李徐亮，高鵬遠，王春博，徐 斌，劉 偉

（河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊，河北邢臺 054000）

0 引言

ArcGIS 是一套綜合性的專業(yè)地理信息系統(tǒng)（GIS）應用軟件，擁有一套獨立擴展功能的模塊服務于核心產(chǎn)品［1］。它不僅具有處理遙感影像的功能，而且還具有制圖出圖、管理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等能力。但是針對一些項目時，它的部分工具會重復運行或者交叉使用，使其工作量大大增加。

Python 是一種跨平臺面向?qū)ο蟮木幊痰挠嬎銠C語言，它不僅處理速度快、功能強大，而且簡單易學。Python 是不需要編譯器就能使用的，因此它被看作是一種腳本（或解釋型）語言。

ArcPy 在ArcGIS 就是Python 的一個站點包，這樣就能通過Python 對其工具箱進行編寫，簡化工作流程，減少部分功能的重復、交叉使用，提高工作效率，促進快速生產(chǎn)。

地理信息數(shù)據(jù)運用ArcGIS 軟件進行矢量處理完成后在輸出圖和表時，由于軟件限制，只能進行單一處理，但由于項目不同，輸出的圖和表的數(shù)量并不統(tǒng)一，對圖和表數(shù)據(jù)需求量大的時候也是單一輸出，造成了很大的時間浪費。本研究成果能使圖和表批量化輸出，輸出的內(nèi)容表頭一致、格式一致、命名方式一致，且內(nèi)容簡潔明了。用Python 對ArcGIS的工具箱進行二次開發(fā)使其項目生產(chǎn)的過程方便、快捷，并通過使用Python 來擴展ArcGIS 的功能，使其實現(xiàn)自動化、流程化來完成任務。Python 簡單易學易操作，具有很完善的程序開發(fā)功能。Python 被封裝在ArcGIS 的安裝程序中，能直接嵌入到ArcGIS 的許多地理處理工具集中［2］。

1 項目概況

1.1 項目簡介

本研究以農(nóng)業(yè)特色作物種植面積監(jiān)測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為例，為深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，有效提高畝均產(chǎn)值效益的特色產(chǎn)量，全面提升農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力，促進農(nóng)業(yè)增效、村民增收，主要以高效蔬菜（設施蔬菜）、高效水果（蘋果、梨、葡萄等）、高效中藥材（金銀花、麻山藥、半夏等）、高效特色糧油等特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為重點，探索發(fā)展間作套種、林下種植等種植模式。通過利用衛(wèi)星遙感技術進行月度監(jiān)測，并運用ArcGIS 對其作物種類、位置、面積進行矢量化，形成可視化圖表進行管理。

1.2 技術流程

項目組根據(jù)設計及實際工作需要制定了詳細的技術路線，分為資料數(shù)據(jù)收集及上報數(shù)據(jù)初核、遙感影像獲取及處理、制作參考點數(shù)據(jù)、種植作物遙感監(jiān)測核實、外業(yè)核實、反饋修正、成果匯總等階段。

1）資料數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)初核階段，對收集到的項目區(qū)所需的影像數(shù)據(jù)及其他相關資料，進行分類核實，統(tǒng)一測繪基準，對填報有誤、漏項的信息進行了反饋重報。

2）遙感影像獲取及處理階段，對項目所需遙感影像數(shù)據(jù)進行正射校正、數(shù)據(jù)融合、降位、增強、配準，形成解譯底圖成果。并以景為單位制作了高分遙感成果元數(shù)據(jù)，標識出每景影像覆蓋的空間范圍圖斑，方便數(shù)據(jù)索引與調(diào)用。

3）種植作物遙感監(jiān)測核實階段，根據(jù)影像特征及解譯標志，結(jié)合測量指標進行圖斑的解譯、分類及人工勾繪。

4）外業(yè)核實階段，提取內(nèi)業(yè)解譯的新增面積高分衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖斑當中的“是否外業(yè)”為“是”的疑問圖斑，進行外業(yè)實地驗證，針對“備注”中填寫的疑問說明進行實地核實。

5）反饋修正階段，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對種植作物認定錯誤的按照外業(yè)調(diào)查結(jié)果修正內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，對地塊邊界認定錯誤的結(jié)合邊界草圖及遙感影像底圖重新繪制圖斑范圍，測算面積。

6）成果匯總階段，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)及解譯成果開展相關分析評價工作，并形成相關圖件、報告、矢量、柵格成果。

由于是月度監(jiān)測，所以每月匯總數(shù)據(jù)量很大，各地方上報匯總?cè)藛T、匯總方式并不相同，格式不統(tǒng)一，給操作人員造成了一定困擾。在圖表輸出時又要根據(jù)不同的部門分別匯總成反饋表、區(qū)縣匯總表、鄉(xiāng)鎮(zhèn)匯總表、特色類別匯總表等多種表格，運用ArcGIS 的工具箱自帶的工具在輸出圖表時只能單一輸出，浪費時間且容易出現(xiàn)匯總錯誤，給后期數(shù)據(jù)分析留下很大隱患。

2 數(shù)據(jù)源及成果分析

ArcGIS 軟件內(nèi)的矢量要素分為點矢量要素、線矢量要素和面矢量要素3 種。本研究運用的主要是點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)字段包含區(qū)縣名稱、主要作物、經(jīng)緯度、種植位置等多項信息，如表1所示，它涵蓋了長整型、文本型、雙精度等多種格式。

表1 點和面矢量字段信息單位：字節(jié)

最終成果以區(qū)縣為單位匯總制作，它主要包括匯總表、明細表及地塊示意圖等資料。表類需細化到村，圖紙按區(qū)縣、地塊等進行制作輸出。為了成果管理統(tǒng)一化，縣級特色種植作物分布圖設定為60 cm×80 cm 圖紙，明細表要求A4 橫版打印，野外調(diào)查的草圖利用MXD 制作標準的版式，為了方便管理與使用，野外草圖統(tǒng)一設定為A4 橫版打印。野外調(diào)查時把所需要調(diào)查的野外地塊利用ArcGIS工具箱轉(zhuǎn)換工具內(nèi)的轉(zhuǎn)為KML 工具使其矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為KMZ 格式，導入到手機內(nèi)方便外業(yè)調(diào)查時進行路線規(guī)劃等，分別如圖1、表2 和表3 所示。

圖1 新增地塊分布示意圖

表2 上報地塊核查情況匯總表

表3 主要成果格式及類型

3 工具設計及方法實現(xiàn)

基于項目數(shù)據(jù)源及成果分析，利用Python 編輯的腳本工具在設計方面主要分為標準模板創(chuàng)建、字段內(nèi)容檢查、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱檢查、自動填寫序號及內(nèi)部序號自動掛接、自動導出表格等幾個模塊，如圖2所示。

圖2 程序設計流程圖

3.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)模板

3.1.1 字段標準化模板

由于上報數(shù)據(jù)混亂，為了方便作業(yè)和后期管理，將預先規(guī)劃好的標準字段信息寫入腳本代碼，通過腳本工具箱對矢量數(shù)據(jù)字段信息進行檢查，對不符合標準的或者遺漏的根據(jù)腳本編輯的規(guī)則進行重新創(chuàng)建，使其形成標準化的字段信息，腳本工具的主要代碼內(nèi)容如下：

For 矢量字段in arcpy.ListFields（矢量路徑）：

字段集合.append（矢量字段.name）

for 標準字段in 標準字段集合：

if 標準字段not in 字段集合：

arcpy.AddField_management（矢量路徑，標準字段，"字段類型"，""，""，"字段長度"）

3.1.2 MXD制圖模板

利用ArcMap 地圖文檔制作標準的MXD 制圖模板，制作過程是首先遍歷文件目錄中的MXD 文檔，然后將每個文件中所包含的圖層遍歷出來，按版式及變量設置好對應字段［3］，輸出MXD 格式制圖模板，如圖3 所示。

圖3 MXD 制圖模板

圖幅自動輸出時由于數(shù)據(jù)量大，且內(nèi)部信息不統(tǒng)一，故每次只能單一地替換變量字段，并不能實現(xiàn)自動化。本研究運用ArcGIS 自帶的“數(shù)據(jù)驅(qū)動器”對其數(shù)據(jù)驅(qū)動，調(diào)出“數(shù)據(jù)驅(qū)動器”后在索引圖層和索引字段的頁面設置保存MXD 文檔，使用Python 編輯的腳本打開MXD 文檔模板，設置將成果固定存放的文件夾路徑及出圖格式。通過設置的唯一字段進行驅(qū)動，結(jié)合Python 編輯的語言對其完成表頭自動變換。

表頭索引如下：

XX 市＜dyn type= "page" property= "attribute"field="行政區(qū)名稱"domainlookup="true"/＞特色種植＜dyn type="page" property="attribute" field="類型"domainlookup="true"/＞野外核查示意圖，具體如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)驅(qū)動頁面示意圖

3.2 字段內(nèi)容檢查

字段標準化的創(chuàng)建采用判斷的方式對字段填寫內(nèi)容進行關鍵字識別判讀，根據(jù)Python 編輯的腳本工具對字段縣名、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱、作物名稱等內(nèi)容進行檢查，將字段內(nèi)的非空值、0 值等錯誤信息以.txt格式導出報告。根據(jù)報告內(nèi)容對這些問題字段內(nèi)容進行修改，并對字段的序號重新進行順序賦值，對字段內(nèi)的內(nèi)部序號根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱進行統(tǒng)一賦值，賦值后對其后期表格匯總起關鍵作用。主要代碼如下：

矢量數(shù)據(jù)=arcpy.da.SearchCursor（查詢游標）（矢量路徑，［"檢查字段名稱"］

for i in range（1，len（矢量數(shù)據(jù)））：

if row［i］in［""，"0"None，"無"］：

文檔.write（"必填項空項"）

矢量數(shù)據(jù)= arcpy.da.UpdateCursor（更新游標）（矢量路徑，［"序號"］）

k=1

for row in 矢量數(shù)據(jù)：

row［0］=k

k=k+1

矢量數(shù)據(jù).updateRow（row）

3.3 自動掛接

根據(jù)點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)之間的屬性編號唯一值進行鏈接，使點矢量數(shù)據(jù)的字段屬性信息賦值更新到面矢量數(shù)據(jù)字段信息上。這樣就能保證圖標輸出內(nèi)容一致，方便管理。此功能的主要實現(xiàn)方式為運用 UpdateCursor（更新游標）及SearchCursor（查詢游標）兩個模塊對點矢量數(shù)據(jù)、面矢量數(shù)據(jù)值進行讀寫，通過SearchCursor 對點矢量數(shù)據(jù)內(nèi)的字段信息遍歷后，運用UpdateCursor 對面矢量數(shù)據(jù)內(nèi)相對應的字段通過唯一字段值進行賦值或更新。主要代碼如下：

圖斑路徑=arcpy.GetParameterAsText（0）

參考點路徑=arcpy.GetParameterAsText（1）

圖斑= arcpy.da.UpdateCursor（更新游標）（圖斑路徑，［"DKBH"，"序號"，"QXMC"，"XZMC"，""，"導表"］）

for row in 圖斑：

導表=format（row［18］）

If 導表in［"1"，"1.0"］：

參考點= arcpy.da.SearchCursor（查詢游標）（參考點路徑，

［"DKBH"，"序號"，"縣名"，"鄉(xiāng)鎮(zhèn)名"，""，""導表"］）

for row 1 in 參考點：

if int（float（row［0］））==int（float（row1［0］））：

圖斑.updateRow（row）

3.4 圖表成果輸出

3.4.1 表格自動化輸出

標準化表格自動輸出時需要通過腳本工具箱引入xlwt（一個用于創(chuàng)建XLS 格式Excel 文件的Python 庫）站點包，通過遍歷讀取點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)字段的全部內(nèi)容，進行數(shù)據(jù)的過濾及整理［4］，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱、面積等信息進行計算并統(tǒng)計，然后分別寫入不同的表格當中，并對不同表格內(nèi)容進行統(tǒng)計后完成成果表制作。實現(xiàn)方式如下：

1）用xlwt.Workbook 以及book.add_sheet 這兩個模塊創(chuàng)建新的標準化的表格及表單。

2）在腳本工具箱內(nèi)新建表頭集合，遍歷讀取表頭集合并運用sheet.write 將標準化的表頭寫進Excel 表單內(nèi)。

3）用arcpy.da.SearchCursor（查詢游標）讀取點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)字段信息內(nèi)容。

4）需要分類統(tǒng)計的信息按細化程度創(chuàng)建不同的標準集合，并在點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)遍歷過程中，根據(jù)關鍵字信息將不同的數(shù)據(jù)放到對應的集合當中。

5）對通過遍歷過濾及整理后的標準集合，用sheet.write 寫入對應的Excel 表單當中，并通過book.save（路徑）進行輸出并保存成各類標準的統(tǒng)計表格。

3.4.2 圖件自動化輸出

使用標準化MXD 制圖模板，通過替換點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源的方法，替換模板相對應的內(nèi)容，對多種不同信息，通過唯一屬性字段進行命名［5-7］，通過驅(qū)動來完成圖件自動化輸出，如圖5所示。

圖5 自動化出圖流程圖

需引入os 站點包，主要代碼如下：

路徑，文件名=os.路徑.split（矢量路徑）

模板= arcpy.mapping.MapDocument（MXD 模板路徑）

數(shù)據(jù)框=arcpy.mapping.ListDataFrames（模板）

要素=arcpy.mapping.ListLayers（模板，""，數(shù)據(jù)框［圖層序號］）［要素序號］

要素.replaceDataSource（文件名，"SHAPEFILE_WORKSPACE"，路徑）#替換數(shù)據(jù)源

模板.save（）

模板.dataDrivenPages.exportToPDF（PDF 路徑，"ALL"）#輸出pdf 成果

4 成果應用

1）針對該項目，本研究提升了以下幾項流程中的工作效率：

在“資料收集及數(shù)據(jù)初核階段”運用字段標準化模塊進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，解決了各縣上報不統(tǒng)一問題，為后期管理和作業(yè)提供標準信息。

在“種植作物遙感監(jiān)測核實階段”運用工具箱內(nèi)的字段內(nèi)容檢查、自動掛接解模塊解決了數(shù)據(jù)內(nèi)容的填寫初核及人為掛接時間長易出錯的問題，通過點矢量數(shù)據(jù)和面矢量數(shù)據(jù)的唯一字段進行自動掛接，將點矢量數(shù)據(jù)內(nèi)的信息賦予面矢量數(shù)據(jù)內(nèi)。

在“外業(yè)核實階段”運用MXD 制圖模板一次性將外業(yè)調(diào)查草圖及表格全部導出，為野外核實提供依據(jù)。改變了原來只能單一導出的模式，方便快捷，提高了工作效率。

在“成果匯總階段”運用自動導出反饋表模塊，一次導出各種標準的匯總表、區(qū)縣表、鄉(xiāng)鎮(zhèn)表等等匯總表格，對成果形成統(tǒng)一格式進行管理。

2）本研究中，由于數(shù)據(jù)獲取方式為各區(qū)縣自主上報，上報的數(shù)據(jù)各不相同，數(shù)據(jù)量大而且混亂，加之參與研究的人員眾多，造成了表格匯總錯誤、制圖樣式不統(tǒng)一等問題。此外制作各種表格所需要的時間長，匯總?cè)菀壮鲥e；出圖時只能單一制作處理，耗時耗力，造成人員浪費。

本次研究解決了由于各種原因造成的圖表輸出錯誤、整體匯總難的問題。經(jīng)測試，以區(qū)縣為單位，單人操作運用ArcGIS 自帶工具及Excel 等軟件進行數(shù)據(jù)整理及圖表輸出時（包含錯誤問題的修改）共用時45 min，運用該工具后全流程總用時9 min，節(jié)省了80% 的圖表成果制作時間。相關圖表自動輸出成果如表4 和圖6 所示。

圖6 圖表輸出成果

表4 區(qū)縣匯總表

3）本研究代碼經(jīng)稍許改動后，成功應用到了某省特色產(chǎn)業(yè)集群遙感監(jiān)測、某市人居環(huán)境遙感監(jiān)測、某縣工業(yè)企業(yè)用地遙感調(diào)查等項目中，解決了具體問題。

5 結(jié)語

通過本次研究，運用Python+ArcGIS 進行的二次開發(fā)，利用其腳本批處理大量作業(yè)時比傳統(tǒng)單一運用ArcGIS 自帶工具操作簡單，節(jié)省了大量時間，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準確率，根據(jù)研究需求導出的各種匯總表格清晰明了，避免人為匯總出錯，從而獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)成果。

本次研究給矢量數(shù)據(jù)的圖表成果自動化輸出提供了解決思路，能為后續(xù)GIS 相關數(shù)據(jù)可視化方面研究提供一定思路。