張華劍

中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江西總隊(duì)，江西 上饒 334000

0 引 言

地表覆蓋數(shù)據(jù)[1]是影響地理國(guó)情監(jiān)測(cè)服務(wù)能力、資源匹配格局層次[2]和地方可持續(xù)發(fā)展水平的重要資源。如何對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效挖掘成為重要課題和應(yīng)用前提。地表覆蓋數(shù)據(jù)屬于一種地理空間數(shù)據(jù)，對(duì)其縮編涉及概括與選取兩個(gè)方面，傳統(tǒng)的人工縮編方法主要包括[3]選取、化簡(jiǎn)、概括、位移，作業(yè)方式存在精度低、工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)等弊端，難以及時(shí)高質(zhì)量地滿足數(shù)據(jù)更新需求。伴隨計(jì)算機(jī)、地理信息技術(shù)的進(jìn)步，不少?gòu)氖聰?shù)據(jù)處理、地圖制圖或GIS 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者，參與到地理空間數(shù)據(jù)的縮編研究中來(lái)。如文獻(xiàn)[4-6]分別借助GISidMAP、WJ-III 功能等對(duì)地形數(shù)據(jù)、農(nóng)村地籍居民地和房屋要素進(jìn)行綜合；文獻(xiàn)[7]運(yùn)用Gentools功能綜合化簡(jiǎn)等高線數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[8-11]分別通過(guò)自制圖系統(tǒng)、EPS、CASS 功能對(duì)不同比例尺地形圖進(jìn)行縮編；文獻(xiàn)[12-14]采用FME、ArcGIS 人機(jī)交互縮編土地利用數(shù)據(jù)。這些研究實(shí)現(xiàn)了一定程度的地理空間數(shù)據(jù)縮編，但存在以下幾個(gè)問(wèn)題：縮編對(duì)象側(cè)重在地形、土地利用或房屋、等高線等基礎(chǔ)地理要素?cái)?shù)據(jù)，這些要素的分類體系與地表覆蓋數(shù)據(jù)不同；縮編工作大多是對(duì)軟件現(xiàn)有功能的直接輔助性應(yīng)用，處理過(guò)程較復(fù)雜；縮編目標(biāo)的比例尺普遍比較大，而對(duì)小比例尺的縮編研究不夠、部分方法通用性不強(qiáng)；部分軟件使用成本較高，自動(dòng)化處理能力不強(qiáng)，用這些方法縮編地表覆蓋數(shù)據(jù)，效果欠佳。

為更好地實(shí)現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)的縮編，本文提出逐級(jí)自動(dòng)縮編思路，制定控制策略，設(shè)計(jì)技術(shù)路線，在ArcGIS 軟件下，利用Python[15]編程實(shí)現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)的逐級(jí)自動(dòng)縮編，形成相應(yīng)的工具集，并成功應(yīng)用于圖集編制。成果拓展了ArcGIS 的數(shù)據(jù)處理功能，也為其他相關(guān)數(shù)據(jù)的處理工作提供了一定的參考。

1 研究分析

1.1 縮編重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

為有效縮編地表覆蓋數(shù)據(jù)，還需解決好以下重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題。按照縮編要求，各要素的縮編均須準(zhǔn)確合理，既要保持要素原有的分布規(guī)律，又要合理控制各要素縮編后的面積。道路、水系等要素在不同比例尺下的表達(dá)方式不同，比如一條大比例尺的面狀道路在小比例尺下可能被表達(dá)為線狀。在同一張圖中有多種地表覆蓋要素，須在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中合理解決要素間的位置沖突問(wèn)題。若將數(shù)據(jù)從大比例尺直接大跨度地縮編至小比例尺，將導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律丟失，成果數(shù)據(jù)也相應(yīng)失真，則須在縮編過(guò)程中逐級(jí)控制尺度。

1.2 縮編幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

為有效解決重難點(diǎn)問(wèn)題，地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編需遵循以下指標(biāo)、原則與要求。

1）縮編指標(biāo)設(shè)計(jì)。鑒于地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編無(wú)規(guī)范可循，且縮編成果比例尺、用途也不盡相同，需要重點(diǎn)參考文獻(xiàn)[16]中的規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)。同時(shí)考慮到地表覆蓋信息屬于認(rèn)知和監(jiān)測(cè)地方自然資源、生態(tài)環(huán)境等的重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)源，為提高地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編成果的詳實(shí)準(zhǔn)確度，本文采用較土地利用數(shù)據(jù)縮編[12]更為嚴(yán)格的縮編指標(biāo)來(lái)縮編地表覆蓋數(shù)據(jù)，即圖斑最小面積為1 mm2，圖斑最小間距為0.5 mm，最小寬度為0.5 mm等。

2）圖斑合并原則。根據(jù)圖斑分布情況，靈活運(yùn)用基本縮編方法合理綜合。若圖斑未達(dá)到最小面積（以下簡(jiǎn)稱微小圖斑）且不改變類別，則將微小圖斑就近融入相鄰的較大圖斑中；若相鄰圖斑中有與微小圖斑屬不同小類，但屬同一大類的要素圖斑，則應(yīng)將微小圖斑優(yōu)先融入同類要素圖斑中（即存在約束條件）；若圖斑要素具有代表性，則予以保留并可適當(dāng)夸張。對(duì)于狹長(zhǎng)型面狀要素，若寬度未達(dá)到最小寬度，則依據(jù)提取的圖斑中心線將圖斑分割，對(duì)應(yīng)融合到相鄰圖斑里。

3）縮編尺度控制。為盡可能保持地表覆蓋數(shù)據(jù)的原有分布規(guī)律，依據(jù)控制測(cè)量[17]中的逐級(jí)控制、分級(jí)布設(shè)工作原則，本文提出了逐級(jí)縮編的思路來(lái)開(kāi)展縮編工作，通過(guò)Python 編程，流程化控制圖斑縮編過(guò)程中的逐級(jí)面積尺度，以期達(dá)到“自然演變”式的縮編效果，即通過(guò)在縮編過(guò)程中嚴(yán)格控制地表覆蓋各類別要素的面積，保證縮編前后各類要素的面積差別不大，且各類要素分布規(guī)律保持一致、視覺(jué)效果相近。

1.3 縮編策略與技術(shù)路線

從文獻(xiàn)[18]可知，地理空間數(shù)據(jù)縮編主要是通過(guò)依對(duì)象特征（幾何形狀、屬性）進(jìn)行歸納概括和依對(duì)象重要性不同進(jìn)行選取與表達(dá)兩種方式實(shí)現(xiàn)。因此，地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編中，地理分析與處理、編輯、制圖等多項(xiàng)常規(guī)工作，可運(yùn)用ArcGIS 原有的多個(gè)地理處理函數(shù)和模塊完成。逐級(jí)自動(dòng)縮編主要涉及逐級(jí)面積尺度控制（即控制每輪縮編圖斑面積尺度）和自動(dòng)有選擇地合并圖斑兩個(gè)方面的策略，可運(yùn)用Python 編程形成新的地理處理方法和工具實(shí)現(xiàn)（圖1）。

圖1 逐級(jí)自動(dòng)縮編技術(shù)路線Fig.1 Technical flow of progressively automatic downsizing

基于Python 的地表覆蓋數(shù)據(jù)逐級(jí)自動(dòng)縮編技術(shù)路線。

1）開(kāi)展數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括坐標(biāo)系統(tǒng)投影，幾何修復(fù)，依需要同類歸并等。

2）區(qū)分處理不同類型圖斑。利用圖斑特性分離狹長(zhǎng)型（道路、河流）和非狹長(zhǎng)型面狀要素，其中，針對(duì)狹長(zhǎng)型面狀要素，若寬度大于最小寬度，則另存為.shp格式數(shù)據(jù)A1；若寬度小于最小寬度，則提取其中心線并對(duì)其進(jìn)行分割，然后按照?qǐng)D斑合并原則將其并入周圍相鄰的圖斑形成數(shù)據(jù)A2。針對(duì)非狹長(zhǎng)型面狀要素，若面積小于最小面積，則將其逐級(jí)自動(dòng)有選擇地并入與之相鄰的圖斑中，得到數(shù)據(jù)B1；將數(shù)據(jù)A2逐級(jí)自動(dòng)有選擇地并入數(shù)據(jù)B1，得到數(shù)據(jù)B2。

3）將獲得的數(shù)據(jù)A1與數(shù)據(jù)B2合并編輯后，得到結(jié)果數(shù)據(jù)C。將其微小圖斑逐級(jí)自動(dòng)有選擇地并入相鄰圖斑后，通過(guò)抽稀、光滑修飾各圖斑邊界，獲得逐級(jí)自動(dòng)縮編后的數(shù)據(jù)D。

4）對(duì)數(shù)據(jù)D 進(jìn)行拓?fù)錂z查和屬性檢查并處理，最終獲得符合質(zhì)量要求的地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編成果?？梢?jiàn)，逐級(jí)自動(dòng)縮編涉及數(shù)據(jù)A1、A2、B1、B2、C、D，貫穿在整個(gè)縮編過(guò)程中。

2 編程實(shí)現(xiàn)

2.1 縮編工具開(kāi)發(fā)

基于逐級(jí)自動(dòng)縮編的思路，結(jié)合圖斑縮編的逐級(jí)面積尺度控制和圖斑合并策略，通過(guò)編程形成了用于地表覆蓋數(shù)據(jù)逐級(jí)自動(dòng)縮編的Python 工具箱（圖2），包含24 個(gè)功能。它們是編輯處理單/多個(gè)要素文件的模塊工具，主要包括對(duì)圖斑的逐級(jí)篩選、提取中心線、分割、融合、合并、夸大、更新、化簡(jiǎn)、概括、平滑、拓?fù)錂z查、屬性檢查等數(shù)據(jù)編輯處理功能。同時(shí)，基于面向?qū)ο蟮木幊趟悸?，將功能組織成可主程序執(zhí)行的Python 腳本程序（圖2 紅框），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)縮編的半自動(dòng)化。

圖2 開(kāi)發(fā)工具箱Fig.2 Toolbox for development

2.2 圖斑合并實(shí)現(xiàn)

圖斑合并是逐級(jí)自動(dòng)縮編的核心策略之一，即基于要素是否屬于相同大/小類的判斷，將微小圖斑逐級(jí)自動(dòng)有選擇地并入到相鄰大面積圖斑中（圖3）。

圖3 圖斑合并的策略Fig.3 Strategy of merging

在逐級(jí)縮編圖斑面積尺度的控制下，微小圖斑優(yōu)先并入有相同地類編碼的相鄰圖斑，地類編碼0101 的微小圖斑并入圖斑0101，形成新圖斑0101（圖4a）；否則，微小圖斑并入地類編碼相異但同屬大類、面積最小的相鄰圖斑，地類編碼0101 的微小圖斑并入圖斑0103，形成新圖斑0103（圖4b）；當(dāng)前兩者都不滿足時(shí)，微小圖斑并入面積最小的相鄰圖斑，地類編碼0101 的微小圖斑并入圖斑0302，形成新圖斑0302（圖4c）。本策略實(shí)現(xiàn)了微小圖斑合并的逐級(jí)性和選擇性。

圖4 圖斑合并示意圖Fig.4 Diagram of spot merging

3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

3.1 工程實(shí)例

編制具有地方特色的地理國(guó)情地圖集（以下簡(jiǎn)稱圖集），是發(fā)揮國(guó)情數(shù)據(jù)服務(wù)作用的一項(xiàng)重要舉措，涉及到地表覆蓋數(shù)據(jù)的縮編工作。本文以某縣級(jí)區(qū)為例，使用逐級(jí)自動(dòng)縮編的方法對(duì)區(qū)域地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行縮編。該區(qū)水陸交通便利，區(qū)內(nèi)地表覆蓋類型豐富，其中耕地、建設(shè)用地面積占比排名前二[19]。

按要求，圖集需要表達(dá)耕地、林地的二級(jí)類和其他用地的一級(jí)類?？紤]到圖集采用16 開(kāi)本，圖幅尺寸較小，換算出目標(biāo)比例尺為1 ∶15 萬(wàn)。經(jīng)作業(yè)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理（坐標(biāo)換算、繪制圖廓、圖形糾正等）、分離、自動(dòng)綜合（節(jié)點(diǎn)處理、綜合編繪各線面要素、重新編輯屬性等）、合并、檢查處理（ArcGIS 軟件拓?fù)錂z查修改、屬性信息等人機(jī)交互編輯以及地表覆蓋成果檢查內(nèi)容與方法[20-21]等）等數(shù)據(jù)縮編與制圖綜合系列步驟，實(shí)現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)從1 ∶1 萬(wàn)比例尺逐級(jí)自動(dòng)縮編至1 ∶15萬(wàn)，利用CorelDRAW[22]等軟件加工整飾后形成縮編成果圖件（圖5）。該圖以線、面狀類型要素為主（行政、科教文衛(wèi)等點(diǎn)狀、注記類要素未標(biāo)出），重點(diǎn)表達(dá)了經(jīng)逐級(jí)自動(dòng)縮編后的地表覆蓋要素分布情況，成品圖整體表達(dá)合理美觀，基本保持原始數(shù)據(jù)要素分布的規(guī)律，滿足圖集編制和使用需求。

圖5 地表覆蓋要素分布圖Fig.5 Geographical distribution of surface coverage factors

3.2 指標(biāo)評(píng)價(jià)

為客觀分析目標(biāo)區(qū)域地表覆蓋各類要素縮編前后的變化情況，對(duì)圖斑數(shù)、面積等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），總體上各分類要素的縮編效果明顯，主要表現(xiàn)為圖斑數(shù)量變化較大，面積變化較小。具體縮編前后數(shù)據(jù)變化特征如下。

表1 各要素縮編前后的圖斑數(shù)和面積變化情況表Tab.1 Changes of patch number and area of each element before and after Downsizing

1）圖斑數(shù)變化率。道路的變化相對(duì)最大、降為0個(gè)圖斑，原因是寬度小于最小寬度，面狀道路被表達(dá)為線狀要素。

2）圖斑數(shù)占總數(shù)比例差值。耕地的變化最大，且表現(xiàn)為縮編后的耕地比原始的更集中連片、面積偏大，原因在于該區(qū)域內(nèi)道路兩邊的耕地較多，逐級(jí)自動(dòng)縮編時(shí)會(huì)把切碎的道路圖斑并入耕地。

3）面積變化率。道路的面積降為0，原因同1），草地、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表及部分林地等要素被綜合融入耕地、園地、房屋建筑（區(qū)）等圖斑，原因在于前幾類要素的面積相對(duì)偏小、分布零散且周邊多為后幾類要素，在逐級(jí)自動(dòng)縮編時(shí)易被并入后幾類要素。

4）面積占總面積比例差值?？s編后的草地、林地、道路面積占總比減少比例超過(guò)1.5%，減少的面積主要被綜合為耕地、園地。

結(jié)合試驗(yàn)區(qū)耕地多且相對(duì)集中這一現(xiàn)實(shí)情況，縮編成果要素的空間表達(dá)較合理?？s編前后，絕大部分要素的面積占比相差不大，考慮到微小圖斑碎小零散的實(shí)際分布情況以及易被綜合的特性，說(shuō)明各要素分布規(guī)律在縮編后仍保持較好，各要素面積控制也相對(duì)合理。

綜上，逐級(jí)自動(dòng)縮編和編程形成的功能工具能夠滿足圖集編制對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)縮編和表達(dá)的要求；在給定縮編指標(biāo)和歸類原則的基礎(chǔ)上，縮編方法和功能工具對(duì)一般的面狀地理空間數(shù)據(jù)縮編也具有一定適用性。

4 結(jié) 論

對(duì)大比例尺數(shù)據(jù)縮編是快速獲取和更新小比例尺地理空間數(shù)據(jù)的重要手段之一。本文探討了數(shù)據(jù)縮編的重難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，提出逐級(jí)自動(dòng)縮編技術(shù)思路，通過(guò)圖斑縮編的逐級(jí)面積尺度控制與圖斑合并策略，基于ArcGIS軟件，研究并設(shè)計(jì)地表覆蓋數(shù)據(jù)逐級(jí)自動(dòng)縮編技術(shù)路線，運(yùn)用Python 編程實(shí)現(xiàn)逐級(jí)自動(dòng)縮編，成果工具成功應(yīng)用于圖集編制，有效完成了圖集對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)的縮編需求。

本文的技術(shù)思路、技術(shù)路線和功能工具等研究成果，在明確縮編指標(biāo)、歸類原則的基礎(chǔ)上，可對(duì)其他面狀地理空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)逐級(jí)自動(dòng)縮編，也能為其他地理空間數(shù)據(jù)在信息挖掘方面提供一定參考。后續(xù)可在逐級(jí)面積尺度設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)及軟件算力兩者最優(yōu)配比、運(yùn)算參數(shù)設(shè)置、地理空間數(shù)據(jù)逐級(jí)自動(dòng)縮編綜合管理系統(tǒng)構(gòu)建及自動(dòng)化制圖等方面作進(jìn)一步研究與探索。