ArcGIS在小流域水土保持規劃設計中的應用

李長保(陜西省水土保持局, 陜西 西安 710004)

ArcGIS在小流域水土保持規劃設計中的應用

李長保
(陜西省水土保持局, 陜西 西安 710004)

水土保持；小流域規劃；地理信息系統；坐標系統；數據庫

隨著國家對水土保持投資的不斷增長和將水土保持工程項目全面納入水利工程進行管理，對小流域規劃設計提出了更高的要求，為提高小流域水土保持規劃設計水平、減輕設計勞動強度、提高設計效率，并同時滿足水土保持項目管理信息化的要求，必須推進地理信息系統相關軟件和微片在規劃設計中的應用，加快小流域規劃設計制圖從CAD向GIS遷移。以ArcGIS10為例，介紹了GIS在小流域規劃設計中的具體應用。

1 小流域規劃設計現狀

1.1 小流域規劃設計的重要性

盡管國家高度重視水土保持生態建設，并不斷加大投資實施以小流域為單元的綜合治理工程，但因水土流失點多面廣，資金投入一直難以滿足治理的需要，為了提高投資效率，不得不將資金投向水土流失嚴重、急需治理的區域。因此，小流域規劃設計的最初目的是因地制宜確定治理模式，選擇最佳措施并合理布局。隨著國家對水土保持投資的不斷增長和將水土保持工程項目全面納入水利工程管理，對小流域規劃設計提出了更高的要求，提高設計質量和準確度，確保實施措施圖斑的位置、面積、邊界與實地對應是現階段小流域規劃設計的新要求。同時，隨著科學技術的進步，項目精細化管理至圖斑已成趨勢，為了減少管理層級、提高管理效率、推進項目管理信息化，也需要以詳細、準確的小流域規劃設計為基礎。

1.2 小流域規劃設計的主要內容

小流域規劃設計是國家撥付資金的依據，施工企業施工的藍圖，在項目前期審查、批復、計劃下達、招標、檢查、驗收、支付、審計等各個環節都要用到。小流域規劃設計的主要內容有：小流域基本情況；水土流失的特點及治理模式，措施選擇及建設任務；施工設計；進度安排；施工組織及管理；項目監測；投資概算，效益分析等。重點是措施設計和投資概算,措施設計解決建什么、在哪建、怎么建的問題，投資概算解決花多少錢合適的問題。

1.3 小流域規劃設計的主要技術難點

與一般的點狀或線狀水利工程不同，水土保持工程是一個大范圍的面狀工程，措施因實地立地條件不同而多樣，精確定位各地塊，做到邊界、面積與現場高度擬合是設計的重點，只有這樣才能準確掌握土地利用、水土流失現狀，準確規劃措施，精確計算投資。目前，多數設計單位還是利用萬分之一紙質圖現場人工勾繪圖斑，掃入計算機縮放后在CAD中人工勾繪邊界，再畫面算面積，填入Excel表格，人工逐個圖斑填圖例、標注圖斑號，土地利用、水土流失強度、措施布局圖需要重復處理。CAD制圖工作量大、耗時長、后期修改不易，人工現場勾繪圖斑因對地形不熟悉而不能準確把握，易造成位置偏移、面積不準、邊界不對應。技術手段不先進，設計與實地不對應，是目前普遍存在的問題。

2 GIS在小流域規劃設計中的優勢

隨著衛星影像、通信、網絡、數據處理等科學技術的發展，我們對水土流失的探知能力進一步增強，通過衛星影像可大范圍了解區域流失程度，精度也不斷提高，個別區域已達0.5 m；網絡傳輸覆蓋區域也越來越廣，傳輸量和速率也越來越大；各種地理信息軟件也極為豐富，無人機、數碼攝影的應用也逐步推進。這些都為水土保持規劃設計提供了良好的技術支撐。利用CAD完成小流域規劃設計輔助設計，已不能適應新形勢下的設計要求，而GIS類軟件以其數據兼容性好、數據庫處理能力強，成為小流域輔助規劃設計的首選。

GIS技術不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環境信息，而且可利用強大的數據庫對資源環境相關屬性進行快速和重復分析，分析能力、制圖能力、顯示能力超強，可極大地提高工作效率，已廣泛應用于與地理相關的各行各業中。目前GIS類軟件較多，國產GIS較為成熟的有MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap等，它們都具有相似的地理信息管理和制圖功能，均能滿足小流域規劃設計的需求。本文以ArcGIS10為例介紹GIS軟件在小流域規劃設計中的具體應用。

GIS與CAD相比，具有以下優勢：一是CAD只是一個計算機輔助制圖軟件，而GIS是地理信息系統，具有設計輔助能力；二是兩者都擁有坐標功能，但GIS兼容性強，處理地理、投影坐標的能力強，圖紙數據管理能力強，多種數據和資源均可調運；三是GIS有數據庫支持，具有強大的分析、協助處理能力，各點要素、線要素、面要素均可把各自的屬性納入數據庫中，根據各自屬性完成分析、統計、標注、顯示、調用等，而CAD沒有數據庫，各種分析需要另建數據表來處理。四是GIS制圖能力強，圖斑填充、圖斑標注等可根據數據庫中要素屬性自動完成，修改時只需修改屬性，圖例、比例等成圖也十分簡單。

3 GIS應用基礎知識

3.1 地理坐標與投影坐標

只有正確設置坐標系，GIS才能順利準確地工作。我們常用到能準確表示空間位置的坐標有兩種，一種是球體坐標(地理坐標)，即在地球橢球體和大地基準面的基礎上，用經緯度和海拔來標明位置。我國常用的橢球體為Krasovsky_1940橢球體(Beijing_1954坐標體系采用)、IAG-75地球橢球體(D_Xian_1980坐標體系采用)、WGS84橢球體(1984年世界大地坐標系采用)。另一種是平面坐標即投影坐標，我國普遍采用的是高斯-克呂格投影(Gauss-Kruger)。高斯-克呂格投影的中央經線和赤道為互相垂直，分帶標準分為3度帶和6度帶。高斯-克呂格投影的中央經線長度比等于1。1∶2.5萬至1∶50萬比例尺地形圖采用經差6度分帶，1∶1萬和1∶2.5萬比例尺地形圖采用經差3度分帶。高斯-克呂格投影在長度和面積上變形很小，只是自中央經線向投影帶邊緣位移變形逐漸增加。我國的經度范圍西起73°東至135°，可按6度或3度進行經度帶劃分。

小流域規劃設計中為了面積的準確量算和后期地理數據的互轉，一定要正確設定區域的投影坐標。較老的地形圖為“Beijing_1954”，目前新出版萬分之一地形圖均為“Xian_1980”，可在地形圖網格中找到帶號。陜西多在36度帶，對應是“Xian_1980”坐標系下的“Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36”或“Xian_1980_3_Degree_GK_CM_108E”。

3.2 數據庫知識

數據庫(DataBase)是結構化數據的集合，具體來說，數據庫是一組經過計算機整理后的數據，在關系數據庫中，它由許多數據表組成。表是存儲數據的單元。每個表由若干記錄組成，每條記錄為1行，都對應于1個實體，同一個表中的所有記錄都具有相同的字段定義，每個字段存儲著對應于實體的不同屬性的數據信息，每個表都必須有主關鍵字，其值是1條記錄字段的唯一標識。

GIS兼容多種數據庫，但我們一般用較簡單的個人地理數據庫，庫中可設計圖斑表、區域表、邊界表、線狀地物表、點狀地物表等。圖斑表除本身的關鍵字、面積、周長外還應包括圖斑號、鄉鎮、村組、土地利用現狀、措施規劃、實施面積、地面坡度、侵蝕強度、X坐標、Y坐標等，圖斑表是小流域規劃設計的基礎，用來統計現狀面積和措施面積，以及生成土地利用現狀圖、措施布局圖和水土流失強度圖，表中每個紀錄對應1個圖斑，圖斑邊界重疊，區域內不能留空。線狀地物表用來繪制公路、河流等，還可用來繪制規劃道路、截排水溝、溝頭防護等線狀措施，表中每個紀錄代表一段公路、河流或水渠。點狀地物表除標注村名、山頂等點狀地物外，還可標注水窖、谷坊、水井等點狀措施。

4 GIS在小流域規劃設計中的應用

4.1 小流域規劃設計相關素材的獲取

小流域規劃設計需獲取的素材主要有萬分之一地形圖、土地利用現狀圖、區域DEM、衛星影像等。地形圖和土地利用現狀圖紙質版可掃描成柵格格式,并導入GIS系統配準后使用，電子版導入時應注意坐標系的統一，萬分之一地形圖有保密要求，在設計中要謹慎采用；衛星影像獲取相當容易，相關信息也是較新的，可通過91衛圖、GoodyGIS等多種衛星影像下載軟件下載，選擇16～18級就能滿足設計中圖斑劃分和土地利用初步判定等要求，框選下載區域，選定坐標投影格式，一般保存為tif格式；DEM有30和90 m兩種，全國大多范圍內已公開，基本滿足小流域規劃設計中地形地勢趨勢判定需要，也可通過衛星影像下載軟件下載高程數據，但精度要與公開的DEM相同，下載后用GlobalMapper軟件生成需要的等高線，輸出保存為shp格式，供GIS調用。

4.2 個人數據庫及要素的建立

為了便于管理設計資料，應建立一個項目文件夾，將下載的衛片、掃描圖及高程文件等拷入項目文件夾內。打開ArcCatalog或在ArcMap中打開目錄，連接到你所建的目錄，并在該目錄下點擊右鍵新建個人地理數據庫，再點擊右鍵新建要素類，選面要素類建成圖斑表，再次操作選線要素類建立現狀地物等表，在建立過程中要正確設定坐標系和表結構，表結構可逐項建立，亦可從其他已成的表中導入。

為確保水保項目管理的通用性，建議圖斑表結構采用表1樣式。

表1 項目區圖斑結構登記

規劃措施分類及命名方式。梯田,有土坎、石坎、預制件等；水保林，有灌沙棘、灌沙打旺、灌紫穗槐、喬松樹、喬柏樹、喬刺槐等；經濟果林，有核桃、棗、花椒、油茶、葡萄、梨、蘋果等；種草，有苜蓿、三葉草等。為了便于概算和管理，應詳細劃分。

土地利用現狀分類及命名方式。耕地類，有水田、水澆地、坪地、梯地、壩地、坡耕地，并在坡耕地項下標明陡坡耕地數量；園地，有果園、茶園；林地，有喬木林、灌木林、經濟林、疏林、幼林；草地，有天然草地、人工草地、荒草地；其他，有水域、城鎮工礦、交通、難利用地等。

水土流失等級分為無明顯、輕度、中度、強度、極強度、劇烈6級。

4.3 已有二調圖的編輯

啟動“MapGIS”，利用“添加數據”將衛片和二調數據庫中的面層和線層導入，打開面層和線層各自的屬性表，對用不到的字段可刪除，沒有的字段可添加。根據衛片對二調圖進行修訂，重新劃分和合并圖斑，調出編輯器工具箱，點擊開始編輯，選擇編輯的圖層，選定圖斑利用裁剪面工具對圖斑重新切分，亦可選定相關圖斑利用合并命令將多個圖斑合并為一個。對于線層編輯采用同樣方法，只是選用編輯折點命令，對線層進行編輯。同時可對各要素的字段內容進行修改。編輯完成后一定要停止編輯才能將編輯的內容保存下來。如果衛片和二調圖不能重合顯現，可能是坐標設定不對。

4.4 只有衛圖的編輯

啟動“MapGIS”，利用“添加數據”將衛片和新建的面層和線層表導入，點擊編輯器開始編輯，點擊最右側創建要素工具，選取面要素構造工具，沿小流域邊界畫出整個流域，修改面層顯示屬性為50%，使面層呈半透狀態，可看清底圖，選取裁剪面工具，沿河流、道路、山脊、村界、土類等分割圖斑，對耕地還應根據坡度進一步分割。完成后逐圖斑對屬性進一步修改和完善，停止編輯保存數據完成圖斑表。同樣對線層表進行編輯，劃出各線狀地物，并將屬性填入，完成線狀地物的編輯。點狀線層同樣編輯。

4.5 要素數據編輯

在各層上點擊右鍵，選擇打開屬性表，可將對應要素的表打開，表上方的按鈕中有表選項命令，按屬性選擇可選取某類共性記錄，全選命令可選取全部記錄，添加字段增加需要新增的字段；在表的字段名上雙擊，可對表進行排序，升序和降序循環；在字段名上點擊右鍵，利用字段計算器可完成字段的全部計算，例如根據SHAPE_Area計算圖斑面積為畝或公頃，幾何計算可計算面要素的面積、周長、中心點坐標；亦可刪除字段，刪除后可能無法恢復，請謹慎操作，修改庫結構這些操作需編輯器在停止狀態。編輯完成后可全選數據，復制所選項后再粘貼入Excel中，利用分類匯總、數據透視表或IMPRODUCT命令，按村分類統計土地利用、措施、流失等數據，完成小流域規劃設計中的數據計算。如果梯田建設模式和造林苗木品種均細化落實，可分村統計各梯田建設面積、各苗木品種栽植面積等，與概算表連接，輕松完成工程投資概算。

4.6 要素數據屬性顯示設定

在各層上雙擊可打開圖層屬性。常規標簽中可更改圖層名；源標簽可了解圖層數據的存儲位置和坐標信息；顯示標簽可修改圖層的透明度，設定為半透狀態可使下層底層可見；符號系統標簽可用來設定各圖斑填充圖例和底色，點擊類別—唯一值，在值字段中選DLMC，可完成土地利用現狀圖，如選擇GHCS則可完成措施布局圖，選擇LS則可完成水土流失圖等；在各圖例上雙擊，可對圖例進行編輯，修改顏色、大小、線型、線寬等；字段標簽用來選擇那些需要顯示的字段；標注標簽用來顯示圖斑號和面積，設定標注文字的字型、顏色、大小等，點擊表達式命令，可錄入小程序來調用圖斑號和面積，按要求格式顯示在圖斑中。

土地利用現狀、措施布局、水土流失強度圖共用一個數據表，可復制三個層，分別命名，在符號系統標簽中分別調用DLMC、GHCS和LS字段，完成對應的圖，想顯示哪個層則打開哪個層，不想顯示則不勾選該圖層。

4.7 數據導出

在各圖層上點擊右鍵，選取數據—導出數據，可將該層輸出至另一個數據庫中，或另存為其他格式，一般另存為shp格式，方便數據上報。亦可將圖層導出為CAD格式。

還可利用ARCTOOLBOX中的轉換工具，將層圖轉為KML或KMZ格式，在Google Earth中打開，但因坐標系不同，可能整體會偏移。

4.8 形成圖框網格

在根圖層上雙擊可打開項目屬性，常規標簽可改項目名稱，另可設定制作者名、地圖單位、顯示單位等；數據框標簽可設定范圍，但一般選自動；坐標系標簽可查看各圖層所采用的坐標系；網格標簽用來設定地圖的網格，選新建網格—方里網格，設定間距完成網格設定；框架標簽設定圖框。

4.9 插入圖例、標題欄

利用插入命令可插入圖例，選取需要的圖例項，設定字體、顏色、大小后，設定邊框和背景色等可生成圖例，在生成的圖例上點擊右鍵，選擇轉換為圖形，再次在圖例上點擊右鍵，選取取消分組，將各圖例分解，可將不需要的刪除，并可對名字進行修改，重新移動位置排列后全選重組，形成滿意的圖例。同時可插入圖名、指北針、比例尺、圖簽框等。

4.10 成圖輸出

在ArcMap程序欄點擊文件—頁面和打印設置，不勾選使用打印機紙張設置，在下邊設定紙張大小和方向，在地圖編輯區左下選取布局視圖，就可看到圖紙效果，標準工具箱中設定比例為1∶10 000，在工具箱中利用手型工具移動地圖內容到合適位置，并將圖紙范圍點拖至合適大小，拖動圖名、圖例、指北針、圖簽到合適位置，完成地圖，可利用導出地圖命令生成jpg格式的圖紙， 設定分辨率應在300點以上。

5 CAD圖導入GIS

CAD是矢量圖，只具有坐標，但沒有數據庫，各要素可轉入GIS，但只有圖形，數據表各屬性需人工另行錄入。將CAD圖清理，只保留需導入的線或面，縮放CAD圖至1個單位代表1 m，保留某一標準公里網格，并記下網格四角的實際正確坐標數值，另存成一個文件。在MapGIS中導入，看線層完整還是面層完整，選取完整的圖層利用導出數據另存入個人地理數據庫，再從庫中導入并將原圖移除，打開開始編輯，選取全部記錄，根據網格計數將圖形移動至正確位置，利用ARCTOOLBOX數據管理工具中的要素工具下的要素轉面或要素轉線，完成圖斑重新生成或圖斑邊界線的重新生成，逐個圖斑人工錄入各字段的屬性，實現CAD向GIS轉入。

6 部分技巧

因建立的是個人地理數據庫，Access也可打開，在圖斑順序編號中可以利用。先計算好X/Y坐標，在Access中打開圖斑表，按村、X、Y排序，在Excel中生成一個序號序列，將序列拷入Access中圖斑號位置，可完成圖斑號的順序編制。

CAD圖導入后，各要素屬性逐項人工錄入較費時，可先在GIS中錄入圖斑號，保存、退出，在Excel編輯原屬性表，保證圖斑號排列與GIS表相同，字段排列也與GIS表相同，在Access中打開圖斑表，將Excel中相同的數據塊拷入Access中表的相同區域，完成屬性的批量錄入，完成后要檢查正確性。

可將編輯好的層另存圖層文件(lyr)，在其他項目中，采用相同的數據表結構及屬性命名規則，即可在圖斑填充時通過符號系統引用該文件，完成要素分類填充。

7 建 議

建議國家盡快分地區統一小流域規劃設計數據庫的相關庫結構，統一代碼和名稱及簡稱，統一填充樣式等，以實現數據格式一致，提升匯總、融合性能。

建議修改完善水土保持制圖標準，增加GIS相關類的標準。

S157

A

1000-0941(2018)01-0065-04

李長保(1969—)，男，陜西勉縣人，工程師，學士，長期從事水土保持規劃設計和施工管理工作。

2017-06-10

(責任編輯 張培虎)