基于ArcGis的東江流域雨量等值線圖和水質(zhì)成果圖繪制

蘇陽悅

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516001)

1 概述

為推進東江流域水資源統(tǒng)一調(diào)配和精細化管理，落實省政府頒布實施的《廣東省東江流域水資源分配方案》[1]，及時掌握和反映東江流域水資源水量、水質(zhì)及重大涉水事務(wù)，對促進東江流域水資源的統(tǒng)一管理、優(yōu)化配置和有效保護具有重要意義。尤其在“節(jié)水優(yōu)先”的新時代治水思路下，流域水資源管理對數(shù)據(jù)成果的正確性、時效性、可視性有了更高的要求。現(xiàn)狀對水文信息成果作圖需求主要為雨量等值線圖和水質(zhì)情況分布圖，在等值線圖繪制中常用Delaunay三角剖分等方法繪制離散點的等值線圖[2]，并結(jié)合經(jīng)驗手動調(diào)整，可快速應(yīng)對數(shù)據(jù)上的瑕疵，繪制靈活性高；此外還有多軟件的耦合使用方法，可大幅提高出圖精度和效率，但有一定的上手門檻，制作成本高，操作相對繁瑣[3-7]。水質(zhì)情況分布圖為逐站展示，標注效果亦是逐個調(diào)整，如按常規(guī)方法編輯處理，工作效率上難以滿足需求。故本文結(jié)合實際工作情況以東江流域為例，介紹了一種通過ArcGIS軟件制作相關(guān)專題圖的方法，可快速繪制與美化雨量等值線圖及江河湖泊水庫水質(zhì)情況圖。

2 基礎(chǔ)資料準備

2.1 雨量數(shù)據(jù)

使用廣東省水文局惠州水文分局管轄范圍內(nèi)的135個基本雨量站數(shù)據(jù)作為繪圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及4個地市，所選站點均勻分布在東江流域主要干支流上，站網(wǎng)平均密度約為234 km2/站。雨量站點屬性見表1。

表1 雨量站點屬性 mm

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

使用廣東省水文局惠州水文分局管轄范圍內(nèi)67個常規(guī)水質(zhì)站的數(shù)據(jù)作為繪圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所選斷面均為東江流域主要干支流和大中型水庫出入庫口，共涉及4個地市。水質(zhì)站點屬性表結(jié)構(gòu)與表1測站屬性表結(jié)構(gòu)相似，其中站點屬性方面將依據(jù)水質(zhì)站點的需求進行構(gòu)筑，為方便后續(xù)分類渲染，增加了一列“水質(zhì)達標判斷”，該列內(nèi)容為對水質(zhì)列數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，達標為1，反之為0。水質(zhì)站點屬性見表2。

表2 水質(zhì)站點屬性 mm

2.3 底圖數(shù)據(jù)

準備ArcGIS繪制使用的底圖，包括流域內(nèi)的市級行政區(qū)劃相關(guān)圖層、縣級行政區(qū)劃相關(guān)圖層、水資源分區(qū)邊界、水系圖、重要水庫湖泊分布圖，站點分布圖，地理坐標系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，格式均為*.shp，繪制過程建議將準備的圖層文件存儲在ArcGis GeoDatabase格式數(shù)據(jù)庫(GDb)，以方便管理和提升運算速度。

3 專題圖制作

制圖工作分為3個部分：① 底圖模板制作；② 專題圖制作；③ 底圖審核校對。具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線示意

3.1 底圖模板制作

依據(jù)SL 385—2007水文數(shù)據(jù)GIS分類編碼標準，專題圖層制作需準備水系層、圖框?qū)印D幅、點坐標層、境界與政區(qū)層、水文站層、雨量站層。

模板制作首先打開 ArcGIS map 軟件，在工具欄“添加數(shù)據(jù)”選項中依次添加所準備的圖層，地理坐標系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，并設(shè)置好相應(yīng)地圖例、指北針、比例尺、經(jīng)緯線等一系列信息，所形成底圖如圖2所示。

圖2 東江流域邊界示意

3.2 雨量等值線專題

3.2.1空間插值

常用的空間插值方法有反距離權(quán)重法(Inverse Distance Weighted,以下簡稱IDW)、克里金法(Kriging)、全局多項式插值法、局部多項式插值法、徑向基行數(shù)插值法(RBF)，其中克里金法又有多種變式[8],依據(jù)插值形式又可以劃分為確定性方法和地統(tǒng)計方法(見圖3)。這些方法各有特點，其中以IDW和Kriging最為常用，技術(shù)員可按不同需求進行選擇。

圖3 插值方法分類示意

反距離權(quán)重法是一種確定性插值方法，該方法認為兩物體相似性隨它們距離增大而減少，即離散點離插值點越近的樣本賦予的權(quán)重越大[9]。在應(yīng)用中IDW法運算速度快，成果直觀，尤其在離散點均勻分布的情況下插值效果好，其插值結(jié)果在插值數(shù)據(jù)的極值之間，故其缺點就是易受數(shù)組極值的影響，并且它沒有物理過程。

克里金法為地統(tǒng)計插值法，該方法用隨機表面函數(shù)對不規(guī)則的空間連續(xù)進行模擬[10]。克里金法有許多分支，主要差異為假設(shè)條件不同，以普通克里金法為例，其假設(shè)條件為空間屬性z是均一的，對于空間任意一點，都有同樣的期望與方差。與IDW不同，克里金法具有物理實際意義，依據(jù)地理學(xué)第一定律，用半變異函數(shù)檢驗所采集的樣本是否存在自相關(guān)性，在克里金工具中有數(shù)據(jù)點集和函數(shù)曲線的擬合圖，選擇擬合度最高的函數(shù)會得到更好的效果，缺點是調(diào)參過程較為繁瑣耗時。

綜上所述，當雨量數(shù)據(jù)較平均且有突出極值點需求的時候，應(yīng)用IDW效果會比較好；當雨量數(shù)據(jù)區(qū)間范圍較大時，可采用克里金法，能更好地表達趨勢概念。但兩種方法都會在一些地方產(chǎn)生較大的鋸齒和躍變，不利于展示，為了使出圖效果更好，曲線平滑，后文介紹了一種技術(shù)處理方法。

3.2.2雨量等值線制作

雨量等值線生成步驟如下：

1)ArcToolbox→Spatial Analyst工具→插值分析→反距離權(quán)重法或克里金法。

2)右鍵剛生成的圖層→導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3)生成等值線 ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→等值線，生成成果如圖4a所示。

a 雨量等值線優(yōu)化前示意

3.2.3雨量等值線平滑及Modle Builder應(yīng)用

平滑曲線工具可以減少鋸齒和銳角，參數(shù)設(shè)置建議0.01～1。平滑曲線的操作步驟較為繁瑣，且調(diào)參過程為重復(fù)性工作，為了提高該部分的工作效率，減少操作步驟，可以利用ArcGis自帶工具modle builder 模型構(gòu)建器簡化工作流程[11-12]。

構(gòu)筑思路如圖5所示，快捷工具制作步驟如下：

圖5 快捷工具的Modlebuilder構(gòu)筑示意

1)將依據(jù)IDW或Kriging生成的柵格圖導(dǎo)入，設(shè)定合適的等值線間距，利用等值線工具輸出初步處理的等值線。

2)對初步處理的等值線進行平滑曲線處理，平滑容差參數(shù)設(shè)定建議填選0.1，平滑算法一般情況下選擇PAEK，這樣就可以得到處理后的平滑等值線(如圖4b所示)。

3)為了使柵格圖層可以匹配平滑后的等值線，則可利用要素轉(zhuǎn)面工具，依據(jù)平滑后的等值線和邊界條件生成與之匹配的面要素。

4)利用空間連接工具將等值線的屬性賦予面要素，但對于共線的兩個面無法很好地區(qū)分，將會賦予同一值，故需要把范圍內(nèi)的雨量站統(tǒng)計數(shù)據(jù)再次與面要素進行空間連接，利用內(nèi)置函數(shù)僅保留平均降雨量。

5)對屬性表進行邏輯運算，比對面平均雨量與所處等值面數(shù)值，如平均雨量大于等值面賦值，則認為所處面比鄰近面的數(shù)值高，該面的賦值應(yīng)增加1個等級，即加上1個等值單位，反之則不變。操作上首先利用表屬性操作工具“添加字段”將字段“等間距”添加入屬性表，其次用計算字段工具把變量“等值線間距”賦值給該字段，最后再次利用計算字段工具對字段“contour”(等值線的值)進行條件賦值。

6)將等值線間距、插值柵格、平滑算法、平滑容差、掩膜工具作為可輸入項，并對模型進行封裝(如圖6所示)。

圖6 快捷工具封裝示意

7)運行所封裝工具，依據(jù)GB/T14538-1993中的配色建議，調(diào)整等值線和等值面顯示方式，最終得出該季度的雨量等值成果圖(如圖7所示)。

圖7 東江流域雨量等值線示意

3.3 水質(zhì)專題

載入底圖模板后，水質(zhì)圖中需要重點展示達標分類結(jié)果，根據(jù)表達需要，運用python語句來控制相應(yīng)的字體、字號、顏色。標注表達式源代碼如下:

def FindLabel([STNM],[WQ],[WQP]):

if long([WQP])> 0:

return ""

else:

return ""

該段代碼表示當水質(zhì)達標時顯示的字體顏色為綠色，否則顯示為紅色，字體大小均設(shè)定為“11”，顯示樣式為站名在上，水質(zhì)情況在下。

實際工作中僅需替換水質(zhì)站點要素圖層，將該段源碼代入“屬性—顯示—表達式”中即可自動顯示達標情況，簡化了人為調(diào)整的步驟。對于水質(zhì)達標的輔助列“0”和“1”的賦值，可在Excel中利用If函數(shù)進行比對判斷。水質(zhì)成果如圖8所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 雨量等值線成果與分析

繪制東江流域雨量等值線圖共選用了135個站點的資料，涉及4個地市，所選站點均勻分布在東江流域主要干支流上，所選時段為某年枯季雨量成果。

因是枯季，雨量數(shù)據(jù)無明顯極值點，為體現(xiàn)數(shù)據(jù)的極值點情況，在內(nèi)插算法上采用了反距離權(quán)重法(IDW)，在專題圖層中生成相關(guān)的柵格圖并提取等值線，圖中等值線有銳角、Z型折線和S型高頻率波浪，不僅不美觀，在圖形表達上也容易讓人產(chǎn)生誤解。于是對等值線和柵格數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的等值線平滑。

優(yōu)化方法共需9個操作步驟，其中還需要配置邏輯代碼，當生成結(jié)果需要調(diào)整參數(shù)，所有步驟需要重復(fù)一遍，使用較為繁瑣，此種情況是當前對使用ArcGIS繪圖的主要分歧與矛盾點之一，繁復(fù)的操作在工作效率上不如多軟件耦合使用，多參數(shù)調(diào)整擬合在靈活性上不如手繪，因此，本文應(yīng)用模型構(gòu)建器(Modle builder)創(chuàng)建了1個快捷工具，集合所有機械且重復(fù)的步驟，使用者僅需輸入必要參數(shù)即可生成相應(yīng)的成果，該工具運算時間受計算機性能和載入數(shù)據(jù)量影響，在當前所選數(shù)據(jù)量和處理器為core(TM)i7-7 700的環(huán)境下，所需計算時長小于2 s，極大地減少重復(fù)性工作量，提高了工作效率。

運行快捷工具后，得出優(yōu)化后的雨量等值線圖，通過觀察可直觀地看到在時空分布上東江流域在該季度的降雨量由北向南，由東向西減少，降雨主要集中于北部；在站點108和109處出現(xiàn)極大值，在站點132處出現(xiàn)極小值。

4.2 水質(zhì)成果與分析

水質(zhì)專題中共選用了67個水質(zhì)站的數(shù)據(jù)，所選斷面均為東江流域主要干支流和大中型水庫出入庫口，共涉及4個地市。

水質(zhì)成果是逐站展示的形式，所需操作步驟簡單，在無新增水質(zhì)站點的情況下，每次更新數(shù)據(jù)僅需覆蓋歷史數(shù)據(jù)，繪制難點在于達標水質(zhì)點展示的邏輯判斷，運用ArcGIS中的Python模塊在標注表達式內(nèi)編制相關(guān)邏輯判斷代碼，可讓數(shù)據(jù)每次更新后即刻按要求展示，無需手動調(diào)整。

載入數(shù)據(jù)后獲得成果，圖中通過標注文字的顏色來區(qū)分達標點，通過觀察可以看出該季度內(nèi)河流水質(zhì)普遍達標，下游站點19、20、31、48水質(zhì)綜合評價尚不達標，參考歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)站點20為水質(zhì)突變站，具體情況可做進一步詳細分析并采取相應(yīng)措施。

5 結(jié)語

本文通過ArcGIS成功繪制出了東江流域的雨量等值線圖和水質(zhì)成果圖，給出了相關(guān)成果圖實現(xiàn)的詳細步驟，在此基礎(chǔ)上結(jié)合需求創(chuàng)建了1個雨量等值線優(yōu)化快捷工具，并在標注表達式中運用了Python模塊編譯邏輯語句，提高了某一類型成果圖的出圖效率，技術(shù)員可把更多的精力放在數(shù)據(jù)分析上，而管理決策者僅需通過讀圖就能夠有清晰的概念，并且成果圖依據(jù)時間序列制作，可及時掌握數(shù)據(jù)變遷情況，對推進流域水資源的統(tǒng)一管理、優(yōu)化配置和有效保護具有重要的現(xiàn)實意義。