基礎性地理國情監測中外業軌跡概化方法探討

龔其琛，李 磊，鄒 威

（1.中南勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430000；3.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

年度基礎性地理國情監測從2016年開始，是第一次地理國情普查的延續，根據與監測時點匹配度最高的遙感影像對第一次地理國情普查數據庫進行年度更新，保證地理國情普查數據的時效性，提升數據在學術研究、工程應用、政府決策方面的使用價值。為提高數據監測更新準確度，與第一次地理國情普查生產流程相同，需要對年度監測成果中存疑處進行實地外業核查，外業過程中所記錄的軌跡還需入庫。由于外業量較大，導致外業軌跡存在大量重復路段、節點冗余問題，根據生產規定，在入庫前要對軌跡進行概化處理，僅需能夠反映外業調查整體情況即可[1-7]。人工處理工作量較大，可以利用ArcGIS ArcScan模塊對軌跡群進行柵格化，然后提取柵格中心線的思路，自動生產全省概化軌跡，更新屬性后直接入庫。

1 使用軟件介紹

1.1 ArcGIS

ArcGIS是美國Esri公司研發的構建于工業標準之上的無縫擴展的GIS產品家族。它整合了數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術、云計算等主流的IT技術，宗旨在為用戶提供一套完整的、開放的企業級GIS解決方案。ArcGIS以其強大的數據整合分析功能和靈活的可擴展性在測繪行業得到了廣泛的應用，在數據庫建設上的出色發揮也為它吸引了廣大的用戶群。

1.2 ArcScan

ArcScan 在 ArcMap 環境下運行，并且依賴于自身的用戶界面，該界面支持在矢量化過程中使用的工具和命令。與其他 ArcGIS 擴展模塊一樣，必須先在ArcMap 中啟用 ArcScan 擴展模塊，之后才能使用該模塊。此外，必須將“掃描矢量化”工具條添加到地圖，才能訪問支持矢量化工作流的工具和命令[1]。

掃描矢量化可以對 ArcGIS 所支持的任何以二值圖像表示的柵格數據格式進行矢量化。這就要求使用兩種顏色來對柵格圖層進行符號化?？梢允褂?ArcMap 的“唯一值”或“分類”渲染選項來將柵格分離成兩種顏色。大部分掃描文檔通常由兩種用來描繪前景和背景的顏色組成。通常，前景用深色（如黑色）表示，而背景用淺色（如白色）表示。但是，這些顏色可以顛倒或用不同的值表示。只要兩種顏色具有唯一的值，掃描矢量化就支持對當前前景柵格像元進行矢量化。

2 操作流程與方法

2.1 流程概述

以2018年基礎性地理國情監測入庫外業調查軌跡入庫流程為例，原始外業軌跡坐標系為CGCS 2000地理坐標系，其空間分布情況如圖1所示。

圖1 地理國情監測原始外業軌跡示例

圖中，原始軌跡中存在大量的軌跡重復，軌跡重復緣于外業調查中的路段重復勘踏，或僅僅是由于儀器未關閉路線采集功能，如果按照技術要求，人工整理軌跡的話，逐條路線編輯工作量較大。

使用ArcGIS ArcScan模塊進行軌跡概化，整體思路如圖2所示。

圖2 軌跡概化思路

2.2 操作詳解

2.2.1 數據準備

在正式開始處理數據前，需統一整理數據。外業原始軌跡坐標系統由作業員在外業平板上設定，要先核查坐標系是否正確，坐標系設置無誤的前提下，外業原始軌跡成果坐標系應該為CGCS 2000地理坐標系。但由于后續需要進行緩沖操作，需要以米為緩沖距離單位，因此需要將地理坐標系數據統一轉換為投影坐標系，此處統一選擇CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E，坐標轉換界面如圖3所示。

圖3 坐標轉換設置界面

2.2.2 道路線緩沖

獲取投影坐標系軌跡成果之后，就可以對線要素進行緩沖（buffer）操作，緩沖操作可以實現兩個目的：①將線狀軌跡要素轉換為面狀軌跡要素，為下一步轉柵格做準備；②在轉換為面狀要素的過程中，可以同時實現面融合。

這也意味著在緩沖設置時有兩個關鍵點：

1）緩沖距離的選擇。緩沖距離既不能太長也不能太短，太長會令面緩沖成果失去道路的空間形態，導致在后續面緩沖成果轉換為線狀要素時與真實道路相差甚遠；太短則會導致相同道路的不同軌跡緩沖面寬度過窄無法重疊，影響后續面融合操作。

2）融合。每段原始軌跡會生成一個獨立緩沖面，為方便后續轉換，需要將各個軌跡生產的面進行融合。緩沖工具界面設置如圖4所示。

圖4 緩沖工具界面設置

3）要素轉柵格。在緩沖后，就可以根據緩沖面提取道路面中心線，ArcGIS提取條狀面要素中心線有兩種方式，一種是直接使用ArcToolbox中“提取中心線”（CollapseDualLinesToCenterline）工具進行，這種方式可直接將雙線矢量要素轉換為單線是兩要素；第二種是先將矢量面要素轉換為二值化柵格，然后使用ArcScan套件提取其中心線。

很明顯，由于采取軌跡緩沖構面的方式，使用第二種方式較好?！疤崛≈行木€”的方式需要先將軌跡緩沖面轉換為雙線，在道路復雜處很容易由于線條較多導致提取結果不符合現實情況，而將緩沖面轉換為柵格在一定程度上是對道路節點復雜面構成的融合，提取結果會更加真實[2-4]。

4）柵格重分類?！耙剞D柵格”工具所生成的柵格成果柵格單元值域并不規范，而ArcScan模塊從柵格提取線狀要素的前提需要將柵格二值化，二值化之后的柵格特征為：軌跡緩沖面所覆蓋的柵格單元值為1，其他柵格單元值均為0。

將柵格二值化需要用到ArcToolbox中“重分類”（ReClassify）工具，設置界面如圖5所示。

圖5 柵格二值化設置

如上圖，“重分類”工具將原始柵格已存在的灰度值統一調整為1，將空值“Nodata”調整為0。生成的柵格成果與原始軌跡對比圖如圖6所示。

圖6 柵格成果與原始軌跡對比圖

5）ArcScan生成線要素。生成二值化柵格之后，即可使用ArcScan模塊將提取中心線。點擊ArcMap菜單欄自定義→擴展模塊激活ArcScan工具，右鍵單擊ArcMap工具欄空白處調出ArcScan工具欄，先點擊“矢量化設置”進行柵格矢量化的參數設置，將柵格最大線寬度調為最大值100以盡可能擴大能轉換為中心線的道路寬度限值，輸出柵格像元大小設置為5m。新建一個空白的shape線文件用來存放轉換后的線文件數據，點擊矢量化→生成要素工具進行中心線提取，在生成要素工具上勾選“將各線要素的平均寬度保存到現有字段”。

通過以上操作，原始軌跡空間概化工作即已完成，由于概化軌跡成果未繼承原始軌跡屬性，因此需要人工以縣為單位添加軌跡屬性即可[5-6]。

2.2.3 成果比對

軌跡概化成果與原始軌跡對比情況如圖7所示，下圖中藍色線條為軌跡概化成果，紅色線條為原始軌跡。

圖7 軌跡概化前后情況對比

圖中顯示，原本需要人工打斷、刪除、調整的軌跡線段，自動生成了概化的軌跡分布趨勢線，且線條走向自然，結構合理，滿足了基礎性地理國情監測對軌跡入庫的技術要求。

3 結 語

本文探索了一種復雜路線軌跡自動化概化的方法，其實質是將擁有不同偏移量的相同空間線狀要素提取為最能反映其空間分布情況的線狀要素，本思路可進一步延伸到諸如道路面提取中心線、河流面提取中心線、交通軌跡群處理等領域。ArcScan作為ArcGIS一個比較冷門的模塊，在柵格數據矢量化方面有很多尚待發掘的功能，除此之外，ArcScan結合ArcGIS Engine二次開發，也是一個很有價值的思考方向。