研究區域制圖時如何確定邊界

杜青松，趙任潔

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049；3.西安頤信養老產業發展有限公司，陜西 西安 710065）

地圖學是一門既古老又年輕的學科[1]，隨著計算機技術的發展，地理信息系統（GIS）學科也得到了大力的發展，它拓展了地圖的功能和應用，是現代地圖學的核心[2]。要簡潔地描述研究區的地理位置、地表覆被等自然要素或人口分布、經濟狀況等人文要素，常會選擇繪制一幅與之相關的專題地圖，用以描述研究內容的空間分布、研究區域的范圍、調查路線[3-4]和采樣點分布等信息。研究區范圍的選取具有較強的主觀性，但當研究區域涉及國界等重要的行政界線時，就需要嚴謹對待。國界、行政區劃線、地名注記等信息與國家版圖息息相關，國家版圖是指一個國家行使主權的疆域，有很強的政治性和科學性。地圖是表達國家版圖最常用、最主要的形式。在地圖上可以形象直觀地表示出國家的疆域范圍以及邊界、各級行政區域、行政中心、主要城市等。由于表示了國家版圖的地圖象征著國家主權和領土完整，體現了國家的主權意志和政治外交立場，稍有疏漏，就會出現有損國家主權和領土完整的問題，造成惡劣的政治影響[5]。如何準確而快捷地獲取研究區的邊界線和繪制研究區域，是急需解決的問題。

1 研究方法

1.1 基于ArcGIS工具箱的數據處理

ArcGIS是GIS學科中普遍使用的一款集眾多工具于一體的軟件，支持多種數據的分析、處理、轉換、制圖等功能，也支持底層基礎開發，接口眾多。書籍[6-8]對ArcGIS軟件的操作有詳細講解，在制圖中，支持多圖層疊加、已有數據加載及要素創建（點、線、面）。對于已有矢量數據（Shape）的研究區，可以直接加載，再通過創建要素工具選取研究區，得到研究區邊界，或通過掩膜處理。矢量（Shape）文件是眾多矢量數據文件的一種，由ESRI公司開發，一個Shape文件由一個主文件、一個索引文件、和一個dBASE表組成。dBASE表即是矢量文件的屬性表，包含矢量文件的基本信息，如長度、寬度、周長、面積等，可由用戶自己編輯定義，主文件格式為*.shp。在本次論述的方法中主要涉及編輯工具中的分割、合并工具、圖層合并工具、要素轉換工具等。

分割工具能將一條完整的線分割為多段，或將一個多邊形（面）分割為多個細小的多邊形。合并工具功能與分割工具功能相反，可將分割的線、面合并為一整體，這要求合并的線或面有相同屬性，如果屬性不同，不能直接完成合并。要合并屬性不同的要素，需將要合并的要素（線或面）選中導出為kml（keyhole markup language）文件，再通過轉換工具將kml文件導入ArcGIS平臺即可得到想要合并的要素，這一過程沒有改變要素的屬性。通過圖層合并處理可以將處于不同圖層中的要素按需求選擇合并到一個新圖層；要素轉換可將多種不同格式的要素轉換為同一種 格式。

1.2 基于Google Earth Pro的研究區域邊界數據獲取

Google Earth Pro是一款應用程序，借助其3D映射系統，可以顯示企業、房屋、街道、道路等人文景觀以及河流、湖泊、山脈、冰川、植被等自然景觀的地理位置和圖像。其影像分辨率極高，由一系列高分影像以瓦片融合顯示。根據Google Earth Pro顯示的情況，可以直接在底圖上勾選自己感興趣的區域（點、線、面要素），再將選取的要素導出，導出文件為*.kmz（或*.kml）格式。kml是一種基于XML 語法與格式、用于描述和保存地理信息（如點、線、圖像、多邊形和模型等）的編碼規范[9-11]，kml文件經壓縮后為kmz文件[11]，包含要素地理位置和WGS1984投影坐標信息，可以被多種軟件所識別，是現代網絡地理信息系統開發常用的文件格式。

1.3 基于ArcGIS工具箱的數據格式轉換

ArcGIS軟件不能直接讀取*.kml或*.kmz文件，需要轉換為*.shp文件才能被讀取，通過工具箱中的【klm轉圖層】工具可以完成。已有的矢量文件（點、線、面）要素可以通過【轉出為kml】工具將其轉換為kml或kmz文件，得到的文件可以直接加載到Google Earth Pro中，結合Google Earth Pro的影像可以了解該要素的基本信息，這對快速知道遙感影像拍攝的區域有很大幫助。這一過程實現了ArcGIS平臺和Google Earth Pro的交互（圖1），可以快速認識研究區的基本情況。

圖1 ArcGIS與Google Earth Pro交互繪制研究區域圖

當研究區不包含國界等重要行政界線時，首先通過Google Earth Pro【添加多邊形】工具直接勾畫研究區邊界線，將位置導出，得到一個多邊形kml文件；然后利用ArcGIS的轉換工具【由kml轉入】即可將導出的邊界數據加載到ArcGIS中，更改一下顯示的屬性，可得到一個多邊形矢量文件；最后運用數據管理工具里的【要素轉線工具】，即可將得到的多邊形數據轉化為線矢量（*.shp）邊界文件。得到的線矢量邊界可作為基礎數據，用于研究區制圖對裁剪影像、范圍提取等處。kml文件可用于數據下載時研究區范圍劃定或直接加載到Google Earth Pro簡單地對研究區域進行目視解譯。通常，kml文件也是在Google Earth Pro劃定研究區域范圍后導出得到的文件格式。同時，亦可將已有的矢量文件通過轉換工具【轉出為kml】得到kml文件，將其加載到Google Earth Pro中，基于Google影像的高分辨率特性可對研究區內景觀有更好的目視。這個轉換的矢量數據可能是國家基礎矢量數據等固有的矢量文件，也可以在ArcGIS10.5 中通過創建要素得到。

當研究區涉及國界線、省界線以及自己勾畫的一些折線（如天山分布范圍）時，情況就變得復雜。國界涉及國家領土完整性問題，必須表達清楚，并且在出圖時必須用特定的線表達。由于天山邊界不僅涉及國界線，還涉及省界線以及山區分界線（按海拔自己勾畫或等高線生成），在出圖時必須對其清晰準確表達。因此在出圖時需要對這3種線加以區分，需要將完整的邊框分割，不同的線用不同的顏色、符號表示。國界線、省界線等按國家制圖標準。

2 實驗區域與數據獲取

實驗包括繪制塔里木盆地分部范圍圖、青海湖范圍圖和我國天山分布圖。3個研究區域均位于我國西北地區，分別為典型的沙漠、內陸湖泊和高寒山區地貌，人煙稀少，實地測繪相對困難，該地區的基礎地理數據更新較慢。通過對3個研究區域圖的繪制，分別對應解決3種常見的研究區域制圖問題：研究區域邊界不涉及重要點線面要素制圖、已有研究區域邊界矢量數據在Google Earth Pro上的表達和研究區域邊界數據涉及國界等重要要素制圖。

在遙感領域，下載研究區內范圍數據時，最好是有一個和研究區一樣或大于研究區的多邊形，這樣才能保證數據覆蓋整個研究區。這一邊框不需要和研究區邊框一模一樣，但在數據處理后對研究區進行精確分割時，就需要一個研究區的矢量文件邊框，即一條線構成的矢量文件或kmz文件。矢量文件和kmz文件之間的轉換可以通過ArcGIS的轉換工具實現，為研究區域制圖生成基本數據。

數據主要來源于Google Earth Pro提供的影像、Google數字高程（http://www.sxsim.com/）、地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）提供的空間分辨率為90 m常用的SRTM DEM數據和由國家基礎地理信息中心（http://www.ngcc.cn/ngcc/）發布的全國基礎地理數據。這些數據包含一系列如國界、省界、縣界、 1～5級河流、重要城市經緯度等點、線、面矢量（*.shp）數據。通過對這些數據進行選取、裁減、鑲嵌和坐標轉換等處理，即可得到繪制研究區分布圖的分布范圍數據和基本的自然、人文等地理要素數據。

3 研究區域制圖與分析

3.1 邊界不涉及重要要素的研究區域制圖

塔里木盆地（34 20＇N～43 39＇N，71 39＇E～ 93 45＇E）[12]位于新疆南部，被天山、昆侖山、阿爾金山包圍，是中國四大盆地中面積最大的盆地，已有文獻鮮有對塔里木盆地的分布范圍作詳細界定，一般給定的是一個大致范圍。因塔里木盆地完全位于我國新疆維吾爾族自治區范圍內，不涉及國界、省界等重要行政界線，其分布范圍數據可在Google Earth Pro上通過目視解譯直接勾畫得到（圖2）。

圖2 Google Earth Pro中勾畫塔里木盆地分布范圍

導出Google Earth Pro上勾畫的塔里木盆地邊界范圍數據（圖2），得到對應的kml文件，利用ArcGIS 10.5 軟件的【kml轉圖層】工具轉換，kml文件被轉換為矢量文件，生成塔里木盆地的矢量邊界文件。賦予矢量文件WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere投影坐標系，基于屬性表里的幾何計算統計其面積為65.6萬km2，這與已有的文獻描述塔里木盆地面積為40多萬km2[13]、56萬km2[14]相比面積偏大。導致這一差異的主要原因是對研究區域邊界的劃定具有較強的主觀性、因人而異。生成的矢量邊界線可用于影像下載時邊界選取和制圖時影像裁剪、疊加（圖3）等處理時的基礎輸入數據。

圖3 塔里木盆地DEM圖

圖3底圖數據為與Google影像相匹配的Google數字高程，黑色邊框為通過Google Earth Pro得到的塔里木盆地分布邊界線。從圖中可以看出，塔里木盆地南沿的昆侖山、阿爾金山北部山麓較陡；而北部的天山南部山麓較平緩，其DEM數據與塔里木盆地差別不明顯。因此，如果單獨基于某一因素（如DEM）為基準獲取研究區域范圍，可能導致較大誤差，研究區域范圍的劃定需要考慮多因素。

3.2 已有矢量邊界的研究區域在Google Earth Pro的表達

青海湖（36 32′N～37 15′N，99 36′E～ 100 16′E）位于青海省東部、青藏高原東北部，是我國最大的內陸湖。其分布范圍可以從國家基礎地理數據中的一級河流數據中提取，但由于該數據只包含一個簡單的線邊界和面分布范圍（圖4），沒有背景影像，不利于對其進行深入了解。為了解決這一問題，可以將青海湖矢量邊界運用ArcGIS【要素轉kml】工具生成kml文件邊界并加載到Google Earth Pro中（圖5），這樣就可以對它周圍的環境狀況有基本了解。

圖4 青海湖分布范圍

圖5 Google Earth Pro中青海湖分布范圍

利用轉換工具將已有基礎矢量數據轉換為kml文件，可以直接加載到Google Earth Pro進行目視解譯，這有利于我們深入了解研究區基本情況。通過對比可以發現，青海湖基礎矢量邊界數據與Google 影像邊界在湖的東部有細微差別，這可能是由于影像的拍攝時間所引起的。Google影像是由一系列影像以小瓦片的形式融合而成，隨著分辨率的放大，影像拍攝的時間越早，而基礎數據中的邊界數據是較新的，這在時間上不一致，從而引起細微差別。這也說明青海湖湖面的面積在縮小，在湖的東北面退縮較明顯。

3.3 邊界涉及重要要素的研究區域制圖

新疆天山（43 06′N～43 45′N，84 83′E～ 85 22′E[14]，圖6）位于我國新疆維吾爾族自治區內，西部與中亞國家接壤，要繪制其在我國境內的分布范圍，由于涉及國界線、省界線以及自己勾畫的一些折線，情況就變得復雜，需要考慮的因素眾多。在繪制天山分布圖時，涉及國界和國家領土完整性問題，在制圖時必須表達清楚，并且在出圖時必須用特定的線表示。

繪制天山分布范圍時，由于天山邊界不僅涉及國界線，還涉及省界線以及山區分界線（按海拔自己勾畫或依據某一等高線生成），在出圖時必須對其清晰準確地表達。因此在出圖時需要對這3種線加以區分，由于3種線的屬性有所區別，不能直接用ArcGIS的拼接工具直接拼接，需將單個圖層中所需的要素創建到新圖層，再通過轉換工具轉為kmz文件，如果需要得到矢量文件，再由kmz文件轉換即可。需要將完整的邊框分割，不同的線用不同的顏色、符號表示。國界線、省界線等按國家制圖標準。

圖6所示地圖描繪了新疆DEM情況及天山分布范圍。底圖數據為分辨率為90 m的SRTM DEM數據，國界線、省界線來源于國家地理基礎數據，天山分界線從Google Earth Pro中勾畫后轉為矢量文件得到。由于天山分界線包含的線要素種類多，特別是與國界線有關，因此，需要準確描繪以符合制圖規范。通過結合自繪數據和已有資料可解決大多數繪圖問題，這種方法可快速準確地完成專題地圖的繪制。

圖6 新疆DEM及天山分布范圍

4 結 語

研究區域的劃定因各種因素不同而有所差別，當研究區介于國家之間時，需要對國界線等行政界線的位置準確表達，這就要求研究區域制圖時要將各種要素分別按相應規定（國標）執行。本文通過充分利用ArcGIS的制圖功能和Google Earth Pro的高分辨率影像展示優勢，提出一種方法解決研究區域邊界數據獲取、已有邊界數據在Google Earth Pro的表達和復雜研究區域邊界制圖等問題。這一方法最大的優勢在于快捷并且得到的數據精準，并且適合不同學科背景的人 使用。