基于ArcGis的東江流域雨量等值線圖和水質(zhì)成果圖繪制

蘇陽(yáng)悅

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516001)

1 概述

為推進(jìn)東江流域水資源統(tǒng)一調(diào)配和精細(xì)化管理，落實(shí)省政府頒布實(shí)施的《廣東省東江流域水資源分配方案》[1]，及時(shí)掌握和反映東江流域水資源水量、水質(zhì)及重大涉水事務(wù)，對(duì)促進(jìn)東江流域水資源的統(tǒng)一管理、優(yōu)化配置和有效保護(hù)具有重要意義。尤其在“節(jié)水優(yōu)先”的新時(shí)代治水思路下，流域水資源管理對(duì)數(shù)據(jù)成果的正確性、時(shí)效性、可視性有了更高的要求。現(xiàn)狀對(duì)水文信息成果作圖需求主要為雨量等值線圖和水質(zhì)情況分布圖，在等值線圖繪制中常用Delaunay三角剖分等方法繪制離散點(diǎn)的等值線圖[2]，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整，可快速應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)上的瑕疵，繪制靈活性高；此外還有多軟件的耦合使用方法，可大幅提高出圖精度和效率，但有一定的上手門檻，制作成本高，操作相對(duì)繁瑣[3-7]。水質(zhì)情況分布圖為逐站展示，標(biāo)注效果亦是逐個(gè)調(diào)整，如按常規(guī)方法編輯處理，工作效率上難以滿足需求。故本文結(jié)合實(shí)際工作情況以東江流域?yàn)槔榻B了一種通過(guò)ArcGIS軟件制作相關(guān)專題圖的方法，可快速繪制與美化雨量等值線圖及江河湖泊水庫(kù)水質(zhì)情況圖。

2 基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

2.1 雨量數(shù)據(jù)

使用廣東省水文局惠州水文分局管轄范圍內(nèi)的135個(gè)基本雨量站數(shù)據(jù)作為繪圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及4個(gè)地市，所選站點(diǎn)均勻分布在東江流域主要干支流上，站網(wǎng)平均密度約為234 km2/站。雨量站點(diǎn)屬性見(jiàn)表1。

表1 雨量站點(diǎn)屬性 mm

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

使用廣東省水文局惠州水文分局管轄范圍內(nèi)67個(gè)常規(guī)水質(zhì)站的數(shù)據(jù)作為繪圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所選斷面均為東江流域主要干支流和大中型水庫(kù)出入庫(kù)口，共涉及4個(gè)地市。水質(zhì)站點(diǎn)屬性表結(jié)構(gòu)與表1測(cè)站屬性表結(jié)構(gòu)相似，其中站點(diǎn)屬性方面將依據(jù)水質(zhì)站點(diǎn)的需求進(jìn)行構(gòu)筑，為方便后續(xù)分類渲染，增加了一列“水質(zhì)達(dá)標(biāo)判斷”，該列內(nèi)容為對(duì)水質(zhì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，達(dá)標(biāo)為1，反之為0。水質(zhì)站點(diǎn)屬性見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)站點(diǎn)屬性 mm

2.3 底圖數(shù)據(jù)

準(zhǔn)備ArcGIS繪制使用的底圖，包括流域內(nèi)的市級(jí)行政區(qū)劃相關(guān)圖層、縣級(jí)行政區(qū)劃相關(guān)圖層、水資源分區(qū)邊界、水系圖、重要水庫(kù)湖泊分布圖，站點(diǎn)分布圖，地理坐標(biāo)系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，格式均為*.shp，繪制過(guò)程建議將準(zhǔn)備的圖層文件存儲(chǔ)在ArcGis GeoDatabase格式數(shù)據(jù)庫(kù)(GDb)，以方便管理和提升運(yùn)算速度。

3 專題圖制作

制圖工作分為3個(gè)部分：① 底圖模板制作；② 專題圖制作；③ 底圖審核校對(duì)。具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線示意

3.1 底圖模板制作

依據(jù)SL 385—2007水文數(shù)據(jù)GIS分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，專題圖層制作需準(zhǔn)備水系層、圖框?qū)?、圖幅、點(diǎn)坐標(biāo)層、境界與政區(qū)層、水文站層、雨量站層。

模板制作首先打開(kāi) ArcGIS map 軟件，在工具欄“添加數(shù)據(jù)”選項(xiàng)中依次添加所準(zhǔn)備的圖層，地理坐標(biāo)系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，并設(shè)置好相應(yīng)地圖例、指北針、比例尺、經(jīng)緯線等一系列信息，所形成底圖如圖2所示。

圖2 東江流域邊界示意

3.2 雨量等值線專題

3.2.1空間插值

常用的空間插值方法有反距離權(quán)重法(Inverse Distance Weighted,以下簡(jiǎn)稱IDW)、克里金法(Kriging)、全局多項(xiàng)式插值法、局部多項(xiàng)式插值法、徑向基行數(shù)插值法(RBF)，其中克里金法又有多種變式[8],依據(jù)插值形式又可以劃分為確定性方法和地統(tǒng)計(jì)方法(見(jiàn)圖3)。這些方法各有特點(diǎn)，其中以IDW和Kriging最為常用，技術(shù)員可按不同需求進(jìn)行選擇。

圖3 插值方法分類示意

反距離權(quán)重法是一種確定性插值方法，該方法認(rèn)為兩物體相似性隨它們距離增大而減少，即離散點(diǎn)離插值點(diǎn)越近的樣本賦予的權(quán)重越大[9]。在應(yīng)用中IDW法運(yùn)算速度快，成果直觀，尤其在離散點(diǎn)均勻分布的情況下插值效果好，其插值結(jié)果在插值數(shù)據(jù)的極值之間，故其缺點(diǎn)就是易受數(shù)組極值的影響，并且它沒(méi)有物理過(guò)程。

克里金法為地統(tǒng)計(jì)插值法，該方法用隨機(jī)表面函數(shù)對(duì)不規(guī)則的空間連續(xù)進(jìn)行模擬[10]?？死锝鸱ㄓ性S多分支，主要差異為假設(shè)條件不同，以普通克里金法為例，其假設(shè)條件為空間屬性z是均一的，對(duì)于空間任意一點(diǎn)，都有同樣的期望與方差。與IDW不同，克里金法具有物理實(shí)際意義，依據(jù)地理學(xué)第一定律，用半變異函數(shù)檢驗(yàn)所采集的樣本是否存在自相關(guān)性，在克里金工具中有數(shù)據(jù)點(diǎn)集和函數(shù)曲線的擬合圖，選擇擬合度最高的函數(shù)會(huì)得到更好的效果，缺點(diǎn)是調(diào)參過(guò)程較為繁瑣耗時(shí)。

綜上所述，當(dāng)雨量數(shù)據(jù)較平均且有突出極值點(diǎn)需求的時(shí)候，應(yīng)用IDW效果會(huì)比較好；當(dāng)雨量數(shù)據(jù)區(qū)間范圍較大時(shí)，可采用克里金法，能更好地表達(dá)趨勢(shì)概念。但兩種方法都會(huì)在一些地方產(chǎn)生較大的鋸齒和躍變，不利于展示，為了使出圖效果更好，曲線平滑，后文介紹了一種技術(shù)處理方法。

3.2.2雨量等值線制作

雨量等值線生成步驟如下：

1)ArcToolbox→Spatial Analyst工具→插值分析→反距離權(quán)重法或克里金法。

2)右鍵剛生成的圖層→導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3)生成等值線 ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→等值線，生成成果如圖4a所示。

a 雨量等值線優(yōu)化前示意

3.2.3雨量等值線平滑及Modle Builder應(yīng)用

平滑曲線工具可以減少鋸齒和銳角，參數(shù)設(shè)置建議0.01～1。平滑曲線的操作步驟較為繁瑣，且調(diào)參過(guò)程為重復(fù)性工作，為了提高該部分的工作效率，減少操作步驟，可以利用ArcGis自帶工具modle builder 模型構(gòu)建器簡(jiǎn)化工作流程[11-12]。

構(gòu)筑思路如圖5所示，快捷工具制作步驟如下：

圖5 快捷工具的Modlebuilder構(gòu)筑示意

1)將依據(jù)IDW或Kriging生成的柵格圖導(dǎo)入，設(shè)定合適的等值線間距，利用等值線工具輸出初步處理的等值線。

2)對(duì)初步處理的等值線進(jìn)行平滑曲線處理，平滑容差參數(shù)設(shè)定建議填選0.1，平滑算法一般情況下選擇PAEK，這樣就可以得到處理后的平滑等值線(如圖4b所示)。

3)為了使柵格圖層可以匹配平滑后的等值線，則可利用要素轉(zhuǎn)面工具，依據(jù)平滑后的等值線和邊界條件生成與之匹配的面要素。

4)利用空間連接工具將等值線的屬性賦予面要素，但對(duì)于共線的兩個(gè)面無(wú)法很好地區(qū)分，將會(huì)賦予同一值，故需要把范圍內(nèi)的雨量站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)再次與面要素進(jìn)行空間連接，利用內(nèi)置函數(shù)僅保留平均降雨量。

5)對(duì)屬性表進(jìn)行邏輯運(yùn)算，比對(duì)面平均雨量與所處等值面數(shù)值，如平均雨量大于等值面賦值，則認(rèn)為所處面比鄰近面的數(shù)值高，該面的賦值應(yīng)增加1個(gè)等級(jí)，即加上1個(gè)等值單位，反之則不變。操作上首先利用表屬性操作工具“添加字段”將字段“等間距”添加入屬性表，其次用計(jì)算字段工具把變量“等值線間距”賦值給該字段，最后再次利用計(jì)算字段工具對(duì)字段“contour”(等值線的值)進(jìn)行條件賦值。

6)將等值線間距、插值柵格、平滑算法、平滑容差、掩膜工具作為可輸入項(xiàng)，并對(duì)模型進(jìn)行封裝(如圖6所示)。

圖6 快捷工具封裝示意

7)運(yùn)行所封裝工具，依據(jù)GB/T14538-1993中的配色建議，調(diào)整等值線和等值面顯示方式，最終得出該季度的雨量等值成果圖(如圖7所示)。

圖7 東江流域雨量等值線示意

3.3 水質(zhì)專題

載入底圖模板后，水質(zhì)圖中需要重點(diǎn)展示達(dá)標(biāo)分類結(jié)果，根據(jù)表達(dá)需要，運(yùn)用python語(yǔ)句來(lái)控制相應(yīng)的字體、字號(hào)、顏色。標(biāo)注表達(dá)式源代碼如下:

def FindLabel([STNM],[WQ],[WQP]):

if long([WQP])> 0:

return ""

else:

return ""

該段代碼表示當(dāng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)顯示的字體顏色為綠色，否則顯示為紅色，字體大小均設(shè)定為“11”，顯示樣式為站名在上，水質(zhì)情況在下。

實(shí)際工作中僅需替換水質(zhì)站點(diǎn)要素圖層，將該段源碼代入“屬性—顯示—表達(dá)式”中即可自動(dòng)顯示達(dá)標(biāo)情況，簡(jiǎn)化了人為調(diào)整的步驟。對(duì)于水質(zhì)達(dá)標(biāo)的輔助列“0”和“1”的賦值，可在Excel中利用If函數(shù)進(jìn)行比對(duì)判斷。水質(zhì)成果如圖8所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 雨量等值線成果與分析

繪制東江流域雨量等值線圖共選用了135個(gè)站點(diǎn)的資料，涉及4個(gè)地市，所選站點(diǎn)均勻分布在東江流域主要干支流上，所選時(shí)段為某年枯季雨量成果。

因是枯季，雨量數(shù)據(jù)無(wú)明顯極值點(diǎn)，為體現(xiàn)數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)情況，在內(nèi)插算法上采用了反距離權(quán)重法(IDW)，在專題圖層中生成相關(guān)的柵格圖并提取等值線，圖中等值線有銳角、Z型折線和S型高頻率波浪，不僅不美觀，在圖形表達(dá)上也容易讓人產(chǎn)生誤解。于是對(duì)等值線和柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的等值線平滑。

優(yōu)化方法共需9個(gè)操作步驟，其中還需要配置邏輯代碼，當(dāng)生成結(jié)果需要調(diào)整參數(shù)，所有步驟需要重復(fù)一遍，使用較為繁瑣，此種情況是當(dāng)前對(duì)使用ArcGIS繪圖的主要分歧與矛盾點(diǎn)之一，繁復(fù)的操作在工作效率上不如多軟件耦合使用，多參數(shù)調(diào)整擬合在靈活性上不如手繪，因此，本文應(yīng)用模型構(gòu)建器(Modle builder)創(chuàng)建了1個(gè)快捷工具，集合所有機(jī)械且重復(fù)的步驟，使用者僅需輸入必要參數(shù)即可生成相應(yīng)的成果，該工具運(yùn)算時(shí)間受計(jì)算機(jī)性能和載入數(shù)據(jù)量影響，在當(dāng)前所選數(shù)據(jù)量和處理器為core(TM)i7-7 700的環(huán)境下，所需計(jì)算時(shí)長(zhǎng)小于2 s，極大地減少重復(fù)性工作量，提高了工作效率。

運(yùn)行快捷工具后，得出優(yōu)化后的雨量等值線圖，通過(guò)觀察可直觀地看到在時(shí)空分布上東江流域在該季度的降雨量由北向南，由東向西減少，降雨主要集中于北部；在站點(diǎn)108和109處出現(xiàn)極大值，在站點(diǎn)132處出現(xiàn)極小值。

4.2 水質(zhì)成果與分析

水質(zhì)專題中共選用了67個(gè)水質(zhì)站的數(shù)據(jù)，所選斷面均為東江流域主要干支流和大中型水庫(kù)出入庫(kù)口，共涉及4個(gè)地市。

水質(zhì)成果是逐站展示的形式，所需操作步驟簡(jiǎn)單，在無(wú)新增水質(zhì)站點(diǎn)的情況下，每次更新數(shù)據(jù)僅需覆蓋歷史數(shù)據(jù)，繪制難點(diǎn)在于達(dá)標(biāo)水質(zhì)點(diǎn)展示的邏輯判斷，運(yùn)用ArcGIS中的Python模塊在標(biāo)注表達(dá)式內(nèi)編制相關(guān)邏輯判斷代碼，可讓數(shù)據(jù)每次更新后即刻按要求展示，無(wú)需手動(dòng)調(diào)整。

載入數(shù)據(jù)后獲得成果，圖中通過(guò)標(biāo)注文字的顏色來(lái)區(qū)分達(dá)標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)觀察可以看出該季度內(nèi)河流水質(zhì)普遍達(dá)標(biāo)，下游站點(diǎn)19、20、31、48水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)尚不達(dá)標(biāo)，參考?xì)v史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)20為水質(zhì)突變站，具體情況可做進(jìn)一步詳細(xì)分析并采取相應(yīng)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ArcGIS成功繪制出了東江流域的雨量等值線圖和水質(zhì)成果圖，給出了相關(guān)成果圖實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)步驟，在此基礎(chǔ)上結(jié)合需求創(chuàng)建了1個(gè)雨量等值線優(yōu)化快捷工具，并在標(biāo)注表達(dá)式中運(yùn)用了Python模塊編譯邏輯語(yǔ)句，提高了某一類型成果圖的出圖效率，技術(shù)員可把更多的精力放在數(shù)據(jù)分析上，而管理決策者僅需通過(guò)讀圖就能夠有清晰的概念，并且成果圖依據(jù)時(shí)間序列制作，可及時(shí)掌握數(shù)據(jù)變遷情況，對(duì)推進(jìn)流域水資源的統(tǒng)一管理、優(yōu)化配置和有效保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。