基于ArcGIS的電子地圖快速制圖方法研究

方林彬

(福州市勘測院，福建 福州 350008)

1 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們已經(jīng)越來越習慣使用電子地圖來獲取位置信息，截至2017年6月，地圖App活躍用戶超過4億。電子地圖作為查找位置信息、查詢周邊信息、規(guī)劃交通路線、實時路況等應用的基礎(chǔ)，已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面。網(wǎng)約車、共享單車等很多新興應用也需要基于電子地圖，此外，街景、室內(nèi)地圖、三維全景、虛擬現(xiàn)實地圖等新型地圖也為人們提供了更為豐富的地圖服務。同時，隨著政務信息公開力度和公共服務能力的不斷提升，作為提供空間位置信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，交通、國土、城建、水利等行業(yè)部門對電子地圖的應用需求日益強烈。

劉燦由[1]、張昊[2]對電子地圖多尺度快速表達、顯示進行了研究，改善顯示效果，減少符號化的時間延遲。劉建敏[3]、張薇[4]研究了電子地圖符號設計，并將設計的符號應用于電子地圖生產(chǎn)。王淑清等綜合利用SuperMap、ArcGIS等軟件對德州市電子地圖數(shù)據(jù)制作和主要問題的處理技巧進行了總結(jié)[5]。趙春等[6]、孫麗敏等[7]、姚靜[7]都使用ArcGIS進行電子地圖生產(chǎn)，獲得較好的制圖效果。鄭海玲以城市政務電子地圖為例，詳細描述了政務電子地圖制作的技術(shù)流程與方案，形成現(xiàn)勢性強、美觀的政務電子地圖[9]。邱健麗對電子地圖目標變化的探測和變化信息的更新策略進行了研究，總結(jié)出電子地圖從變化目標的發(fā)現(xiàn)到變化目標更新成圖的完整流程[10]。

關(guān)于電子地圖完整的快速制圖方法的研究較少，主要是研究符號設計和制作、制圖模板的制作、電子地圖數(shù)據(jù)更新等。本文對基于ArcGIS電子地圖的快速制圖流程和方法進行研究，主要包括電子地圖數(shù)據(jù)源組織、符號庫的制作、制圖模板的配置、地圖緩存的生產(chǎn)、電子地圖的快速更新等，快速制圖方法具有通用性和靈活性，為快速定制用戶需要的電子地圖提供方法支持。

2 電子地圖制圖流程

ArcGIS是一個全面的GIS平臺，提供了桌面端、服務器端和移動端的完整解決方案，其中ArcMap是Windows下的數(shù)據(jù)編輯、地圖制圖、空間分析的主要軟件，提供了靈活、強大的制圖功能。

電子地圖數(shù)據(jù)類型包括線劃、影像、暈渲、專題電子地圖4種類型。線劃電子地圖以線劃數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)過數(shù)據(jù)分級與可視化設置而成；影像電子地圖以航空、航天遙感影像為基礎(chǔ)，并配以線劃和適量注記；暈渲電子地圖以DEM暈渲圖為基礎(chǔ)，并配以矢量線劃和適量注記成圖。專題地圖是在地理底圖上按照地圖主題的要求，突出表現(xiàn)一種或幾種要素，使地圖內(nèi)容更具有針對性，具體制圖流程如圖1所示。

圖1 電子地圖生產(chǎn)技術(shù)流程

(1)數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)準備就是根據(jù)用戶需求收集制作電子地圖所需的數(shù)據(jù)，包括DLG數(shù)據(jù)、地名和興趣點數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)等，并進行數(shù)據(jù)裁切、格式轉(zhuǎn)換等工作。

(2)數(shù)據(jù)源生產(chǎn)

對經(jīng)過整理后的數(shù)據(jù)進行編輯和處理，包括坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)組織、要素重分類、影像數(shù)據(jù)鑲嵌、暈渲數(shù)據(jù)(山體陰影)生產(chǎn)等，并根據(jù)電子地圖的用戶類型、網(wǎng)絡環(huán)境等確定是否需要對數(shù)據(jù)進行脫密，形成分類、分層、組織有序的電子地圖數(shù)據(jù)源。

(3)電子地圖制作

首先制作ArcGIS Style格式的符號庫，包括點符號、線符號、顏色配置、面填充以及注記樣式等。利用符號庫可以配置成不同風格的ArcGIS mxd制圖工程作為電子地圖的模板。需要制作新的電子地圖時，可以利用已有的電子地圖模板，重新指定mxd的數(shù)據(jù)源，再經(jīng)過人工編輯和整飾就可以完成制圖工程的配制。

配制工程需要發(fā)布成ArcGIS Server地圖服務，然后在ArcCatalog中進行地圖緩存(即電子地圖瓦片)的生產(chǎn)，形成電子地圖瓦片庫。

3 快速制圖方法

電子地圖快速制圖涉及幾個重要的環(huán)節(jié)，包括電子地圖數(shù)據(jù)源組織、符號庫的制作、制圖模板的配置、地圖緩存的生產(chǎn)、電子地圖的快速更新，必須為每個環(huán)節(jié)制定快速制圖的方法才能實現(xiàn)電子地圖生產(chǎn)的快速化。

3.1 電子地圖數(shù)據(jù)源組織

數(shù)據(jù)源是制作電子地圖的基礎(chǔ)，在電子地圖生產(chǎn)過程中，需要花費大量時間和人力用于數(shù)據(jù)收集和處理，數(shù)據(jù)源的組織對快速制作電子地圖至關(guān)重要。最理想的情況是能夠不經(jīng)編輯或經(jīng)少量編輯就能從已有數(shù)據(jù)中提取制圖的數(shù)據(jù)源，因此，數(shù)據(jù)源的分層和分類越詳細，其通用性越強，制作電子地圖時越能夠靈活的選取、重組數(shù)據(jù)。

由于DLG數(shù)據(jù)一般按照分幅進行組織，無法直接用于電子地圖生產(chǎn)，此外，DLG數(shù)據(jù)中包含控制點、高程等涉密信息，除專業(yè)用戶外，很少有用戶需要此類涉密數(shù)據(jù)，因此，DLG數(shù)據(jù)需要整合成核心要素數(shù)據(jù)。核心要素數(shù)據(jù)是DLG數(shù)據(jù)經(jīng)要素提取和脫密、數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一、接邊、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)更新、拓撲處理、質(zhì)量控制等處理，包括水系、居民地、道路、境界和行政區(qū)劃、綠地等圖層的成果數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)全省優(yōu)勢互補、更新及時的電子地圖數(shù)據(jù)源，需要解決省、市、縣地理信息數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)勢性、精度等不一致的問題，因此，數(shù)據(jù)源的要素分類、分層和圖層命名參考《天地圖數(shù)據(jù)融合技術(shù)要求》。遵循現(xiàn)勢性好、精度高、數(shù)據(jù)全的原則，將省、市、縣不同尺度、不同來源、不同類型數(shù)據(jù)進行融合，形成通用性強、精度優(yōu)、覆蓋范圍廣的核心要素數(shù)據(jù)。

地名和興趣點數(shù)據(jù)分類、屬性結(jié)構(gòu)等參考《天地圖數(shù)據(jù)融合技術(shù)要求》中地名地址數(shù)據(jù)融合的指標進行處理，地名地址數(shù)據(jù)的分類詳細。部分地名和興趣點名稱超過8個字符，直接標注到電子地圖上容易壓蓋重要地物，所以地名和興趣點需要對名稱進行簡化。

影像和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸類為柵格數(shù)據(jù)，作為電子地圖的數(shù)據(jù)源，需要對影像和DEM數(shù)據(jù)進行鑲嵌，為了提高鑲嵌的效率，使用ArcGIS的Mosaic Dataset進行邏輯拼接，并對接邊進行羽化等處理，影像和DEM數(shù)據(jù)仍以文件的形式進行存儲，也能節(jié)省磁盤空間。

專題數(shù)據(jù)種類繁雜，無法按照統(tǒng)一的標準進行處理，但多數(shù)專題數(shù)據(jù)有行業(yè)標準，所以專題數(shù)據(jù)一般按照行業(yè)的標準規(guī)范進行數(shù)據(jù)組織。

3.2 電子地圖符號庫

ArcGIS提供了強大的符號制作功能，除ArcGIS提供的基本符號工具外，還支持基于圖片、TrueType字體、多種組合等方式制作符號。符號庫可以重復使用，即使需要進行調(diào)整，也比重新制作一個符號更節(jié)省時間，因此，收集和制作種類和樣式越多的符號對快速制圖越有利。ArcGIS Style符號庫可以存儲參考系統(tǒng)、陰影等20多種類型的符號，經(jīng)常使用的符號包括點符號(Marker Symbols)、線符號(Line Symbols)、填充符號(Fill Symbols)、標注樣式(Labels)、Maplex標注樣式(Maplex Labels)。

Style符號庫中還能存儲顏色和色帶，其中色帶可以用來對DEM和山體陰影數(shù)據(jù)分段設色，常用的顏色和色帶也要保存到符號庫中。

(1)點符號

點符號可以使用TrueType字體生成，可以使用FontCreator定制電子地圖需要的字體庫。點符號還支持bmp、emf、png等格式的圖片，可以使用Adobe Illustrator、CorelDRAW等軟件制作出種類更豐富的點符號，但制作圖片點符號需要注意圖片的背景色透明和放大后失真的問題。png和emf格式的點符號放大后的效果比較如圖2所示，png格式(如圖2左所示)的圖片制作的符號放大4倍后出現(xiàn)明顯的模糊，而emf格式(如圖2右所示)放大4倍后不存在任何失真，因此點符號的圖片推薦采用emf格式。在Adobe Illustator或CorelDRAW中繪制矢量的點符號，Adobe Illustrator選擇File菜單下的Export，CorelDraw選擇File菜單下的Save、Save As或Export將點符號導出為emf格式。點符號庫制作成果如圖3所示。

圖2 png和emf符號放大后對比

圖3 點符號庫

(2)線符號

ArcGIS線符號支持3D簡單線符號、3D紋理線符號、標記線符號、混列線符號、簡單線符號、圖片線符號、制圖線符號等多種類型，其中簡單線符號、標記線符號、混列線符號和制圖線符號是常用符號類型，通過設置符號的間隔、間距、角度、寬度、顏色等，并將幾種符號類型組合實現(xiàn)各類制圖需要的線狀符號。如巖墻符號可以通過兩條制圖線符號、兩條混列線符號實現(xiàn)，如圖4所示。線狀符號庫如圖5所示。

圖4 巖墻符號組合方式

圖5 線狀符號庫

(3)填充符號

填充符號用于為多邊形設置填充樣式。填充類型支持3D紋理填充符號、標記填充符號、簡單填充符號、漸變填充、圖片填充符號、線填充符號。填充符號是由邊線符號和面填充樣式組成，邊線符號的設置與線符號相同，面填充樣式可以通過設置填充顏色、填充線的樣式和間距、填充標記的排列等實現(xiàn)填充符號。填充符號庫如圖6所示。

圖6 填充符號庫

(4)標注樣式

標注樣式用于顯示電子地圖注記，其包括了文本符號和放置屬性。文本符號是設置標注的字體名稱、字體大小、顏色、描邊、對齊方式、文本背景等，實現(xiàn)注記的文字樣式。放置屬性主要用來設置注記如何標注在地圖上，即注記的排列方式，如道路標注放置在道路中心線上，并沿道路進行彎曲等。Labels和Maplex Labels都是標注樣式，兩種標注樣式的文本符號設置是相同的，但Maplex Labels具有更為強大的放置屬性設置。標注樣式庫如圖7所示。

圖7 注記樣式庫

Style符號庫還可以存儲制圖表達規(guī)則，制圖表達能夠?qū)⒅茍D符號與數(shù)據(jù)一起存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自帶符號，在ArcMap中加載數(shù)據(jù)時就能顯示這些符號。同時單個要素的符號可以轉(zhuǎn)換成自由式制圖表達，此時符號的幾何圖形可以編輯，而不改變要素的幾何圖形。通過制圖表達可以制作出更精細的電子地圖。

3.3 制圖模板

制圖模板就是利用符號庫中的符號對要素進行符號化，設置圖層疊放順序、要素類的顯示順序、各要素符號的等級等，形成一個存儲數(shù)據(jù)源地址、圖層名、符號配置、注記樣式、比例尺范圍、坐標系等信息的mxd格式的地圖工程。除專門配置的mxd制圖模板，生產(chǎn)電子地圖的mxd工程也可以作為模板。制圖模板中需要設置的主要內(nèi)容包括以下6部分內(nèi)容。

(1)圖層順序：按照要素的重要度和制圖習慣，調(diào)整圖層的疊放順序，ArcGIS會按照內(nèi)容列表(Table Of Contents)中圖層排列順序從下至上進行渲染，內(nèi)容列表中最下面的圖層先渲染，其符號在地圖的最底層。

(2)符號化：矢量數(shù)據(jù)可以通過自動匹配或者人工設置為每類要素指定符號，自動匹配是利用與樣式中的符號匹配(Match to symbols in a style)這一功能自動為要素設置匹配的符號，能有效提高制圖的效率，數(shù)據(jù)源中需要要素名與符號庫中的符號名對應。制作暈渲底圖時，將DEM疊加到山體陰影數(shù)據(jù)上面，需要對山體陰影進行算法色帶拉伸，DEM數(shù)據(jù)分段設色，然后通過設置DEM層的透明度，實現(xiàn)彩色的山體陰影效果，如圖8所示。

圖8 山體陰影顏色設置效果

(3)圖層內(nèi)要素的顯示順序：對于需要分類顯示的圖層，需要設置每類要素在圖層內(nèi)的顯示順序，對于多層符號組成的線狀要素符號，還需要設置線狀符號的符號等級、連接(Join)和合并(Merge)。圖層屬性中可以定義查詢，通過SQL語句對要素進行過濾，即SQL查詢結(jié)果作為該圖層顯示的要素，適用于需要顯示某個圖層部分要素的情況。

(4)標注設置：標注是重要的地圖符號，ArcGIS中的注記分動態(tài)標注(Labels)和注記(Annotation)，Labels分為標準(Standard)標注引擎和Maplex標注引擎，均是動態(tài)生成注記，不能由人工對單個標注進行編輯，地圖漫游時會自動重繪，Maplex標準引擎功能更強大，ArcGIS 10.1之后的版本中Maplex引擎成為標配，不再作為擴展模塊；Annotation必須存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以進行人工編輯。通過合理的設置Labels的屬性，結(jié)合Annotation進行人工編輯，可以制作出非常精細的注記，同時能夠兼顧效率。Labels能實現(xiàn)豐富的標注樣式，同時支持VBScript、Python和JScript腳本進行定制注記，如分數(shù)形式的標注可以將Parser設置為VBScript，然后在標注表達式中輸入"" & vbCrLf & [分母]。

(5)圖層分組：在一個配圖mxd中可以包含多個比例尺的制圖成果，只需要在mxd中做好分組即可，所有比例尺下都需要顯示的圖層作為一個分組，每個電子地圖分級比例尺下需要顯示的圖層作為一組。

(6)比例尺范圍：mxd工程中的每個圖層(組)需要設置顯示的比例尺范圍，在比例尺范圍內(nèi)時圖層能夠顯示，在比例尺范圍外時不進行顯示，這樣就可以在一個mxd中設置不同級別的電子地圖顯示內(nèi)容。

3.4 地圖緩存

配置完成的mxd制圖工程需要發(fā)布到ArcGIS Server，然后在ArcCatalog中進行切片。地圖切片比較耗時，特別是大范圍的大比例尺電子地圖，瓦片數(shù)量能達到幾百萬張，甚至更多。為加快地圖緩存的速度，需要注意以下幾點：①mxd制圖工程中避免使用復雜的符號和規(guī)則復雜的標注，縮短地圖切片時的渲染時間；②選擇性能較強的工作站或ArcGIS Server集群，并設置合理的緩存實例數(shù)量，充分利用多核多線程的硬件資源；③設置切片的范圍，僅對目標范圍進行切片；④盡量使用緊湊型瓦片，大數(shù)量的松散型瓦片的拷貝轉(zhuǎn)移非常耗時；⑤設置合理的抗鋸齒效果，要素的抗鋸齒推薦設置為fast或normal；⑥將數(shù)據(jù)源和輸出緩存放在不同的物理硬盤上，避免對一個物理硬盤同時進行讀寫；⑦本地矢量數(shù)據(jù)使用File Geodatabase存儲，柵格數(shù)據(jù)一定要先創(chuàng)建金字塔。

為了能夠快速設置切片的各個參數(shù)，通常將切片配置參數(shù)保存為xml格式的配置文件，配置文件中包含了坐標系、起始點坐標、瓦片大小、瓦片格式、分辨率、分級比例尺等，切片時可以直接使用配置文件，避免參數(shù)設置錯誤。

3.5 地圖更新

電子地圖更新方法有2種：一種是全部更新，即變化要素多、分布范圍廣，對電子地圖進行全部更新，全部更新類似于重新生產(chǎn)電子地圖；另一種是局部更新，即變化要素比較少，僅對變化要素范圍內(nèi)的電子地圖進行更新。為了實現(xiàn)局部更新，需要準確提取數(shù)據(jù)源更新前后的增量要素，因此，在數(shù)據(jù)源中增加GUID型的字段作為全局唯一標識，為每個要素賦一個GUID值。GUID是一個由36個十六進制字符和“{}”組成的字符串，如“{688DAB05-C740-4E32-A93C-7ECCF2F7A20F}”，能夠保證編碼在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部和跨數(shù)據(jù)庫的唯一性。GUID字段需要編寫程序進行維護，主要進行重復GUID值檢查及處理、GUID賦值等。

要素從T0到T1時刻只有4種狀態(tài)：新增、刪除、修改以及未變化。T0和T1時刻的要素都有唯一標識碼，可以通過唯一標識建立關(guān)聯(lián)關(guān)系(Relationship)，通過關(guān)聯(lián)關(guān)系可以判斷每個要素在T0和T1時刻的狀態(tài)。T0時刻沒有，T1時刻存在的要素為新增要素；T0時刻存在，T1時刻消失的要素為刪除要素；T0和T1時刻都存在的要素則進行屬性和幾何圖形的判斷，屬性、幾何圖形發(fā)生變化的為修改要素；T0和T1都存在，屬性和幾何圖形都沒有變化的要素為未變化要素。

提取T0到T1時刻的變化要素，使用ArcGIS Buffer工具按照一定距離生成變化要素的緩沖區(qū)，再找到Server Tools→Caching→Manage Map Server Cache Tiles工具，將Update Extent設置為變化要素的緩沖區(qū)，然后執(zhí)行切片工具，即可實現(xiàn)對變化要素范圍內(nèi)的電子地圖切片和更新。

3.6 快速制圖方法應用

ArcGIS快速制圖方法已應用于“天地圖·福州”的電子地圖生產(chǎn)，2012年完成福州市7-20級政務版和公眾版矢量、影像和暈渲電子地圖的制作，之后每年對電子地圖進行2次更新。制作生產(chǎn)了交通出行、教育、休閑旅游、生活服務、醫(yī)療衛(wèi)生、舊城改造等行業(yè)70余種專題地圖。圖9為福州市矢量電子地圖。

圖9 第9級福州矢量電子地圖

4 總 結(jié)

政府、企業(yè)和公眾對電子地圖的需求越來越強，很多生產(chǎn)單位投入大量人力和物力為用戶定制電子地圖，如何快速定制用戶需要的電子地圖是生產(chǎn)中急需解決的問題。筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗對電子地圖的快速制圖方法進行了總結(jié)和研究，針對電子地圖制作的每個環(huán)節(jié)提出提高制圖效率的方法，特別是每個環(huán)節(jié)需要注意的問題，對電子地圖生產(chǎn)者具有很好的參考價值。