利用ArcGis繪制墑情等值線圖及相關拓展應用

王路路

（東營市水文中心，山東 東營 257000）

在水文工作中，墑情能反映土壤含水率，與雨情、水情等水文要素同樣具有不可忽視的地位，墑情等值線（面）能直觀地反映一個區域內的土壤干濕程度，做好墑情等值線（面）圖的繪制十分重要[1]。隨著計算機技術的發展，繪制等值線的工具越來越多，比如Map-Info、Surfer、ArcGis 等軟件。本文以一張普通的東營市水系圖為開端，經過ArcGis 的一系列處理，成功地將普通地圖矢量化，并以東營市墑情數據為基礎，使用Arc-Gis 軟件，自動生成了墑情等值線圖，為全面了解東營市的土壤墑情提供了理論支撐[2-3]。

1 前期資料準備

東營市水系圖：從山東省自然資源廳官網下載一張標準的東營市水系圖，東營市18 處自動墑情站地理坐標，東營市18 處自動墑情站2023 年2 月15 日相對濕度數據，東營市政府、河口區政府、墾利區政府、廣饒縣政府、利津縣政府實際地理坐標。

2 操作步驟

2.1 地圖矢量化

2.1.1 生成圖層

啟動ArcGis 軟件，在菜單欄點擊“添加數據”，將下載完成的東營市水系圖導入軟件，生成相應圖層。

2.1.2 地理配準

右鍵點擊工具欄，選擇“地理配準”工具，點擊“添加控制點”選項，在地圖上選擇位置明顯的地標左鍵點擊地標，會出現小十字，此時點擊右鍵，選擇“輸入x和y”，輸入地標的真實坐標。

以上操作完成后，會給普通的水系圖賦予坐標。需要注意，地圖會發生形變，這是正常狀況，后期完成“定義坐標系”操作后，地圖會恢復正常形態。

在“地理配準”工具欄內，點擊“查看鏈接表”，會出現地理配準坐標殘差檢驗界面，如圖1 所示。圖1 內的“殘差”值越小，說明地圖坐標越精確。

圖1 地理配準坐標殘差檢驗界面Fig.1 Geographical registration coordinates residual error test interface

2.1.3 創建線要素

因為下載的水系圖還存在多余的部分，此操作的目的是框選出東營市邊界，裁剪掉多余邊角料。

在目錄內選中“東營市水系圖”所在文件夾，點擊右鍵，新建shapefile，更改名稱，要素類型選擇折線。

點擊編輯器，下拉、開始編輯，點擊創建要素，在右側彈出的創建要素對話框內構造工具選擇線，沿東營市地圖邊界框選一圈，完成后左鍵雙擊停止。

2.1.4 線要素轉面要素

上一步的操作框選了東營市的周長，線要素轉面要素的目的是將周長轉換為面積。打開“ArcToolbox”工具箱，打開工具箱，點擊數據管理工具，選擇要素，要素轉面，輸入要轉換的要素。

2.1.5 地圖裁剪

打開“ArcToolbox”工具箱，點擊“數據管理工具”，選擇“柵格”，選擇“柵格處理”，選擇“裁剪”，左鍵雙擊打開對話框。

對話框內，輸入柵格：下拉選中要裁剪的圖層，輸出范圍：選擇轉換完成的面要素，點選“使用輸入要素裁剪幾何”，輸出柵格數據集：選擇文件地址，命名時注意加后綴.tif，此時相應文件夾內存在圖片。

如果出現“當前許可不支持影像服務器”提示時，選擇裁剪窗口的“環境”按鈕，點開“并行處理”，在“并行處理因素”對話框中輸入“0”。

至此，東營市水系圖矢量化操作完成，可以保存文件作為底圖文件，此后每次使用都可在此底圖的基礎上往下進行，不用重復進行地圖矢量化的操作。

2.2 定義地理坐標系

在ArcGis 中坐標系分為地理坐標系和投影坐標系。地理坐標系是球面坐標，參考平面是橢球面，坐標單位是經緯度；投影坐標系是平面坐標系，參考平面是水平面，坐標單位是m、km 等[1]。地理坐標系轉換到投影坐標系的過程理解為投影，將不規則的地球曲面轉換為平面。

操作方法為：在左側“內容列表”內，右鍵點擊圖層，選擇“屬性”，在彈出的“數據框屬性”對話框內，選擇“坐標系”對話框，選擇“地理坐標系”，在彈開的列表中選擇“World”，繼續選擇“WGS 1984”，點擊確定完成。

此時的東營市水系圖仍然保持變形的狀態，這是只定義了地理坐標系，尚未定義投影坐標系。設置投影坐標系需要先添加墑情數據再可進行操作，若順序顛倒會出現墑情站點與地圖分離的狀況。

正確的操作順序為：地圖裁剪—定義地理坐標系—添加墑情數據—定義投影坐標系—繪制等值線。

2.3 創建墑情站坐標點

2.3.1 Excel數據處理

在Excel 里做4 列（多列亦可）數據，第1 列為站點名稱，中間2 列為墑情站點真實坐標，第4 列為土壤相對濕度，如表1所示。

表1 東營市2023年2月15日土壤墑情表Tab.1 Soil moisture table on February 15,2023 in Dongying City

2.3.2 添加數據

打開左上角文件，選擇“添加數據”，選擇“添加x、y數據”，選擇“土壤墑情表”，分別選擇“x、y、z數據”，點擊“確定”。

注意，如果出現“表沒有Object-ID 字段”提示，可以打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“轉換工具”，選擇“Excel”，選擇“Excel轉表”的操作進行處理。

此時會在左側“內容列表”內出現相應的“表”，選中該表，點擊右鍵，“顯示x、y數據”，“x字段”數據選擇經度，“y字段”數據選擇緯度，“z字段”數據選擇土壤相對濕度，點擊“確定”，即可顯示出18處墑情站點。

若需顯示站點名稱，可以選中表，點擊右鍵，點選“標注要素”。

2.4 定義投影坐標系

在左側“內容列表”內，右鍵點擊圖層，選擇“屬性”，在彈出的“數據框屬性”對話框內，選擇“坐標系”對話框，選擇“投影坐標系”，在彈開的列表中選擇“UTM”，繼續選擇“WGS 1984”，選擇“Northern Hemisphere”，在彈開的列表中選擇“WGS 1984 UTM Zone 50 N”，點擊確定即可完成。定義投影坐標系后，地圖變得狹長，并且恢復到下載的原圖大小。

2.5 繪制等值線

2.5.1 使用反距離權重法插值

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“插值分析”，選擇“反距離權重法”。然后在“輸入點要素”中選擇土壤墑情表，“Z值字段”選擇土壤相對濕度。如果此時點擊確定，會出現等值線圖與地圖大小不重合的狀況，需要在“環境”界面中繼續設置。

在“環境設置”界面下，“處理范圍”設置為與裁剪完成的東營市水系圖相同，“柵格分析”下的“掩膜”選擇同樣范圍。

2.5.2 等值線成線

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“表面分析”，左鍵雙擊“等值線”。然后在“輸入柵格”中選擇使用反距離權重法插值后的圖層，“等值線間距”和“起始等值線”可根據需求自行設置，“等值線類型”選擇“CONTOUR”。

2.5.3 平滑等值線

初步生成的等值線存在生硬的鋸齒，可以通過以下操作使等值線平滑美觀。

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“制圖工具”，選擇“制圖綜合”，選擇“平滑線”。然后在“輸入要素”中選擇等值線，“平滑算法”選擇“PEAK”，“平滑容差”根據自身需求填寫，后面單位選擇“km”，點擊確定。

2.5.4 設置等值線標注

選中等值線圖層，右鍵，選擇屬性，選擇“標注”，勾選“標注此圖層中的要素”，在“標注字段”中選擇“Contour”，同時，可以根據需求設置字體樣式、顏色和大小。

點擊“放置屬性”，設置標注的方向和位置。如果標注的位置為“在線上”，會出現標注被線遮擋的情況，此時需要掩膜操作。在“標注”界面下，選擇“符號”，進一步選擇“編輯符號”，選擇“掩膜”，點選“暈圈”。

3 拓展應用

3.1 生成等值面

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“表面分析”，雙擊“等值線”。“輸入柵格”“等值線間距”“起始等值線”三項與“2.5.2 等值線成線”節要求相同，不同的是“等值線類型”選擇“CONTOUR_POLYGON”。點擊確定即可自動生成等值面。

3.2 設置等值面顏色

根據不同的墑情數據及干旱等級設置相應的顏色，如表2所示。選中等值面圖層，點選符號選擇器，根據土壤相對濕度數據設置相應顏色。

表2 干旱等級及顏色對應表Tab.2 Drought grade and color mapping table

3.3 設置等值面透明度

此操作的目的在于使東營市地圖內各縣區、河道水系等基本信息不被覆蓋，真實顯示各縣區的墑情狀況。操作方法為：選中等值面，右鍵選擇屬性，在“顯示”界面根據需求設置透明度。

3.4 計算等值面各區域面積

該操作的目的是計算等值面內各區間的面積，比如土壤輕旱、中旱受災面積等。此法還可應用在雨量站上，在生成的降水量等值面圖內計算各降水量級的區域面積。

操作步驟為，選中“墑情等值面”圖層，右鍵，選擇“打開屬性表”，左上角點擊“表選項”，在彈出的對話框中選擇“添加字段”，定義名稱，類型選擇“雙精度”，點擊確定。此時，會在表的最后一列出現“面積”一欄，選中整列，右鍵，選擇“計算幾何”。在“計算幾何”對話框中，點選“使用數據框的坐標系”，單位選擇“km2”，點擊確定，會自動計算各區間面積。方法如圖2所示。

圖2 計算等值面各區域面積操作界面Fig.2 Calculate the area of each area of the isosurface operation interface

4 結語

本文利用ArcGis 軟件實現了一張普通地圖生成墑情等值線的目標，并在此基礎上生成了等值面，根據墑情數據，得出干旱受災面積，可為相關職能部門提供旱情數據支撐，有效降低干旱風險。