ArcGIS空間校正在矢量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

張立剛

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

ArcGIS平臺(tái)由美國(guó)Esri公司發(fā)布，是測(cè)繪地理信息技術(shù)服務(wù)尤其是地理信息系統(tǒng)(GIS)輔助決策的最具代表性的門戶系統(tǒng)，具有信息輸入與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與編輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)查詢與分析(柵格數(shù)據(jù)分析、矢量數(shù)據(jù)分析、三維分析、網(wǎng)絡(luò)分析)、空間統(tǒng)計(jì)與可視化、成果表達(dá)與輸出、二次開發(fā)與編程等先進(jìn)的技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，ArcGIS因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)使其廣泛深入地應(yīng)用于測(cè)繪遙感與地圖制圖、資源監(jiān)測(cè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害預(yù)測(cè)與應(yīng)急保障、土地調(diào)查與環(huán)境保護(hù)、宏觀決策等與空間地理信息有關(guān)的各行各業(yè)。同時(shí)，伴隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，ArcGIS通過(guò)其強(qiáng)大的相關(guān)檢索工具及位置分析功能將Web空間思維有機(jī)融合于地理信息的諸多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了地理空間大數(shù)據(jù)的可視化查詢與管理、智能化分析統(tǒng)計(jì)與挖掘等集成發(fā)展。文章以最新的ArcGIS 10.3版本為基礎(chǔ)，ArcGIS 10.3版本于2014年12月正式對(duì)外發(fā)布。

1 空間校正工具

1.1 基本原理

ArcGIS空間校正(Spatial Adjustment)工具是其比較常用的GIS數(shù)據(jù)處理工具，是對(duì)數(shù)據(jù)處理的一種基本變換，其實(shí)質(zhì)是一種多維數(shù)學(xué)模型。目前廣泛應(yīng)用于原始數(shù)據(jù)粗加工、圖形配準(zhǔn)(包括紙質(zhì)地圖和影像地圖數(shù)字化)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等[1]，文章所述空間校正主要針對(duì)二維矢量數(shù)據(jù)處理。矢量數(shù)據(jù)實(shí)際上是一系列相關(guān)的二維(x,y)坐標(biāo)點(diǎn)組，所以空間校正的數(shù)學(xué)模型可以抽象為如下公式：

E′(x′,y′)=H×E0(x0,y0)

(1)

式中：矩陣E′為變換后目標(biāo)矢量數(shù)據(jù)；(x′，y′)為變換后坐標(biāo)點(diǎn)組，矩陣H為變換系數(shù)，矩陣E0為源矢量數(shù)據(jù)；(x0，y0)為原始坐標(biāo)點(diǎn)組。因此，可以看出，空間校正的實(shí)際過(guò)程即通過(guò)求解H，使得目標(biāo)矢量數(shù)據(jù)與源矢量數(shù)據(jù)偏差最小[2]。

1.2 校正方法

ArcGIS空間校正方法主要包括變換-仿射、變換-相似、變換-投影、橡皮頁(yè)變換、邊捕捉等五種，其中前三種校正方法比較常用。從廣義角度來(lái)說(shuō)，這三種變換方法都是線性變換，只是參數(shù)、精度及適用范圍不同。同時(shí)，變換-仿射、變換-相似、變換-投影滿足一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，并且變換-投影是三者中最為復(fù)雜、相對(duì)運(yùn)用最廣的模型。變換-投影可以分解為變換-仿射、變換-相似、變換-投影的組合，其公式可表示為：

H=HS×HA×HP

(2)

式中：矩陣HS、HA、HP分別是變換-相似、變換-仿射、變換-投影。HP為移動(dòng)無(wú)窮遠(yuǎn)直線，HA為改變仿射性質(zhì)，但保持無(wú)窮遠(yuǎn)直線在無(wú)窮遠(yuǎn)處。HS為一般相似變換，它不改變仿射及投影性質(zhì)，變換HP屬于透視變換。對(duì)變換-投影，有2 個(gè)約束可以消除投影變形，有4個(gè)約束可以消除仿射變形。三種變換方法中，變換-仿射適用于兩個(gè)相似坐標(biāo)系之間的校正，變換動(dòng)作包括轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)、縮放、扭曲等，其優(yōu)勢(shì)在于能夠保留源數(shù)據(jù)的點(diǎn)位置順序、平行線及平行線段長(zhǎng)度比、面積比等相對(duì)位置不變(但向量間夾角可能發(fā)生變化)。變換-投影主要適用于遙感影像的圖像配準(zhǔn)。變換-相似與變換-仿射相似，適用于常用的直角坐標(biāo)系中變換，變換-相似可以看作變換-仿射的一種簡(jiǎn)化算法，變換動(dòng)作只有轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)、縮放等，其優(yōu)勢(shì)在于能夠保持要素的相對(duì)形狀條件下，避免圖層扭曲[3]。

2 DWG到Shapefile數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換差異

文章資料收集包括GIS通用的Shapefile格式的DLG(數(shù)字線劃圖)數(shù)據(jù)及AutoCAD軟件下的DWG格式的DLG數(shù)據(jù)，且兩種數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)均為WGS-84投影下的經(jīng)緯度坐標(biāo)。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)要求，需將DWG格式文件統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Shapefile格式文件。在作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于ArcGIS軟件及AutoCAD軟件系統(tǒng)對(duì)DLG圖廓四角點(diǎn)坐標(biāo)小數(shù)位取位精度存在差異，導(dǎo)致DWG文件轉(zhuǎn)換后與Shapefile文件存在一定的接邊差和套合差(如圖1所示)。綜合上述空間校正方法，文章擬采用“變換-仿射”和“變換-相似”對(duì)轉(zhuǎn)換差異進(jìn)行處理與比較。

圖1 套合差異

3 技術(shù)流程

利用空間校正工具進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)換主要包括DWG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)置校正數(shù)據(jù)、選擇校正方法、開始校正、精度檢查、保存編輯、拓?fù)錂z查等步驟，具體技術(shù)流程如圖2所示。其中，設(shè)置校正數(shù)據(jù)包括源圖層(轉(zhuǎn)換后SHP格式DLG數(shù)據(jù))與目標(biāo)圖層(參考圖廓數(shù)據(jù))的設(shè)定，空間校正方法一般選用“變換-仿射”或“變換-相似”，新建位移鏈接工具即開始校正，選取DLG四角折點(diǎn)向參考圖廓四角折點(diǎn)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換，建立鏈接過(guò)程中可實(shí)時(shí)通過(guò)位移鏈接表查看轉(zhuǎn)換殘差值，殘差值為0方滿足轉(zhuǎn)換要求，拓?fù)錂z查包括不能重疊和不能有空隙兩項(xiàng)規(guī)則。

圖2 技術(shù)流程

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)文章所述空間校正方法的實(shí)際應(yīng)用與對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：(1)在本項(xiàng)目中，“變換-仿射”與“變換-相似”轉(zhuǎn)換精度均滿足精度要求，殘差值均為0(如表1所示)；(2)在二維直角坐標(biāo)系下，“變換-相似”優(yōu)于“變換-仿射”，“變換-仿射”至少需要3個(gè)鏈接點(diǎn)，而“變換-相似”至少需要2個(gè)鏈接點(diǎn)即可；(3)根據(jù)拓?fù)錂z查結(jié)果，空間校正后數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系正確，不存在面重疊與面裂隙情況，符合成果質(zhì)量要求。本方法技術(shù)原理簡(jiǎn)單、軟件運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)處理迅速，為矢量數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了極大的便捷。

表1 位移鏈接表