李长保：ArcGIS在小流域水土保持规划设计中的应用

摘要

随着国家对水土保持投资的不断增长和将水土保持工程项目全面纳入水利工程进行管理，对小流域规划设计提出了更高的要求，为提高小流域水土保持规划设计水平、减轻设计劳动强度、提高设计效率，并同时满足水土保持项目管理信息化的要求，必须推进地理信息系统相关软件和微片在规划设计中的应用，加快小流域规划设计制图从CAD向GIS迁移。以ArcGIS10为例，介绍了GIS在小流域规划设计中的具体应用。

 

1 小流域规划设计现状

1.1 小流域规划设计的重要性
 

尽管国家高度重视水土保持生态建设，并不断加大投资实施以小流域为单元的综合治理工程，但因水土流失点多面广，资金投入一直难以满足治理的需要，为了提高投资效率，不得不将资金投向水土流失严重、急需治理的区域。因此，小流域规划设计的最初目的是因地制宜确定治理模式，选择最佳措施并合理布局。

 

随着国家对水土保持投资的不断增长和将水土保持工程项目全面纳入水利工程管理，对小流域规划设计提出了更高的要求，提高设计质量和准确度，确保实施措施图斑的位置、面积、边界与实地对应是现阶段小流域规划设计的新要求。同时，随着科学技术的进步，项目精细化管理至图斑已成趋势，为了减少管理层级、提高管理效率、推进项目管理信息化，也需要以详细、准确的小流域规划设计为基础。

 

1.2 小流域规划设计的主要内容

 

小流域规划设计是国家拨付资金的依据，施工企业施工的蓝图，在项目前期审查、批复、计划下达、招标、检查、验收、支付、审计等各个环节都要用到。

 

小流域规划设计的主要内容有：小流域基本情况；水土流失的特点及治理模式，措施选择及建设任务；施工设计；进度安排；施工组织及管理；项目监测；投资概算，效益分析等。

 

重点是措施设计和投资概算，措施设计解决建什么、在哪建、怎么建的问题，投资概算解决花多少钱合适的问题。

 

1.3 小流域规划设计的主要技术难点

 

与一般的点状或线状水利工程不同，水土保持工程是一个大范围的面状工程，措施因实地立地条件不同而多样，精确定位各地块，做到边界、面积与现场高度拟合是设计的重点，只有这样才能准确掌握土地利用、水土流失现状，准确规划措施，精确计算投资。

 

目前，多数设计单位还是利用万分之一纸质图现场人工勾绘图斑，扫入计算机缩放后在CAD中人工勾绘边界，再画面算面积，填入Excel表格，人工逐个图斑填图例、标注图斑号，土地利用、水土流失强度、措施布局图需要重复处理。CAD制图工作量大、耗时长、后期修改不易，人工现场勾绘图斑因对地形不熟悉而不能准确把握，易造成位置偏移、面积不准、边界不对应。技术手段不先进，设计与实地不对应，是目前普遍存在的问题。

 

2 GIS 在小流域规划设计中的优势

 

随着卫星影像、通信、网络、数据处理等科学技术的发展，我们对水土流失的探知能力进一步增强，通过卫星影像可大范围了解区域流失程度，精度也不断提高，个别区域已达0．5m；网络传输覆盖区域也越来越广，传输量和速率也越来越大；各种地理信息软件也极为丰富，无人机、数码摄影的应用也逐步推进。这些都为水土保持规划设计提供了良好的技术支撑。

 

利用CAD完成小流域规划设计辅助设计，已不能适应新形势下的设计要求，而GIS类软件以其数据兼容性好、数据库处理能力强，成为小流域辅助规划设计的首选。

 

GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，而且可利用强大的数据库对资源环境相关属性进行快速和重复分析，分析能力、制图能力、显示能力超强，可极大地提高工作效率，已广泛应用于与地理相关的各行各业中。

 

目前GIS类软件较多，国产GIS较为成熟的有MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap等，它们都具有相似的地理信息管理和制图功能，均能满足小流域规划设计的需求。本文以Arc-GIS10为例介绍GIS软件在小流域规划设计中的具体应用。

 

GIS与CAD相比，具有以下优势：

• 一是CAD只是一个计算机辅助制图软件，而GIS是地理信息系统，具有设计辅助能力；
• 二是两者都拥有坐标功能，但GIS兼容性强，处理地理、投影坐标的能力强，图纸数据管理能力强，多种数据和资源均可调运；
• 三是GIS有数据库支持，具有强大的分析、协助处理能力，各点要素、线要素、面要素均可把各自的属性纳入数据库中，根据各自属性完成分析、统计、标注、显示、调用等，而CAD没有数据库，各种分析需要另建数据表来处理。
• 四是GIS制图能力强，图斑填充、图斑标注等可根据数据库中要素属性自动完成，修改时只需修改属性，图例、比例等成图也十分简单。

 

3 GIS 应用基础知识

3.1 地理坐标与投影坐标

 

只有正确设置坐标系，GIS才能顺利准确地工作。我们常用到能准确表示空间位置的坐标有两种，一种是球体坐标(地理坐标)，即在地球椭球体和大地基准面的基础上，用经纬度和海拔来标明位置。

 

我国常用的椭球体为Krasovsky_1940椭球体(Beijing_1954坐标体系采用)、IAG－75地球椭球体(D_Xian_1980坐标体系采用)、WGS84椭球体(1984年世界大地坐标系采用)。另一种是平面坐标即投影坐标，我国普遍采用的是高斯－克吕格投影(Gauss－Kruger)。

 

高斯－克吕格投影的中央经线和赤道为互相垂直，分带标准分为3度带和6度带。

高斯－克吕格投影的中央经线长度比等于1。1∶2.5万至1∶50万比例尺地形图采用经差6度分带，1∶1万和1∶2.5万比例尺地形图采用经差3度分带。

 

高斯－克吕格投影在长度和面积上变形很小，只是自中央经线向投影带边缘位移变形逐渐增加。我国的经度范围西起73°东至135°，可按6度或3度进行经度带划分。

 

小流域规划设计中为了面积的准确量算和后期地理数据的互转，一定要正确设定区域的投影坐标。较老的地形图为“Beijing_1954”，目前新出版万分之一地形图均为“Xian_1980”，可在地形图网格中找到带号。

 

陕西多在36度带，对应是“Xian_1980”坐标系下的“Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36”或“Xian_1980_3_Degree_GK_CM_108E”。

 

3.2 数据库知识

 

数据库(DataBase)是结构化数据的集合，具体来说，数据库是一组经过计算机整理后的数据，在关系数据库中，它由许多数据表组成。表是存储数据的单元。

 

每个表由若干记录组成，每条记录为1行，都对应于1个实体，同一个表中的所有记录都具有相同的字段定义，每个字段存储着对应于实体的不同属性的数据信息，每个表都必须有主关键字，其值是1条记录字段的唯一标识。

 

GIS兼容多种数据库，但我们一般用较简单的个人地理数据库，库中可设计图斑表、区域表、边界表、线状地物表、点状地物表等。

 

图斑表除本身的关键字、面积、周长外还应包括图斑号、乡镇、村组、土地利用现状、措施规划、实施面积、地面坡度、侵蚀强度、X坐标、Y坐标等，图斑表是小流域规划设计的基础，用来统计现状面积和措施面积，以及生成土地利用现状图、措施布局图和水土流失强度图，表中每个纪录对应1个图斑，图斑边界重叠，区域内不能留空。

 

线状地物表用来绘制公路、河流等，还可用来绘制规划道路、截排水沟、沟头防护等线状措施，表中每个纪录代表一段公路、河流或水渠。点状地物表除标注村名、山顶等点状地物外，还可标注水窖、谷坊、水井等点状措施。

 

4 GIS 在小流域规划设计中的应用

4.1 小流域规划设计相关素材的获取

 

小流域规划设计需获取的素材主要有万分之一地形图、土地利用现状图、区域DEM、卫星影像等。

 

地形图和土地利用现状图纸质版可扫描成栅格格式，并导入GIS系统配准后使用，电子版导入时应注意坐标系的统一，万分之一地形图有保密要求，在设计中要谨慎采用；卫星影像获取相当容易，相关信息也是较新的，可通过91卫图、GoodyGIS等多种卫星影像下载软件下载，选择16～18级就能满足设计中图斑划分和土地利用初步判定等要求，框选下载区域，选定坐标投影格式，一般保存为tif格式；

 

DEM有30和90m两种，全国大多范围内已公开，基本满足小流域规划设计中地形地势趋势判定需要，也可通过卫星影像下载软件下载高程数据，但精度要与公开的DEM相同，下载后用GlobalMapper软件生成需要的等高线，输出保存为shp格式，供GIS调用。

 

4.2 个人数据库及要素的建立

 

为了便于管理设计资料，应建立一个项目文件夹，将下载的卫片、扫描图及高程文件等拷入项目文件夹内。

 

打开ArcCatalog或在ArcMap中打开目录，连接到你所建的目录，并在该目录下点击右键新建个人地理数据库，再点击右键新建要素类，选面要素类建成图斑表，再次操作选线要素类建立现状地物等表，在建立过程中要正确设定坐标系和表结构，表结构可逐项建立，亦可从其他已成的表中导入。为确保水保项目管理的通用性，建议图斑表结构采用表1样式。

表1 项目区图斑结构登记

 

规划措施分类及命名方式。梯田，有土坎、石坎、预制件等；水保林，有灌沙棘、灌沙打旺、灌紫穗槐、乔松树、乔柏树、乔刺槐等；经济果林，有核桃、枣、花椒、油茶、葡萄、梨、苹果等；种草，有苜蓿、三叶草等。为了便于概算和管理，应详细划分。

 

土地利用现状分类及命名方式。耕地类，有水田、水浇地、坪地、梯地、坝地、坡耕地，并在坡耕地项下标明陡坡耕地数量；园地，有果园、茶园；林地，有乔木林、灌木林、经济林、疏林、幼林；草地，有天然草地、人工草地、荒草地；其他，有水域、城镇工矿、交通、难利用地等。

 

水土流失等级分为无明显、轻度、中度、强度、极强度、剧烈6级。

 

4.3 已有二调图的编辑

 

启动“MapGIS”，利用“添加数据”将卫片和二调数据库中的面层和线层导入，打开面层和线层各自的属性表，对用不到的字段可删除，没有的字段可添加。根据卫片对二调图进行修订，重新划分和合并图斑，调出编辑器工具箱，点击开始编辑，选择编辑的图层，选定图斑利用裁剪面工具对图斑重新切分，亦可选定相关图斑利用合并命令将多个图斑合并为一个。

 

对于线层编辑采用同样方法，只是选用编辑折点命令，对线层进行编辑。同时可对各要素的字段内容进行修改。编辑完成后一定要停止编辑才能将编辑的内容保存下来。如果卫片和二调图不能重合显现，可能是坐标设定不对。

 

4.4 只有卫图的编辑

 

启动“MapGIS”，利用“添加数据”将卫片和新建的面层和线层表导入，点击编辑器开始编辑，点击最右侧创建要素工具，选取面要素构造工具，沿小流域边界画出整个流域，修改面层显示属性为50%，使面层呈半透状态，可看清底图，选取裁剪面工具，沿河流、道路、山脊、村界、土类等分割图斑，对耕地还应根据坡度进一步分割。

 

完成后逐图斑对属性进一步修改和完善，停止编辑保存数据完成图斑表。同样对线层表进行编辑，划出各线状地物，并将属性填入，完成线状地物的编辑。点状线层同样编辑。

 

4.5 要素数据编辑

 

在各层上点击右键，选择打开属性表，可将对应要素的表打开，表上方的按钮中有表选项命令，按属性选择可选取某类共性记录，全选命令可选取全部记录，添加字段增加需要新增的字段；在表的字段名上双击，可对表进行排序，升序和降序循环；

 

在字段名上点击右键，利用字段计算器可完成字段的全部计算，例如根据SHAPE_Area计算图斑面积为亩或公顷，几何计算可计算面要素的面积、周长、中心点坐标；亦可删除字段，删除后可能无法恢复，请谨慎操作，修改库结构这些操作需编辑器在停止状态。

 

编辑完成后可全选数据，复制所选项后再粘贴入Excel中，利用分类汇总、数据透视表或IMPＲODUCT命令，按村分类统计土地利用、措施、流失等数据，完成小流域规划设计中的数据计算。

 

如果梯田建设模式和造林苗木品种均细化落实，可分村统计各梯田建设面积、各苗木品种栽植面积等，与概算表连接，轻松完成工程投资概算。

 

4.6 要素数据属性显示设定

 

在各层上双击可打开图层属性。常规标签中可更改图层名；源标签可了解图层数据的存储位置和坐标信息；显示标签可修改图层的透明度，设定为半透状态可使下层底层可见；符号系统标签可用来设定各图斑填充图例和底色，点击类别—唯一值，在值字段中选DLMC，可完成土地利用现状图，

 

如选择GHCS则可完成措施布局图，选择LS则可完成水土流失图等；在各图例上双击，可对图例进行编辑，修改颜色、大小、线型、线宽等；字段标签用来选择那些需要显示的字段；标注标签用来显示图斑号和面积，设定标注文字的字型、颜色、大小等，点击表达式命令，可录入小程序来调用图斑号和面积，按要求格式显示在图斑中。

 

土地利用现状、措施布局、水土流失强度图共用一个数据表，可复制三个层，分别命名，在符号系统标签中分别调用DLMC、GHCS和LS字段，完成对应的图，想显示哪个层则打开哪个层，不想显示则不勾选该图层。

 

4.7 数据导出

 

在各图层上点击右键，选取数据—导出数据，可将该层输出至另一个数据库中，或另存为其他格式，一般另存为shp格式，方便数据上报。亦可将图层导出为CAD格式。

 

还可利用AＲCTOOLBOX中的转换工具，将层图转为KML或KMZ格式，在Google Earth中打开，但因坐标系不同，可能整体会偏移。

 

4.8 形成图框网格

 

在根图层上双击可打开项目属性，常规标签可改项目名称，另可设定制作者名、地图单位、显示单位等；数据框标签可设定范围，但一般选自动；坐标系标签可查看各图层所采用的坐标系；网格标签用来设定地图的网格，选新建网格—方里网格，设定间距完成网格设定；框架标签设定图框。

 

4.9 插入图例、标题栏

 

利用插入命令可插入图例，选取需要的图例项，设定字体、颜色、大小后，设定边框和背景色等可生成图例，在生成的图例上点击右键，选择转换为图形，再次在图例上点击右键，选取取消分组，将各图例分解，可将不需要的删除，并可对名字进行修改，重新移动位置排列后全选重组，形成满意的图例。同时可插入图名、指北针、比例尺、图签框等。

 

4.10 成图输出

 

在ArcMap程序栏点击文件—页面和打印设置，不勾选使用打印机纸张设置，在下边设定纸张大小和方向，在地图编辑区左下选取布局视图，就可看到图纸效果，标准工具箱中设定比例为1∶10000，在工具箱中利用手型工具移动地图内容到合适位置，并将图纸范围点拖至合适大小，拖动图名、图例、指北针、图签到合适位置，完成地图，可利用导出地图命令生成jpg格式的图纸，设定分辨率应在300点以上。

 

5 CAD 图导入GIS

 

CAD是矢量图，只具有坐标，但没有数据库，各要素可转入GIS，但只有图形，数据表各属性需人工另行录入。将CAD图清理，只保留需导入的线或面，缩放CAD图至1个单位代表1m，保留某一标准公里网格，并记下网格四角的实际正确坐标数值，另存成一个文件。

 

在MapGIS中导入，看线层完整还是面层完整，选取完整的图层利用导出数据另存入个人地理数据库，再从库中导入并将原图移除，打开开始编辑，选取全部记录，根据网格计数将图形移动至正确位置，利用AＲCTOOLBOX数据管理工具中的要素工具下的要素转面或要素转线，完成图斑重新生成或图斑边界线的重新生成，逐个图斑人工录入各字段的属性，实现CAD向GIS转入。

 

6 部分技巧

 

因建立的是个人地理数据库，Access也可打开，在图斑顺序编号中可以利用。先计算好X/Y坐标，在Access中打开图斑表，按村、X、Y排序，在Excel中生成一个序号序列，将序列拷入Access中图斑号位置，可完成图斑号的顺序编制。

 

CAD图导入后，各要素属性逐项人工录入较费时，可先在GIS中录入图斑号，保存、退出，在Excel编辑原属性表，保证图斑号排列与GIS表相同，字段排列也与GIS表相同，在Access中打开图斑表，将Excel中相同的数据块拷入Access中表的相同区域，完成属性的批量录入，完成后要检查正确性。

 

可将编辑好的层另存图层文件(lyr)，在其他项目中，采用相同的数据表结构及属性命名规则，即可在图斑填充时通过符号系统引用该文件，完成要素分类填充。

 

7 建议

 

建议国家尽快分地区统一小流域规划设计数据库的相关库结构，统一代码和名称及简称，统一填充样式等，以实现数据格式一致，提升汇总、融合性能。

 

建议修改完善水土保持制图标准，增加GIS相关类的标准。