基于ArcGIS的国家基本比例尺地形图制作——以新荣县11万地形图为例.doc

基于ArcGIS的国家基本比例尺地形图制作以新荣县1:1万地形图为例1 引言地形图（topographic map）是普通地图的一种，是详细而精确地表示地面各要素的地图。据测绘词典的定义，地形图是：“按一定得比例尺，表示地物、地貌平面位置和高程的正射投影图。”由于地形图在国民经济建设以及军事上的重要作用，各个国家都有着较为完善的系列地形图资料1。例如，在我国规定大于1：5000，1：10000，1：25000，1：50000，1：100000，1：250000，1：500000和1：1000000等8种比例尺地形图为我国国家基本比例尺地图，均按国家测绘局制定的统一技术标准（编图规范、图式等）制作生产。早期生产的我国国家基本比例尺地形图由于技术等原因大多数以纸质形式存储。这也是我国国家基本比例尺地形图的主要存在形式。随着时代的进步与技术的发展，“数字地球”概念的提出，对地形图现实性和准确性的要求越来越高。这就需要我们建立完善的数据存储与更新机制，以满足我国快速城市化过程中的城市规划、土地管理、市政和工程建设等的需要2。 本文以美国环境系统研究所公司（简称Esri）研发的世界上最强大的GIS软件平台为工具，利用其强大的空间数据管理以及计算机制图功能来探索我国国家基本比例尺地形图的空间数据管理与制图一体化综合应用。2 流程在ArcGIS平台下实现空间数据管理与制图一下化，关键是要明确整个过程的流程体系以及在ArcGIS中的技术实现。综合来看，主要包括配准、图层分层、地理坐标 投影坐标的定义、矢量化、空间数据入库、符号库的建立、图层的符号化、图外要素的制作以及地图输出等过程。具体流程如图1所示。纸质地形图配准地形图分层图层建立定义投影坐标图层数字化建立空间数据库建立符号库图层的符号化图面设计地图输出图1 ArcGIS制作国家基本比例尺地形图流程2.1 配准配准是实现空间数据的匹配的过程，这里的匹配主要包括空间数据与软件系统的坐标统一或者数据与数据之间的统一。就地形图来讲，主要是实现数据与软件系统的坐标统一。主要有两种方式：1基于大地坐标的配准；2基于高斯投影坐标配准。前者需要在定义完我国的大地坐标系统的基础上继续作高斯投影，后者可直接定义其地理坐标与投影坐标信息。以上过程主要是在ArcGIS扩展工具Georeferencing中完成。校正模型一般是选择多项式模型（用的最多是二次多项式），要求是均匀布点，最少控制点为大于（n+1）*(n+2)/2，其中n为次方数。2.2 图层分层根据国家相应的规范和图式，地形图的内容主要包括：测量控制点、居民地、独立地物、管线及垣栅、境界、道路、水系、地貌及土质、植被、注记等。具体在执行图层分层中，主要参考GB/T 20257国家基本比例尺地图图式进行分层设计3。就1：10000地形图来讲，主要参考GB/T 20257.22006国家标准，其图层分层见表1。表1 1：10000地形图图层分层（部门要素的分层）序号一级分类序号二级分类图式类型备注1测量控制点1.1三角点point三角符号，大小小1.2小三角点point1.3埋石图根点point2水系2.1地面河流Polygon2.2地下河段出入口point2.3消失河段polyline33.13.23.32.3 地理坐标系与地图投影的定义地理坐标系是指用地理经纬度表示地球表面上点位的空间坐标系。新中国成立后根据我国实际情况，建起了两种国家大地坐标系，即1954北京坐标系与1980西安坐标系。目前我国国家基本比例尺地形图主要也是基于这两种国家大地坐标系存在的。地图投影是按照一定的数学法则把地球椭球体面上的经纬网转绘到平面上的方法。我国基本比例尺地形图主要采用高斯克吕格投影。由于精确要求，我国规定1:2.5万1:50万地形图采用6分带，1:5000、1:1万地形图采用3分带。在ArcGIS中定义地理坐标系与地图投影（以新荣县1:1万地形图为例）可利用ArcToolbox工具中Projections and Transformations下的Define Projection工具实现。关键参数设置如图2、图3所示。图2地理坐标系的定义图3地图投影的定义2.4 矢量化地形图矢量化是一项繁重的工作。如果使用人工矢量化，生产一幅地形图将耗费大量的人力、时间。并且，由于矢量化过程中，每个工作员认真的程度不同以及长时间工作的注意力不集中，使得人工矢量化在地形图生产过程中质量很难掌握。考虑到地形图主要由线画要素组成，其灰度直方图分布有一定得规律性。地形图矢量化先在ArcGIS中利用地形图直方图进行二值化处理，然后利用ArcScan进行全自动矢量化，然后进行人工处理，以消除其中的错误。具体流程如图4所示。 二值化全自动矢量化人工处理图4 ArcScan下地形图矢量化流程2.5 数据入库利用空间数据库管理地形图是进行数据统一管理、统一分发到流程化出图的关键技术。特别是当数据量非常大的时候，利用空间数据库技术非常有用。ArcGIS软件提供了强大的空间数据管理功能。当数据规模较小的时候采用Personal Geodatabase进行管理，当数据规模较大的时候可采用ArcSDE+ Oracle、SQL Server等或者采用File Geodatabase进行管理4。2.6 符号库的建立在地图语言中，最重要的是地图符号及其系统，被称为“图解语言”。 我国国家基本比例尺地形图有着完善的，标准的符号体系。在制作地形图时主要是参考这些标准（GB/T 20257）。就1：10000地形图（GB/T 20257.22006）来说，其地图上表示的符号达150种。基于国家标准对这么对符号进行设计与分类管理是实现地图制图流程化，规范化的关键所在。在ArcGIS下进行符号的管理与设计主要是通过Styles工具实现5（如图5所示）。图5 ArcGIS下的图式管理2.7 图层的符号化图层的符号化主要是利用地形图符号库对地形图内容进行描述的过程。其过程应遵循如下原则：点状要素在上，面状要素在下，线状要素在其中间；在点状要素的关系中，存在一定的符号优先次序。如坐标位置的点（控制点、界碑）、固定位置的点（独立地物）、相对位置的点（路标）等。在线状要素的优先次序是，具有固定位置的线（河流、道路）、表达三维特征的线（等高线）、相对位置的线（境界、地类界）。为了便于在ArcGIS环境快速制图，一般是将符号化的图层保存为带有符号信息的lyr层或者保存为mxd文件。2.8 图面设计对于分幅地图来说，图外要素的设计指的是图名、图廓、图例、附图及各种说明的位置、范围大小及其形式的设计。典型的图外要素设计方案如图6所示。ArcGIS中的具体实现主要在Layout View中进行。图6 地形图图面配置2.9 地图输出ArcGIS 地图的输出有三种方式，一种是输出到位图，第二种是输出到PDF 文件中，第三种是通过ArcPress 直接打印，如果地图不是很复杂采用PDF 的高质量打印能得到高质量的地图输出。如果地图比较复杂，例如地图要素的填充方式比较复杂，用PDF 就可能无法输出，此时可采用ArcPress 在打印机上直接打印地图。3 结论本文系统的总结了ArcGIS环境下进行地形图制图的整个过程。在这个过程中任务较为繁重的工作是地形图要素的数字化。而难度最大的为地形图符号的制作，其次是图面的配置与设计。从总体来看，地形图的设计主要是参考国家标准，详细的解读国家标准与熟练掌握软件操作是保证制图质量的关键所在。参考文献：1 祝国瑞等.地图设计与编绘M. 武汉大学出版社,2005.2 袁勘省等.现代地图学