基于ArcGIS構(gòu)建圖庫一體化海圖系統(tǒng)的研究

丁鴿，劉開，徐彥中，彭健

（1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250013）

基于ArcGIS構(gòu)建圖庫一體化海圖系統(tǒng)的研究

丁鴿1，2*，劉開1，2，徐彥中1，2，彭健1，2

（1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250013）

針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)海圖制圖與數(shù)據(jù)建庫相分離的“圖庫兩體化”現(xiàn)狀存在的缺陷，提出了基于ArcGIS搭建圖庫一體化海圖生產(chǎn)體系的技術(shù)方案。本文以中國(guó)北部海區(qū)的海事測(cè)繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以ArcGIS為平臺(tái)，進(jìn)行了一體化海圖生產(chǎn)體系的構(gòu)建研究：進(jìn)行了海事數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu)、屬性字段和屬性域規(guī)則的設(shè)計(jì)；定制了ArcGIS海圖符號(hào)庫、實(shí)現(xiàn)海圖智能標(biāo)注和創(chuàng)建Representation制圖表達(dá)等關(guān)鍵制圖技術(shù)；并基于ArcGIS Engine開發(fā)了一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ArcCatalog和ArcMap應(yīng)用程序的直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了海圖建庫與制圖輸出的一體化。

圖庫一體化；ArcGIS；海事符號(hào)庫；制圖表達(dá)

1　引 言

現(xiàn)階段，我國(guó)海圖生產(chǎn)體系采用“圖庫兩體化”生產(chǎn)模式:在海圖數(shù)據(jù)庫端，基于Arc/Info系統(tǒng)創(chuàng)建、生產(chǎn)和維護(hù)Coverage模型的海圖數(shù)據(jù)；在海圖制圖端，基于CARIS HPD平臺(tái)，結(jié)合 AutoCAD、MapGIS、Photoshop、Illustrator等軟件制作海圖矢量文件，然后轉(zhuǎn)換輸出為EPS或PDF格式，經(jīng)制版印刷，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)海圖的生產(chǎn)［1］。

這種基于Arc/Info、CARIS和繪圖軟件等協(xié)同作業(yè)的跨平臺(tái)海圖生產(chǎn)體系存在諸多缺陷:①海圖制圖與數(shù)據(jù)庫管理各成體系，信息反饋渠道不暢。②制圖工作流不連續(xù)，缺乏一致的用戶界面，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫拼接。③不能很好地實(shí)現(xiàn)海圖注記的加注，過程繁瑣。④以圖幅為單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫存在大量冗余數(shù)據(jù)。⑤在進(jìn)行海圖數(shù)據(jù)維護(hù)時(shí)，須同時(shí)維護(hù)S-57電子海圖數(shù)據(jù)庫、數(shù)字海圖數(shù)據(jù)庫和紙質(zhì)海圖數(shù)據(jù)庫等多個(gè)數(shù)據(jù)庫。為此，搭建一套平臺(tái)一體化、編繪智能化、圖庫一體化的海圖生產(chǎn)體系勢(shì)在必行。

ArcGIS是Esri公司研發(fā)的構(gòu)建于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之上的無縫擴(kuò)展的GIS家族產(chǎn)品［2］，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能和繪圖分析功能，為用戶提供了完整的企業(yè)級(jí)地圖制圖與數(shù)據(jù)建庫一體化的GIS解決方案。本文從目前我國(guó)海圖制圖技術(shù)的現(xiàn)狀和實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)海圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型、制圖關(guān)鍵技術(shù)和圖庫一體化工藝流程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了基于ArcGIS構(gòu)建圖庫一體化海圖生產(chǎn)體系的技術(shù)方案［3］，并對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2　一體化海圖系統(tǒng)技術(shù)流程

2.1技術(shù)難點(diǎn)

運(yùn)用相應(yīng)的制圖規(guī)則，基于數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化制圖功能的實(shí)現(xiàn)，是圖庫一體化海圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，如果可以利用海圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行制圖符號(hào)的可視化表達(dá)，必將大大縮短制圖時(shí)間，提高工作效率。但實(shí)現(xiàn)由庫到圖的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換必須解決以下技術(shù)難題:

（1）制定合理的技術(shù)流程。合理的技術(shù)流程，是簡(jiǎn)化工作步驟、降低工作強(qiáng)度的技術(shù)支撐，必須在充分研究和分析海事建庫和制圖特點(diǎn)的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。

（2）海圖數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)化制圖，必須對(duì)數(shù)據(jù)庫的模型結(jié)構(gòu)、屬性字段和屬性域規(guī)則進(jìn)行合理設(shè)計(jì)［4］。既注重對(duì)地理實(shí)體的空間坐標(biāo)和屬性信息的反映，又可以在對(duì)建庫數(shù)據(jù)進(jìn)行初步符號(hào)化后，在符號(hào)屬性、制圖規(guī)則、自由表達(dá)3個(gè)層面上進(jìn)行制圖編輯，從而達(dá)到制圖規(guī)范和美觀要求。

（3）海圖制圖關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。海圖是各種海圖符號(hào)、文字注記、圖幅整飾要素等的結(jié)合體，是科學(xué)性與藝術(shù)性的完美結(jié)合。精美的符號(hào)集合、智能的標(biāo)注顯示、完善的配色方案和渲染規(guī)則是創(chuàng)建精確、美觀的海圖的重要保證，是實(shí)現(xiàn)海圖制圖和可視化的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）制圖表達(dá)規(guī)則的處理機(jī)制。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量海圖產(chǎn)品的生產(chǎn)，必須創(chuàng)建完善的覆蓋規(guī)則與自由表達(dá)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在不改變庫數(shù)據(jù)空間屬性的前提下，對(duì)每個(gè)要素符號(hào)的單獨(dú)編輯和動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。

（5）ArcGIS Engine搭建一體化平臺(tái)。為有效集成ArcCatalog數(shù)據(jù)建庫模塊與ArcMap制圖功能模塊，應(yīng)充分利用ArcGIS Engine完善的類庫和強(qiáng)大的嵌入式GIS組件庫，搭建一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建庫與制圖的一體化。

2.2技術(shù)流程

本文基于ArcGIS平臺(tái)，在系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)建庫與制圖生產(chǎn)一體化理論與關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，就海圖數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、海圖制圖關(guān)鍵技術(shù)和一體化體系的構(gòu)建開展研究，以兼顧海圖制圖與數(shù)據(jù)建庫的統(tǒng)一生產(chǎn)和管理為目的，考慮建庫數(shù)據(jù)與制圖符號(hào)之間的同步與統(tǒng)一關(guān)系，對(duì)圖庫一體化海圖系統(tǒng)的技術(shù)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1　圖庫一體化海圖系統(tǒng)的技術(shù)流程

如圖1所示，本技術(shù)流程改變我國(guó)現(xiàn)有海圖生產(chǎn)體系的制作工序，在海圖生產(chǎn)體系的前端建立源數(shù)據(jù)海圖庫，加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的管理與控制，并隨時(shí)利用新資料和改正數(shù)據(jù)對(duì)源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，始終保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的最佳現(xiàn)勢(shì)性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無縫的、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的海圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)［5］。在保證數(shù)據(jù)組織與屬性結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，在海圖生產(chǎn)體系的末端，對(duì)源數(shù)據(jù)根據(jù)海圖用途和制圖要求，裁切出特定范圍的海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)化和可視化展示。并基于ArcGIS Engine將兩者集成統(tǒng)一，進(jìn)行建庫與制圖的統(tǒng)一，完成海圖的生產(chǎn)輸出工作。

3　海圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.1Geodatabase數(shù)據(jù)模型

海圖數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、水深關(guān)系復(fù)雜、數(shù)據(jù)更新速度快等特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的有效組織是保證海圖內(nèi)在質(zhì)量、導(dǎo)航定位精度和空間分析準(zhǔn)確性的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。因此，合理的數(shù)據(jù)模型與組織結(jié)構(gòu)是圖庫一體化海圖系統(tǒng)性能的重要保證。

Geodatabase數(shù)據(jù)模型與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型相比具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，它采用全關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將矢量、柵格、地址、網(wǎng)絡(luò)和空間參考等數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)和管理，它可以自定義自己的對(duì)象與關(guān)系類型，并通過對(duì)象間的拓?fù)潢P(guān)系、約束規(guī)則和相互作用關(guān)系，更清晰、準(zhǔn)確地反映實(shí)體對(duì)象的空間幾何信息、屬性信息、三維信息和多媒體信息等，有利于真正意義上實(shí)現(xiàn)建庫與制圖的一體化，因此本文選用Geodatabase模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的組織與設(shè)計(jì)。

3.2海圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本文以中國(guó)北部海區(qū)的海事測(cè)繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于Geodatabase層次模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織與設(shè)計(jì)。參照《數(shù)字海圖要素屬性編碼規(guī)則》，將海事數(shù)據(jù)劃分為29個(gè)層，每層數(shù)據(jù)按空間類型分為點(diǎn)、線、面，每一類型關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè)屬性表［6］。對(duì)海圖要素的標(biāo)識(shí)采用6位數(shù)字編碼方式，前三位為“類碼”，后三位為“識(shí)別碼”，第四位標(biāo)識(shí)要素的幾何類型，0為點(diǎn)，1為線，2為面，編碼定義到具體要素。

屬性字段設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的一體化海圖制圖，結(jié)合相關(guān)海圖規(guī)范，本文設(shè)計(jì)屬性表字段除包含要素名稱、代碼、幾何類型、坐標(biāo)參考、坐標(biāo)精度等字段外，還增加了海圖符號(hào)、制圖表達(dá)、規(guī)則ID和覆蓋等字段，用于存儲(chǔ)要素的符號(hào)信息和制圖表達(dá)規(guī)則。

屬性域規(guī)則設(shè)計(jì)。屬性域規(guī)則是一種通過限定要素類或空間屬性列表中特定字段的允許值來保證數(shù)據(jù)有效性和完整性的強(qiáng)制性機(jī)制。本文針對(duì)海事測(cè)繪數(shù)據(jù)獨(dú)特的屬性特征和行為規(guī)則［7］，采用“編碼的值”類型的屬性域規(guī)則，進(jìn)行了要素類屬性域類型、有效值集合、分隔策略和合并策略等限定規(guī)則的添加。

4　海圖制圖關(guān)鍵技術(shù)

4.1定制ArcGIS海圖符號(hào)庫

海圖符號(hào)被稱為海圖語言，是實(shí)現(xiàn)海事數(shù)據(jù)可視化的工具和橋梁。定制ArcGIS海圖符號(hào)庫是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用ArcGIS進(jìn)行海圖制圖的基礎(chǔ)性工作。

鑒于現(xiàn)行海圖制圖系統(tǒng)CARIS HPD可以提供比較完善的、滿足GB12319-1998《中國(guó)海圖圖式》［8］的矢量符號(hào)庫，和ArcGIS符號(hào)管理器（Style Manager）強(qiáng)大的圖元組合機(jī)制和支持對(duì)TrueType字符的任意調(diào)用，本文選用TrueType字體編輯器Font Creator進(jìn)行海圖符號(hào)庫中單個(gè)圖元的制作和海圖字體庫的創(chuàng)建。首先，將CARIS符號(hào)庫的基礎(chǔ)圖元和標(biāo)準(zhǔn)海圖符號(hào)［9］，轉(zhuǎn)存輸出為位圖，并導(dǎo)入Font Creator進(jìn)行矢量化；然后，通過縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等簡(jiǎn)單編輯操作，制作滿足海圖圖式要求的矢量點(diǎn)狀符號(hào)文件，并保存安裝在Windows系統(tǒng)自帶的符號(hào)庫中；最后，應(yīng)用ArcGIS Style Manager的符號(hào)定制功能和圖元組合機(jī)制，建立Arc-GIS平臺(tái)下的專用海圖符號(hào)庫，保存在ArcGIS安裝路徑的style目錄下，并添加到ArcGIS的style列表中，即可在ArcMap進(jìn)行海圖繪制時(shí)調(diào)用和共享符號(hào)庫中的符號(hào)，通過選擇合適的符號(hào)樣式，制作出精準(zhǔn)、漂亮、美觀的海圖文檔。

4.2添加水深智能標(biāo)注

水深注記在海圖負(fù)載量中占相當(dāng)大的比重，是海圖中最主要的注記之一，有直體、斜體、拖尾、加繪危險(xiǎn)圈等多種類型，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜［10］?，F(xiàn)行體系是在海圖圖面繪制完成后，借助MapGIS手工進(jìn)行注記的添加，大大降低了成圖效率［11］。為克服手工添加水深注記的不足，本文利用ArcGIS的標(biāo)記轉(zhuǎn)注記功能，先對(duì)水深數(shù)據(jù)添加標(biāo)注，創(chuàng)建標(biāo)注要素類，然后將標(biāo)注轉(zhuǎn)換為注記，存入Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，獲取不同比例尺下符合要求的水深點(diǎn)注記，完成注記的添加工作。

實(shí)測(cè)水深注記是最主要、最常見的一類水深注記，《中國(guó)海圖圖式》中明確規(guī)定實(shí)測(cè)水深注記采用右斜等線體表示，且注記的整數(shù)和小數(shù)部分采用不同的字號(hào)大小表示。以實(shí)測(cè)水深注記為例，我們借助標(biāo)注管理器和Maplex高級(jí)智能標(biāo)注工具，通過VBScript編碼進(jìn)行實(shí)現(xiàn):在ArcGIS中打開水深數(shù)據(jù)（“Sounding”）層的屬性對(duì)話框，設(shè)置Labels標(biāo)簽頁下的Method值為“Define classes of features and label each class differently.”，并在Class選項(xiàng)中添加不同的注記類，在Label Expression中編寫VBScript代碼，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)右斜等線體水深標(biāo)注。經(jīng)編輯整理后，設(shè)定特定的海圖顯示比例尺，將標(biāo)注轉(zhuǎn)換為注記存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

圖2　VBScript編碼實(shí)現(xiàn)右斜等線體水深標(biāo)注

4.3創(chuàng)建Representation海圖制圖表達(dá)

制圖表達(dá)在利用基于規(guī)則的組織結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)化的同時(shí)，可以靈活地定制單個(gè)要素的個(gè)性化表達(dá)，在不改變數(shù)據(jù)庫原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，靈活地更新圖形的顯示外觀，改善圖面的表達(dá)效果，滿足高質(zhì)量地圖輸出的要求。

在進(jìn)行海圖繪制時(shí)，本文根據(jù)海圖數(shù)據(jù)庫中要素類所包含的不同要素類型，對(duì)要素類建立符號(hào)化方案和制圖規(guī)則，來創(chuàng)建所需的制圖表達(dá)，添加相應(yīng)的制圖表達(dá)規(guī)則，并設(shè)置新規(guī)則的符號(hào)屬性、幾何效果和顯示等級(jí)，創(chuàng)建完整的Representation符號(hào)化方案。然后，在進(jìn)行海圖編輯時(shí)，為各要素類指定相應(yīng)的制圖表達(dá)規(guī)則進(jìn)行要素的符號(hào)化顯示。

5　一體化平臺(tái)搭建

在完成海事數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，并解決了海圖制圖中的關(guān)鍵技術(shù)后，本文利用ArcGIS Engine進(jìn)行一體化海圖系統(tǒng)的搭建，將ArcCatalog數(shù)據(jù)建庫模塊與ArcMap制圖功能模塊集成到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)屬性匹配制圖樣式驅(qū)動(dòng)制圖，實(shí)現(xiàn)海圖的一體化生產(chǎn)。

5.1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖庫一體化海圖系統(tǒng)以海圖地理信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過一系列功能模塊的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)海圖建庫與制圖的一體化。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一體化海圖系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　圖庫一體化系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

5.2功能實(shí)現(xiàn)

ArcGIS Engine與ArcGIS Desktop共享相同的底層組件，大量的開發(fā)工作可通過在ArcGIS產(chǎn)品間移植后，再做部分更正與改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行一體化系統(tǒng)搭建時(shí)，本文通過定制命令實(shí)現(xiàn)在一體化平臺(tái)中對(duì)ArcCatalog和ArcMap的直接調(diào)用，不再從零開始編程建立地理數(shù)據(jù)庫及其制圖符號(hào)體系。在進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，基于Engine提供的制圖控件和框架控件中的MapControl（地圖控件）、PageLayoutControl（頁面布局控件）、TOCControl（目錄樹控件）、ToolbarControl（工具欄控件）進(jìn)行系統(tǒng)界面的定制；基于Engine提供的一系列命令、工具、菜單和選項(xiàng)集，通過調(diào)用System、Display、Output、Carto、Geodatabase、Data-SourceGDB和Controls等Engine類庫，構(gòu)建和擴(kuò)展現(xiàn)有的ArcGIS應(yīng)用程序功能；通過 Geometry類庫的IpointCollection、ISegmentCollection和IGeometryCollection等API接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)、線、面、注記等要素的編輯功能。如圖4所示，為圖庫一體化海圖系統(tǒng)的制圖效果。

圖4　圖庫一體化系統(tǒng)的制圖效果

5.3圖幅整飾輸出

完成一體化平臺(tái)的搭建之后，即可在一體化平臺(tái)上進(jìn)行海事數(shù)據(jù)的入庫和符號(hào)化繪制。并根據(jù)GB12319-1998《中國(guó)海圖圖式》中對(duì)海圖圖廓整飾元素和圖面配置內(nèi)容的詳細(xì)說明，添加圖面配置要素（海圖的圖號(hào)、標(biāo)題和圖廓注記等），完成海圖的制作。然后根據(jù)實(shí)際需要將海圖文檔轉(zhuǎn)存或進(jìn)行打印輸出，提交最終的海圖產(chǎn)品。

6　結(jié) 語

ArcGIS是一個(gè)架構(gòu)完整、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展方便、部署靈活的地理信息平臺(tái)，為新的海圖生產(chǎn)體系的搭建提供了理想的開發(fā)環(huán)境。本文深入論證了基于Arc-GIS實(shí)現(xiàn)圖庫一體化海圖系統(tǒng)的技術(shù)流程和關(guān)鍵技術(shù)，有利于提高海圖制圖效率，完善海圖數(shù)據(jù)管理工作，希望對(duì)今后海圖生產(chǎn)體系的深層次發(fā)展和技術(shù)體系的進(jìn)一步完善提供有力參考。

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Research on Construction of the Database Unified Cartography Chart System Based on ArcGIS

Ding Ge1，2，Liu Kai1，2，Xu Yanzhong1，2，Peng Jian1，2
（1.Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Jinan 250013，China；2.Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information，Jinan 250013，China）

For defects of the existing separation of the chart database construction system and the chart cartography system，a technical scheme to construct a geodatabase and cartography integrated chart system based on ArcGIS has been proposed.On the basis of the northern China marine surveying data and the ArcGIS platform，this paper conducts research on the construction of the chart integration system.It designs the data hierarchy structure，the attribute fields and the domain rules of the marine geodatabase.Also it solves the technologies in the chart cartographic module，such as the customization of the ArcGIS chart symbol libraries，the affixion of chart intellectual labels and the creation of chart cartographic representation.Then it sets up an integrated platform based on ArcGIS Engine，which can directly invoke the Arc-Catalog and ArcMap procedure，makes the chart database construction and cartographic output work can be done integratively.

database integrated chart system；ArcGIS；chart symbol library；representation

1672-8262（2016）04-45-05

P208.2

A

2016—03—19

丁鴿（1989—），男，助理工程師，主要從事竣工測(cè)量、精密工程測(cè)量、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等方面研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41174010；41374011）