ArcGIS在水土保持工作中的應(yīng)用

韓立新 朱日清 牛帥帥

摘要：“天地一體化”監(jiān)管的日益加強(qiáng)，傳統(tǒng)的水土保持方案、監(jiān)測、驗(yàn)收、規(guī)劃及小流域綜合治理實(shí)施方案的編制已不能滿足水土保持信息化建設(shè)的需要，對水土保持工作者提出了新要求。新形勢下，水土流失防治責(zé)任范圍矢量圖成為水土保持方案的重要組成部分，是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測、驗(yàn)收、信息化監(jiān)管的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。文章借助生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍矢量化的過程分析，對ArcGIS中水土保持工作常用到的CAD圖轉(zhuǎn)矢量化、地理坐標(biāo)矢量化、柵格圖像矢量化和屬性數(shù)據(jù)錄入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，為水土保持工作者提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：ArcGIS? 水土保持? 防治責(zé)任范圍? 矢量化

中圖分類號(hào)： S157?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）05（a）-0000-00

1水土保持工作的現(xiàn)狀分析

1.1水土保持方案

傳統(tǒng)的“人、車、相機(jī)、設(shè)計(jì)資料”編制水土保持方案報(bào)告的方式已不能滿足新時(shí)代的編制要求。地面拍攝不能全方位的展示項(xiàng)目區(qū)概況，無人機(jī)航拍已成為水土保持方案匯報(bào)現(xiàn)場概況的主流。隨著全國水土保持信息管理上報(bào)系統(tǒng)的逐漸完備，水土流失防治責(zé)任范圍矢量化、拐點(diǎn)坐標(biāo)提取將成為水土保持方案工作者的日常工作。水土保持方案階段，水土流失防治責(zé)任范圍及措施圖矢量化是水土保持信息化監(jiān)管的基礎(chǔ)[1-2]。

1.2水土保持監(jiān)測及驗(yàn)收

在水土保持監(jiān)測及驗(yàn)收工作中，無人機(jī)監(jiān)測已成為主要的監(jiān)測方法。傳統(tǒng)監(jiān)測方法中的皮尺、相機(jī)、測釬已不能滿足水土保持信息化監(jiān)測及驗(yàn)收的需求，而無人機(jī)拍攝的正射影像、DEM數(shù)據(jù)可提取項(xiàng)目區(qū)的擾動(dòng)面積、水土保持措施工程量、土方開挖堆存量，已成為新時(shí)代水土保持監(jiān)測及驗(yàn)收的重要手段[3-4]。

1.3小流域綜合治理工程

小流域綜合治理工程中，CAD制圖不能滿足水土保持圖件的需求，不符合圖斑精細(xì)化管理的要求。利用ArcGIS軟件對小流域進(jìn)行圖斑劃分，提取圖斑的地貌類型、坡度、植被覆蓋度、土壤侵蝕強(qiáng)度等基本信息，對確定治理范圍、治理工程、統(tǒng)計(jì)工程量具有方便、快捷、精準(zhǔn)的特點(diǎn)[5]。

1.4水土保持規(guī)劃

在水土保持規(guī)劃中，ArcGIS應(yīng)用更為廣泛。通過ArcGIS軟件，分析項(xiàng)目區(qū)的地勢地貌、自然水系的流向、進(jìn)行小流域劃分，綜合分析土壤侵蝕等級(jí)等基本信息，便于進(jìn)行重點(diǎn)工程布設(shè)安排[5-6]。

1.5第三方技術(shù)服務(wù)

水土保持信息化項(xiàng)目監(jiān)管往往是水行政主管部門與技術(shù)實(shí)力過硬的第三方技術(shù)服務(wù)單位協(xié)作完成。信息化項(xiàng)目監(jiān)管的流程為資料準(zhǔn)備、遙感監(jiān)管、監(jiān)管信息現(xiàn)場采集、成果整編與審核評(píng)價(jià)這4個(gè)部分。其中資料準(zhǔn)備包含資料收集整理及設(shè)計(jì)資料矢量化。設(shè)計(jì)資料矢量化是水土保持信息化監(jiān)管的前提，遙感監(jiān)管需要工作者根據(jù)遙感影像判別擾動(dòng)范圍、水土保持措施布設(shè)情況，掌握合規(guī)性、水土保持方案落實(shí)情況及變更情況[2，7]。

綜上所述，水土保持方案、監(jiān)測、驗(yàn)收、小流域治理及規(guī)劃、項(xiàng)目監(jiān)管的第三方技術(shù)服務(wù)等工作均需ArcGIS協(xié)助，日常水土保持工作使用的ArcGIS功能主要為將柵格圖像矢量化、坐標(biāo)點(diǎn)生成shapefile文件、CAD轉(zhuǎn)為shapefile文件、提取拐點(diǎn)坐標(biāo)、屬性錄入、小流域劃分、地形圖轉(zhuǎn)DEM數(shù)據(jù)，坡度提取、綜合統(tǒng)計(jì)分析等基本功能。小流域劃分、地形圖轉(zhuǎn)DEM數(shù)據(jù)等使用機(jī)率較小，可參考有關(guān)論文[8-9]，此處不再詳述。

該文以菏澤廣源陸港鐵路專用線工程為例說明水土流失防治責(zé)任范圍shapefile文件的制作，以介紹日常工作使用的ArcGIS關(guān)鍵技術(shù)。文章使用的軟件為漢化后的ArcGIS10.2，其他版本可參考。

2項(xiàng)目概況

菏澤廣源陸港鐵路專用線工程位于山東省菏澤市曹縣磐石街道，曹縣站東側(cè)、省道S350南側(cè)，曹縣站集裝箱貨區(qū)北側(cè)道岔為本工程出岔接口。

該工程為新建建設(shè)類項(xiàng)目，鐵路專用線等級(jí)為專用線，正線數(shù)目為單線。主要建設(shè)內(nèi)容為改造曹縣站相關(guān)設(shè)備設(shè)施;新建鐵路裝卸區(qū)，設(shè)貫通式裝卸線3條，延長曹縣站集裝箱貨區(qū)既有機(jī)回線390m，走行線末端設(shè)機(jī)回線50m。工程鋪軌里程4.572km，輔道岔5組，新建涵洞4座，接建框架涵1座，通站道路152m，股道兩側(cè)布設(shè)散雜貨作業(yè)區(qū)和集裝箱作業(yè)區(qū)。

該工程由站場路基工程、橋涵工程、站場作業(yè)區(qū)工程、通站道路以及附屬設(shè)施（電氣化、信號(hào)、通信、房建等）等組成。總占地面積24.95hm2，永久占地24.25hm2，臨時(shí)占地0.70hm2。新征用地23.26hm2，已征用地0.25hm2，永久占用國鐵范圍0.74hm2，臨時(shí)占用國鐵范圍0.70hm2。

3制作過程分析

方案編制過程中收集到的資料有新征用地范圍線CAD版，工程總平面布置圖PDF版。新征用地范圍線為2000國家坐標(biāo)系工程建設(shè)用地勘測定界圖，界址點(diǎn)坐標(biāo)為X：3854001.938，Y：39370213.349類型。根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)、地理位置可判定，項(xiàng)目區(qū)位于3°分帶第39帶，中央子午線為東經(jīng)117°。

收集到的勘測定界圖可通過CAD圖轉(zhuǎn)矢量化直接導(dǎo)入ArcGIS中，作為防治責(zé)任范圍的組成部分。若未收集到CAD版定界圖，可人工提取界址點(diǎn)坐標(biāo)表到Excel中，通過地理坐標(biāo)點(diǎn)矢量化完成防治責(zé)任范圍的繪制。工程占用已征用地、國鐵工程、臨時(shí)占地范圍可通過柵格圖像矢量化的方式導(dǎo)入ArcGIS中。完成圖形的繪制后，進(jìn)行必要信息的屬性錄入。

4 ArcGIS關(guān)鍵技術(shù)

4.1 CAD圖轉(zhuǎn)矢量化

首先需整理CAD文件，選擇定界范圍線復(fù)制，新建CAD文件，將其粘貼到原坐標(biāo)，保存新文件命名為“新征用地.dwg”。新文件只保留必要信息，可減少加載時(shí)間，避免進(jìn)入ArcGIS中，圖像混亂、疊加。導(dǎo)入ArcMap前，還需確保比例尺為1∶1000;核實(shí)X坐標(biāo)是否含有帶號(hào);范圍線應(yīng)閉合。

打開Arcmap后，在標(biāo)準(zhǔn)工具條中，點(diǎn)擊以“+”為圖標(biāo)的“添加數(shù)據(jù)”，選擇“新征用地.dwg”。點(diǎn)擊確定后即可看到文件圖形，左側(cè)“內(nèi)容列表”中選擇“新征用地.dwg Polygon”，“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”為“新征用地”shapefile文件，彈出是否將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)添加到地圖圖層中，選擇“是”，新征用地shapefile文件顯示在內(nèi)容列表中。

在標(biāo)準(zhǔn)工具條中，打開ArcToolbox，選擇“數(shù)據(jù)管理工具”下“投影和變換”中的“定義投影”。對話框中選擇“新征用地”，坐標(biāo)系選擇“CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E”。完成定義投影后，利用“編輯器”中“移動(dòng)”將圖形X偏移-39000000，保存編輯，完成新征用地范圍的矢量化。

4.2地理坐標(biāo)點(diǎn)矢量化

人工提取界址點(diǎn)坐標(biāo)表到Excel中，可將原坐標(biāo)的帶號(hào)”39”直接去除，去除帶號(hào)的坐標(biāo)列定義為X坐標(biāo)，原X坐標(biāo)列定義為Y坐標(biāo)，因?yàn)锳utoCAD和ArcGIS中坐標(biāo)是反的。通過標(biāo)準(zhǔn)工具條中“添加數(shù)據(jù)”，將其加載到ArcMap中，右擊加載的sheet數(shù)據(jù)，選擇“顯示XY數(shù)據(jù)”。生成事件后將其輸出為shapefile點(diǎn)文件，利用ArcToolbox中“數(shù)據(jù)管理工具”下的“要素”中“點(diǎn)集轉(zhuǎn)線”將shapefile點(diǎn)文件轉(zhuǎn)為shapefile線文件。點(diǎn)擊編輯器下方的“開始編輯”，選擇新形成的shapefile線文件，然后選擇編輯器工具條最右側(cè)的“創(chuàng)建要素”，連接起點(diǎn)和終點(diǎn)，依次點(diǎn)擊編輯器下方的“保存編輯內(nèi)容”“停止編輯”。再利用ArcToolbox中“數(shù)據(jù)管理工具”下的“要素”中“要素轉(zhuǎn)面”將shapefile線文件轉(zhuǎn)為shapefile面文件，再定義坐標(biāo)系。

4.3柵格圖像矢量化

工程總平面布置圖由pdf轉(zhuǎn)為柵格圖像（jpg、tiff等圖像格式），通過“添加數(shù)據(jù)”將其加載到ArcMap中，也可直接拖拉的形式加載。根據(jù)“新征用地”的界點(diǎn)為控制點(diǎn)進(jìn)行“地理校準(zhǔn)”。控制點(diǎn)至少要7個(gè)，且盡量均勻分布[3]。打開編輯器下拉框中選擇“開始編輯”新征用地shapefile，通過編輯器工具條右側(cè)“創(chuàng)建要素”，沿本工程占用已征用地、國鐵工程、臨時(shí)占地范圍進(jìn)行勾繪，外邊界勾繪完成后，利用編輯器工具條右側(cè)的“剪裁面工具”，進(jìn)行分區(qū)劃分，依次點(diǎn)擊編輯器下拉框的“保存編輯內(nèi)容”“停止編輯”。

占用已征用地、國鐵工程、臨時(shí)占地范圍的矢量化也可通過CAD版的水土流失防治責(zé)任分區(qū)圖通過CAD圖轉(zhuǎn)矢量化直接導(dǎo)入Arcmap中，但需要與勘測定界圖的位置、比例相匹配。

4.4屬性錄入

矢量圖不僅具有空間地理坐標(biāo)信息，也須有屬性信息。新建的shapefile文件可在屬性表中，通過“添加字段”，添加面積、組成部分、備注等字段。面積的數(shù)據(jù)類型選擇Double，通過“計(jì)算幾何”完成數(shù)據(jù)的填寫，對于界限不明確的組成部分，可手動(dòng)修改面積。組成部分、備注的數(shù)據(jù)類型選擇Text，通過手動(dòng)錄入。

字段的添加也可使用程序欄中的“地理處理”中的“合并”命令將帶有字段屬性的文件與新文件合并，形成Merge新文件，打開其屬性表，選中需要的要素，導(dǎo)出新文件，其已帶有字段屬性。屬性的錄入也可選擇表選項(xiàng)中的關(guān)聯(lián)和連接Excel表格，通過字段計(jì)算器進(jìn)行批量錄入。

4.5示意上圖

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息化監(jiān)管技術(shù)規(guī)定（試行）》，防治責(zé)任范圍不明確的工程，可進(jìn)行示意性上圖。點(diǎn)、面型項(xiàng)目，根據(jù)設(shè)計(jì)資料查找項(xiàng)目區(qū)中心點(diǎn)的坐標(biāo)，將其矢量化后，利用“地理處理”中“緩沖區(qū)”命令，繪制直徑為100m的圓形。線型項(xiàng)目，根據(jù)主體設(shè)計(jì)提供的kml路徑圖，可利用ArcToolbox中“轉(zhuǎn)換工具”下的“由kml轉(zhuǎn)出”中“kml轉(zhuǎn)圖層”，將其轉(zhuǎn)化為shapefile線文件后，利用“地理處理”中“緩沖區(qū)”命令，形成面文件進(jìn)行示意性上圖。適宜性上圖的屬性表中，應(yīng)備注為示意性。

4.6其他經(jīng)常使用的關(guān)鍵技術(shù)

拐點(diǎn)坐標(biāo)提取：首先需要將提取拐點(diǎn)的文件轉(zhuǎn)化為shapefile點(diǎn)文件，利用ArcToolbox中“數(shù)據(jù)管理工具”下的“要素”中“要素折點(diǎn)轉(zhuǎn)線”。打開新形成的shapefile點(diǎn)文件的屬性表，添加X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)字段，字段類型選擇浮點(diǎn)型，右擊字段名稱，選擇“幾何計(jì)算”，分別選擇“點(diǎn)的X坐標(biāo)”、“點(diǎn)的Y坐標(biāo)”，單位選擇m，輸出大地地理坐標(biāo)值，選擇十進(jìn)制，輸出經(jīng)緯度。然后將新文件的dbf文件導(dǎo)入Excel表格。

統(tǒng)計(jì)分析：Shapefile文件中的dbf文件可直接導(dǎo)入Excel表格，通過Excel表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。ArcMap屬性表中，字段名右擊可升序排列、降序排列、匯總、統(tǒng)計(jì)，表屬性中可“按屬性選擇”，根據(jù)屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總。

5最終成果

菏澤廣源陸港鐵路專用線工程水土流失防治責(zé)任范圍的矢量化成果（shapefile文件）包含6個(gè)文件，具體見圖1。其中主文件（*.shp）存儲(chǔ)勾繪的幾何圖形，表文件（*.dbf）可用Excel打開，記錄著圖形的屬性信息，索引文件（*.shx）存儲(chǔ)圖形要素與屬性信息索引，以上三個(gè)文件為必須文件。一般還包括空間參考文件（*.prj）、幾何體空間索引文件（*.sbn和*.sbx）。

6結(jié)語

目前水土保持方案編制工作已明確要求防治責(zé)任范圍矢量化成果，水土保持監(jiān)測、驗(yàn)收小流域治理及規(guī)劃等工作均需要ArcGIS協(xié)助。該文雖只具體提到防治責(zé)任范圍矢量化的方法，但同樣適用于歷史遙感影像擾動(dòng)圖斑的勾繪、小流域小班的劃分、水土保持措施矢量化。

GIS具有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，已廣泛應(yīng)用在水土保持領(lǐng)域。該文僅介紹了ArcGIS軟件中防治責(zé)任范圍矢量化的方法，其各種使用技巧、強(qiáng)大的空間分析能力、輔助設(shè)計(jì)作圖能力需繼續(xù)探索學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙俊俠，任婧宇，楊亞娟，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管存在問題及建議[J].中國水土保持，2019（6）：53-55.

[2]??? 劉郭陽，劉立峰，楊磊.遙感影像解譯在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（24）：126-127.

[3]??? 施明新.無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水土保持通報(bào)，2018，38（2）：236-240，329.

[4]??? 巴麗敏.無人機(jī)遙測在水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評(píng)估中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2017，35（10）：28-29，36.

[5]??? 李長保.ArcGIS在小流域水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國水土保持，2018（1）：65-68.

[6]??? 齊斐，胡續(xù)禮，劉霞，等.基于小流域劃分的沂源縣水土保持規(guī)劃布局及措施配置[J].中國水土保持科學(xué)，2018，16（5）：129-135，144.

[7]??? 張雪，周祖煜，辛華榮，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持天地一體化監(jiān)管作業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)研究[J].江蘇水利，2021（11）：10-14.

[8]??? 韓立新，胡安強(qiáng)，楊曉娟.以濟(jì)南市章丘區(qū)為例淺談小流域劃分技術(shù)[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2021（5）：51-54.

[9]??? 米瑞鵬.不同城市需求下海綿城市規(guī)劃建設(shè)研究[D].成都：西南科技大學(xué)，2020.