高海麗，李德平，陳玉冬，宇潔瑩

（1.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院，湖南 長沙 410081）

洞庭盆地西部地勢圖編制

高海麗1，李德平1，陳玉冬1，宇潔瑩1

（1.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院，湖南 長沙 410081）

利用水文分析方法劃分出洞庭盆地西部范圍，基于DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，收集制圖區(qū)域資料進行分析，利用ArcGIS軟件，采用分層設色加暈渲法表示地勢圖。比例尺的選擇、色層表的確定、陰影參數(shù)的設置是地勢圖編制的關鍵，決定著最終效果圖的質(zhì)量。

地勢圖；西洞庭盆地；DEM；Landsat8

1 洞庭盆地西部流域劃分

1.1 洞庭盆地概況

洞庭盆地位于湖南省北部，兩湖平原南部，主要由長江通過松滋、太平、藕池、調(diào)弦四口輸入的泥沙和洞庭湖水系湘江、資水、沅江、澧水等帶來的泥沙沖積而成。洞庭盆地區(qū)域包括由湖槽和洲灘組成的洞庭湖區(qū)和湖區(qū)外圍的垸田、洪道以及盆地周緣的一些臺地[1]。本研究區(qū)“洞庭盆地”范圍以盆地形成和發(fā)育過程中的地層為根據(jù)，依據(jù)1∶500 000湖南省地質(zhì)圖白堊紀以來地層[2]劃定，在行政區(qū)上共包含澧縣、臨澧縣、津市、常德市、安鄉(xiāng)縣、岳陽縣等19個縣市，其范圍如圖1所示。

圖1 洞庭盆地范圍示意圖

洞庭盆地地貌類型復雜多樣，湖泊、平原、山地和丘陵兼?zhèn)?。盆地中部的海拔較低，多為海拔50 m以下的河湖平原，湖區(qū)部分僅有赤山島一處地勢較高；平原外圍分布著海拔200～500 m的丘陵；最外圍是中低山區(qū)，且山地逐漸向中部和東北部傾斜[3]。由于地形地貌因素的影響，整個水系呈扇形展布，形成了以湖泊為中心的向心狀水系[4]。洞庭盆地西部地貌類型兼具山地與平原，海拔垂直變化大，但從大的區(qū)域尺度圖中不能清晰表現(xiàn)局部的地貌細部特征，因此劃分出洞庭盆地西部，為洞庭盆地西部地區(qū)大比例尺地勢圖制作奠定基礎。

1.2 洞庭盆地西部范圍劃定

因洞庭盆地有湘、資、沅、澧和長江水匯流注入，流域眾多，因此本文主要根據(jù)流域來劃分出洞庭盆地西部的地理范圍。流域又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個公共的出水口排出從而形成的一個集水區(qū)域，出水口即流域內(nèi)水流的出口，是整個流域的最低點。流域間的分界線即為分水嶺。分水線包圍的區(qū)域稱為一條流域或水系的流域，流域分水線所包圍的區(qū)域面積就是流域面積。本文流域劃分采用洞庭盆地DEM為數(shù)據(jù)源劃分出洞庭盆地西部的地理范圍。其中選用的數(shù)據(jù)為GDEM DEM數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)集利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數(shù)據(jù)進行加工得來，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)時期為2009年，數(shù)據(jù)范圍為整個洞庭盆地。

本節(jié)主要選用ArcGIS的水文分析模塊，來進行洞庭盆地流域的劃分，主要包括地表徑流模擬過程中的水流方向的確定、洼地填平、匯流累計量的計算、河網(wǎng)的提取及流域分割等，最后生成集水流域。將劃分好的集水流域圖與洞庭盆地矢量圖疊加，右側(cè)以赤山島為界，大致沿南北-西北方向，根據(jù)分割的集水流域劃分出洞庭盆地西部的范圍（圖2）。

圖2 洞庭盆地西部范圍

圖3 技術路線圖

2 研究方法和技術路線

1）研究方法。地勢圖有3種表示方法：等高線法、分層設色法和暈渲法[5]。用分層設色法可以使高程分布規(guī)律、山脈系統(tǒng)和大地貌單元一目了然，在分層設色基礎上再加暈渲，可以增強地貌立體感。本文在分析區(qū)域內(nèi)地形、地貌特征和水系分布情況的基礎上，采用分層設色法和暈渲法2種方法組合的疊加效果來表示，突出顯示各高程帶的范圍及不同高程帶內(nèi)地貌單元的特征。

2）技術路線。技術路線如圖3所示，首先確定制圖目的和方法，在此基礎上收集區(qū)域資料和已有數(shù)據(jù)資料，對資料進行分析；然后對數(shù)據(jù)進行處理，處理過程主要包括4個方面：①1∶200萬湖南省柵格地圖校正后，進行居民點、行政邊界、山峰等的矢量化；②將下載的Landsat8數(shù)據(jù)進行鑲嵌、裁切后導入ArcGIS中進行水域的矢量化操作；③修正、完善DEM數(shù)據(jù)；④由完善后的DEM數(shù)據(jù)生成表面陰影圖。經(jīng)上述處理后將圖層進行疊加，最后經(jīng)符號化設計與地圖整飾后，輸出成果圖。

3 資料準備

本文所使用的數(shù)據(jù)主要包括DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和地理底圖數(shù)據(jù)。其中DEM數(shù)據(jù)主要用于表示地勢起伏，來源于“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站http:// www．gscloud．cn/提供的GDEM數(shù)據(jù)，其地圖投影為WGS_1984_UTM_Zone_49N。遙感影像數(shù)據(jù)主要用于提取研究區(qū)內(nèi)的水系信息，采用最新的Landsat8數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間為2013-08-07，地圖投影為WGS_1984_ UTM_Zone_49N，本數(shù)據(jù)同樣由“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站下載得來。地理底圖數(shù)據(jù)主要用于提取一些重要的居民點、交通線和境界線等社會經(jīng)濟要素，采用的是從“天地圖·湖南”網(wǎng)站http://www．dzmap．cn/ apps/web．html下載的《1∶200萬的湖南省標準地圖》，因前2種數(shù)據(jù)地圖投影均為WGS_1984_UTM_ Zone_49N，因此我們對該柵格圖進行校正時也采用該投影，以保證坐標系統(tǒng)的一致，同時也減少了工作量。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基礎地理底圖的編制

地勢圖的地理底圖主要包括河流、湖泊等自然地理要素以及一些重要的居民點、交通線和境界線等社會經(jīng)濟要素，這些要素構(gòu)成地勢圖的基本骨架。本地勢圖的編制主要利用ArcGIS軟件來制作。

1）自然地理要素的編制。為保證河流、湖泊等地理要素具有一定的精度，本研究選擇從空間分辨率為30 m的遙感影像上提取水系信息。首先將下載得到的2幅Landsat8遙感圖像在ENVI軟件中進行鑲嵌、裁剪操作，得到洞庭盆地西部范圍的遙感影像圖，最后輸出為tiff格式添加到ArcGIS中進行水系的矢量化提取。

2）社會經(jīng)濟要素的編制。居民點、境界線等社會經(jīng)濟要素來源于《1∶200萬湖南省標準地圖》，首先在ArcGIS中用Georeferencing工具條對該柵格圖進行校正，然后在帶有坐標信息的柵格圖上進行經(jīng)濟要素的矢量化。將以上得到的各種矢量數(shù)據(jù)進行形狀、尺寸、顏色等的符號化后加上注記得到矢量要素圖件（圖4）。

4.2 DEM數(shù)據(jù)的處理

1）DEM數(shù)據(jù)預處理及粗差檢測。預處理包含對5幅DEM的拼接和裁剪，得到洞庭盆地西部的DEM數(shù)據(jù)。其高程范圍為-185～5 109 m，這與所查資料不符，即DEM數(shù)據(jù)中存在異常區(qū)域，即所謂的粗差。DEM生產(chǎn)過程的誤差來源包括原始數(shù)據(jù)的采集誤差、建模誤差、系統(tǒng)誤差及偶然誤差等，除此之外還會出現(xiàn)粗差。粗差實際上是一種錯誤，它與前幾種誤差相比，粗差對數(shù)字高程模型所反映的空間變化的扭曲極為嚴重。在有些情況下，粗差還會導致DEM及其產(chǎn)品嚴重失真甚至完全不能應用。目前常用的DEM數(shù)據(jù)粗差檢測方法主要有基于趨勢面、基于坡度信息的檢測和可視化方法3種[6]。以上3種方法各有特色，因可視化方法是一種比較直觀的方法，所以本研究采用的粗差檢測方法為先通過目視效果檢測，再采用基于可視化的方案檢測粗差。

圖4 洞庭盆地西部各矢量要素疊置效果圖

2）DEM壞值修復。目視觀察洞庭盆地西部DEM數(shù)據(jù)，由已知資料和相關經(jīng)驗可知，水域分布范圍處的DEM數(shù)據(jù)存在明顯異常。通過柵格計算提取出負值所在區(qū)域，與水域圖層疊加顯示后發(fā)現(xiàn)負值區(qū)域全部位于水域范圍內(nèi)，考慮到成果圖中水域覆蓋于DEM之上，不會影響出圖結(jié)果，我們用水域面數(shù)據(jù)掩膜DEM數(shù)據(jù)得到除水域面積外的DEM數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其高程范圍為8～5 109 m，將其加載到ArcScene中三維顯示（圖5），發(fā)現(xiàn)有異常突起點。經(jīng)與地形圖比對，得出研究區(qū)范圍內(nèi)海拔最高為605 m，因此我們在柵格計算器Raster Calculator中用con（[dem]＜605，1）函數(shù)做mask，使圖像中的正常值為1，然后將兩張圖用nibble（[dem],[mask]）函數(shù)修復（其中[dem]為西洞庭盆地DEM柵格數(shù)據(jù)），得到比較精確的DEM數(shù)據(jù)。

圖5 洞庭盆地西部三維顯示效果

5 地勢圖制作

編制一幅清晰易讀、層次分明、富有美感的優(yōu)秀地勢圖的關鍵在于比例尺的設定、高程分層和色層表的確定、山體陰影參數(shù)的設置及符號化設計與地圖整飾等。

5.1 比例尺設定

比例尺為地圖三要素之一，是地圖設計與制作的前提。本研究比例尺的設計思路為：首先確定最后成果采用A3（297 mm×420 mm）紙張出圖，然后根據(jù)圖幅大小利用ArcGIS軟件決定最終采用的比例尺大小。在ArcMap的Layout View版面視圖中，在默認紙張邊緣以外，右鍵選擇Page and Print Setup命令，設置紙張類型為A3后確定。在工具欄的比例尺選項中設置比例尺大小，經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，1∶500 000為最適合該圖幅的比例尺。

5.2 設色原則及色層表的確定

地圖色彩運用的總原則是使每一種色相、色調(diào)與色度的設計同所表示對象的實質(zhì)與特征聯(lián)系起來，最有效地反映制圖對象的特征及分布規(guī)律與區(qū)域差異[5]。

專題地圖設色是利用色彩的色相、明度和飽和度三屬性的變化，形成色彩的立體感，塑造地貌的立體效果。主要方法是隨地形的高低、色彩排列規(guī)律設色，如越高越暗、越高越亮、越亮越飽和、與光譜色相應、綜合設色等[7]。

在地勢圖設計過程中，色層表的建立是直接影響暈渲圖圖面效果的關鍵[8,9]。對制圖區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，該區(qū)域高程分布范圍為8～586 m，平均高程為59 m，高程密集區(qū)域為22～70 m。為了更好地突出層次差異，更逼真、連續(xù)地體現(xiàn)地貌形態(tài)變化特點，本文最終采用隨著地面海拔高度的增高，色相由綠到黃到紅依次漸變的分層設色方案。

5.3 山體陰影參數(shù)

山體陰影是根據(jù)假想的照明光源對高程柵格圖的每個柵格單元計算照明值，山體陰影圖可以很好地表達地形的立體形態(tài)[10]。計算過程中包括3個重要參數(shù)值：太陽高度角、太陽方位角、表面灰度值，其中光照表面灰度值的默認范圍為0～255。經(jīng)反復實驗，當太陽入射方位角為315°、高度角為45°時效果最好（圖6）。

圖6 洞庭盆地西部地表表面陰影圖

圖7 洞庭盆地西部地勢圖

5.4 符號化設計與地圖整飾

符號化設計與地圖整飾在地圖生產(chǎn)過程中是一個重要的環(huán)節(jié)。符號化的原則是按地理對象的實際形狀確定地圖符號的基本形狀，以符號的顏色或者形狀區(qū)分事物的性質(zhì)。地圖數(shù)據(jù)的符號化與注記標注，都是為地圖的編制準備基礎的地理數(shù)據(jù)。地圖整飾體現(xiàn)地圖的整體感，主要包括圖面配置，圖框設置，圖名、圖例、指北針的放置和比例尺的生成等（圖7）。從圖中可以看出，洞庭盆地西部范圍內(nèi)，東部包括漢壽縣及常德市大部分區(qū)域海拔較低、地勢平坦，且有大面積湖區(qū)分布，其次地勢較為低平的地區(qū)位于偏北部澧縣境內(nèi)；西部和西南部臨澧縣及桃源縣境內(nèi)地勢起伏較大，有低山分布。

[1] 來紅州,莫多聞,蘇成．洞庭湖演變趨勢探討[J]．地理研究,2004,23(1):78-86

[2] 傅寵．地質(zhì)專報——湖南省區(qū)域地質(zhì)志[M]．北京:地質(zhì)出版社,1988

[3] 周國旗,成鐵生,趙守勤．洞庭盆地的由來和演變[J]．湖南地質(zhì),1984,3(1):54-65

[4] 徐斌．基于DEM的洞庭湖盆地非均勻沉降研究[D]．長沙：湖南師范大學,2011

[5] 孟萬忠．計算機專題制圖[M]．北京:氣象出版社,2006

[6] 季建華,楊軍生．大比例尺DEM生產(chǎn)過程中的粗差檢測與質(zhì)量控制的研究[J]．現(xiàn)代測繪,2004(3):31-33

[7] 祝國瑞．地圖設計與編繪[M]．武漢:武漢大學出版社,2001

[8] 郭禮珍,李霖,張圓柱．基于視覺表象的彩色暈渲地圖色彩設計[J]．武漢大學學報:信息科學版,2004,29(6):492-495

[9] 王海英．ArcGIS制作地勢圖的工藝過程[J]．鐵路勘察, 2009(2):26-28

[10] 湯國安,楊昕．ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M]．北京:科學出版社,2006

[11] 廖克．現(xiàn)代地圖學[M]．北京:科學出版社,2003

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0171-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.060

高海麗，碩士，研究方向為GIS應用。

2014-03-19。

項目來源：湖南省普通高等學校重點實驗室開放基金資助項目（09K020）；湖南師范大學地圖學與地理信息系統(tǒng)校級重點學科建設資助項目。