昝建春，冷鴻天，吳顏奎

(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650051)

GIS作為現(xiàn)代主流的地理信息空間決策、分析及模擬系統(tǒng)，應(yīng)用模型的發(fā)展已成為其重要的發(fā)展前提和現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)水平的重要標(biāo)志[1]。隨著計(jì)算機(jī)、地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展、進(jìn)步，利用GIS批量、流程化處理任務(wù)已成為當(dāng)今GIS技術(shù)的重要特征和高效的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的GIS空間分析及數(shù)據(jù)處理方式是利用計(jì)算機(jī)編程語言來實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的批量處理或流程化處理，基于計(jì)算機(jī)編程語言的實(shí)現(xiàn)方法需要較多的編程實(shí)踐和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于頻次較高、時(shí)間較緊以及需求較為多樣化的工作任務(wù)就顯得捉襟見肘，迫切需要一種能容易入手、高效且易于擴(kuò)展?jié)M足多元化需求的工作方法。

目前，很多影像處理軟件均能提供基于坐標(biāo)系統(tǒng)的影像裁剪功能，但大部分軟件在影像批量裁剪方面具有較大的局限性和難度系數(shù)，例如：(1)計(jì)算機(jī)語言編程開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)以及行業(yè)應(yīng)用特性差異大；(2)軟件功能單一，不方便擴(kuò)展應(yīng)用；(3)不能實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)圖幅的裁剪以及自定義裁剪等[2]。導(dǎo)致很多工作任務(wù)在方法上仍采用手工、半手工的方式裁剪影像，不僅耗費(fèi)大量的人力、時(shí)間成本，也增加了質(zhì)量管理成本，降低了任務(wù)執(zhí)行的時(shí)效性。

為了解決常規(guī)影像裁剪方法的低效、計(jì)算機(jī)編程難度大以及不方便共享、擴(kuò)展使用等問題，實(shí)現(xiàn)批量、流程化裁剪影像的目標(biāo)，達(dá)到易入手、高效且方便擴(kuò)展、滿足多元化需求的工作效果。以昆明市官渡區(qū)2020年森林資源管理一張圖年度更新工作影像為例，研究利用ArcGIS軟件的模型生成器(Model Builder)制作裁剪工具，實(shí)現(xiàn)批量、流程化裁剪影像。

1 軟件平臺(tái)介紹

1.1 ArcGIS軟件

ArcGIS是由美國(guó)ESRI公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)軟件，是全球范圍內(nèi)地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣泛的軟件之一。是一個(gè)統(tǒng)一且完整的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件，其主要由5個(gè)基礎(chǔ)的框架組成：(1)計(jì)算機(jī)桌面端軟件Desktop；(2)服務(wù)器端軟件GIS；(3)嵌入式的GIS軟件；(4)移動(dòng)端GIS軟件；(5)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)端軟件ArcSDE[3]。研究中主要用到了ArcGIS的計(jì)算機(jī)桌面端軟件(Desktop)，包括Arc Catalog，Arc Map以及Arc Toolbox這3個(gè)桌面端應(yīng)用程序，Arc Catalog用來管理空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)及記錄與瀏覽元數(shù)據(jù)；Arc Map用來編制、編輯和分析地圖；Arc Toolbox用來轉(zhuǎn)換和處理地理信息數(shù)據(jù)[4]。通過協(xié)調(diào)使用這3個(gè)應(yīng)用程序，可以完成制圖、數(shù)據(jù)管理、空間分析、數(shù)據(jù)編輯以及地理處理(geoprocessing)等各種GIS任務(wù)。

1.2 模型構(gòu)建器

模型構(gòu)建器(Model Builder)是ArcGIS軟件提供的一個(gè)專門用于構(gòu)建地理處理工作流和腳本的圖形、可視化建模工具，可以集合、加速?gòu)?fù)雜的地理處理過程模型的設(shè)計(jì)和實(shí)施，也可以集成3D Analyst、Spatial Analyst、Geostatistical Analyst等多種空間處理、分析工具[5]，然后將一系列空間處理、分析工具組織串聯(lián)在一起的工作流，將其中一個(gè)工具的輸出作為另一個(gè)工具的輸入[6]，最后得到模型處理結(jié)果。一個(gè)完整的GIS模型應(yīng)包括模型的輸入、空間分析處理工具以及輸出3個(gè)部分的內(nèi)容，復(fù)雜的地理空間分析過程其實(shí)也是由一系列簡(jiǎn)單的模型組合而成的。使用模型構(gòu)建器的優(yōu)點(diǎn)是：進(jìn)一步簡(jiǎn)化復(fù)雜的地理空間處理模型的設(shè)計(jì)和實(shí)施，運(yùn)用直觀、簡(jiǎn)明的可視化圖形語言將具體、復(fù)雜的建模過程表達(dá)出來[7]。使用GIS模型構(gòu)建器構(gòu)建的模型可自動(dòng)執(zhí)行所規(guī)定的工作流程。當(dāng)建立的模型經(jīng)過驗(yàn)證和執(zhí)行無錯(cuò)誤后便可以保存為.tbx格式(即：Arc Toolbox格式)，或者保存為Python腳本，今后需要時(shí)就可以直接調(diào)用，也能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶間的共享[8]。模型在執(zhí)行任務(wù)時(shí)具有較強(qiáng)的執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)規(guī)范性，在后續(xù)應(yīng)用時(shí)還具有很大的擴(kuò)展空間，能夠根據(jù)任務(wù)的不同目的加以修改或者擴(kuò)展，以達(dá)到滿足工作任務(wù)多元化需求的效果。

1.3 模型構(gòu)建器中迭代器的作用

ArcGIS 10.0版本之后的模型構(gòu)建器在功能及應(yīng)用上有了顯著的提升和改進(jìn)，相比于舊版新增設(shè)計(jì)了一系列的工具，其中主要有兩類比較重大的類別：迭代器；僅模型工具[9]。迭代在GIS中通常是指在一定程度、范圍的自動(dòng)化過程中可基于一個(gè)或一組輸入多次重復(fù)執(zhí)行一個(gè)或一系列地理信息處理過程，通常又稱之為循環(huán)[10]。迭代在現(xiàn)代化的地理信息空間決策、分析以及模擬中顯得非常重要，因?yàn)樽詣?dòng)重復(fù)的執(zhí)行任務(wù)會(huì)大量地節(jié)約完成工作所需要的時(shí)間和精力，并能保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性和一致性[11]。在“模型構(gòu)建器”中使用迭代時(shí)，可在每次迭代中使用不同的設(shè)置參數(shù)和任務(wù)數(shù)據(jù)來反復(fù)執(zhí)行同一個(gè)地理信息處理過程，但一個(gè)模型中只能選擇一種迭代器。每種迭代器均具有一組區(qū)別于其他迭代器的參數(shù)及功能描述，但是所有ArcGIS迭代器的整體結(jié)構(gòu)都非常相近[12]。在使用中會(huì)發(fā)現(xiàn)“模型構(gòu)建器”中的迭代工具有很大的靈活性，不僅可以迭代整個(gè)模型，還可以對(duì)具體的某個(gè)處理工具或過程進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行。迭代器在影像批量裁剪過程中可以起到兩方面重要作用：(1)對(duì)被裁剪要素(影像文件)進(jìn)行迭代，就無需對(duì)每個(gè)影像文件分別進(jìn)行裁剪；(2)對(duì)裁剪要素(矢量框文件)進(jìn)行迭代，就無需再按照每個(gè)矢量框文件分別對(duì)影像文件進(jìn)行裁剪。

2 影像批量裁剪的實(shí)現(xiàn)

利用ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器(Model Builder)制作裁剪模型，通過對(duì)裁剪要素(鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線矢量框)進(jìn)行迭代，按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線矢量框范圍對(duì)影像文件進(jìn)行裁剪，并在指定位置創(chuàng)建文件夾，通過獲取變量的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)裁剪后影像文件的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)及命名，最終實(shí)現(xiàn)基于GIS模型構(gòu)建器的影像批量裁剪，其流程如圖1所示。

圖1 基于GIS模型構(gòu)建器的影像批量裁剪流程Fig.1 Flow chart of batch processing of clipping images based on GIS model builder

2.1 影像批量裁剪模型的建立

在ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器這一模塊里，按照一定的地理信息工作處理流程，通過圖形化操作工具，用連接線將相關(guān)模型元素(包括：輸入、空間分析處理工具以及輸出)有序連接起來，最后得到模型處理結(jié)果[13]。在模型的各相關(guān)工具中設(shè)置好對(duì)應(yīng)的參數(shù)和環(huán)境，經(jīng)過驗(yàn)證和正確運(yùn)行后，一個(gè)完整、具有特定處理地理空間信息功能且可以重復(fù)使用的模型即建立完成。影像批量裁剪模型的建立過程如下：

1)在ArcGIS軟件中打開模型構(gòu)建器，添加待裁剪影像文件、矢量框文件，作為模型的輸入。

2)插入“要素選擇”迭代器，形成一個(gè)迭代模型。

3)在“迭代要素選擇”中選擇輸入要素(矢量框文件)進(jìn)行分組的一個(gè)或多個(gè)輸入字段進(jìn)行迭代，也可以定義多個(gè)輸入的字段并依據(jù)字段唯一的組合進(jìn)行選擇迭代[14]。

4)插入ArcGIS工具箱中柵格處理下的裁剪工具，并將待裁剪影像文件作為輸入柵格。

5)將迭代的所選要素作為裁剪的輸出范圍，同時(shí)根據(jù)迭代所選要素獲取相應(yīng)的變量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)裁剪后影像文件的存儲(chǔ)及命名，包括創(chuàng)建文件夾、解析路徑等用于輸出裁剪后影像文件名稱中的行內(nèi)變量。

6)實(shí)踐并設(shè)置相應(yīng)的模型工具參數(shù)，經(jīng)過驗(yàn)證及運(yùn)行正確后，完整的影像批量裁剪模型就建立好了。影像批量裁剪模型的建立過程如圖2所示。

2.2 影像批量裁剪模型的使用

在影像批量裁剪模型建立好后，將模型以工具箱的格式保存，使用時(shí)可以直接調(diào)用。影像批量裁剪模型的使用與ArcGIS系統(tǒng)工具箱的使用方法一致。

1)在ArcGIS軟件中打開Arc Toolbox模塊，添加影像批量裁剪模型工具箱。

2)打開并進(jìn)入影像批量裁剪模型工具運(yùn)行界面，如圖3所示。

3)“輸入要素”選擇矢量框文件。

4)“輸入柵格”選擇待裁剪的影像文件。

5)“輸出文件夾位置”選擇裁剪后影像文件的存儲(chǔ)路徑。

6)“按字段創(chuàng)建文件夾”選擇存儲(chǔ)裁剪后影像文件的文件夾命名。

7)“按字段分組(可選)”選擇輸入要素(矢量框文件)進(jìn)行分組的一個(gè)或多個(gè)輸入字段進(jìn)行迭代，也可以定義多個(gè)輸入的字段并依據(jù)字段唯一的組合進(jìn)行選擇[15]，并關(guān)聯(lián)裁剪后影像文件的命名。

8)“使用輸入要素裁剪幾何(可選)”未選中：使用矢量框文件最小的外接矩形進(jìn)行裁剪數(shù)據(jù)，選中“使用矢量框文件的幾何形狀進(jìn)行裁剪數(shù)據(jù)”。

圖2 影像批量裁剪模型的建立Fig.2 Model of batch processing of clipping images

圖3 影像批量裁剪模型工具運(yùn)行界面Fig.3 Operation interface of batch processing model of clipping images

3 結(jié)論與展望

利用ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器(Model Builder)制作裁剪模型，并最終實(shí)現(xiàn)基于GIS模型構(gòu)建器的影像批量裁剪，解決了常規(guī)按矢量框文件逐個(gè)手動(dòng)裁剪影像方法的低效、計(jì)算機(jī)語言編程批量裁剪難入手以及共享、擴(kuò)展使用不方便等問題，實(shí)現(xiàn)批量、流程化裁剪影像的目標(biāo)，達(dá)到高效、易入手且易于共享、擴(kuò)展使用滿足多元化需求的工作效果。也進(jìn)一步驗(yàn)證了基于GIS模型構(gòu)建器構(gòu)建的工具模型在復(fù)雜地理空間信息處理上的可靠、高效及適用性，并顯著降低了質(zhì)量管理成本，提高了任務(wù)執(zhí)行的時(shí)效性，也為新時(shí)期森林資源管理工作提供了技術(shù)保障，為探索新模式新途徑積累了經(jīng)驗(yàn)。