GIS軟件在小區域等高線地形圖制作中的應用實踐

李標明

摘 要：利用軟件繪制等高線地形圖可有效提高課堂教學質量，而目前大多數地理教師利用軟件繪制等高線地形圖技能不足或制圖效果差，在一定程度上影響其教學效果。以認識GIS軟件的主要類型及其制圖思想為基礎，探討用GIS軟件繪制和加工小區域等高線地形圖的一般過程，主要包括：地理要素數據下載—坐標系變換—數據加工—地圖輸出等環節，并以具體案例實踐說明制圖的操作細節。

關鍵詞：GIS軟件；等高線地形圖制作；地理要素數據；坐標系變換；數據加工

中圖分類號：G633.55；K99? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2023）07-0008-04

地理新課標強調教師應在教學中深化信息技術的應用。利用GIS制圖技術輔助地理教學或研學已逐漸被教師認可［1］，但大多數地理教師在講授等高線地形圖、原創命題過程中存在不會制作學生所在鄉土地區或全球任意小區域的高清等高線地形圖的問題。目前，教師獲取高清地圖主要通過以下兩種方法：①初級方法：網上搜索地圖→下載→用Windows中的畫圖板工具和辦公軟件Office/WPS中Word/PPT的繪圖工具去調整亮度、對比度，或者手工描摹→高清地圖；②網上搜索地圖→下載→用矢量化工具修圖→高清地圖。例如，可用Adobe Illustartor、CorelDraw或Inkscape等矢量繪圖軟件加工中國自然資源部的標準地圖服務網（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）所提供的.eps格式的地圖。

通過以上兩種方法重繪高清地圖都費時費力，且不能主動獲得自己想要的任意區域的地圖。本文通過探索使用GIS軟件生成任意小區域的高清等高線地形圖的方法，并疊加經緯網、水系、交通、地名、政區等地理要素制圖以滿足一線教師的教學需要。

一、GIS軟件介紹

近幾十年，快速發展的地理信息技術推動著地理要素數字化、可視化。GIS軟件可直觀顯示球面和平面的地理要素的空間分布。不同類型的GIS軟件已在遙感、城鄉規劃、無人機、軍事、交通、地質、電力等多領域發揮著重要作用。由于達成不同的目標任務需要采用不同的技術路徑，同時又面對海量的地球空間數據，因此，全球范圍內很多大學、研究機構和公司都在開發功能有所側重的GIS軟件。GIS軟件可分為收費和免費兩種。其中，商業軟件有美國的ArcGIS、Global Mapper、Maptitude和中國的SuperMap GIS、MapGis等；開源軟件有QGIS、gvSIG、OpenGeoDa等［2］。GIS商業軟件的公司官網都可下載試用版或申請試用許可。

下載上述軟件的方法示例：百度輸入“QGIS軟件”→進入該軟件公司的官方網站→下載安裝文件→按照提示進行安裝。在百度中輸入“QGIS 的操作界面如何設置成中文”，搜索到設置方法后按提示操作即可設置中文界面。另外，現在的瀏覽器都有翻譯功能，可比較方便地閱讀國外GIS軟件公司官網的內容。由于GIS軟件要處理海量地圖數據，故電腦的CPU配置要64位，操作系統為windows10以上或Linxu等版本。

不同版本的GIS軟件的界面風格、菜單命令功能差異較大，對數據的加工方法有多種，會生成不同的數據格式，但其制圖的基本思想都一樣：下載地圖數據→在GIS軟件的圖層中呈現空間分布→加工數據→在布局項目中設置地圖樣式→輸出地圖。選擇合適的GIS軟件工具，可幫助教師解決中學地理教學中的地圖自動繪制的問題。本文推薦使用QGIS、Global Mapper或超圖軟件。

二、繪制與加工小區域等高線地形圖的一般過程

1.數據下載

下載地理要素數據的途徑主要有：①通過國土部門、地理信息類的研究機構、GIS微信公眾號、地信網論壇（http：//bbs.3s001.com/forum-36-1.html）等網站下載；②利用各種GIS軟件及其插件下載在線地圖數據，其中不少Web GIS服務器需要登錄賬號和密碼許可；③加入GIS地理信息技術QQ群，群文件夾里可能有需要的數據。

（1）下載數字高程模型DEM

為獲得任意小區域的等高線地形圖，要先下載該區域的數字高程模型DEM數據（DEM是一種柵格數據，可用于提取等高線）。下載DEM數據的途徑有多種，例如，在地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/#page1/1）中，按“首頁→服務→DEM切割→行政區→省→市→縣”的次序進入數據下載頁面，可下載到我國某地.tiff格式的數據。在日本財團—GEBCO海床2030項目網站（https：//download.gebco.net/）中，無需注冊就可下載精度較低、范圍較大的.tif格式的數據。通過在QGIS內安裝SRTM-Downloader插件，注冊后可下載美國航空航天局的數字地球官網（https：//earthdata.nasa.gov/）提供的.hgt格式的數據。以上三種來源的數據的地理坐標系為EPSG：4326-WGS84。不同來源的DEM數據由于其測量的歷年不同，測量設備不同，算法不同，精度也會有所不同。

（2）下載水系、交通、地名、政區等地理要素數據

要實現對純等高線地形圖的加工，先要獲得水系、公路、鐵路、地名、政區等地圖矢量數據。

①在國家基礎地理信息中心（https：//www.webmap.cn/store.do？method=store&storeId=2）實名注冊后可下載1∶100萬或1∶25萬的中國基礎地理數據庫中各種地理要素的矢量數據。這些數據的地理坐標系為CGCS2000，均可被QGIS打開。1∶100萬的數據是gdbtable文件，內有等高線數據。1∶25萬的數據是shapefile類型的文件，有地名、水系、公路、鐵路等地理要素數據。

②在中科院資源環境與數據中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）注冊登錄后可下載我國的政區、地質、地貌、土壤和水系等矢量和柵格數據。但不少免費的數據比較老舊。

③在中國自然資源部天地圖（https：//www.tianditu.gov.cn/）注冊登錄后，可在國家級或省市節點提供的服務資源中下載數據。在國家級的節點中，下載中國水系、公路、鐵路、地名數據的步驟：QGIS左側的瀏覽器→WFS/OGC API-features→單擊右鍵→新建連接→名稱輸入“天地圖中國”→URL中輸入天地圖網站中的數據API的網址為http：//gisserver.tianditu.gov.cn/TDTService/wfs→OK→鼠標雙擊剛才新建的“天地圖中國”→可打開天地圖提供的中國范圍內的水系、公路、鐵路、地名等要素圖層。這些圖層數據的地理坐標系為EPSG：4326-WGS84，可導出保存為shapefile類型的文件。各省市節點提供的數據多是受保護的，需要申請許可才能下載。

④世界各國的各級政區數據可在網站https：//osm-boundaries.com/中下載，但需要注冊賬號且連接不被限制才能下載.geojson格式的政區數據；在QGIS中，安裝插件HCMGIS后可下載GADM提供的精度較小的全球政區數據；插件HCMGIS內有很多Web GIS服務器提供的共享地理要素數據，如可通過網絡功能服務WFS方式連接美國斯坦福大學的地圖數據庫。全球大部分城鎮地區的水系、交通、地名等.shp格式的地理要素數據都可在網站https：//download.geofabrik.de/index.html中下載；在QGIS中，安裝插件OSMDownloader后可下載全球大部分城鎮地區的地理要素數據。以上數據的地理坐標系都是WGS84。

不同來源的地圖數據會涉及國家主權的問題。地圖編輯和發布凡是涉及我國疆域主權的政區邊界、軍事要地等數據，必須遵守我國地圖管理的相關法律，要以中國自然資源部標準地圖服務網的地圖為準。

2.坐標系及其變換

地理要素數據的坐標系分地理坐標系和投影坐標系兩種。地理坐標系是球心坐標系，坐標單位是經緯度。由于地圖投影是球面轉平面的過程，故投影坐標系地圖上的經緯線是彎曲的。世界各國各地采用坐標系多有不同。就地理坐標系而言，中國的是CGCS2000，法國的是ATF（Paris），美國的是WGS84，加拿大的是NAD83，南非的是Cape……就投影坐標系而言，有Albers、Lambert、Mercator、 Gauss-Krüger等多種類型。

每一種地理坐標系，可對應多種投影方法。每一種投影坐標系，不同經緯度位置地區的投影方法也不盡相同。對比例尺大于等于1/50萬的小區域而言，地圖要采用 Gauss-Krüger投影坐標系。例如，成都平原可采用的投影坐標系為EPSG：4496-CGCS2000 / Gauss-Krüger zone 18；廣州可采用的投影坐標系為EPSG：4526-CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger zone 38。

不同的地理坐標系和投影坐標的數據在進行圖層疊加時會出現地圖偏移的問題，這涉及坐標系轉換問題。地理坐標系和投影坐標系的轉換涉及歷年歸算、參考框架轉換、板塊運動改正、保密的測繪數據和轉換參數等問題［3］，需要用到超圖軟件、ArcGIS等商業軟件才能處理好。有些GIS軟件在設置坐標系時會涉及橢球參數、基準變換等問題。開源GIS軟件在進行坐標轉換時，會用到開源的PROJ通用坐標轉換軟件（https：//proj.org/）。建議制圖時要下載CGCS2000或WGS84地理坐標系及其投影坐標系下的地理要素數據，可避免處理復雜的坐標系轉換問題。

現在，GIS軟件有地理坐標的動態投影功能［4］。最先導入的數據的坐標系會被默認為工程的坐標系，后面導入的其他不同地理坐標系和投影坐標系都會自動進行動態投影和地理坐標變換，以使這些地圖數據正確地顯示地理位置。

3.數據加工

對地理要素數據圖層的加工，要根據數據特點和制圖目標而定。地理要素的數據可分為點、線、面三類，需要用到GIS軟件提供的數字化工具去加工。要注意對柵格數據和矢量數據有不同的導入方式，對其可以進行提取等高線、分割、裁剪、標注、過濾、合并等操作。若圖層標注出現亂碼時，要注意選擇數據源的編碼為UTF-8、GBK或其他格式。在QIGS中，安裝插件Magic Wand后，可提取地圖中的線、面或遙感影像中的輪廓。

數據加工過程中會遇到修改屬性表、代碼表達式、坐標變換、符號庫、翻譯等很多技術問題。解決方法是需要教師在實踐中摸索并及時記錄下來。例如，可在QIGS官網中查找幫助文檔；或到“嗶哩嗶哩”和微信公眾號中搜索關于QGIS的教學操作視頻。本文推薦使用“Deepl翻譯器”翻譯外文技術手冊；對于外文軟件中的各種功能，可用手機中的百度拍照翻譯輔助理解。另外，左傾斜的水體注記需要從網上下載和安裝“東體”字庫。

4.地圖輸出

不同的GIS軟件，其輸出地圖的方法不同，但主要是通過“布局”設置實現的。這樣做的好處有很多：數據加工和顯示分開處理；在布局中顯示地圖，可加上經緯網、比例尺、圖例、文字注記等；一次加工數據后，可根據需要顯示多個局部地圖等。

不同的GIS軟件，地圖布局的操作界面也不一樣。例如，對Global Mapper而言，在做好數據導入、加工和坐標系變換后，按“Tools→Map Layer Editor”的次序打開地圖布局編輯器，設置好方向標、圖例、比例尺和圖名等，可導出.pdf格式文件。對超圖軟件SuperMap iDesktop 10i而言，在數據導入、加工和坐標系變換后，要先保存地圖，然后按“新建布局→對象操作→地圖→矩形→選擇地圖”的次序，再設置方向標、圖例和比例尺等，設置好后可輸出地圖。

三、繪制與加工小區域等高線地形圖的實踐案例

本文以“用QGIS軟件生成投影坐標系CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E下的蕉嶺縣等高線地形圖，并添加道路、河流、地名”為例說明國內小區域等高線地形圖的生成和加工方法。操作步驟如下。

1.數據下載

①獲取中國縣級政區數據：打開QQ→搜索“GIS技術”→加“GIS開發技術之最強交流群”→群主同意入群→文件夾→2019全國行政區劃→解壓后得到數據格式為.shp、地理坐標系為CGCS2000的文件。

②獲取蕉嶺縣交通、水系、地名等數據：在國家基礎地理信息中心網站下載我國1：25萬的矢量數據，得到g50c004002.rar壓縮包，解壓后得到梅州市部分地區的交通、水系、地名等的.shp格式數據。

③獲取蕉嶺縣DEM數據：在地理空間數據云中，按“首頁→資源→公開數據→DEM數字高程數據→ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據→輸入經度116.5、緯度24.5”的次序，可下載到文件ASTGTM_N24E116C.img，其數據的投影坐標系為EPSG：32650-WGS84/UTM zone 50N。

2.坐標系及其變換

①分割出蕉嶺縣政區：打開QGIS，以矢量格式導入2019全國行政區劃的縣.shp→選定該圖層→矢量→數據管理工具→分割矢量圖層→在唯一字段對話框中選“省”→輸出文件類型選“shp”→選定輸出目錄→OK，可分割出廣東省的shp文件。按同樣的方法，依次導出梅州市、蕉嶺縣政區數據，獲得文件NAME_蕉嶺縣.shp。新建QGIS工程，導入蕉嶺縣政區的shp文件，此時QGIS工程為地理坐標系CGCS2000，將新建工程命名為“蕉嶺縣主要交通、河流和等高線地形圖”。

②更改工程為投影坐標系：工程→工程屬性→CRS→過濾器中輸入4548（蕉嶺縣范圍小，要選擇117°E為中心的Gauss-Krüger投影坐標系）→選定CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E→OK。

3.數據加工

①符號化處理政區圖層：蕉嶺縣政區圖層→屬性→符號化→簡單填充→填充顏色→透明填充→描邊樣式選“短橫點虛線”→OK。注意要標注好后面導入數據所產生的圖層名稱，否則容易混亂。

②提取和過濾等高線：以柵格格式導入ASTGTM_N24E116C.img→添加→選定剛生成的圖層→柵格→提取→等值線→設置等高距150米→運行即可得到等高線圖層。然后移除原來的柵格圖層。若只顯示海拔300米和600米的等高線，可用“過濾”的方法：選定圖層→屬性→過濾→利用“字段、采樣和操作符”，在過濾表達式中輸入："ELEV" = 300 OR "ELEV" = 600。

③裁剪等高線：矢量→地學數據處理工具→裁剪→輸入圖層選要被裁剪的等高線圖層→疊加圖層選NAME_蕉嶺縣→選定保存的文件夾→運行→獲得等高線圖層。然后移除原來的等高線圖層。

④設置等高線的樣式和標注［5］：圖層屬性→符號化→可改變線條的粗細和顏色。圖層屬性→標注→單一標注→值選“ELEV”→標注海拔。點擊圖層屬性→符號化→簡單線→符號圖層類型→幾何圖形生成器，用表達式if（$length>3000，$geometry，''），可刪去一些非常小的斑點狀的等高線。在標注表達式中輸入if（$length>3000，"ELEV"||'m'，''），可刪去一些非常短小的等高線的數值和單位。

⑤以矢量格式依次導入下載的g50c004002文件夾內的自然地名aanp、居民地名agnp、水系hydl、公路lrdl的.shp格式的文件。依次裁剪出蕉嶺縣境內的地名、河流、公路圖層，建議分別導出為.shp格式的文件保存起來。單一標注的值選“abc NAME”，標注好地名、河流、公路注記。可用前面“過濾”方法所用的代碼表達式有選擇地標注某幾個地理要素名稱。

4.地圖輸出

①工程→新建打印布局→輸入標題：蕉嶺縣主要交通、河流和等高線地形圖→添加項→添加地圖→主界面最右邊→選擇地圖1→項屬性→比例尺設置為1∶25萬→編輯→移動內容或移動項→適當調整圖幅大小。

②設置經緯網：項屬性→網格→點擊“+”→選擇網格1→修改網格→CRS：在過濾器中輸入4 490，選擇CGCS2000坐標系→橫坐標：0.1，縱坐標：0.1→框架→線條框架→打鉤“繪制坐標”→格式：度、分→字體：14→坐標精度：0。

需要注意在QGIS中，工程屬性要根據當地的經緯度選擇合適的投影坐標系；地圖布局中的網格（即經緯網）應選擇與投影坐標系相對應的地理坐標系。

③布局→添加比例尺和標注，按界面的提示操作即可。

④輸出地圖：布局→導出為圖像→獲得.png格式的地圖。

按以上步驟還可生成更大比例尺、更小等高距的有經緯網的蕉嶺縣等高線地形圖，用手機下載“北斗伴”App實地測量幾個公路和河流交叉點的經緯度，經驗算其位置精度的誤差很小。由于受相關地圖法律的制約，本文不予顯示本案例操作所得的地圖。

按照上述步驟可制作盧森堡的盧森堡縣局部地區等高線地形圖（圖1）。其DEM數據來源于地理空間數據云，交通、河流和建筑物數據來自QGIS中的OSMDownloader下載插件，地圖投影坐標系為EPSG：32631-WGS 84 / UTM zone 31N。為顯示中文，需要修改地理要素數據的屬性表。例如，選定盧森堡縣的河流圖層→單擊右鍵，切換為編輯狀態→打開屬性表→新建字段→名稱：name_cn，類型：文本，長度：12→OK；編輯→選擇→選擇要素→滾動鼠標，在地圖中找到要標注的河流→打開屬性表→在name_cn中輸入阿爾澤特河→保存圖層編輯→切換為非編輯狀態。

四、結語

通過以上討論可知，用GIS軟件繪制和加工小區域等高線地形圖的方法有一定難度，但經學習和實踐后是可操作的。若想繪制和加工等高線地形圖，就要熟悉地理要素數據下載方法，熟悉某一種GIS軟件的使用方法。在進行地圖數據加工和坐標系選擇與變換過程中，可感受到現在國內外“地學”的快速進展和價值所在，其中的理論和方法能極大更新中學地理教師的教學觀念。當掌握等高線地圖繪制和加工的技術后，教師專業能力得到提高，可使平時的教學更具有主動性和創新性。

參考文獻：

［1］ 周澤甬.GIS制圖技術在初中地理課堂教學中的應用實踐［J］.地理教育，2022（11）：18-21.

［2］ 圖新小正.推薦12款非常實用的GIS軟件［DB/OL］.（2020-04-13）［2023-3-9］.http：//www.tuxingis.com/gisvision/knowledge/519.html.

［3］ 劉光明.CGCS2000坐標轉換［M］.北京：測繪工業出版社，2020.

［4］ Heather Smith.Projection on the fly and geographic transformations［DB/OL］.（2020-03-02）［2023-3-9］.https：//www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/projection-on-the-fly-and-geographic-transformations/.

［5］ 賀小桑.利用QGIS制作等高線地形圖［DB/OL］.（2021-06-11）［2023-3-9］.https：//mp.weixin.qq.com/s/VBKfGNTgmDpWg0YWH9ZFyw.