郭 霄 薛 睿 武慧琳 荀張媛

(1. 61363部隊, 陜西 西安 710000; 2. 自然資源部第一大地測量隊, 陜西 西安 710054;3. 自然資源部測繪標準化研究所, 陜西 西安 710054; 4. 中煤航測遙感集團公司, 陜西 西安 710199)

0 引言

標準經(jīng)緯度分幅地形圖接圖表作為一種項目管理不可缺少的重要數(shù)據(jù),在測繪生產(chǎn)領域有著十分重要的作用。當前地方數(shù)據(jù)格式管理不一,實際工作中可能遇見數(shù)據(jù)分別采用新舊編號規(guī)則管理的圖幅,導致在數(shù)據(jù)匯交管理時,需重新修改接圖表數(shù)據(jù)屬性或重新生成接圖表,現(xiàn)有的制作接圖表方法操作復雜效率低。因此本文提出一種快速生成接圖表的算法就具有十分重要的意義。

目前主流制作接圖表方法依據(jù)目的分為兩類:一是通過經(jīng)緯度范圍生成接圖表,主要通過ArcGIS中ArcToolbox提供的“創(chuàng)建漁網(wǎng)”工具,生成接圖表的骨架,使用者需要提供漁網(wǎng)的起始樞軸點,要生成對應比例尺的經(jīng)差與緯差等參數(shù)共11項[1]。該方法處理不夠自動化,圖號等屬性需要后續(xù)通過字段計算器添加,費時費力,對操作者專業(yè)水平要求較高,容易出現(xiàn)操作失誤導致的漁網(wǎng)位置錯位等問題。二是通過圖號創(chuàng)建接圖表,主要通過Arcpy實現(xiàn),分為3步：①根據(jù)文件名獲取圖幅號列表;②按照圖幅名計算坐標;③依照計算出的坐標生成接圖表多邊形,主要用到的函數(shù)有arcpy.Point()、arcpy. Array()、arcpy. Polygon()[2]。此方法一定程度的提高了生成接圖表的效率,但后續(xù)依舊需要通過字段計算器添加圖號信息,不能一步完成。

為更好地解決以上問題,本文提出了一種新的算法模型,該模型在部分以往的計算基礎上,借鑒了圖像處理深度優(yōu)先搜索(depth first search,DFS)算法邏輯,減少了操作者干預接圖表骨架的生成,提高了準確度,將圖號信息在算法中直接添加,避免了后續(xù)操作,并將該算法與傳統(tǒng)方法進行對比實驗進行驗證。

1 接圖表生成算法

1.1 地形圖經(jīng)緯度分幅與編號

1.1.1地形圖經(jīng)緯度分幅

地形圖經(jīng)緯度分幅指地圖的圖廓由經(jīng)緯線構成,我國的基本比例尺就是以經(jīng)緯線分幅制作的[3]。它們是以1∶1 000 000地圖為基礎,按規(guī)定的經(jīng)差和緯差劃分圖幅,行列數(shù)和圖幅數(shù)成簡單的倍數(shù)關系[4]。

1.1.2新舊圖幅編號

新舊圖幅編號規(guī)則都是在標準經(jīng)緯度分幅的基礎上設計,新圖幅號由10位碼組成,以1∶50 000圖號為例,J50E001002中J代表該圖幅所屬1∶1 000 000圖幅行號數(shù)字碼、50代表其所屬1∶1 000 000圖幅列號數(shù)字碼、E代表所屬比例尺代碼、001與002分表代表圖幅行號與列號數(shù)字碼[5]。舊圖幅編號系統(tǒng)按圖1編碼。

所有比例尺都可實現(xiàn)新舊圖號轉(zhuǎn)換,以1∶50 000比例尺為例,其對應公式如表1所示,其中H代表新圖幅中的行號,L代表新圖幅中的列號,X代表舊圖號中的地圖代碼值,[]代表取整,()代表取余。此為靈活生成不同編碼規(guī)則的圖號接圖表奠定了算法基礎。

圖1 我國舊式地形圖編號系統(tǒng)

表1 新舊圖號轉(zhuǎn)換

1.2 整體計算流程

本文提出算法將根據(jù)經(jīng)緯度范圍生成接圖表與根據(jù)圖號生成接圖表結合,整體流程如圖2所示。圖號文件可根據(jù)需求輸出為新編碼規(guī)則圖號與舊編碼規(guī)則圖號txt文件。

1.3 搜索計算圖號

1.3.1深度優(yōu)先搜索(DFS)[6]

DFS是計算機術語,是一種在開發(fā)爬蟲早期使用較多的方法,是搜索算法的一種。它的目的是要達到被搜索結構的葉結點。

深度優(yōu)先遍歷圖的算法是,假定給定圖G的初始狀態(tài)是所有頂點均未被訪問過,在G中任選一個頂點i作為遍歷的初始點,則深度優(yōu)先搜索遞歸調(diào)用步驟[7-8]。①訪問搜索到的未被訪問的鄰接點;②將此頂點標記為已訪問節(jié)點;③搜索該頂點的未被訪問的鄰接點,若該鄰接點存在,則從此鄰接點開始進行同樣的訪問和搜索,反復進行直到所有節(jié)點都被訪問為止[9]。

圖2 整體算法流程

1.3.2計算圖號

本文將經(jīng)緯度范圍圍成的矩形四角頂點類比作圖G的頂點i,這里稱為基點,以基點為根結點搜索與其相鄰的圖幅,相鄰圖幅作為其子節(jié)點[10-11]。

當輸入數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度范圍時,根據(jù)下式計算四角其對應的新式圖號編號,a為1∶1 000 000圖幅所在經(jīng)度帶的字符所對應的數(shù)字碼;b為1∶1 000 000圖幅所在緯度帶的字符所對應的數(shù)字碼[12];c為所求比例尺地形圖在1∶1 000 000地形圖編號后的行號;d為所求比例尺地形圖在1∶1 000 000地形圖編號后的列號;λ為某點的經(jīng)度;φ為某點的緯度;Δλ為所求比例尺的經(jīng)差;Δφ為所求比例尺的緯差[13-14]。

以矩形4個交點圖號為控制搜索生成邊框圖號,當搜索結束后,計算四角點圖號內(nèi)對角圖號,再以內(nèi)對角圖號為基準再次進行搜索。當搜索進行到最后一個循環(huán)時會有6種情況,分別為(a)田字分布(b)豎向一字分布(c)橫向一字分布(d)單幅分布(e)豎向兩行分布(f)橫向兩行分布。

針對(a)情況,當四角圖號的對角圖號為其本身,則跳出搜索;針對(b)、(c)情況以兩邊圖幅為基準向下或向右搜索圖號至完畢;(d)中當四角圖號的對角圖號為同一圖號時跳出循環(huán),結束搜索;(e)(f)判斷向下或向右搜索是否右圖幅如果沒有,結束搜索。

1.4 通過圖號生成接圖表

在已知新圖號的前提下,通過(5)(6)式可計算出該圖幅在西南圖廓點的經(jīng)緯度坐標[4]。

通過該比例尺所屬經(jīng)差與緯差可計算出其他3個角點的經(jīng)緯度坐標,獲取的XY坐標,寫出文件時將四角點坐標與其對應圖號一起寫出,為后續(xù)直接在接圖表面數(shù)據(jù)中增加圖號信息做準備。根據(jù)實際需求轉(zhuǎn)換圖號編碼實現(xiàn)需要圖號的直接輸入。

將XY坐標轉(zhuǎn)為點要素并通過spatRef = arcpy.SpatialReference(4326)設置其空間參考,再將點要素生成線,線轉(zhuǎn)面時將之前寫出的圖號寫入面要素屬性中。完成接圖表制作,具體流程如圖3所示。

圖3 通過圖號計算接圖表算法

2 實驗與分析

2.1 算法的實現(xiàn)

2.1.1計算對角圖號實現(xiàn)

搜索計算四角圖號由4個主要函數(shù)組成,分別是ldown(string number)計算基準圖幅左下角圖號;lup(string number)計算基準圖幅左上角圖號;rdown(string number)計算基準圖幅右下角圖號;rup(string number)計算基準圖幅右上角圖號。每一個計算方法都有4種情況：(1)a變b不變；(2)a不變b變；(3)a、b同時變化；(4)a、b都不變,最后返回計算圖號。

2.1.2循環(huán)獲取邊框圖號

循環(huán)獲取圖號主要借助toright(string num, string destination);todown(string num,string destination),采用while(true)死循環(huán),當搜索圖號num與目標圖號destination相等,或num圖號排在destination下方和左方時循環(huán)跳出,搜索結束。

最后一個循環(huán)借助hashset結構,在預先存儲了搜索基準圖號的前提下,hashset的長度為4,hashset主要特點為無序的不重復,因此借助hashset可以了解最后一個循環(huán)屬于上文6種情況中的哪一種,利用while(true)死循環(huán),當為(a)情況時添加其對角圖號后hashset長度為仍為4,跳出循環(huán);(b)(c)情況時hashset長度為6,借助todown(string num,string destination)、toright(string num, string destination)完成搜索后跳出;(d)情況時長度為5,break跳出循環(huán)。

所有圖號最終都存儲在hashset中通過foreach循環(huán)遍歷借助stream類寫出。通過python實現(xiàn)角點圖號與邊框圖號函數(shù)編寫,并將腳本插入Arctoolbox中,方便加入modelbuilder使用。

2.1.3圖號生成接圖表實現(xiàn)

借助modelbuilder,實現(xiàn)圖3流程如圖4所示。其中“計算xy坐標”與“xy轉(zhuǎn)為點要素”工具為插入的腳本工具。

圖4 Modelbuilder實現(xiàn)算法

2.2 與傳統(tǒng)方法對比分析

2.2.1參數(shù)對比

本文計算經(jīng)緯度范圍內(nèi)的圖號,只需輸入上下緯度與左右經(jīng)度值,與保存路徑。也可以將該腳本拖入的Model中,一步實現(xiàn)生成。

依據(jù)圖號生成接圖表界面參數(shù)包括存儲圖號文件的路徑,判斷是否為一條線上的點的字段name,以及輸出路徑。

而傳統(tǒng)方法所需參數(shù)繁雜,后續(xù)還需要在屬性表中創(chuàng)建字段,使用字段計算器,計算幾何還有投影設置等設置接圖表圖號、投影屬性[15]。

2.2.2實驗結果對比

以生成1∶50 000數(shù)據(jù)接圖表為例,假定使用傳統(tǒng)方法熟練的情況下,與本文方法對比如圖5所示，其中粗線為本文方法,細線為傳統(tǒng)方法。

從圖5可以看出傳統(tǒng)方法人工操作執(zhí)行時間受操作者的影響較大,且基本運行時間是本文方法的1～2倍。

圖5 整體對比分析

3 結束語

本文借鑒深度優(yōu)先搜索算法邏輯,類比接圖表格網(wǎng)為柵格數(shù)據(jù)的像素格網(wǎng),以接圖表四頂點開始搜索經(jīng)緯度范圍內(nèi)的所有圖號,并在通過圖號生成接圖表的過程中將圖號屬性寫入接圖表矢量數(shù)據(jù)中,與現(xiàn)有制作接圖表的方法相比減少了處理步驟與人工操作,克服了因人工誤操作導致的誤差問題。通過多次對比實驗分析證明,該方法大大提高了接圖表生成的效率,有效地降低了制作的復雜度。但該方法還存在識別圖號格式不夠靈活的限制,例如在圖號中如果出現(xiàn)其他連接符需更改為標準圖號格式算法才可使用,未來將對算法進行改進使其更加靈活適應圖號的不同格式,擴大其適用領域。