ArcGIS在水利規劃設計中的具體應用

汪仕偉,劉 輝,洪明海,余曉敏,夏明鴻

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

GIS技術作為信息化的體現之一,在水利工程各環節中的應用范圍不斷擴大,應用層次也逐漸深入[1]。ArcGIS是GIS體系化應用系統,其中包含地理分析、地圖視覺化、數據庫等功能,能夠對空間信息進行處理和分析[2]。ArcGIS軟件系統主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe和ArcScene等軟件組成,近年來廣泛應用于水利規劃設計中,如水利信息化、水文分析計算、洪水風險區劃、水資源管理、水利工程用地布局等。現代水利規劃工作主要是以區域水利發展歷史和現狀為基礎,結合經濟社會發展規劃布局,預測未來水利保障需求,提出與規劃水平年需求相適應的水利工程建設和管理工作重點,為區域社會高質量發展提供可靠的水安全保障。文章以貴州省W縣水安全保障規劃項目為例,探討ArcGIS軟件在規劃工作中水利數據管理與分析、數據賦值與統計、規劃成果圖制作等應用,取得良好的效果,有一定的借鑒和參考意義。

1 項目背景與ArcGIS應用價值分析

1.1 項目背景

貴州省W縣耕地資源豐富,土地平整且肥沃,兼具高海拔、低緯度、日照長、晝夜溫差大等特征,是“云貴高原65個夏秋蔬菜生產基地建設重點縣”“全國153個夏秋蔬菜生產基地縣”。W縣人口、耕地等用水戶主要分布在1800m高程以上,而河流平均海拔僅1500m,河流、水庫等水資源分布的高程遠低于人口、耕地等分布高程,嚴重制約當地經濟發展。為解決區域水資源短缺和工程性缺水問題,W縣水安全保障規劃提出新建一批水庫等骨干水源和提水工程。

1.2 ArcGIS應用價值分析

水利規劃需要大量的基礎數據和行業專業數據,包括河流水系、地形地貌、水資源分區、水功能區劃、水利工程分布(包括水庫、提水工程、堤防、機井、水廠等)、經濟社會分布(包括人口、行政區劃、耕地資源、工業園區等)、飲用水源地、生態敏感區等,具體到W縣水安全保障規劃中,還需要細化到蔬菜基地分布等。為提高規劃工作效率和規劃成果水平,需要將上述大量的有關數據集成在一個統一的空間范圍內,便于分析研究現狀,提出水利工程與管理工作重點規劃。ArcGIS具有強大的數據管理功能,能很好地應用于上述數據的儲存、整合、編輯等管理分析。

水利規劃中,不同高程的水源或提水工程覆蓋的人口、耕地灌溉面積等差異較大,供水對象的高程和空間范圍分布是確定規劃工程項目布局、優化工程參數、開展水網構建、提升水資源配置有效性的關鍵因素,對規劃項目的效益發揮和投資有直接影響。而實際工作過程中收集到的耕地圖斑數據往往是不帶高程的二維數據,無法根據工作需要準確且高效地統計出不同高程的耕地面積。傳統規劃中采用的方法通常是利用CAD等軟件,將耕地分布圖與1∶50000或1∶10000的地形圖疊加,然后通過人工識別等方式去判斷耕地的空間分布,進而開展水資源配置。此方法不僅要耗費大量人力和精力,也難以滿足現代水利規劃高效、準確的要求。因此,文章以ArcGIS在W縣水安全保障規劃中的具體應用為背景,研究通過批量簡化處理且精度滿足要求的方法,統計不同高程的耕地數據和識別判斷耕地空間分布情況。

規劃圖件是規劃成果必不可少的組成,其主要作用在于集成和直觀展示規劃成果。現代水利規劃對于成果圖的制作水平有更高的要求,比如信息準確、內容豐富、展示全面、效果美觀、出圖高效、便利儲存調用和修改等。傳統規劃中常使用CAD軟件進行制圖,其存在數據管理不便、信息不準確、作圖效率低、圖表對應關系難以建立和同步更新等弊端。ArcGIS軟件具有強大的數據管理和基于數據庫的符號化展示功能,可以很好地解決傳統工作中的制圖問題,高質量地完成規劃成果圖制作。

2 ArcGIS在水利數據管理與分析中的應用

空間數據的編輯和管理是地理信息系統軟件的主要功能之一。ArcGIS具有強大的數據編輯、版本管理、數據共享、企業級數據管理功能,還具有空間數據采集、空間數據庫創建、拓撲關系創建與管理等功能。以軟件在W縣水安全保障規劃中的應用為例,主要進行了如下數據管理與分析的應運用:①加載、查看、編輯和導出數據功能,比如通過軟件可加載河流水系、行政區邊界、水利工程點、耕地圖斑等要素矢量數據,便于直觀查看有關數據的空間分布;打開數據對應的屬性表還可查看各要素的詳細信息,發現錯誤信息可以編輯修正,重點關注的數據也可以選擇導出,在工作中數據查找分析、會議討論、項目匯報等過程中應用廣泛。②有關數據信息整合,比如通過數據連接功能為水庫點文件添加庫容、水位、供水量等信息,便于后續工作中查看和統計分析;或者通過坐標系轉換功能,將不同坐標系的數據轉換到統一的基準坐標系下,為后續統一規劃打好基礎。③開展數據之間關系分析,比如進行規劃水庫建設用地范圍與生態保護紅線關系比對分析,可為調整優化水利工程布局提供可靠支撐;或者開展水源工程自流供水覆蓋高程的分析,可研究水源自流供水的范圍。

3 ArcGIS在耕地資源高程賦值和統計分析中的應用

3.1 資料收集和基礎數據準備

首先收集整理W縣人口經濟社會分布情況、現狀及規劃水源工程分布情況、水資源分區、第三次國土調查評價成果、DEM柵格數據和高清衛星影像圖等基礎資料。然后將W縣第三次國土調查評價成果中的地類圖斑數據(DLTB)加載到ArcMap展示界面,通過工具箱(ArcTool box)中的“按屬性選擇工具”選中耕地數據圖斑(通常包括水田、旱地、水澆地),具體代碼為＂DLMC＂='水田'OR'水澆地'OR'旱地',確認選擇后,將耕地圖斑導出備用。注意導出時選擇“導出所選要素”,為避免文件導出后出錯,導出結果文件宜以英文方式命名。根據導出數據統計,W縣耕地總面積248.02萬hm2,圖斑數量共計18.28萬個,平均面積1.55hm2。

3.2 耕地圖斑高程賦值計算

上述導出的耕地圖斑為不帶高程的矢量數據。想要獲得不同高程的耕地資源面積和耕地空間分布情況,可以考慮通過帶高程信息的DEM柵格數據為耕地圖斑賦高程值。但是在ArcGIS軟件系統中,由于耕地矢量面和DEM柵格面之間存在無數個相交點,無法將DEM柵格數據的高程值直接賦給耕地圖斑的面文件。考慮到用一個耕地圖斑的高程差別不大,文章根據“以點代面”的簡化思路,提出一種簡化計算的方法:首先將提取耕地圖斑的代表點(中心點),然后將DEM的高程值賦予耕地圖斑的代表點,作為耕地圖斑的平均高程,再通過耕地點和耕地圖斑的一一對應關系,將耕地點的高程數據連接至耕地圖斑,便可得到具有代表點高程信息的耕地圖斑。經驗證,此種方法的計算精度能夠滿足水利規劃階段的要求,且大大提高了工作效率。主要計算過程說明如下:

為確保耕地圖斑的前后一致性,便于后續數據之間連接計算,首先需要為每個耕地圖斑進行編碼,使其具有唯一代碼。編碼方式可根據圖斑具體個數而定,例如W縣耕地圖斑共計18.28萬個,可采用縣名拼音首字母+六位數據的編碼方式,也可直接采用系統自動賦值的OBJECTID字段作為唯一編碼。然后提取帶唯一編碼的耕地圖斑中心點作為耕地圖斑平均高度的代表,具體操作為通過ArcTool box中的“要素轉點”工具,將耕地面要素轉換為代表點要素,注意轉換過程中要勾選“內部點”,確保代表點在圖斑內部。接下來,在同時加載了耕地代表點和帶有高程信息的DEM柵格數據圖層的條件下,通過ArcTool box中的“值提取至點”工具,可將DEM上對應點的高程值賦予上述代表點,得到帶有高程數據的代表點要素。為進一步提高計算效率,以上步驟可通過ArcGIS軟件建立計算模型,將輸入要素、計算過程工具和輸出結果通過軟件自帶的工具按照既定程序設定好,后續工作中便可實現一鍵計算和重復調用計算。當需要計算數量巨大的數據時,這種方法可以很好地節省時間,例如,通過調用已設置好的計算模型,本次完成W縣18.28萬個圖斑高程數據賦值計算時間約1min。

得到帶有高程數據的代表點要素后,再通過“連接數據”將代表點的高程值通過數據表中唯一編碼OBJECTID連接至原耕地面圖斑,保持數據之間連接關系將耕地面圖斑數據導出,便可得到帶有平均高程數據的耕地資源圖斑。

3.3 耕地高程分級和分區統計

根據上述得到的帶有高程數據的耕地資源圖斑,打開數據對應的屬性表,選中其高程數據字段,使用右鍵選擇統計功能,便可得知數據的個數、最大最小值、合計數、平均值、標準差等信息。導出其屬性表格并通過excel打開,對各圖斑高程進行分段后,便可對不同高程范圍的數據進行統計,統計結果見表1。

表1 W縣不同高程耕地面積統計表

在水利規劃的水資源配置過程中,通常還要對不同行政區或水資源分區進行水資源供需平衡計算,因此還需要統計不同區域的耕地面積數據。例如,為統計各水資源分區的耕地分布情況,可以在同時加載了耕地圖斑和水資源分區數據的情況下,可采用ArcGIS軟件中的“相交”工具,將上述帶高程信息的耕地圖斑與水資源分區矢量圖相交計算。根據軟件的“相交”計算設定,兩數據相交的結果將保留兩者原始數據信息,便可得到帶有水資源分區數據的耕地圖斑。不同行政區的數據統計方法同理。導出相交計算的結果屬性表格后,可統計不同水資源分區的耕地面積,結果見表2。

表2 W縣不同水資源分區耕地面積統計表

根據表1,W縣81.43%的耕地資源分布在1800～2400m之間,其中在1800～2000m段的占14.35%,2000～2200m段的占29.47%,2200～2400m段的占37.61%,因此,在研究規劃工程布局時,要充分考慮耕地高度的分布情況,在滿足水文、地質等要求的同時,盡量減少輸配水的提水揚程,實現高水高用、低水低用的優化配置。根據表2,W縣的耕地主要分布于橫江、牛欄江和大渡口以上三個水資源分區,可知這是開展規劃水資源配置的重點區域,需加強這些區域的水資源保障,確保耕地得到有效灌溉。

4 ArcGIS在制圖與效果展示中的應用

ArcGIS在專題地圖制圖方面有著較為出色的表現,其制圖技術主要包括符號庫技術、符號系統和標注等[3]。本次規劃過程中,通過ArcGIS軟件系統中的ArcMap的制圖功能,將需要制圖達展示的河流水系、行政區要素、水利工程要素、水網構建簡要線路等數據加載并按主次關系排序,然后進行地圖模板創建、信息標注、符號配置與制圖表達、圖外整飾、質量控制、地圖輸出等過程操作之后,便繪制完成了相關規劃成果圖。

本次W縣水安全保障規劃利用ArcMap軟件完成了二維平面圖、三維展示圖等圖件制作。二維平面展示圖主要包括W縣水系及水資源分區示意圖、地形地貌示意圖、耕地分布情況示意圖、水網布局示意圖、縣城及鄉鎮供水水資源配置示意圖等8張規劃成果圖。三維展示圖主要是通過ArcScene軟件完成,例如為展示W縣某鎮的耕地空間分布情況,首先將DEM數據通過按高程拉升的方式生成三維地形底圖,并將上述帶高程信息的耕地圖斑覆蓋在三維地形底圖上,然后在同一水平面上設置按耕地的高程值拉升,并調整優化數據的符號化顯示(例如設置不同高程段耕地圖斑顯示為不同顏色),便可使耕地資源的空間三維分布情況更直觀地展示出來。在實際應用過程中,由于數據計算和符號化展示受計算機CPU、內存和顯卡等限制,數據量過大時操作過程中軟件系統容易出現卡頓,因此需要配置性能較好的計算機硬件系統。

5 應用成果討論及建議

文章探討了ArcGIS軟件在水利規劃設計中數據管理與分析、數據賦值計算與統計、規劃成果圖制作等方面的具體應用,取得了較好的效果,對現代水利規劃設計有一定的借鑒和參考意義。特別是通過“以點代面”的簡化思路,提出了一種耕地數據高程的賦值計算方法,可快速為水利規劃提供可靠的基礎數據,此方法不僅可應用于水利規劃設計,經進一步復核驗證也可應用于工程設計的可研、初設等階段。通過ArcGIS軟件系統中ArcMap、ArcScene等軟件,充分發揮其符號化功能,可高質量地制作出水利規劃圖件。建議在今后水利規劃中充分利用ArcGIS軟件系統,深入挖掘和發揮其功能,比如水文分析計算、工程用地布局與敏感區關系分析、標準化批量制圖等,或者基于ArcGIS系統進行二次開發,更好地服務于水利規劃,提高規劃效率和水平。