Geoway和ArcGIS在廣西水土保持普查中的應(yīng)用技巧

蘇文靜，盧 遠(yuǎn)

(廣西師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西南寧530001)

全國水土保持普查包括土壤侵蝕、侵蝕溝道和水土保持措施普查，其中土壤侵蝕的對(duì)象包括水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕［1－2］，按照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)規(guī)定的土壤侵蝕區(qū)劃，廣西屬西南土石山區(qū)，因此只涉及水力侵蝕普查。目前，廣西在第一次全國水利普查中的水土保持普查已進(jìn)入收尾階段，在此就GIS 在水土保持普查中的應(yīng)用技巧進(jìn)行歸納和總結(jié)，僅供交流和學(xué)習(xí)。

在水土保持普查數(shù)據(jù)處理中，廣西使用的是Geoway 與ArcGIS。其中，Geoway 在精度方面，采用的是真實(shí)的大地坐標(biāo)，能保證數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和輸出過程中不失真;在可靠性方面，高效的光柵識(shí)別算法能保證自動(dòng)識(shí)別生成的矢量線與背景光柵線中心的垂直偏差不超過2 像素，還有一套齊全的矢量化數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工具;在兼容性方面，處理的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)成不同格式的文件，方便不同平臺(tái)使用，能與ArcGIS 數(shù)據(jù)格式很好地兼容。廣西水土保持普查數(shù)據(jù)處理中選用Geoway 與ArcGIS 相結(jié)合，能使整個(gè)工作流程更加順暢，數(shù)據(jù)質(zhì)量有保證，工作效率得到提高。

1 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理流程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、成圖、成果整理、數(shù)據(jù)上報(bào)5 個(gè)階段，其中:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段主要是地形圖的獲取和掃描;數(shù)據(jù)處理階段包括掃描圖件的幾何糾正、野外調(diào)查單元范圍劃定以及等高線矢量化;成圖階段主要是輸出野外調(diào)查單元底圖;成果整理階段主要包括清繪圖矢量化、地塊屬性錄入、外業(yè)照片整理等。數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

Geoway 的專項(xiàng)軟件GeowayDRG 主要是進(jìn)行地形圖幾何糾正和等高線矢量化并賦值。ArcGIS 的ArcMap 主要處理坐標(biāo)定義、投影轉(zhuǎn)換、野外調(diào)查底圖成圖、清繪圖配準(zhǔn)、地塊邊界矢量化、地塊屬性錄入等。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

2．1 地形圖幾何糾正

GeowayDRG 在數(shù)字柵格圖像上布設(shè)若干控制點(diǎn)，按照控制點(diǎn)的理論坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立多項(xiàng)式方程，根據(jù)解算的幾何變換系數(shù)對(duì)掃描圖像進(jìn)行重采樣即幾何糾正，重采樣后的圖像就同時(shí)具有了地理坐標(biāo)。在GeowayDRG 幾何糾正過程中，地圖數(shù)據(jù)加工分為地圖信息設(shè)置、配準(zhǔn)圖廓左下角、控制點(diǎn)采集(內(nèi)圖廓點(diǎn)采集)、整體糾正4 個(gè)部分，其中:地圖信息設(shè)置主要是設(shè)置圖幅名稱、圖幅編號(hào)、掃描分辨率、坐標(biāo)系統(tǒng)，在GeowayDRG 中根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖的圖幅編號(hào)便可解算出地形圖相應(yīng)的4 個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)的理論坐標(biāo);配準(zhǔn)圖廓左下角要手動(dòng)找到圖廓左下角才能進(jìn)行，以方便后續(xù)內(nèi)圖廓點(diǎn)的自動(dòng)搜索;內(nèi)圖廓點(diǎn)采集時(shí)，軟件將會(huì)自動(dòng)定位到內(nèi)圖廓點(diǎn)附近;一般情況下，采集4 個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)后進(jìn)行整體糾正就能滿足精度要求，如果精度達(dá)不到要求則需進(jìn)行分格網(wǎng)糾正，以三角形為單元進(jìn)行數(shù)字微分糾正可有效解決因圖紙伸縮引起的非均勻局部變形。將糾正后的圖像與理論圖廓線和網(wǎng)格線套合，可用于檢驗(yàn)幾何糾正的精度。在菜單欄的加工→設(shè)置中可以設(shè)置糾正后自動(dòng)生成DRG 文件，作為糾正后的成果圖像，方便在Geoway 中矢量化等高線;還可存儲(chǔ)成．TFW 文件，此文件帶有相應(yīng)的坐標(biāo)信息，在ArcGIS 中可與存儲(chǔ)的．TIFF 文件配套使用。

2．2 劃定野外調(diào)查單元

野外調(diào)查單元是在遵循國家普查辦選取原則［3］的基礎(chǔ)上，根據(jù)廣西的地形地貌，依照以下5 個(gè)原則進(jìn)行劃定:①位置。調(diào)查單元應(yīng)在地形圖中心方格網(wǎng)內(nèi)或與中心方格網(wǎng)有關(guān)聯(lián)。②面積。與地形圖中心方格網(wǎng)相連的面積0．2～1．0 km2的小流域或0．25 km2的四方格網(wǎng)。③行政區(qū)內(nèi)。小流域邊界不跨縣級(jí)行政區(qū)。④丘陵區(qū)、山區(qū)盡量以小流域的形式劃定野外調(diào)查單元。以小流域?yàn)檎{(diào)查單元，流域邊界與等高線垂直相交，沿山脊線延伸，在溝口處閉合，如果流域面積大于1 km2，則要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，盡量避免地類單一。⑤平原區(qū)野外調(diào)查單元的確定。中心方格網(wǎng)一分為四，取其中1 個(gè)四方格網(wǎng)，地類盡量滿足多樣性原則。

2．3 等高線矢量化

地形圖矢量化是在Geoway 軟件中實(shí)現(xiàn)的，采用的算法及“所見即所得”技術(shù)在矢量化過程中能基本防止線的打折、重疊。在數(shù)據(jù)輸出前，Goeway 還提供了多種直觀的檢測手段，如圖形檢測、屬性檢測、矛盾檢測、拓?fù)錂z測等，能消除錯(cuò)誤隱患，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。在Geoway 中新建工程，在工程管理器中加載勾繪的野外調(diào)查邊界，新建等高線層，在等高線層矢量化調(diào)查邊界范圍內(nèi)的等高線。矢量化用到的工具欄包括編輯工具欄與輸入工具欄。編輯工具欄中的“專業(yè)功能”主要是設(shè)置線跟蹤參數(shù)和識(shí)別跟蹤顏色，其中線跟蹤參數(shù)主要是控制跟蹤步長、界址點(diǎn)容限誤差、捕捉容差，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，分別設(shè)置為3、2、2 時(shí)較合適;識(shí)別跟蹤顏色主要是識(shí)別要跟蹤等高線的顏色，可以是彩色底圖，也可以是二值圖，若將首曲線與計(jì)曲線分開，則顏色識(shí)別效果會(huì)更好，但一般單色選擇也可以。線跟蹤是矢量化作業(yè)的一個(gè)主要工序，交互跟蹤是最常用的跟蹤方法，在設(shè)置好線跟蹤參數(shù)與跟蹤顏色后，即可在背景圖上實(shí)現(xiàn)交互跟蹤。Geoway 的圖形編輯也有專門的工具條——矢量編輯，它能方便快捷地對(duì)所跟蹤的線條進(jìn)行編輯，包括線的打斷、連接、延伸、局部移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)的增加、刪除、移動(dòng)等。

2．4 等高線高程賦值

Geoway 中編輯工具欄“專業(yè)功能”下的高程賦值能完成等高線高程賦值，其中的自動(dòng)高程標(biāo)賦可對(duì)并排的多條矢量等高線批量標(biāo)賦高程值。步驟是先選擇“輸入起始高程”，輸入起始高程值與等高距，然后選擇遞增或遞減模式，從起始等高線向要賦高程值的等高線拉線，在拉線范圍內(nèi)，系統(tǒng)將根據(jù)助手中的設(shè)置，自動(dòng)計(jì)算出等高線的高程值。為了方便檢查，還可以打開“Tip 提示”以及“高程譜顯示”開關(guān)，隨時(shí)檢查標(biāo)賦過值的等高線。賦值完成后要在“專業(yè)功能”工具條下的“質(zhì)檢”中進(jìn)行檢測，檢測是否有0 值等高線、高程值是否矛盾等。確認(rèn)無誤后輸出ArcView SHP(．SHP)格式文件，高程字段名稱可以按要求命名，方便在ArcMap 中使用。

2．5 定義坐標(biāo)與投影轉(zhuǎn)換

GeowayDRG 中幾何糾正后的圖像和Geoway 中矢量化后的等高線，本身并沒有坐標(biāo)系統(tǒng)，只是能夠在相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示正確的位置，因此需要在ArcMap 的“Data Management Tools”工具下定義坐標(biāo)并按一定要求進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。本次普查中用到的1 ∶1 萬地形圖采用的是高斯克里格投影3°分帶，廣西的3°分帶包括35、36、37、38 四個(gè)帶號(hào);坐標(biāo)系統(tǒng)有高斯克里格的北京54 和西安80 坐標(biāo)，要按照地形圖本身的坐標(biāo)定義。國家對(duì)提交數(shù)據(jù)投影的要求:UTM 的WGS 1984;UTM 投影是6°分帶，廣西涉及的分帶包括48N 和49N 兩個(gè)帶號(hào)。3°分帶投影轉(zhuǎn)換到6°分帶需要參數(shù)轉(zhuǎn)換;北京54 投影轉(zhuǎn)換到WGS1984在ArcMap 中自帶轉(zhuǎn)換參數(shù)，即在“Geographic Transformation(optional)”選項(xiàng)中選擇屬于廣西所在的選項(xiàng);西安80 投影轉(zhuǎn)換到WGS1984 在ArcMap 中沒有自帶轉(zhuǎn)換參數(shù)，要根據(jù)廣西的具體情況，按照dx、dy、dz 3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2．6 野外調(diào)查底圖編制

廣西的地形地貌復(fù)雜多變，采用國家普查辦推薦的等高線+調(diào)查邊界制作底圖信息量較小，也不利于野外調(diào)查，而利用地形圖做底圖不僅信息量豐富，而且能反映調(diào)查單元周圍的地物，對(duì)野外調(diào)查人員找到調(diào)查單元有參考作用，因此廣西在水土保持普查中采用經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換后的調(diào)查邊界及地形圖在ArcMap 中制作野外調(diào)查底圖。由于在野外需要用GPS 定點(diǎn)，而GPS 采用的是WGS84 坐標(biāo)，因此在ArcMap 中應(yīng)將“Table of Contents”的“Layers”中的“Coordinate System”設(shè)置為“GCS_WGS_1984”，在“General”中設(shè)置“Display”的單位為“Degree Minutes Seconds”，方便野外調(diào)查人員根據(jù)坐標(biāo)定點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)調(diào)查單元的形狀，在“General”中的“Rotation”設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為0°或90°，使調(diào)查單元能夠更合理地分布在出圖版面上。用ArcGIS制圖的關(guān)鍵是前期設(shè)計(jì)，只要在前期把圖中需要表達(dá)的各要素考慮清楚，建好模板，后期成果圖輸出時(shí)只需把相關(guān)數(shù)據(jù)往模板里面添加，再局部修改即可，因此在ArcGIS 中建庫是相當(dāng)方便的。

2．7 野外調(diào)查清繪圖配準(zhǔn)，地塊屬性錄入

野外調(diào)查清繪圖配準(zhǔn)使用的是ArcMap 的“Georeferencing”工具條，用投影轉(zhuǎn)換后的邊界線配準(zhǔn)?？刂泣c(diǎn)一般選擇有代表性的特征點(diǎn)，如界線拐點(diǎn)、河流與等高線交點(diǎn)，如果是1/4 格網(wǎng)，4 個(gè)角點(diǎn)就是控制點(diǎn)，一般3～4 個(gè)控制點(diǎn)就能完成配準(zhǔn)。配準(zhǔn)完成后，用“Georeferencing”工具條的“Rectify”命令可以存儲(chǔ)校正后的圖像，也可在“Link Table”中保存控制點(diǎn)坐標(biāo)。

地塊屬性錄入是根據(jù)清繪圖中劃定的地塊邊界，矢量化后將線要素轉(zhuǎn)成面要素。每個(gè)地塊有18 個(gè)屬性字段，如果在每個(gè)調(diào)查單元的地塊面圖層新建字段會(huì)非常浪費(fèi)時(shí)間和精力，因此在實(shí)際操作中只需新建一個(gè)空的點(diǎn)要素圖層，在該圖層中新建屬性字段，包括地塊編號(hào)(DKBH)、土地利用名稱(TDLYMC)、土地利用代碼(TDLYDM)等，根據(jù)要求設(shè)置字段類型和字段長度，在ArcMap 的“Data Management Tools”→“Feature”→“Feature To Polygon”對(duì)話框中“Label features(Optional)”選項(xiàng)選擇建好的點(diǎn)要素圖層，轉(zhuǎn)出來的面圖層就會(huì)繼承點(diǎn)圖層的屬性結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)相應(yīng)調(diào)查單元的水蝕野外調(diào)查表屬性按字段錄入即可。

3 結(jié) 語

Geoway 軟件具有柵格圖像糾正、矢量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式兼容性等方面的優(yōu)勢，與其他軟件相比，提供了更便捷、更強(qiáng)大的交互輸入方法，使矢量化工作效率大大提高，同時(shí)提供的質(zhì)量檢查功能在很大程度上保證了成果質(zhì)量。ArcGIS 的優(yōu)勢是很多重復(fù)性的工作可以批量處理，只要設(shè)計(jì)好模板，后期制圖就可以批量完成。廣西在水土保持普查中將Geoway 與ArcGIS軟件配合使用，發(fā)揮它們速度快、精度高、可行性與實(shí)用性的優(yōu)勢，為普查工作的順利完成提供了保證。

［1］郭索彥．第一次全國水利普查水土保持普查總體設(shè)計(jì)［J］．中國水利，2010(9):61－62．

［2］李智廣，劉憲春，劉建祥，等．第一次全國水利普查水土保持普查方案［J］．水土保持通報(bào)，2010，30(3):87－88．

［3］國務(wù)院第一次全國水利普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室．第一次全國水利普查培訓(xùn)教材之六——水土保持情況普查［M］．北京:中國水利水電出版社，2010:23－24，38－45．