洞庭盆地西部地勢圖編制

2015-02-06 05:12:38高海麗李德平陳玉冬宇潔瑩

地理空間信息 2015年2期

高海麗，李德平，陳玉冬，宇潔瑩

（1.湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙 410081）

洞庭盆地西部地勢圖編制

高海麗1，李德平1，陳玉冬1，宇潔瑩1

（1.湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙 410081）

利用水文分析方法劃分出洞庭盆地西部范圍，基于DEM數據和遙感影像數據，收集制圖區域資料進行分析，利用ArcGIS軟件，采用分層設色加暈渲法表示地勢圖。比例尺的選擇、色層表的確定、陰影參數的設置是地勢圖編制的關鍵，決定著最終效果圖的質量。

地勢圖；西洞庭盆地；DEM；Landsat8

1 洞庭盆地西部流域劃分

1.1 洞庭盆地概況

洞庭盆地位于湖南省北部，兩湖平原南部，主要由長江通過松滋、太平、藕池、調弦四口輸入的泥沙和洞庭湖水系湘江、資水、沅江、澧水等帶來的泥沙沖積而成。洞庭盆地區域包括由湖槽和洲灘組成的洞庭湖區和湖區外圍的垸田、洪道以及盆地周緣的一些臺地[1]。本研究區“洞庭盆地”范圍以盆地形成和發育過程中的地層為根據，依據1∶500 000湖南省地質圖白堊紀以來地層[2]劃定，在行政區上共包含澧縣、臨澧縣、津市、常德市、安鄉縣、岳陽縣等19個縣市，其范圍如圖1所示。

圖1 洞庭盆地范圍示意圖

洞庭盆地地貌類型復雜多樣，湖泊、平原、山地和丘陵兼備。盆地中部的海拔較低，多為海拔50 m以下的河湖平原，湖區部分僅有赤山島一處地勢較高；平原外圍分布著海拔200～500 m的丘陵；最外圍是中低山區，且山地逐漸向中部和東北部傾斜[3]。由于地形地貌因素的影響，整個水系呈扇形展布，形成了以湖泊為中心的向心狀水系[4]。洞庭盆地西部地貌類型兼具山地與平原，海拔垂直變化大，但從大的區域尺度圖中不能清晰表現局部的地貌細部特征，因此劃分出洞庭盆地西部，為洞庭盆地西部地區大比例尺地勢圖制作奠定基礎。

1.2 洞庭盆地西部范圍劃定

因洞庭盆地有湘、資、沅、澧和長江水匯流注入，流域眾多，因此本文主要根據流域來劃分出洞庭盆地西部的地理范圍。流域又稱集水區域，是指流經其中的水流和其他物質從一個公共的出水口排出從而形成的一個集水區域，出水口即流域內水流的出口，是整個流域的最低點。流域間的分界線即為分水嶺。分水線包圍的區域稱為一條流域或水系的流域，流域分水線所包圍的區域面積就是流域面積。本文流域劃分采用洞庭盆地DEM為數據源劃分出洞庭盆地西部的地理范圍。其中選用的數據為GDEM DEM數據，本數據集利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數據進行加工得來，空間分辨率為30 m，數據時期為2009年，數據范圍為整個洞庭盆地。

本節主要選用ArcGIS的水文分析模塊，來進行洞庭盆地流域的劃分，主要包括地表徑流模擬過程中的水流方向的確定、洼地填平、匯流累計量的計算、河網的提取及流域分割等，最后生成集水流域。將劃分好的集水流域圖與洞庭盆地矢量圖疊加，右側以赤山島為界，大致沿南北-西北方向，根據分割的集水流域劃分出洞庭盆地西部的范圍（圖2）。

圖2 洞庭盆地西部范圍

圖3 技術路線圖

2 研究方法和技術路線

1）研究方法。地勢圖有3種表示方法：等高線法、分層設色法和暈渲法[5]。用分層設色法可以使高程分布規律、山脈系統和大地貌單元一目了然，在分層設色基礎上再加暈渲，可以增強地貌立體感。本文在分析區域內地形、地貌特征和水系分布情況的基礎上，采用分層設色法和暈渲法2種方法組合的疊加效果來表示，突出顯示各高程帶的范圍及不同高程帶內地貌單元的特征。

2）技術路線。技術路線如圖3所示，首先確定制圖目的和方法，在此基礎上收集區域資料和已有數據資料，對資料進行分析；然后對數據進行處理，處理過程主要包括4個方面：①1∶200萬湖南省柵格地圖校正后，進行居民點、行政邊界、山峰等的矢量化；②將下載的Landsat8數據進行鑲嵌、裁切后導入ArcGIS中進行水域的矢量化操作；③修正、完善DEM數據；④由完善后的DEM數據生成表面陰影圖。經上述處理后將圖層進行疊加，最后經符號化設計與地圖整飾后，輸出成果圖。

3 資料準備

本文所使用的數據主要包括DEM數據、遙感影像數據和地理底圖數據。其中DEM數據主要用于表示地勢起伏，來源于“地理空間數據云”網站http:// www．gscloud．cn/提供的GDEM數據，其地圖投影為WGS_1984_UTM_Zone_49N。遙感影像數據主要用于提取研究區內的水系信息，采用最新的Landsat8數據，數據時間為2013-08-07，地圖投影為WGS_1984_ UTM_Zone_49N，本數據同樣由“地理空間數據云”網站下載得來。地理底圖數據主要用于提取一些重要的居民點、交通線和境界線等社會經濟要素，采用的是從“天地圖·湖南”網站http://www．dzmap．cn/ apps/web．html下載的《1∶200萬的湖南省標準地圖》，因前2種數據地圖投影均為WGS_1984_UTM_ Zone_49N，因此我們對該柵格圖進行校正時也采用該投影，以保證坐標系統的一致，同時也減少了工作量。

4 數據處理

4.1 基礎地理底圖的編制

地勢圖的地理底圖主要包括河流、湖泊等自然地理要素以及一些重要的居民點、交通線和境界線等社會經濟要素，這些要素構成地勢圖的基本骨架。本地勢圖的編制主要利用ArcGIS軟件來制作。

1）自然地理要素的編制。為保證河流、湖泊等地理要素具有一定的精度，本研究選擇從空間分辨率為30 m的遙感影像上提取水系信息。首先將下載得到的2幅Landsat8遙感圖像在ENVI軟件中進行鑲嵌、裁剪操作，得到洞庭盆地西部范圍的遙感影像圖，最后輸出為tiff格式添加到ArcGIS中進行水系的矢量化提取。

2）社會經濟要素的編制。居民點、境界線等社會經濟要素來源于《1∶200萬湖南省標準地圖》，首先在ArcGIS中用Georeferencing工具條對該柵格圖進行校正，然后在帶有坐標信息的柵格圖上進行經濟要素的矢量化。將以上得到的各種矢量數據進行形狀、尺寸、顏色等的符號化后加上注記得到矢量要素圖件（圖4）。

4.2 DEM數據的處理

1）DEM數據預處理及粗差檢測。預處理包含對5幅DEM的拼接和裁剪，得到洞庭盆地西部的DEM數據。其高程范圍為-185～5 109 m，這與所查資料不符，即DEM數據中存在異常區域，即所謂的粗差。DEM生產過程的誤差來源包括原始數據的采集誤差、建模誤差、系統誤差及偶然誤差等，除此之外還會出現粗差。粗差實際上是一種錯誤，它與前幾種誤差相比，粗差對數字高程模型所反映的空間變化的扭曲極為嚴重。在有些情況下，粗差還會導致DEM及其產品嚴重失真甚至完全不能應用。目前常用的DEM數據粗差檢測方法主要有基于趨勢面、基于坡度信息的檢測和可視化方法3種[6]。以上3種方法各有特色，因可視化方法是一種比較直觀的方法，所以本研究采用的粗差檢測方法為先通過目視效果檢測，再采用基于可視化的方案檢測粗差。

圖4 洞庭盆地西部各矢量要素疊置效果圖

2）DEM壞值修復。目視觀察洞庭盆地西部DEM數據，由已知資料和相關經驗可知，水域分布范圍處的DEM數據存在明顯異常。通過柵格計算提取出負值所在區域，與水域圖層疊加顯示后發現負值區域全部位于水域范圍內，考慮到成果圖中水域覆蓋于DEM之上，不會影響出圖結果，我們用水域面數據掩膜DEM數據得到除水域面積外的DEM數據，發現其高程范圍為8～5 109 m，將其加載到ArcScene中三維顯示（圖5），發現有異常突起點。經與地形圖比對，得出研究區范圍內海拔最高為605 m，因此我們在柵格計算器Raster Calculator中用con（[dem]＜605，1）函數做mask，使圖像中的正常值為1，然后將兩張圖用nibble（[dem],[mask]）函數修復（其中[dem]為西洞庭盆地DEM柵格數據），得到比較精確的DEM數據。

圖5 洞庭盆地西部三維顯示效果

5 地勢圖制作

編制一幅清晰易讀、層次分明、富有美感的優秀地勢圖的關鍵在于比例尺的設定、高程分層和色層表的確定、山體陰影參數的設置及符號化設計與地圖整飾等。

5.1 比例尺設定

比例尺為地圖三要素之一，是地圖設計與制作的前提。本研究比例尺的設計思路為：首先確定最后成果采用A3（297 mm×420 mm）紙張出圖，然后根據圖幅大小利用ArcGIS軟件決定最終采用的比例尺大小。在ArcMap的Layout View版面視圖中，在默認紙張邊緣以外，右鍵選擇Page and Print Setup命令，設置紙張類型為A3后確定。在工具欄的比例尺選項中設置比例尺大小，經對比后發現，1∶500 000為最適合該圖幅的比例尺。

5.2 設色原則及色層表的確定

地圖色彩運用的總原則是使每一種色相、色調與色度的設計同所表示對象的實質與特征聯系起來，最有效地反映制圖對象的特征及分布規律與區域差異[5]。

專題地圖設色是利用色彩的色相、明度和飽和度三屬性的變化，形成色彩的立體感，塑造地貌的立體效果。主要方法是隨地形的高低、色彩排列規律設色，如越高越暗、越高越亮、越亮越飽和、與光譜色相應、綜合設色等[7]。

在地勢圖設計過程中，色層表的建立是直接影響暈渲圖圖面效果的關鍵[8,9]。對制圖區域的DEM數據進行統計分析，該區域高程分布范圍為8～586 m，平均高程為59 m，高程密集區域為22～70 m。為了更好地突出層次差異，更逼真、連續地體現地貌形態變化特點，本文最終采用隨著地面海拔高度的增高，色相由綠到黃到紅依次漸變的分層設色方案。

5.3 山體陰影參數

山體陰影是根據假想的照明光源對高程柵格圖的每個柵格單元計算照明值，山體陰影圖可以很好地表達地形的立體形態[10]。計算過程中包括3個重要參數值：太陽高度角、太陽方位角、表面灰度值，其中光照表面灰度值的默認范圍為0～255。經反復實驗，當太陽入射方位角為315°、高度角為45°時效果最好（圖6）。

圖6 洞庭盆地西部地表表面陰影圖

圖7 洞庭盆地西部地勢圖

5.4 符號化設計與地圖整飾

符號化設計與地圖整飾在地圖生產過程中是一個重要的環節。符號化的原則是按地理對象的實際形狀確定地圖符號的基本形狀，以符號的顏色或者形狀區分事物的性質。地圖數據的符號化與注記標注，都是為地圖的編制準備基礎的地理數據。地圖整飾體現地圖的整體感，主要包括圖面配置，圖框設置，圖名、圖例、指北針的放置和比例尺的生成等（圖7）。從圖中可以看出，洞庭盆地西部范圍內，東部包括漢壽縣及常德市大部分區域海拔較低、地勢平坦，且有大面積湖區分布，其次地勢較為低平的地區位于偏北部澧縣境內；西部和西南部臨澧縣及桃源縣境內地勢起伏較大，有低山分布。

[1] 來紅州,莫多聞,蘇成．洞庭湖演變趨勢探討[J]．地理研究,2004,23(1):78-86

[2] 傅寵．地質專報——湖南省區域地質志[M]．北京:地質出版社,1988

[3] 周國旗,成鐵生,趙守勤．洞庭盆地的由來和演變[J]．湖南地質,1984,3(1):54-65

[4] 徐斌．基于DEM的洞庭湖盆地非均勻沉降研究[D]．長沙：湖南師范大學,2011

[5] 孟萬忠．計算機專題制圖[M]．北京:氣象出版社,2006

[6] 季建華,楊軍生．大比例尺DEM生產過程中的粗差檢測與質量控制的研究[J]．現代測繪,2004(3):31-33

[7] 祝國瑞．地圖設計與編繪[M]．武漢:武漢大學出版社,2001

[8] 郭禮珍,李霖,張圓柱．基于視覺表象的彩色暈渲地圖色彩設計[J]．武漢大學學報:信息科學版,2004,29(6):492-495

[9] 王海英．ArcGIS制作地勢圖的工藝過程[J]．鐵路勘察, 2009(2):26-28

[10] 湯國安,楊昕．ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M]．北京:科學出版社,2006

[11] 廖克．現代地圖學[M]．北京:科學出版社,2003

P237.9