业过程中发现，由于ArcGIS软件及AutoCAD软件系统对DLG图廓四角点坐标小数位取位精度存在差异，导致DWG文件转换后与Shapefile文件存在一定的接边差和套合差(如图1所示)。综合上述空间校正方法，文章拟采用“变换-仿射”和“变换-相似”对转换差异进行处理与比较。

图1 套合差异

3 技术流程

利用空间校正工具进行矢量数据空间转换主要包括DWG数据转换、设置校正数据、选择校正方法、开始校正、精度检查、保存编辑、拓扑检查等步骤，具体技术流程如图2所示。其中，设置校正数据包括源图层(转换后SHP格式DLG数据)与目标图层(参考图廓数据)的设定，空间校正方法一般选用“变换-仿射”或“变换-相似”，新建位移链接工具即开始校正，选取DLG四角折点向参考图廓四角折点进行空间转换，建立链接过程中可实时通过位移链接表查看转换残差值，残差值为0方满足转换要求，拓扑检查包括不能重叠和不能有空隙两项规则。

图2 技术流程

4 结 语

通过文章所述空间校正方法的实际应用与对比，可以得出以下结论：(1)在本项目中，“变换-仿射”与“变换-相似”转换精度均满足精度要求，残差值均为0(如表1所示)；(2)在二维直角坐标系下，“变换-相似”优于“变换-仿射”，“变换-仿射”至少需要3个链接点，而“变换-相似”至少需要2个链接点即可；(3)根据拓扑检查结果，空间校正后数据拓扑关系正确，不存在面重叠与面裂隙情况，符合成果质量要求。本方法技术原理简单、软件运行可靠、数据处理迅速，为矢量数据处理带来了极大的便捷。

表1 位移链接表