黃會平，韓宇平，張俊峰

(華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

多幅等高線接邊是GIS 地圖數(shù)據(jù)處理過程中經(jīng)常會遇到的一項工作. 傳統(tǒng)的拼接需要在軟件中手工接邊，工作量大且由于數(shù)據(jù)的精度問題，相鄰圖幅上的等高線常常不能夠很好地吻合. 一些GIS 軟件中帶有圖幅接邊的模塊，如ArcGIS 中的Edge-Match.但是，在現(xiàn)實的數(shù)據(jù)處理過程中，這些模塊的功能還不能滿足要求.首先，使用這些接邊模塊時仍然需要較多的人工干預，比較繁瑣;其次，大多數(shù)接邊模塊進行接邊處理時僅考慮相鄰圖幅上地理要素的幾何關系，而沒有充分利用屬性信息，這在某些情況下進行等高線的接邊，容易造成邏輯錯誤.

當前，國內已有學者提出了圖幅接邊問題的解決方案.如鄧小軍等詳細分析了等高線的圖幅接邊問題，對各種相鄰圖幅等高線接邊誤差的形式做了分類［1－4］，具有一定的代表性.筆者提出了一種兼顧幾何關系和屬性特征的等高線圖幅自動接邊算法，并利用ArcGIS Engine(AE)組件所提供的空間操作功能，在Microsoft Visual Studio 2010 環(huán)境下，實現(xiàn)了這一算法.

1 多幅等高線拼接存在的問題

由于比例尺大小、成圖紙張大小、圖紙的形變、繪圖誤差、數(shù)字化誤差和分幅數(shù)字化等因素的影響，在相鄰兩幅等高線圖中，位于接邊附近的等高線在幾何位置上不能很好地吻合，且由于各種人為因素，原本是一條連續(xù)的等高線也會被分為多段，在數(shù)據(jù)庫中被分成不同的對象進行存儲［5］. 主要表現(xiàn)為錯位、數(shù)據(jù)不完整、重復、變形等.

1.1 兩線間存有縫隙

接邊處附近的某一等高線，理論上應與鄰接圖幅上對應的等高線是一條等高線，是完全吻合在一起的，即這兩條等高線的端點坐標中有兩個點的坐標是相同的［6］(首首相同、末末相同或首末相同).但在實際工作中，由于各種原因，分布在不同圖幅的同一等高線之間存在縫隙，如圖1所示.

圖1 拼接時同一等高線中存在縫隙

1.2 等高線重復或者不完整

根據(jù)等高線是閉合曲線的原理，將多幅等高線合并成一幅等高線圖時，等高線在接邊處應與其對應等高線合并成一個對象，從而構成一條閉合曲線.但由于分幅數(shù)字化的原因，會出現(xiàn)等高線沒有延伸到另一側或者接邊線另一側多出了不必要的線段等，如圖2所示.需要對重復或缺失的等高線刪除或者補充完整.

圖2 等高線重復或者缺失

1.3 “貌合神離”現(xiàn)象

對應等高線在接邊處表面上表現(xiàn)為一條完全閉合的等高線，但實質卻是多條等高線，這種現(xiàn)象往往具有欺騙性.因為在打印出圖和視覺上不會發(fā)現(xiàn)問題，但是要用于構建DEM 或TIN，或者用于拓撲分析時，就會出現(xiàn)意想不到的問題.

2 等高線自動接邊的算法

2.1 接邊前的數(shù)據(jù)準備

參與接邊的圖幅應該具有相同的地圖數(shù)學基礎，包括相同的比例尺、坐標系統(tǒng)和高程基準［7］. 屬性數(shù)據(jù)必須正確.該算法設計的思路是按等高線的屬性信息作為約束條件判斷兩條是否是同一條等高線，所以在接邊前，必須保證每條等高線被正確賦以高程值.

2.2 自動接邊算法的思路

2.2.1 確定參與接邊的對象

在進行等高線拼接時，所處理的對象主要為位于圖幅邊界并在理論上延伸至相鄰圖幅的線段，在接邊之前，必須要確定參與接邊的要素［8］. 該設計的思路為:讀入需要拼接的矢量要素圖層，用戶根據(jù)需要拼接圖幅等高線的實際分布情況給定一個閾值d，以這個閾值d 為大小，求取邊界線兩側的矩形緩沖區(qū)，和緩沖區(qū)相交的等高線參與下一步的接邊，否則不參與下一步的操作，從而加快了處理速度.選擇一個圖幅為主圖幅(通常為左圖幅或上圖幅)，其中的要素為主要素，選擇一其他圖幅為副圖幅，其中的要素為副要素.

2.2.2 確定接邊的各種情況

1)圖幅接邊方向和線段方向. 參與接邊兩條線段并不知道在哪個圖幅中，程序執(zhí)行中必須進行判斷，判斷的方法是:取每條等高線的中點(X，Y)，若一圖幅所有等高線的X 值均大于或小于另一圖幅，則為左右接邊;若一圖幅所有等高線的Y 值均大于或小于另一圖幅，則為上下接邊.

在接邊時還必須考慮參與接邊的兩線段的方向［9－10］.對參與接邊的兩線段的方向一般有首末—首末、首末—末首、末首—末首和末首—首末4 種情況.

2)接邊等高線的空間形狀.接邊時兩幅圖中等高線從形態(tài)上可分為兩類:圓環(huán)接邊和普通接邊.由于矢量化的誤差，在分幅等高線接邊時，一圖幅中的等高線會超越邊界進入另一圖幅，造成等高線過頭，如圖3和圖4所示. 接邊時必須將過頭的點從線中刪除(即回撤一個點，若仍然過頭，則繼續(xù)回撤，直到端點回到等高線所在的圖幅)，然后調整兩線段使其方向一致.

圖4 普通接邊存在的情況

經(jīng)過處理后將兩個點集添加到新的點集中，生成新的直線，完成兩線段的合并處理，其利用Arc-GIS Engine 在Microsoft Visual Studio 2010 環(huán)境中的處理流程如圖5所示.

圖5 兩線合并的處理流程

3 等高線自動接邊的實現(xiàn)

等高線經(jīng)一系列處理(圖層合并、順序調整、參與要素選擇等)得到接邊要素，并經(jīng)過2.2.1 節(jié)和2.2.2 節(jié)處理以后，選中需要接邊的等高線集，采用振蕩法進行遍歷，選定一條等高線，若在距離r 內沒有與之屬性相等的等高線，增加距離為，直至找到和它屬性相等的等高線并標記;若在距離r 內有兩條屬性值相等的等高線(不是圓環(huán)而是如山脊線、山谷線等普通接邊的情況)則距離變?yōu)椋敝琳业胶退鼘傩韵嗟鹊牡雀呔€并標記;若在距離r 內恰好有一條屬性值相等的等高線，則直接標記.

找到唯一等高線后，需要分3 種情況進行考慮:若兩條等高線端點距離d 大于給定閾值r2，則兩條等高線不處理;若兩條等高線端點之間的距離r1＜d ＜r2時，則分別把兩條等高線的端點連接到邊界線上兩個端點之間的中點;若兩條等高線端點距離小于給定閾值r1，則采用強制法把副要素的端點拖到主要素端點上實現(xiàn)端點吻合，進一步實現(xiàn)兩線的合并.其流程如圖6所示.

圖6 智能接邊流程圖

4 等高線接邊后的檢查

4.1 “貌合神離”現(xiàn)象的處理

“貌合神離”現(xiàn)象的產生，可能是在矢量化的過程中由于一條等高線過長，為了方便矢量化，人為地將同一條等高線劃分成N 段，它們從視覺角度看是一條封閉的等高線，實際上是多條線段組成一條，在構建拓撲時會出現(xiàn)錯誤.

該程序處理此現(xiàn)象時，根據(jù)線段的高程值相等進行處理，通過AE 的屬性過濾器(IQueryFilter)和空間過濾器(ISpatialFilter)得到高程值相等的所有線段，然后根據(jù)ITopologicalOperator2 的Union 實現(xiàn)等高線的合并［11］.

4.2 沒有連接的等高線處理

在等高線接邊過程中，若兩條屬性相等的等高線兩個端點之間的距離大于給定的閾值r2，說明數(shù)字化過程中存在的不是誤差而是錯誤，需要根據(jù)原有的地形圖把缺失部分的等高線補充完整，若沒有原始地形圖，則可根據(jù)等高線走勢做插值處理，然后再手工或重新執(zhí)行前面的自動拼接處理.

4.3 拓撲檢查

該程序在接邊實現(xiàn)時采用強制法和平均法實現(xiàn)兩相鄰圖幅的等高線拼接處理，在等高線比較密集的區(qū)域會產生相鄰等高線交叉的情況，拼接后要對整個圖幅的線狀要素做拓撲檢查，檢查出等高線相交的要素并人工加以處理.

5 結 語

針對目前GIS 軟件在等高線接邊處理方面的不足，以ArcGIS Engine 和Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，進行了等高線智能接邊的研究，完善了GIS 軟件在接邊時僅考慮幾何關系的不足，綜合考慮幾何關系和屬性值，初步實現(xiàn)了對大量等高線接邊的快速處理，提高了工作效率，并提供交互式的操作界面，避免了大比例尺地圖直接進行接邊所產生的未知錯誤，提高了接邊的準確性.

［1］鄧小軍，鄭小梅.基于AO 的分幅等高線智能化接邊處理方法的研究［J］.四川測繪，2004，27(2):77－81.

［2］趙相偉，孫翠羽，艾波，等.基于索引圖的大比例尺圖幅自動接邊方法研究［J］.測繪信息與工程，2007，32(4):34－36.

［3］金江峰.基于MAPGIS 的河南省土地境界接邊管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］. 科學技術與工程，2009，9(2):391－394.

［4］周順平，張江東，左澤均，等.線要素任意范圍接邊算法的設計與實現(xiàn)［J］.測繪科學，2012，37(9):20－26.

［5］趙江洪.GIS 中多圖幅自動接邊的方法探討［J］.測繪通報，2006(2):50－52.

［6］劉慶元，周容.一種基于ArcGIS Engine 的線狀圖幅接邊方法［J］.計算機時代，2008(2):4－6.

［7］曹麗娟.基于ArcObjects 的多圖幅自動接邊研究與實現(xiàn)［J］.軟件導刊，2010(9):49－51.

［8］龔健雅，杜道生，李清泉，等. 當代地理信息技術［M］.北京:科學出版社，2006.

［9］李智廣. 基于GIS 的土壤侵蝕數(shù)字圖接邊方法研究［J］.水土保持通報，2001，21(4):41－43.

［10］孫麗娜，李吉之，陳靜. 基于AO 的同比例尺地形圖無縫接邊技術及其實現(xiàn)方法［J］.測繪工程，2007(6):49－53.

［11］蔣波. ArcObjects 開發(fā)基礎與技巧［M］. 武漢:武漢大學出版社，2006.