Surfer和ArcGIS繪制雨量等值線(xiàn)圖在水文工作中的應(yīng)用

□梁 鑫 張 雪 彭緒波

（四川省成都水文水資源勘測(cè)局）

0 前言

雨量等值線(xiàn)表示某一給定時(shí)間內(nèi)（如年、季、月）的雨量相等各點(diǎn)的連線(xiàn)，可以直觀顯示雨量的地理分布狀況，對(duì)防汛、水庫(kù)調(diào)度等工作意義重大?，F(xiàn)今中國(guó)水文、氣象行業(yè)在決策區(qū)域降雨量分布服務(wù)時(shí)都是通過(guò)降雨量等值線(xiàn)圖來(lái)達(dá)成，其憑借著能清晰、直觀的反映出目標(biāo)地點(diǎn)的雨情及水情情況等優(yōu)點(diǎn)一直為水文部門(mén)所采用。而傳統(tǒng)的降雨量等值線(xiàn)圖大多都是通過(guò)手工繪制而成。隨著社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，此種方式繪制的成果圖越來(lái)越不能滿(mǎn)足當(dāng)今水文行業(yè)的技術(shù)要求，有著耗時(shí)量大、繪制復(fù)雜、精準(zhǔn)度低、美觀度低等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)與當(dāng)今的水文技術(shù)要求之間的矛盾越來(lái)越尖銳。因此，尋求一種精準(zhǔn)、便捷、直觀的降雨量等值線(xiàn)圖繪圖方法已迫在眉睫。

1 Surfer軟件及Arcgis軟件簡(jiǎn)介

Surfer 軟件是一款功能極為強(qiáng)大的三維圖繪圖軟件，具備的繪制圖件及插值功能使之在處理XYZ數(shù)據(jù)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，尤其在需要反映出某區(qū)域雨量的分布時(shí)，用此軟件制作的區(qū)域雨量等值線(xiàn)圖更能使數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系得到更好、更完整地體現(xiàn)。

ArcGIS軟件是一款地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件。在地理數(shù)據(jù)、信息的管理、編輯、顯示、分析等方面具有較為完善、強(qiáng)大的功能。尤其該軟件中的ArcMap應(yīng)用程序?qū)τ跀?shù)據(jù)的各種操作及地圖的各種變化功能都具有比其他同類(lèi)軟件更大的優(yōu)勢(shì)。

使用Surfer 配合ArcMap 能更好的完成及展現(xiàn)雨量等值線(xiàn)圖。

2 基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)備

使用Surfer 軟件制作雨量等值線(xiàn)圖主要就是利用該軟件繪制等高線(xiàn)制作功能，但是并非具備了雨量數(shù)據(jù)文件就可以繪制等值線(xiàn)圖，該軟件需要對(duì)雨量數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，并獲取流域圖的相對(duì)或絕對(duì)地理坐標(biāo)，再運(yùn)用該軟件進(jìn)行繪制。

2.1 雨量數(shù)據(jù)

本次使用成都水文局管轄范圍內(nèi)13個(gè)基本水文站、2個(gè)基本水位站、30個(gè)基本雨量站、21個(gè)專(zhuān)用雨量站的2017年全年雨量數(shù)據(jù)作為繪圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，站網(wǎng)平均密度約為217 km2每站。

數(shù)據(jù)文件制作方式，以下為例：

新建一個(gè)以“YL.DAT”為后綴的“記事本”文件，并在其中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)：

103.601 31.103 1014

103.583 31.033 1486

103.820 30.581 677.5

103.467 30.383 1076

103.516 30.583 1071

103.483 30.766 1264

……

數(shù)據(jù)文件中雨量站的制作格式為：

經(jīng)度1＜空格＞緯度1＜空格＞雨量1

經(jīng)度2＜空格＞緯度2＜空格＞雨量2

經(jīng)度3＜空格＞緯度2＜空格＞雨量3

經(jīng)度4＜空格＞緯度2＜空格＞雨量4

經(jīng)度5＜空格＞緯度2＜空格＞雨量5

經(jīng)度6＜空格＞緯度2＜空格＞雨量6

…….

經(jīng)度n＜空格＞緯度n＜空格＞雨量n

輸入完成并對(duì)數(shù)據(jù)核對(duì)無(wú)誤后保存此文檔待后用。

2.2 底圖數(shù)據(jù)

準(zhǔn)備ArcGIS 繪制使用的底圖，包括成都市行政區(qū)劃范圍區(qū)分縣界內(nèi)的shp 格式底圖、區(qū)域內(nèi)主要河流水系shp 格式底圖、各個(gè)雨量站名稱(chēng)、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。在繪制過(guò)程中不但要保證等值線(xiàn)圖形的閉合性，更要保證經(jīng)緯度數(shù)據(jù)開(kāi)始和末尾之間的連續(xù)性。

2.2.1 雨量等值線(xiàn)的制作

打開(kāi)Surfer進(jìn)入主界面，把雨量數(shù)據(jù)dat文件轉(zhuǎn)化為grd格式文件。點(diǎn)擊軟件菜單中的網(wǎng)格/數(shù)據(jù)選項(xiàng)，如圖1。

圖1 主界面圖

當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)話(huà)框時(shí)，其中網(wǎng)格線(xiàn)的幾何特征表示X方向、Y 方向區(qū)域底圖的最大外邊界經(jīng)緯度值，可根據(jù)底圖的大小進(jìn)行修改?？死锝鸩逯捣ń?jīng)常被網(wǎng)格化算法所采用。在設(shè)置好生產(chǎn)文件后點(diǎn)擊“確定”按鈕，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)grd格式文件，如圖2。

圖2 網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)話(huà)框圖

點(diǎn)擊菜單欄“圖形/新建/等值線(xiàn)圖”，在其彈出的對(duì)話(huà)框體中選擇剛才制作完成grd文件，生成等值線(xiàn)圖，如圖3。

圖3 等值線(xiàn)圖

點(diǎn)擊菜單欄“圖形/導(dǎo)出等值線(xiàn)圖”，選擇保存為“2D ESRI形狀文件（*.shp）”，便可得到該格式的等值線(xiàn)文件。

3 ArcGIS專(zhuān)題圖制作

3.1 加載底圖

打開(kāi)ArcGIS map 軟件，在工具欄“添加數(shù)據(jù)”選項(xiàng)中依次添加“成都水文局管轄范圍”、“成都水文局管轄范圍河流”兩個(gè)底圖，地理坐標(biāo)系均采用GCS_WGS-1984，并設(shè)置好相應(yīng)地圖例、指北針、比例尺、經(jīng)緯線(xiàn)等一系列信息，如圖4。

圖4 成都水文局2017年降雨量圖

3.2 加載雨量站

在Excle中錄入66個(gè)雨量站基本信息數(shù)據(jù)，格式如表1。

表1 雨量站基本信息數(shù)據(jù)表

在工具欄“添加數(shù)據(jù)”選項(xiàng)中添加EXCEL文件中雨量數(shù)據(jù)工作表，右鍵點(diǎn)擊工作表，在選擇菜單點(diǎn)擊顯示XY 數(shù)據(jù)這一選項(xiàng)，并且X字段選擇經(jīng)度，Y字段選擇緯度，Z字段選擇2017年雨量。

設(shè)置雨量站顯示屬性，標(biāo)注為“［站名］&""&［2017 年雨量”，并調(diào)整字體及大小。

3.3 加載雨量等值線(xiàn)

在工具欄“添加數(shù)據(jù)”選項(xiàng)中添加從srufer中導(dǎo)出的等值線(xiàn)文件，設(shè)置等值線(xiàn)顯示屬性，標(biāo)注為“zelvel”，并調(diào)整字體及大小，得到最終雨量等值線(xiàn)圖。

3.4 雨量等值線(xiàn)圖的應(yīng)用

通過(guò)繪制好的雨量等值線(xiàn)圖可以直觀、便捷地判斷洪水產(chǎn)生的降雨中心位置。水情人員根據(jù)此圖的情況，結(jié)合水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)洪水預(yù)報(bào)地開(kāi)展當(dāng)?shù)氐念A(yù)報(bào)、預(yù)泄工作，使得在本場(chǎng)的洪水調(diào)度工作中取得主動(dòng)，使洪峰得到削減，使災(zāi)情得到控制。同時(shí)根據(jù)等值線(xiàn)圖等實(shí)際情況判斷本場(chǎng)次洪水過(guò)程的大致情況，及時(shí)做好洪尾的回蓄工作。

4 軟件的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

雖然Surfer軟件的插值功能極為強(qiáng)大，可以將分散的測(cè)量數(shù)據(jù)快捷而簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面。但Surfer 在后期對(duì)等值線(xiàn)圖的綜合顯示和最終的打印方面功能比較欠缺，對(duì)矢量元素的處理能力較弱，尤其體現(xiàn)在生成等值線(xiàn)時(shí)的矢量元素導(dǎo)入，其不僅只能用內(nèi)置的幾條較為簡(jiǎn)單的線(xiàn)形來(lái)顯示矢量點(diǎn)，還有著無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行投影變換、對(duì)等值線(xiàn)圖上的各要素進(jìn)行標(biāo)注的能力差、人機(jī)交互功能差等缺點(diǎn)。因此對(duì)于較個(gè)性化及復(fù)雜的GIS 應(yīng)用環(huán)境很難滿(mǎn)足用戶(hù)的一些專(zhuān)業(yè)修改需求。而這方面正是ArcGIS 的優(yōu)點(diǎn)，ArcGIS 直接使用矢量格式圖像操作，顯示時(shí)可任意大小進(jìn)行調(diào)整，可打印任意幅面的圖像，不會(huì)出現(xiàn)變形和模糊的情況；ArcGIS軟件可按照用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)需求，充分展現(xiàn)地理信息地圖，個(gè)性化專(zhuān)業(yè)化的圖標(biāo)、字體、大小、位置等。但ArcGIS也有著些許不足之處，例如：在使用空間分析模塊生成等值線(xiàn)時(shí)，不但能采用的插值方法較少，且靈活度較低。

只有結(jié)合采用兩個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)，才能最終制作出專(zhuān)業(yè)美觀的降雨量等值線(xiàn)圖，方便展示和應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

降雨量等值線(xiàn)圖在現(xiàn)今的水文、氣象行業(yè)中有著不可替代的作用，因此在其繪制的過(guò)程中不但要保證相關(guān)數(shù)據(jù)的正確性，更需要對(duì)其成圖過(guò)程的時(shí)效性、美觀性有著較高的要求，結(jié)合ArcGIS 軟件和Surfer 軟件就能很好滿(mǎn)足上述要求。使用Surfer和ArcGIS軟件繪制雨量等值線(xiàn)圖具有極為重要的意義，不僅使工作效率得到了極大地提升，其具有的高速、效能好等優(yōu)點(diǎn)還充分滿(mǎn)足防汛工作對(duì)于時(shí)效性的要求。調(diào)度者根據(jù)繪制好的雨量等值線(xiàn)圖可以直觀、便捷地判斷洪水產(chǎn)生的降雨中心位置，對(duì)水庫(kù)調(diào)度、地區(qū)性河道行洪、電站閘門(mén)泄洪、地域性生態(tài)流量的保障等多方面的預(yù)報(bào)和預(yù)防工作將有極大的幫助和戰(zhàn)略意義。文章所述的辦法是采用相對(duì)地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線(xiàn)圖繪制，還可以通過(guò)各雨量站點(diǎn)經(jīng)緯度值作為坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行雨量等值線(xiàn)圖的繪制，也可以結(jié)合某地區(qū)行政地圖繪制該地區(qū)某時(shí)段的雨量等值線(xiàn)圖，作為資料分析和資料整編的手段，對(duì)水文、防汛管理工作有實(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。