張立剛

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

ArcGIS平臺由美國Esri公司發(fā)布，是測繪地理信息技術服務尤其是地理信息系統(tǒng)(GIS)輔助決策的最具代表性的門戶系統(tǒng)，具有信息輸入與轉換、數(shù)據(jù)采集與編輯、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)查詢與分析(柵格數(shù)據(jù)分析、矢量數(shù)據(jù)分析、三維分析、網(wǎng)絡分析)、空間統(tǒng)計與可視化、成果表達與輸出、二次開發(fā)與編程等先進的技術集成優(yōu)勢。近年來，ArcGIS因為其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)使其廣泛深入地應用于測繪遙感與地圖制圖、資源監(jiān)測、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災害預測與應急保障、土地調(diào)查與環(huán)境保護、宏觀決策等與空間地理信息有關的各行各業(yè)。同時，伴隨著大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息網(wǎng)絡技術的發(fā)展，ArcGIS通過其強大的相關檢索工具及位置分析功能將Web空間思維有機融合于地理信息的諸多領域，實現(xiàn)了地理空間大數(shù)據(jù)的可視化查詢與管理、智能化分析統(tǒng)計與挖掘等集成發(fā)展。文章以最新的ArcGIS 10.3版本為基礎，ArcGIS 10.3版本于2014年12月正式對外發(fā)布。

1 空間校正工具

1.1 基本原理

ArcGIS空間校正(Spatial Adjustment)工具是其比較常用的GIS數(shù)據(jù)處理工具，是對數(shù)據(jù)處理的一種基本變換，其實質是一種多維數(shù)學模型。目前廣泛應用于原始數(shù)據(jù)粗加工、圖形配準(包括紙質地圖和影像地圖數(shù)字化)、坐標轉換等[1]，文章所述空間校正主要針對二維矢量數(shù)據(jù)處理。矢量數(shù)據(jù)實際上是一系列相關的二維(x,y)坐標點組，所以空間校正的數(shù)學模型可以抽象為如下公式：

E′(x′,y′)=H×E0(x0,y0)

(1)

式中：矩陣E′為變換后目標矢量數(shù)據(jù)；(x′，y′)為變換后坐標點組，矩陣H為變換系數(shù)，矩陣E0為源矢量數(shù)據(jù)；(x0，y0)為原始坐標點組。因此，可以看出，空間校正的實際過程即通過求解H，使得目標矢量數(shù)據(jù)與源矢量數(shù)據(jù)偏差最小[2]。

1.2 校正方法

ArcGIS空間校正方法主要包括變換-仿射、變換-相似、變換-投影、橡皮頁變換、邊捕捉等五種，其中前三種校正方法比較常用。從廣義角度來說，這三種變換方法都是線性變換，只是參數(shù)、精度及適用范圍不同。同時，變換-仿射、變換-相似、變換-投影滿足一定條件下可以相互轉換，并且變換-投影是三者中最為復雜、相對運用最廣的模型。變換-投影可以分解為變換-仿射、變換-相似、變換-投影的組合，其公式可表示為：

H=HS×HA×HP

(2)

式中：矩陣HS、HA、HP分別是變換-相似、變換-仿射、變換-投影。HP為移動無窮遠直線，HA為改變仿射性質，但保持無窮遠直線在無窮遠處。HS為一般相似變換，它不改變仿射及投影性質，變換HP屬于透視變換。對變換-投影，有2 個約束可以消除投影變形，有4個約束可以消除仿射變形。三種變換方法中，變換-仿射適用于兩個相似坐標系之間的校正，變換動作包括轉換、旋轉、縮放、扭曲等，其優(yōu)勢在于能夠保留源數(shù)據(jù)的點位置順序、平行線及平行線段長度比、面積比等相對位置不變(但向量間夾角可能發(fā)生變化)。變換-投影主要適用于遙感影像的圖像配準。變換-相似與變換-仿射相似，適用于常用的直角坐標系中變換，變換-相似可以看作變換-仿射的一種簡化算法，變換動作只有轉換、旋轉、縮放等，其優(yōu)勢在于能夠保持要素的相對形狀條件下，避免圖層扭曲[3]。

2 DWG到Shapefile數(shù)據(jù)轉換差異

文章資料收集包括GIS通用的Shapefile格式的DLG(數(shù)字線劃圖)數(shù)據(jù)及AutoCAD軟件下的DWG格式的DLG數(shù)據(jù)，且兩種數(shù)據(jù)的數(shù)學基礎均為WGS-84投影下的經(jīng)緯度坐標。根據(jù)實際項目生產(chǎn)要求，需將DWG格式文件統(tǒng)一轉換為Shapefile格式文件。在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，由于ArcGIS軟件及AutoCAD軟件系統(tǒng)對DLG圖廓四角點坐標小數(shù)位取位精度存在差異，導致DWG文件轉換后與Shapefile文件存在一定的接邊差和套合差(如圖1所示)。綜合上述空間校正方法，文章擬采用“變換-仿射”和“變換-相似”對轉換差異進行處理與比較。

圖1 套合差異

3 技術流程

利用空間校正工具進行矢量數(shù)據(jù)空間轉換主要包括DWG數(shù)據(jù)轉換、設置校正數(shù)據(jù)、選擇校正方法、開始校正、精度檢查、保存編輯、拓撲檢查等步驟，具體技術流程如圖2所示。其中，設置校正數(shù)據(jù)包括源圖層(轉換后SHP格式DLG數(shù)據(jù))與目標圖層(參考圖廓數(shù)據(jù))的設定，空間校正方法一般選用“變換-仿射”或“變換-相似”，新建位移鏈接工具即開始校正，選取DLG四角折點向參考圖廓四角折點進行空間轉換，建立鏈接過程中可實時通過位移鏈接表查看轉換殘差值，殘差值為0方滿足轉換要求，拓撲檢查包括不能重疊和不能有空隙兩項規(guī)則。

圖2 技術流程

4 結 語

通過文章所述空間校正方法的實際應用與對比，可以得出以下結論：(1)在本項目中，“變換-仿射”與“變換-相似”轉換精度均滿足精度要求，殘差值均為0(如表1所示)；(2)在二維直角坐標系下，“變換-相似”優(yōu)于“變換-仿射”，“變換-仿射”至少需要3個鏈接點，而“變換-相似”至少需要2個鏈接點即可；(3)根據(jù)拓撲檢查結果，空間校正后數(shù)據(jù)拓撲關系正確，不存在面重疊與面裂隙情況，符合成果質量要求。本方法技術原理簡單、軟件運行可靠、數(shù)據(jù)處理迅速，為矢量數(shù)據(jù)處理帶來了極大的便捷。

表1 位移鏈接表