汪仕偉,劉 輝,洪明海,余曉敏,夏明鴻

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng) 550002)

GIS技術(shù)作為信息化的體現(xiàn)之一,在水利工程各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,應(yīng)用層次也逐漸深入[1]。ArcGIS是GIS體系化應(yīng)用系統(tǒng),其中包含地理分析、地圖視覺(jué)化、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能,能夠?qū)臻g信息進(jìn)行處理和分析[2]。ArcGIS軟件系統(tǒng)主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe和ArcScene等軟件組成,近年來(lái)廣泛應(yīng)用于水利規(guī)劃設(shè)計(jì)中,如水利信息化、水文分析計(jì)算、洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、水資源管理、水利工程用地布局等。現(xiàn)代水利規(guī)劃工作主要是以區(qū)域水利發(fā)展歷史和現(xiàn)狀為基礎(chǔ),結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃布局,預(yù)測(cè)未來(lái)水利保障需求,提出與規(guī)劃水平年需求相適應(yīng)的水利工程建設(shè)和管理工作重點(diǎn),為區(qū)域社會(huì)高質(zhì)量發(fā)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(guī)劃項(xiàng)目為例,探討ArcGIS軟件在規(guī)劃工作中水利數(shù)據(jù)管理與分析、數(shù)據(jù)賦值與統(tǒng)計(jì)、規(guī)劃成果圖制作等應(yīng)用,取得良好的效果,有一定的借鑒和參考意義。

1 項(xiàng)目背景與ArcGIS應(yīng)用價(jià)值分析

1.1 項(xiàng)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(zhǎng)、晝夜溫差大等特征,是“云貴高原65個(gè)夏秋蔬菜生產(chǎn)基地建設(shè)重點(diǎn)縣”“全國(guó)153個(gè)夏秋蔬菜生產(chǎn)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(kù)等水資源分布的高程遠(yuǎn)低于人口、耕地等分布高程,嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。為解決區(qū)域水資源短缺和工程性缺水問(wèn)題,W縣水安全保障規(guī)劃提出新建一批水庫(kù)等骨干水源和提水工程。

1.2 ArcGIS應(yīng)用價(jià)值分析

水利規(guī)劃需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和行業(yè)專業(yè)數(shù)據(jù),包括河流水系、地形地貌、水資源分區(qū)、水功能區(qū)劃、水利工程分布(包括水庫(kù)、提水工程、堤防、機(jī)井、水廠等)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)分布(包括人口、行政區(qū)劃、耕地資源、工業(yè)園區(qū)等)、飲用水源地、生態(tài)敏感區(qū)等,具體到W縣水安全保障規(guī)劃中,還需要細(xì)化到蔬菜基地分布等。為提高規(guī)劃工作效率和規(guī)劃成果水平,需要將上述大量的有關(guān)數(shù)據(jù)集成在一個(gè)統(tǒng)一的空間范圍內(nèi),便于分析研究現(xiàn)狀,提出水利工程與管理工作重點(diǎn)規(guī)劃。ArcGIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能,能很好地應(yīng)用于上述數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、整合、編輯等管理分析。

水利規(guī)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(duì)象的高程和空間范圍分布是確定規(guī)劃工程項(xiàng)目布局、優(yōu)化工程參數(shù)、開(kāi)展水網(wǎng)構(gòu)建、提升水資源配置有效性的關(guān)鍵因素,對(duì)規(guī)劃項(xiàng)目的效益發(fā)揮和投資有直接影響。而實(shí)際工作過(guò)程中收集到的耕地圖斑數(shù)據(jù)往往是不帶高程的二維數(shù)據(jù),無(wú)法根據(jù)工作需要準(zhǔn)確且高效地統(tǒng)計(jì)出不同高程的耕地面積。傳統(tǒng)規(guī)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(guò)人工識(shí)別等方式去判斷耕地的空間分布,進(jìn)而開(kāi)展水資源配置。此方法不僅要耗費(fèi)大量人力和精力,也難以滿足現(xiàn)代水利規(guī)劃高效、準(zhǔn)確的要求。因此,文章以ArcGIS在W縣水安全保障規(guī)劃中的具體應(yīng)用為背景,研究通過(guò)批量簡(jiǎn)化處理且精度滿足要求的方法,統(tǒng)計(jì)不同高程的耕地?cái)?shù)據(jù)和識(shí)別判斷耕地空間分布情況。

規(guī)劃圖件是規(guī)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(guī)劃成果。現(xiàn)代水利規(guī)劃對(duì)于成果圖的制作水平有更高的要求,比如信息準(zhǔn)確、內(nèi)容豐富、展示全面、效果美觀、出圖高效、便利儲(chǔ)存調(diào)用和修改等。傳統(tǒng)規(guī)劃中常使用CAD軟件進(jìn)行制圖,其存在數(shù)據(jù)管理不便、信息不準(zhǔn)確、作圖效率低、圖表對(duì)應(yīng)關(guān)系難以建立和同步更新等弊端。ArcGIS軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和基于數(shù)據(jù)庫(kù)的符號(hào)化展示功能,可以很好地解決傳統(tǒng)工作中的制圖問(wèn)題,高質(zhì)量地完成規(guī)劃成果圖制作。

2 ArcGIS在水利數(shù)據(jù)管理與分析中的應(yīng)用

空間數(shù)據(jù)的編輯和管理是地理信息系統(tǒng)軟件的主要功能之一。ArcGIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)編輯、版本管理、數(shù)據(jù)共享、企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)管理功能,還具有空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、拓?fù)潢P(guān)系創(chuàng)建與管理等功能。以軟件在W縣水安全保障規(guī)劃中的應(yīng)用為例,主要進(jìn)行了如下數(shù)據(jù)管理與分析的應(yīng)運(yùn)用:①加載、查看、編輯和導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能,比如通過(guò)軟件可加載河流水系、行政區(qū)邊界、水利工程點(diǎn)、耕地圖斑等要素矢量數(shù)據(jù),便于直觀查看有關(guān)數(shù)據(jù)的空間分布;打開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的屬性表還可查看各要素的詳細(xì)信息,發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息可以編輯修正,重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)也可以選擇導(dǎo)出,在工作中數(shù)據(jù)查找分析、會(huì)議討論、項(xiàng)目匯報(bào)等過(guò)程中應(yīng)用廣泛。②有關(guān)數(shù)據(jù)信息整合,比如通過(guò)數(shù)據(jù)連接功能為水庫(kù)點(diǎn)文件添加庫(kù)容、水位、供水量等信息,便于后續(xù)工作中查看和統(tǒng)計(jì)分析;或者通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能,將不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下,為后續(xù)統(tǒng)一規(guī)劃打好基礎(chǔ)。③開(kāi)展數(shù)據(jù)之間關(guān)系分析,比如進(jìn)行規(guī)劃水庫(kù)建設(shè)用地范圍與生態(tài)保護(hù)紅線關(guān)系比對(duì)分析,可為調(diào)整優(yōu)化水利工程布局提供可靠支撐;或者開(kāi)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(tǒng)計(jì)分析中的應(yīng)用

3.1 資料收集和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

首先收集整理W縣人口經(jīng)濟(jì)社會(huì)分布情況、現(xiàn)狀及規(guī)劃水源工程分布情況、水資源分區(qū)、第三次國(guó)土調(diào)查評(píng)價(jià)成果、DEM柵格數(shù)據(jù)和高清衛(wèi)星影像圖等基礎(chǔ)資料。然后將W縣第三次國(guó)土調(diào)查評(píng)價(jià)成果中的地類圖斑數(shù)據(jù)(DLTB)加載到ArcMap展示界面,通過(guò)工具箱(ArcTool box)中的“按屬性選擇工具”選中耕地?cái)?shù)據(jù)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(rèn)選擇后,將耕地圖斑導(dǎo)出備用。注意導(dǎo)出時(shí)選擇“導(dǎo)出所選要素”,為避免文件導(dǎo)出后出錯(cuò),導(dǎo)出結(jié)果文件宜以英文方式命名。根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),W縣耕地總面積248.02萬(wàn)hm2,圖斑數(shù)量共計(jì)18.28萬(wàn)個(gè),平均面積1.55hm2。

3.2 耕地圖斑高程賦值計(jì)算

上述導(dǎo)出的耕地圖斑為不帶高程的矢量數(shù)據(jù)。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(guò)帶高程信息的DEM柵格數(shù)據(jù)為耕地圖斑賦高程值。但是在ArcGIS軟件系統(tǒng)中,由于耕地矢量面和DEM柵格面之間存在無(wú)數(shù)個(gè)相交點(diǎn),無(wú)法將DEM柵格數(shù)據(jù)的高程值直接賦給耕地圖斑的面文件?？紤]到用一個(gè)耕地圖斑的高程差別不大,文章根據(jù)“以點(diǎn)代面”的簡(jiǎn)化思路,提出一種簡(jiǎn)化計(jì)算的方法:首先將提取耕地圖斑的代表點(diǎn)(中心點(diǎn)),然后將DEM的高程值賦予耕地圖斑的代表點(diǎn),作為耕地圖斑的平均高程,再通過(guò)耕地點(diǎn)和耕地圖斑的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,將耕地點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)連接至耕地圖斑,便可得到具有代表點(diǎn)高程信息的耕地圖斑。經(jīng)驗(yàn)證,此種方法的計(jì)算精度能夠滿足水利規(guī)劃階段的要求,且大大提高了工作效率。主要計(jì)算過(guò)程說(shuō)明如下:

為確保耕地圖斑的前后一致性,便于后續(xù)數(shù)據(jù)之間連接計(jì)算,首先需要為每個(gè)耕地圖斑進(jìn)行編碼,使其具有唯一代碼。編碼方式可根據(jù)圖斑具體個(gè)數(shù)而定,例如W縣耕地圖斑共計(jì)18.28萬(wàn)個(gè),可采用縣名拼音首字母+六位數(shù)據(jù)的編碼方式,也可直接采用系統(tǒng)自動(dòng)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(diǎn)作為耕地圖斑平均高度的代表,具體操作為通過(guò)ArcTool box中的“要素轉(zhuǎn)點(diǎn)”工具,將耕地面要素轉(zhuǎn)換為代表點(diǎn)要素,注意轉(zhuǎn)換過(guò)程中要勾選“內(nèi)部點(diǎn)”,確保代表點(diǎn)在圖斑內(nèi)部。接下來(lái),在同時(shí)加載了耕地代表點(diǎn)和帶有高程信息的DEM柵格數(shù)據(jù)圖層的條件下,通過(guò)ArcTool box中的“值提取至點(diǎn)”工具,可將DEM上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程值賦予上述代表點(diǎn),得到帶有高程數(shù)據(jù)的代表點(diǎn)要素。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率,以上步驟可通過(guò)ArcGIS軟件建立計(jì)算模型,將輸入要素、計(jì)算過(guò)程工具和輸出結(jié)果通過(guò)軟件自帶的工具按照既定程序設(shè)定好,后續(xù)工作中便可實(shí)現(xiàn)一鍵計(jì)算和重復(fù)調(diào)用計(jì)算。當(dāng)需要計(jì)算數(shù)量巨大的數(shù)據(jù)時(shí),這種方法可以很好地節(jié)省時(shí)間,例如,通過(guò)調(diào)用已設(shè)置好的計(jì)算模型,本次完成W縣18.28萬(wàn)個(gè)圖斑高程數(shù)據(jù)賦值計(jì)算時(shí)間約1min。

得到帶有高程數(shù)據(jù)的代表點(diǎn)要素后,再通過(guò)“連接數(shù)據(jù)”將代表點(diǎn)的高程值通過(guò)數(shù)據(jù)表中唯一編碼OBJECTID連接至原耕地面圖斑,保持?jǐn)?shù)據(jù)之間連接關(guān)系將耕地面圖斑數(shù)據(jù)導(dǎo)出,便可得到帶有平均高程數(shù)據(jù)的耕地資源圖斑。

3.3 耕地高程分級(jí)和分區(qū)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述得到的帶有高程數(shù)據(jù)的耕地資源圖斑,打開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的屬性表,選中其高程數(shù)據(jù)字段,使用右鍵選擇統(tǒng)計(jì)功能,便可得知數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)、最大最小值、合計(jì)數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息。導(dǎo)出其屬性表格并通過(guò)excel打開(kāi),對(duì)各圖斑高程進(jìn)行分段后,便可對(duì)不同高程范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 W縣不同高程耕地面積統(tǒng)計(jì)表

在水利規(guī)劃的水資源配置過(guò)程中,通常還要對(duì)不同行政區(qū)或水資源分區(qū)進(jìn)行水資源供需平衡計(jì)算,因此還需要統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域的耕地面積數(shù)據(jù)。例如,為統(tǒng)計(jì)各水資源分區(qū)的耕地分布情況,可以在同時(shí)加載了耕地圖斑和水資源分區(qū)數(shù)據(jù)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(qū)矢量圖相交計(jì)算。根據(jù)軟件的“相交”計(jì)算設(shè)定,兩數(shù)據(jù)相交的結(jié)果將保留兩者原始數(shù)據(jù)信息,便可得到帶有水資源分區(qū)數(shù)據(jù)的耕地圖斑。不同行政區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法同理。導(dǎo)出相交計(jì)算的結(jié)果屬性表格后,可統(tǒng)計(jì)不同水資源分區(qū)的耕地面積,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 W縣不同水資源分區(qū)耕地面積統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)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(guī)劃工程布局時(shí),要充分考慮耕地高度的分布情況,在滿足水文、地質(zhì)等要求的同時(shí),盡量減少輸配水的提水揚(yáng)程,實(shí)現(xiàn)高水高用、低水低用的優(yōu)化配置。根據(jù)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(gè)水資源分區(qū),可知這是開(kāi)展規(guī)劃水資源配置的重點(diǎn)區(qū)域,需加強(qiáng)這些區(qū)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(yīng)用

ArcGIS在專題地圖制圖方面有著較為出色的表現(xiàn),其制圖技術(shù)主要包括符號(hào)庫(kù)技術(shù)、符號(hào)系統(tǒng)和標(biāo)注等[3]。本次規(guī)劃過(guò)程中,通過(guò)ArcGIS軟件系統(tǒng)中的ArcMap的制圖功能,將需要制圖達(dá)展示的河流水系、行政區(qū)要素、水利工程要素、水網(wǎng)構(gòu)建簡(jiǎn)要線路等數(shù)據(jù)加載并按主次關(guān)系排序,然后進(jìn)行地圖模板創(chuàng)建、信息標(biāo)注、符號(hào)配置與制圖表達(dá)、圖外整飾、質(zhì)量控制、地圖輸出等過(guò)程操作之后,便繪制完成了相關(guān)規(guī)劃成果圖。

本次W縣水安全保障規(guī)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(qū)示意圖、地形地貌示意圖、耕地分布情況示意圖、水網(wǎng)布局示意圖、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水水資源配置示意圖等8張規(guī)劃成果圖。三維展示圖主要是通過(guò)ArcScene軟件完成,例如為展示W(wǎng)縣某鎮(zhèn)的耕地空間分布情況,首先將DEM數(shù)據(jù)通過(guò)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(shè)置按耕地的高程值拉升,并調(diào)整優(yōu)化數(shù)據(jù)的符號(hào)化顯示(例如設(shè)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(lái)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,由于數(shù)據(jù)計(jì)算和符號(hào)化展示受計(jì)算機(jī)CPU、內(nèi)存和顯卡等限制,數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)操作過(guò)程中軟件系統(tǒng)容易出現(xiàn)卡頓,因此需要配置性能較好的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

5 應(yīng)用成果討論及建議

文章探討了ArcGIS軟件在水利規(guī)劃設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)管理與分析、數(shù)據(jù)賦值計(jì)算與統(tǒng)計(jì)、規(guī)劃成果圖制作等方面的具體應(yīng)用,取得了較好的效果,對(duì)現(xiàn)代水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有一定的借鑒和參考意義。特別是通過(guò)“以點(diǎn)代面”的簡(jiǎn)化思路,提出了一種耕地?cái)?shù)據(jù)高程的賦值計(jì)算方法,可快速為水利規(guī)劃提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),此方法不僅可應(yīng)用于水利規(guī)劃設(shè)計(jì),經(jīng)進(jìn)一步復(fù)核驗(yàn)證也可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的可研、初設(shè)等階段。通過(guò)ArcGIS軟件系統(tǒng)中ArcMap、ArcScene等軟件,充分發(fā)揮其符號(hào)化功能,可高質(zhì)量地制作出水利規(guī)劃圖件。建議在今后水利規(guī)劃中充分利用ArcGIS軟件系統(tǒng),深入挖掘和發(fā)揮其功能,比如水文分析計(jì)算、工程用地布局與敏感區(qū)關(guān)系分析、標(biāo)準(zhǔn)化批量制圖等,或者基于ArcGIS系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),更好地服務(wù)于水利規(guī)劃,提高規(guī)劃效率和水平。