ArcGIS中的线性参考/动态分段技术(一):Linear Referencing背景

Linear Referencing背景
        定位:介绍Linear Referencing背景;在ArcMap中关于Linear Referencing的结构和功能;以及ArcGIS Server中几个应用场景的实现。
        注:有关更详细的操作可查看在线帮助,或搜索论坛。
什么是Linear Referencing
        Linear Referencing(下文引用为LR)翻译过来是线性参考,在公路,管网等行业的GIS应用中时常提到。LR是一种利用沿着可测量的线要素的相对方位来存储地理位置的方法。比如下图中:

        下面线的长度一次标为0,10,20,30,40……,而沿着这条线,我们看到上面有:

  • 一个位于坐标12处的点;
  • 一个位于坐标10东侧4个坐标的点;
  • 一段起始坐标分别为18和26的线段;
  • 一段起始坐标为28,长度为12的线段。

        为什么要用到LR技术?主要有两个原因:1、很多事件,像上边的例子一样,是通过沿着(曲)线的相对位置来记录的;2、要显示一条线上的多个属性集合时,由于各个属性在(曲)线上所对应的位置不同,同一数据源如果不做处理,很难达到要求。使用LR技术可解决此问题。
        以公路方面的一个应用场景为例说明。我们要显示一条公路的4种不同属性:道路管辖情况、路面材料、路段限速情况和路况,假设该公路长100公里:

1、前40公里为交警2大队管辖,后60公里为交警4大队管辖;
2、30至70公里为水泥路面,其余为沥青路面;
3、0-20公里的路段限速45km/h,20-40公里的路段限速35km/h,40-70公里路段限速45km/h,70-100公里路段限速55km/h;
4、0-20公里路况一般,20-40公里路况很好,40-60公里路况很差,60-100公里路况很好。
        属于同一数据源对应多个属性(且属沿线分布)的情况。如果不使用LR技术,那么需要4个公路图层,每个图层的公路根据属性分成长短不同的段落(Feature),才能够将这些属性展示出来;而是用了LR技术后,只需要一个公路数据(Feature数量不限),和四个事件表即可在不改变实际公路数据的情况下,按要求显示上述四种属性。
        Dynamic Segmentation:动态分段,属于LR采用的一种技术(一般应称之为线性参考问题中的动态分段技术)。是根据属性表中存储的相对位置信息,以及相应的线性数据,动态计算出线性数据上相对位置所对应的实际地理坐标的过程。动态分段正是因为表达不同属性时,不用去分割实际的地理数据,而是动态计算出该属性对应的地理位置而得名。
ArcGIS中Linear Referencing的实现原理
        ArcGIS中实现Linear Referencing主要通过以下两种数据结构:
1、Route FeatureClass
2、Event Table
        通过Dynamic Segmentation技术,Event Table中不同位置的Event就定位到了Route FeatureClass下对应的Line Feature上。
Route FeatureClass
        实际上是拥有两个特殊字段的Polyline FeatureClass:
1、必须包含有M(Measure)值的Shape字段。拥有M值的Shape字段,不但能存储x,y(,z)坐标,还能够多存储一个M数值;
2、必须包含有一个标识线段ID的字段,可以是Number或者Text类型。
        除了上述两个字段要求,还可以有其他字段。

        Route FeatureClass不同于普通的Polyline FeatureClass,是因为它具有一个测量系统,而这个测量系统的原理就是,通过存储在Feature的Vertice中的M值以及该Feature实际的ShapeLength,来动态插值出线上每一点的相对位置。比如一条公路数字化时,有两个节点(Vertice),分别表示该公路的起始桩号0公里和结束桩号100公里,该Feature存储在WGS1984坐标系中,ShapeLength为2.00,那么该公路上40公里处的位置,就应该位于图上该Feature的40%的位置,也就是ShapeLength为0.80的位置。
        而ArcGIS中,不要求每个节点都必须有M值。对于没有M值的节点其M值会标记为NaN(not a number):

        此外在不违反逻辑错误的情况下,M值可以随意设置。比如上图左边的图形,0-10段的实际ShapeLength看起来比10-20段的ShapeLength明显要长,也可以将上述四个节点的M值随意地设置为0,3,7,30。但是如果设置为0,10,5,30的话就产生了逻辑错误(route measure anomalies),ArcMap中会将其突出显示,提醒用户使用工具修改。
Event Table
        实际上是拥有2-3个特殊字段的表(ArcGIS支持的表均可,甚至可以是有特定格式的text文件):
1、类似Route FeatureClass中RouteID的一个字段。用来存储与Route FeatureClass中哪个线Feature对应。可以是Number或Text类型;
2、根据Event类型不同而必须的1-2个字段:

  • Point Event:比如108国道1900公里处发生了交通事故这个Event,需要一个Number类型的字段来记录1900这个相对位置;
  • Line Event:比如108国道1850到1950公里段的路况很差这个
    Event,需要两个Number类型的字段来分别记录1850、1950这两个起止位置。

        除了上述两个字段要求,还可以有其他字段。
        Event Table中一条记录就对应了需要在线上定位的一个点或一段距离,可以用来标识事件或属性等。下图描述了Dynamic Segmentation技术利用Route FeatureClass和Event Table产生的结果:

ArcGIS桌面中对Linear Referencing的实现
        ArcGIS桌面中不仅提供了专门的Linear Referencing Toolbox,对于产生的结果图层,也能像普通图层一样进行各种操作,而针对Linear Referencing的方方面面也提供了非常细粒度的操作供用户调整。

  • 对Route FeatureClass的创建与修改。包括:通过Catalog或Tool或向导创建RouteFeatureClass;利用Tool从已有的Polyline FeatureClass创建Route FeatureClass;通过Tool或向导利用已有的Point FeatureClass来校准Route FeatureClass的M值(注:通过对RouteID字段建立索引,可提高Dynamic Segmentation的效率); 利用Route Editing Toolbar对其进行修改;
  • 将Route FeatureClass作为图层显示,并对其进行查询。包括:对Route进行Identify。查询出线上任意点的M值(Identify Route Locations工具需从Customize中调出);查找某条线上指定M值的位置(包括Point和Line两种),通过Find工具实现;自定义符号显示M值的异常。包括逻辑错误等,可通过Route图层的属性对话框实现;在地图上像刻度尺一样任意显示Route的M值(Hatch)。通过将定义Hatch Definition(可多个),将其组织在Hatch Class(可多个)下,并附加SQL Query和Range Scale操作,基本实现任意复杂的“道路标尺”,而“标尺”的Label也可进行Script的高级控制,最终还能将“标尺”转换为Graphics,或将“标尺”风格另存为Style。在Route图层的属性对话框中实现;
  • 通过Tool和Attribute Table,对Event Table进行创建和修改;
  • 通过Tool,利用Dynamic Segmentation技术将Event Table中的Event显示在Route上(可显示点、线、面),其结果作为一个图层添加到TOC中,可进行显示、查询和分析等操作;
  • 通过Tool或向导,对Route Event进行Overlay,Aggregate,Transform等操作。

        以上所有具体操作可参考桌面帮助中的内容,如果安装了ArcTutor,还会有Linear Referencing Tutorial的PDF可供学习。

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