基于GIS的区域专题地图制作:以重庆市人口密度图为例

王 龙 徐 刚 屈 清 王忠志 刘红红

（西南大学 地理科学学院，重庆400715）

专题地图是根据专业需要突出反映一种或多种主体要素或现象且表示特定专题信息的地图[1].区域专题地图是系统深入反映区域内某个领域或多个部门要素的地图.区域专题地图的制作，是地理信息系统（GIS）的重要组成部分.地理信息可视化已成为地理信息研究的一个重要发展方向.基于GIS的区域专题地图，具有“主题鲜明、图面美观、制作简单、经济实用”的特点，应用十分广泛.它可以为政府、建设规划部门提供决策依据，为区域科学研究提供参考资料，还是地理相关学科重要的教学工具.同时，对于区域地理信息研究和相关产业发展也具有重要意义.

基于GIS的区域专题地图的制作方法可概括为:前期准备、数据的获取与输入、数据的编辑处理、地图整饰、地图输出等步骤.本文以重庆市人口密度图的制作为例，具体介绍基于GIS的区域专题地图的制作方法与过程.以期探讨基于GIS制作区域专题地图的方法和经验.

1 前期准备

1.1 研究区概况

重庆市位于中国西南部，长江上游、四川盆地东部，介于四川盆地与长江中下游平原的过渡地带.辖区范围介于28°10′～32°13′N，105°11′～110°11′E之间；南北长约450km，东西宽约470km，总面积82 403km2.四周分别与川、陕、鄂、湘、黔5省接壤.重庆地处我国第二级和第三级阶梯的自然过渡地带，地形以山地和丘陵为主.受西南季风和东南季风交替影响，降水充沛，属于中亚热带湿润季风气候.境内水资源丰富，河流众多，长江干流自西向东横贯全境.各种自然资源丰富多样.

重庆地处我国东、中、西三大经济地带中的中西经济地带的结合部，是长江上游的经济中心[2].是我国继北京、天津、上海之后的第4个中央直辖市.截至2010年末，重庆市总人口3 303.45万人，全市生产总值10 011.13亿元.

1.2 基础数据的获取

本文选取重庆市作为研究区，基础空间数据采用扫描矢量化手段从《重庆市地图集》[3]中获取.属性数据主要包括:重庆市所辖各区县面积以及各区县人口数量（截至2011年）.其中，重庆市所辖各区县面积数据来源于:重庆市政府公众信息网（www.cq.gov.cn）.各区县人口数据来自2011年公布的《重庆市第六次人口普查主要数据公报》[4].

1.3 软件的选择与准备

目前，GIS基础软件的平台繁多，由于这些软件产生背景、数据存储方式、处理手段以及功能上的差异，它们的具体应用领域也有很大的不同.本文选择ESRI公司于2008年6月推出的ArcGIS 9.3软件作为专题地图制作的软件平台.ArcGIS 9.3是ESRI公司全面整合了多方面计算机主流技术之后，成功推出的一款代表GIS较高水平的系列产品之一.它是一系列整合应用程序的总称可实现制图、地理分析、数据编辑、数据管理、可视化和空间处理等GIS任务[5]如图1所示.

图1 重庆市人口密度图制作流程图

2 基于GIS的专题地图的制作过程

2.1 地图扫描

地图扫描是专题地图制作的基础性工作之一，扫描图的质量优劣会对后续数据处理工作产生影响，因此扫描过程中尽量避免外界因素对扫描结果的影响.地图图件包括普通地图图件和专题地图两大类，最为常见的图件存储介质仍以纸质为主.目前，尽管互联网上存在着多种形式的各类电子地图产品，极大的丰富了地图资料的种类与来源.但由于数据来源、制作精度、分辨率、时效性以及地理参考信息等问题，导致其通常难以满足科学研究的需要[6].因此，对搜集到的纸质地图进行扫描数字化，便于进一步利用GIS软件处理.

在利用扫描仪对纸质图件进行扫描时，根据制图需求，设置相应的保存路径、分辨率、图像格式.一般情况下，图像分辨率需达到300DPI以上，本例中将图像文件格式设置为TIFF.为了便于使用ArcGIS 9.3自带ArcScan工具进行矢量化，同时将图像扫描为灰度图像.

2.2 几何纠正和配准

由于图件存储介质及存放条件变化，扫描时图件位置偏差等因素影响，得到的扫描图像可能发生几何变形，须通过几何纠正予以处理.由扫描仪扫描得到的图像文件为栅格数据，故本例采用栅格配准.栅格配准即通过选取若干控制点，对扫描后得到的栅格图像进行空间坐标匹配.打开ArcMap，新建文档，载入上一步得到的重庆市初级数字地图灰度图像文件，使用软件自带Georeferencing工具对灰度图像进行几何纠正与配准，完成后将得到的图像保存即可.只有经过配准后的数据，才具有一定的地理意义.在此基础上获得的矢量数据处在统一的坐标系统中，可以实现目标位置的显示与空间分析.

2.3 选择坐标投影系统

配准后得到的图像数据，需根据数据来源及研究需要为其选择相应的地理坐标系统和投影坐标系统.使得到的初级数字地图具有正确的地理参考信息.对专题地图投影的选择和设计至关重要，它将直接影响地图的精度和使用价值.当灰度图像经过添加确定的地理坐标和投影系统后，在此基础上通过矢量化得到的矢量数据即具有空间属性和地理意义.

2.4 空间数据矢量化

空间数据矢量化过程，就是在软件平台的支持下，通过目视判断和分析，将预处理过的栅格图像直接呈现在计算机屏幕上，以栅格图像为背景，采用人机交互的方式，沿栅格数据跟踪，在新建的矢量图层上勾画出所需要的相应的点、线、面数据，实现空间数据的矢量化提取.对灰度图像数据，矢量化前一般进行“二值化”处理，便于对栅格图像的识别、提取.ArcMap软件中，提供了“Editor工具条sketch tool”和ArcScan 2种矢量化工具.对于单一的点要素，可采用前一种工具进行纯手工矢量化.对于经过预处理且质量较高的图像数据，可采用ArcScan工具，进行全自动矢量化、跟踪矢量化及选定区域（对象）矢量化.

重庆市人口密度图采用ArcGIS 9.3的人机交互方式矢量化工具进行地图要素的矢量化，获得了重庆市行政边界矢量图（包括省级行政边界和区县行政边界）（图2）、区县政府驻地、三级以上河流矢量图、主要公路铁路矢量图，保存为SHP格式.

图2 重庆市行政边界矢量图层

2.5 拓扑查错

空间数据在采集和矢量化过程中，往往会出现节点不达或超出、破碎多边形、错误多边形、边沿不匹配等问题.通过对图层建立拓扑关系，进行拓扑差错，可以较方便的检查图层之间的相互关系，发现和改正矢量化过程中的错误.在重庆市行政边界图数字化过程中，通过在ArcCatalog中对相关图层建立拓扑关系，进行拓扑差错，查找、纠正图层错误.为保证矢量化质量，发现拓扑错误则返回上一步根据提示进行矢量化纠正.直至所有拓扑错误消除，数据达到要求，保存数据.

2.6 属性数据的输入

属性数据是空间实体的特征数据，一般包括空间实体的名称、数量、面积、代码等内容.常用的属性数据输入的方式有2种:一种是通过手工添加对照空间图形数据直接输入；另一种是预先建立属性数据表，通过与空间图形数据建立关联导入.本例采用对照空间图形数据，直接输入.打开ArcMap，将上一步得到的重庆市行政边界矢量图添加进来，并且使图层处于可编辑状态.打开图层属性表（Attribute table），添加新字段（Add Field）.在属性表中，分别添加“行政区名称、地区代码、面积、人口”等4个新字段.结合地理底图和前期收集的各区面积、人口数据，对照图形数据依次为各矢量图层的地图要素添加属性数据.

2.7 属性数据分析与计算

属性数据的分析与计算必须建立在已具有属性数据的基础图层之上，主要使用软件自带的字段计算器（Field Calculator），通过对已有属性数据根据研究需要进行逻辑运算以获得新的属性数据.本例中，在上一步工作的基础上，在图层属性表中新建“人口密度”字段，用以存放人口密度的计算结果.激活新建字段，打开字段计算器（Field Calculator），输入计算人口密度的公式:[人口]＊10000／[面积]＝[人口密度].点击“OK”经过软件运算后，便会在“人口密度”属性字段中得到各区县相应的人口密度数据.运算完后，保存数据.

2.8 地理数据的可视化

地理数据的可视化，就是将地理数据根据数据分类分级的特点，选择相应的视觉变量，制作全要素或分要素标识的可以阅读的地图[7].可视化亦即是空间数据属性信息的符号化，并为其选择相应的配色方案.ArcGIS 9.3软件具有强大的专题地图制作功能，提供包括单一符号、分类符号、分级符号、分级色彩、点值符号等在内的多种符号化方式.

本文采用分级色彩的方法，对重庆市人口密度属性信息在矢量地图的基础上进行符号化（图3）.在符号化的过程中，需要对“人口密度值”进行相应的分类，以便使用不同色彩对“人口密度值”进行分等级区分显示.对市、县级居民地、河流、公路、铁路等要素结合已有案例制定符号化方案.地图要素的配色和符号化是专题地图制作的关键工作，要反复进行试验和比较，使符号的选择和色彩搭配满足美观合理的要求[8].进行相应的设置后，即可完成对相关空间数据的可视化处理，得到符号化后的人口密度矢量图层和其他要素图层.

图3 重庆市人口密度图

2.9 地图的整饰

为了使制作出的专题地图满足“要素齐备、视觉美观、信息突出”等要求，还需对从上一步得到的矢量图层数据进行地图的整饰.地图的整饰要从专题地图整体出发，综合考虑区域形状、图幅尺寸、图例和注记等因素，对相关要素进行科学合理的安排.本例中，使用ArcGIS 9.3软件，加载数据，切换到版面试图，经过初步设计，调整图幅大小，使地图以合适的比例显示.通过工具栏依次为图层添加图名、图例、指南针、比例尺等要素.最后为图幅添加边框，并进行图廓整理.满足设计要求后，即完成了对地图的整饰，得到了多个图层叠加生成的“重庆市人口密度图”.

2.10 地图文档的保存与地图输出

对得到的多图层数据，为便于后期进行修改及存储，通常以地图文档的形式进行保存.ArcGIS中，地图文档（mxd文件）是包含多个图层的引用，并不保存相关图层的物理数据.地图文档保存具体操作过程如下:在ArcMap已经打开的窗口中，首先对要保存的地图文档进行重命名，分别选择存储路径、存储位置、保存方式，以mxd的格式，点击“save”后即得到的保存的地图文档.

地图输出有两种方式:一种是通过与计算机相连接的打印机或绘图仪，以纸质地图方式直接输出成图.另一种方式是将专题地图以数字图片的方式输出，在各种外部存储设备中保存.重庆市人口密度图的输出，采用将专题地图转换为常用的jpg格式图片的方式.输出前，选择相应的输出路径、输出文件格式，设置输出的图片分辨率:设置为400DPI.在完成地图输出后，即可得到以图片方式存储的“重庆市人口密度图”.检查无误后，即完成了数字专题地图的制作.

3 结论

基于GIS的区域专题地图的制作，是实现区域地理信息可视化的一种重要手段.该技术手段的不断完善，对于区域地理信息的研究以及相关产业的发展，均具有一定的积极意义.本文以ArcGIS 9.3软件作为处理平台，以《重庆市人口密度图》的制作为例，初步的总结了区域人口密度专题地图的制作方法.在此基础上，较详细地介绍了从数据收集、矢量化、属性数据输入与处理直至整饰成图、地图输出的整个专题地图制作的主要过程.地理信息可视化是未来地理信息研究发展的方向之一，本文对基于GIS的区域专题地图制作进行了初步探究，以期为区域专题地图制作提供一定参考.

[1]田永中，徐永进，黎 明，等.地理信息系统基础与实验教程[M].北京:科学出版社，2010

[2]陈升琪，蔡书良，肖 挺.重庆地理[M].重庆:西南师范大学出版社，2003

[3]星球出版社编.重庆市地图集[M].北京:星球出版社，2009

[4]重庆日报.重庆市第六次人口普查主要数据公报[EB／OL].[2011－05－03].http:∥cqrbepaper.cqnews.net／cqrb／html／2011－05／03／content＿1358014.htm，2011，5

[5]吴 静，李海涛，何 必.ArcGIS9.3Desktop地理信息系统应用教程[M].北京:清华大学出版社，2011

[6]韩 晨，杨秀英，程 军.基于 GIS的渭南市人口密度专题制图[J].安徽农业科学，2010，38（35）:20 411－20 413

[7]汤国安，杨 昕.ArcGIS地理信息系统空间分析教程[M].北京:科学出版社，2006

[8]樊 红，詹小国.ARC／INFO应用与开发技术[M].武汉:武汉大学出版社，2003