研究区域制图时如何确定边界

杜青松，赵任洁

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西安颐信养老产业发展有限公司，陕西 西安 710065）

地图学是一门既古老又年轻的学科[1]，随着计算机技术的发展，地理信息系统（GIS）学科也得到了大力的发展，它拓展了地图的功能和应用，是现代地图学的核心[2]。要简洁地描述研究区的地理位置、地表覆被等自然要素或人口分布、经济状况等人文要素，常会选择绘制一幅与之相关的专题地图，用以描述研究内容的空间分布、研究区域的范围、调查路线[3-4]和采样点分布等信息。研究区范围的选取具有较强的主观性，但当研究区域涉及国界等重要的行政界线时，就需要严谨对待。国界、行政区划线、地名注记等信息与国家版图息息相关，国家版图是指一个国家行使主权的疆域，有很强的政治性和科学性。地图是表达国家版图最常用、最主要的形式。在地图上可以形象直观地表示出国家的疆域范围以及边界、各级行政区域、行政中心、主要城市等。由于表示了国家版图的地图象征着国家主权和领土完整，体现了国家的主权意志和政治外交立场，稍有疏漏，就会出现有损国家主权和领土完整的问题，造成恶劣的政治影响[5]。如何准确而快捷地获取研究区的边界线和绘制研究区域，是急需解决的问题。

1 研究方法

1.1 基于ArcGIS工具箱的数据处理

ArcGIS是GIS学科中普遍使用的一款集众多工具于一体的软件，支持多种数据的分析、处理、转换、制图等功能，也支持底层基础开发，接口众多。书籍[6-8]对ArcGIS软件的操作有详细讲解，在制图中，支持多图层叠加、已有数据加载及要素创建（点、线、面）。对于已有矢量数据（Shape）的研究区，可以直接加载，再通过创建要素工具选取研究区，得到研究区边界，或通过掩膜处理。矢量（Shape）文件是众多矢量数据文件的一种，由ESRI公司开发，一个Shape文件由一个主文件、一个索引文件、和一个dBASE表组成。dBASE表即是矢量文件的属性表，包含矢量文件的基本信息，如长度、宽度、周长、面积等，可由用户自己编辑定义，主文件格式为*.shp。在本次论述的方法中主要涉及编辑工具中的分割、合并工具、图层合并工具、要素转换工具等。

分割工具能将一条完整的线分割为多段，或将一个多边形（面）分割为多个细小的多边形。合并工具功能与分割工具功能相反，可将分割的线、面合并为一整体，这要求合并的线或面有相同属性，如果属性不同，不能直接完成合并。要合并属性不同的要素，需将要合并的要素（线或面）选中导出为kml（keyhole markup language）文件，再通过转换工具将kml文件导入ArcGIS平台即可得到想要合并的要素，这一过程没有改变要素的属性。通过图层合并处理可以将处于不同图层中的要素按需求选择合并到一个新图层；要素转换可将多种不同格式的要素转换为同一种 格式。

1.2 基于Google Earth Pro的研究区域边界数据获取

Google Earth Pro是一款应用程序，借助其3D映射系统，可以显示企业、房屋、街道、道路等人文景观以及河流、湖泊、山脉、冰川、植被等自然景观的地理位置和图像。其影像分辨率极高，由一系列高分影像以瓦片融合显示。根据Google Earth Pro显示的情况，可以直接在底图上勾选自己感兴趣的区域（点、线、面要素），再将选取的要素导出，导出文件为*.kmz（或*.kml）格式。kml是一种基于XML 语法与格式、用于描述和保存地理信息（如点、线、图像、多边形和模型等）的编码规范[9-11]，kml文件经压缩后为kmz文件[11]，包含要素地理位置和WGS1984投影坐标信息，可以被多种软件所识别，是现代网络地理信息系统开发常用的文件格式。

1.3 基于ArcGIS工具箱的数据格式转换

ArcGIS软件不能直接读取*.kml或*.kmz文件，需要转换为*.shp文件才能被读取，通过工具箱中的【klm转图层】工具可以完成。已有的矢量文件（点、线、面）要素可以通过【转出为kml】工具将其转换为kml或kmz文件，得到的文件可以直接加载到Google Earth Pro中，结合Google Earth Pro的影像可以了解该要素的基本信息，这对快速知道遥感影像拍摄的区域有很大帮助。这一过程实现了ArcGIS平台和Google Earth Pro的交互（图1），可以快速认识研究区的基本情况。

图1 ArcGIS与Google Earth Pro交互绘制研究区域图

当研究区不包含国界等重要行政界线时，首先通过Google Earth Pro【添加多边形】工具直接勾画研究区边界线，将位置导出，得到一个多边形kml文件；然后利用ArcGIS的转换工具【由kml转入】即可将导出的边界数据加载到ArcGIS中，更改一下显示的属性，可得到一个多边形矢量文件；最后运用数据管理工具里的【要素转线工具】，即可将得到的多边形数据转化为线矢量（*.shp）边界文件。得到的线矢量边界可作为基础数据，用于研究区制图对裁剪影像、范围提取等处。kml文件可用于数据下载时研究区范围划定或直接加载到Google Earth Pro简单地对研究区域进行目视解译。通常，kml文件也是在Google Earth Pro划定研究区域范围后导出得到的文件格式。同时，亦可将已有的矢量文件通过转换工具【转出为kml】得到kml文件，将其加载到Google Earth Pro中，基于Google影像的高分辨率特性可对研究区内景观有更好的目视。这个转换的矢量数据可能是国家基础矢量数据等固有的矢量文件，也可以在ArcGIS10.5 中通过创建要素得到。

当研究区涉及国界线、省界线以及自己勾画的一些折线（如天山分布范围）时，情况就变得复杂。国界涉及国家领土完整性问题，必须表达清楚，并且在出图时必须用特定的线表达。由于天山边界不仅涉及国界线，还涉及省界线以及山区分界线（按海拔自己勾画或等高线生成），在出图时必须对其清晰准确表达。因此在出图时需要对这3种线加以区分，需要将完整的边框分割，不同的线用不同的颜色、符号表示。国界线、省界线等按国家制图标准。

2 实验区域与数据获取

实验包括绘制塔里木盆地分部范围图、青海湖范围图和我国天山分布图。3个研究区域均位于我国西北地区，分别为典型的沙漠、内陆湖泊和高寒山区地貌，人烟稀少，实地测绘相对困难，该地区的基础地理数据更新较慢。通过对3个研究区域图的绘制，分别对应解决3种常见的研究区域制图问题：研究区域边界不涉及重要点线面要素制图、已有研究区域边界矢量数据在Google Earth Pro上的表达和研究区域边界数据涉及国界等重要要素制图。

在遥感领域，下载研究区内范围数据时，最好是有一个和研究区一样或大于研究区的多边形，这样才能保证数据覆盖整个研究区。这一边框不需要和研究区边框一模一样，但在数据处理后对研究区进行精确分割时，就需要一个研究区的矢量文件边框，即一条线构成的矢量文件或kmz文件。矢量文件和kmz文件之间的转换可以通过ArcGIS的转换工具实现，为研究区域制图生成基本数据。

数据主要来源于Google Earth Pro提供的影像、Google数字高程（http://www.sxsim.com/）、地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）提供的空间分辨率为90 m常用的SRTM DEM数据和由国家基础地理信息中心（http://www.ngcc.cn/ngcc/）发布的全国基础地理数据。这些数据包含一系列如国界、省界、县界、 1～5级河流、重要城市经纬度等点、线、面矢量（*.shp）数据。通过对这些数据进行选取、裁减、镶嵌和坐标转换等处理，即可得到绘制研究区分布图的分布范围数据和基本的自然、人文等地理要素数据。

3 研究区域制图与分析

3.1 边界不涉及重要要素的研究区域制图

塔里木盆地（34 20＇N～43 39＇N，71 39＇E～ 93 45＇E）[12]位于新疆南部，被天山、昆仑山、阿尔金山包围，是中国四大盆地中面积最大的盆地，已有文献鲜有对塔里木盆地的分布范围作详细界定，一般给定的是一个大致范围。因塔里木盆地完全位于我国新疆维吾尔族自治区范围内，不涉及国界、省界等重要行政界线，其分布范围数据可在Google Earth Pro上通过目视解译直接勾画得到（图2）。

图2 Google Earth Pro中勾画塔里木盆地分布范围

导出Google Earth Pro上勾画的塔里木盆地边界范围数据（图2），得到对应的kml文件，利用ArcGIS 10.5 软件的【kml转图层】工具转换，kml文件被转换为矢量文件，生成塔里木盆地的矢量边界文件。赋予矢量文件WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere投影坐标系，基于属性表里的几何计算统计其面积为65.6万km2，这与已有的文献描述塔里木盆地面积为40多万km2[13]、56万km2[14]相比面积偏大。导致这一差异的主要原因是对研究区域边界的划定具有较强的主观性、因人而异。生成的矢量边界线可用于影像下载时边界选取和制图时影像裁剪、叠加（图3）等处理时的基础输入数据。

图3 塔里木盆地DEM图

图3底图数据为与Google影像相匹配的Google数字高程，黑色边框为通过Google Earth Pro得到的塔里木盆地分布边界线。从图中可以看出，塔里木盆地南沿的昆仑山、阿尔金山北部山麓较陡；而北部的天山南部山麓较平缓，其DEM数据与塔里木盆地差别不明显。因此，如果单独基于某一因素（如DEM）为基准获取研究区域范围，可能导致较大误差，研究区域范围的划定需要考虑多因素。

3.2 已有矢量边界的研究区域在Google Earth Pro的表达

青海湖（36 32′N～37 15′N，99 36′E～ 100 16′E）位于青海省东部、青藏高原东北部，是我国最大的内陆湖。其分布范围可以从国家基础地理数据中的一级河流数据中提取，但由于该数据只包含一个简单的线边界和面分布范围（图4），没有背景影像，不利于对其进行深入了解。为了解决这一问题，可以将青海湖矢量边界运用ArcGIS【要素转kml】工具生成kml文件边界并加载到Google Earth Pro中（图5），这样就可以对它周围的环境状况有基本了解。

图4 青海湖分布范围

图5 Google Earth Pro中青海湖分布范围

利用转换工具将已有基础矢量数据转换为kml文件，可以直接加载到Google Earth Pro进行目视解译，这有利于我们深入了解研究区基本情况。通过对比可以发现，青海湖基础矢量边界数据与Google 影像边界在湖的东部有细微差别，这可能是由于影像的拍摄时间所引起的。Google影像是由一系列影像以小瓦片的形式融合而成，随着分辨率的放大，影像拍摄的时间越早，而基础数据中的边界数据是较新的，这在时间上不一致，从而引起细微差别。这也说明青海湖湖面的面积在缩小，在湖的东北面退缩较明显。

3.3 边界涉及重要要素的研究区域制图

新疆天山（43 06′N～43 45′N，84 83′E～ 85 22′E[14]，图6）位于我国新疆维吾尔族自治区内，西部与中亚国家接壤，要绘制其在我国境内的分布范围，由于涉及国界线、省界线以及自己勾画的一些折线，情况就变得复杂，需要考虑的因素众多。在绘制天山分布图时，涉及国界和国家领土完整性问题，在制图时必须表达清楚，并且在出图时必须用特定的线表示。

绘制天山分布范围时，由于天山边界不仅涉及国界线，还涉及省界线以及山区分界线（按海拔自己勾画或依据某一等高线生成），在出图时必须对其清晰准确地表达。因此在出图时需要对这3种线加以区分，由于3种线的属性有所区别，不能直接用ArcGIS的拼接工具直接拼接，需将单个图层中所需的要素创建到新图层，再通过转换工具转为kmz文件，如果需要得到矢量文件，再由kmz文件转换即可。需要将完整的边框分割，不同的线用不同的颜色、符号表示。国界线、省界线等按国家制图标准。

图6所示地图描绘了新疆DEM情况及天山分布范围。底图数据为分辨率为90 m的SRTM DEM数据，国界线、省界线来源于国家地理基础数据，天山分界线从Google Earth Pro中勾画后转为矢量文件得到。由于天山分界线包含的线要素种类多，特别是与国界线有关，因此，需要准确描绘以符合制图规范。通过结合自绘数据和已有资料可解决大多数绘图问题，这种方法可快速准确地完成专题地图的绘制。

图6 新疆DEM及天山分布范围

4 结 语

研究区域的划定因各种因素不同而有所差别，当研究区介于国家之间时，需要对国界线等行政界线的位置准确表达，这就要求研究区域制图时要将各种要素分别按相应规定（国标）执行。本文通过充分利用ArcGIS的制图功能和Google Earth Pro的高分辨率影像展示优势，提出一种方法解决研究区域边界数据获取、已有边界数据在Google Earth Pro的表达和复杂研究区域边界制图等问题。这一方法最大的优势在于快捷并且得到的数据精准，并且适合不同学科背景的人 使用。