基于ArcGIS环境的地形剖面图制作方法

王春范

(辽宁省第十地质大队，辽宁 抚顺 113004)

1 引 言

地形剖面图(profile of topography)，是以垂直于地表面的截面切割地面，以反映地面起伏曲线的图形[1]。是道路、管线、勘探等工程设计的基础文件之一[2]，在工程设计领域有着广泛的应用。尽管数字化基础地理信息成果已经逐步普及，多数GIS软件也具有剖面自动生成的功能，但是，由于以下两方面的主要原因，GIS环境下的地形剖面图制作，存在许多问题有待探讨。

首先，所有具有剖面制作功能的GIS软件，均是以DEM数据为基础而完成的，而常规DEM数据多是以原始DLG数据为基础生成的，用DLG数据生成DEM数据时，必然叠加上DEM数据构建过程所产生的误差，同时也会将部分地形特征信息丢失；其次，现行的通用GIS软件，均只具备自动生成简单地形剖面线的功能，并不能同时生成剖面图中的平面投影图要素，使其难以实用于工程设计。

本文在实际工作中，探索了一套以原始数字线划图DLG数据为基础，在ArcGIS环境下制作地形剖面图的方法，现介绍给同行们以供参考。

2 剖面图地理要素创建及转换处理

剖面图中的地理要素包括两方面的内容，一是反映高程信息的剖面地形线；二是反映平面位置信息的剖面投影平面图，在数字化制图环境中，可以将剖面投影平面图中要求反映的平面坐标格网线当作一般线要素看待来进行处理。这些要素在GIS环境中，以系统平台定义的坐标系统表达要素的平面位置信息，要素的高程信息则储存在与要素相关的属性表中。而在剖面图中，剖面地形线是以高程为纵向参考，以距离剖面起始端点的水平投影距离为横向参考来作为制图表达；在剖面投影平面图中，是以剖面起始端点为原点，以2个剖面端点所确定的空间线段在水平面上的投影线为横轴建立起投影平面图的制图参考系。这就需要建立剖面图制图参考框架，并据此构造出DLG环境下平面直角坐标系及高程系统与剖面图制图参考框架的转换数学模型，以实现剖面图地理要素在GIS环境下的自动转换与编辑制作。

2.1 地形剖面图制图参考框架的定义

根据地形剖面图的实际特性，需要分别对应地形剖面线图和水平投影图建立两套既有区别又有联系的制图参考框架。

图1 剖面图制图参考框架示意图

(1)地形剖面线制图参考框架

地形剖面线(profile line of topography)，是地表面与沿剖面线方向铅垂剖切面的交线[3]，是地形剖面图中的核心地理要素。它的制图参考框架定义为：

如图1所示，以地形剖面线起始端点A为原点，以此原点与剖面线终止端点B连线为水平轴，其长度单位与剖面线水平投影长度S相同；以过原点的铅垂线为纵轴，长度单位与剖面线高程H值相同。

(2)剖面投影平面图制图参考框架

剖面投影平面图(profile projection of plan)，绘制在剖面图的下方，用以反映剖面线上及其两侧一定区域内的地物、地貌、地质现象、勘探工程等要素分布情况的带状平面图。其制图参考框架定义为：

在与原地形图相同的水平投影面上，以地形剖面线起始端点A为原点，以此原点与剖面线终止端点B的连线为水平轴，以过原点A且与水平轴AB相垂直的线为纵轴，两轴的长度单位与剖面线水平投影长度S相同。

由以上定义可知，两种制图参考框架之间既有区别又有联系，它们分别位于两个不同的投影面上，投影方向相互垂直，但共同以投影到水平面上的地形剖面线为横轴，且在该横轴上的长度单位相同，这样就将地形剖面线图和剖面投影平面图各自所在投影面联系了起来。

2.2 剖面点数据处理

(1)图形文件准备

剖面点(profile point)，位于剖面线上的项目工程点、地质点、地物点、地貌点的总称，是绘制地形剖面线的依据。在剖面点数据采集之前，须在ArcCatolog环境下建立用以存储剖面点数据的shapefile，要求其属性表具有表1列出的字段。

剖面点属性表 表1

(2)剖面点要素创建

在ArcMap环境下打开相关的DLG数据文件，包括剖面线文件和新建的剖面点文件，并将剖面点文件设置为可编辑状态。

如图2(a)所示，由剖面起始点开始，根据剖面图测绘的相关要求，沿着剖面线创建剖面点，经图面内插或读取原有要素高程属性值等方法确定剖面点位高程值，同时输入到属性表中。

图2剖面点数据处理及成图

剖面点要素编辑完成并保存后，下一步需要在其属性表环境下提取剖面点在地图窗口下的X、Y坐标值，用X、Y值计算各剖面点与剖面起始点A之间的水平距离。具体操作如下：

①在ArcMap的“内容列表”窗口中，选择剖面点要素类文件并打开其属性表。

②利用ArcGIS系统提供的属性表字段“计算几何”功能，提取剖面点的x、y坐标值，并填充到属性表的X列和Y列；利用系统的“字段计算器”功能，用属性表的X列和Y列数值及两点间距离计算公式，求取各剖面点至剖面起始端点A的水平距离并存入属性表S列。具体操作如图3所示。

③在属性表的“表选项”菜单中选择“导出新表”项，导出一个新表，并将其添加到当前地图窗口的内容列表中。系统会自动赋给新表一个默认的文件名Export_Output_1。

④在剖图制图框架下生成剖面点图形。在内容列表窗口中右击新表Export_Output_1打开功能菜单，选择“显示xy数据”选项，弹出如图4所示的选项窗口，选择新表Export_Output_1的S列作x轴，H列作y轴，单击“确定”按钮，便会在我们定义的地形剖面线制图框架内创建出显示剖面线高低起伏特性的点要素图形，如图4所示。

图3 ArcGIS字段计算器窗口

图4 ArcGIS“显示xy数据”选项窗口

2.3 地形剖面线绘制

在此之前，须在ArcCatolog环境下建立一个用以存储地形剖面线数据的shapefile。将该文件添加到当前地图窗口中，并设置为可编辑状态。用线要素构造器绘制编辑地形剖面线图形，先由剖面端点A开始，用折线顺次逐个连接全部剖面点要素，到剖面端点B结束，再用ArcMap“高级编辑”中的“平滑”功能选项，将该折线处理成平滑曲线，地形剖面线制作完成。如图5所示。

图5 地形剖面图绘制示意图

2.4 剖面投影平面图的制作

剖面投影平面图制作的基本思路是：根据平面图要求的范围，利用Arctoolbox中的“裁剪”工具，在DLG平面直角坐标系中，对要求在投影平面图中表达的要素进行裁剪处理；利用ArcMap环境所带的“空间校正”工具，将平面直角坐标系下的图形要素转换至剖面图制图框架中，再经取舍、编辑处理后完成投影平面图的制作。这里需要说明的一点是，有的行业规范要求在剖面投影平面图中绘制高斯投影平面直角纵横坐标线，称X线和Y线，按照传统的手工制图模式，这项工作需要进行烦琐的计算和展绘。而在本文介绍的方法中，可将坐标格网当作一般地理要素类看待，与其他地理要素一同进行裁剪、转换处理得到。

对于要素类裁剪步骤，此处不做介绍，仅对数据转换介绍如下。

如图2(b)所示，为经裁剪处理后的地形图窗口，位于此图中央的A—B线段为地形剖面线在高斯—克吕格投影面上的水平投影图，纵横垂直交叉的格网线是平面直角坐标系的X、Y坐标方里网线，其他要素是剖面投影平面图要求绘制的内容。

将图2(b)所示的内容，从地形图所在的高斯平面直角坐标系转换到地形剖面图的制图参考框架中，以满足剖面投影平面投影图制作的需要。其基本做法是：以剖面线起始点A和终点B的平面直角坐标为源数据，以A、B两点在制图参考框架中的纵横相对距离为目标数据，利用ArcMap所带的“空间校正”功能模块完成图形数据的转换。在具体的转换操作中，转换目标的具体位置由预先设定的A、B两点在制图参考框架中的数据确定。这里有两点具体要求：一是A、B两点与地形剖面线的起、止端点必须对齐，即横向参考数据相等；二是A、B两点的纵向制图参考数据，确定了投影平面图在整体剖面图中的图面位置，要求投影平面图与地形剖面线图之间的相对关系须满足相关规范要求。因此，数据转换前需要进行必要的制图设计计算。转换后的结果如图2(c)所示。

2.5 剖面图辅助要素制作

一幅完整的地形剖面图，应该包括地理要素、数学要素、专题要素和辅助要素等4方面内容。本文介绍了地理要素和部分数学要素(X、Y线)的制作，如果专题要素已经在地形图中创建，则可将其当作一般地理要素转换到剖面图中，对于图廓、注记、图签等辅助要素，可依据规范按照一般制图要求完成，本文不做具体介绍。

3 结 语

本文介绍了一套以数字线划图(DLG)为基础数据，利用ArcGIS软件系统所具有的图、表操作功能制作地形剖面图的方法。

(1)定义了地形剖面图制图参考框架；

(2)介绍了在ArcGIS环境下，地形剖面线的创建以及投影平面图地理要素和数学要素的转换方法；

(3)经转换生成剖面图地理要素，具有属性数据，可以保留其在DLG环境中的原有属性数据，还可根据需要扩充新的属性项，这为地形剖面图空间数据库的建立创造了条件。

致谢：本文在完成过程中得到抚顺市勘察测绘院总工程师赵广信的帮助，在此深表谢意！