ArcGIS在水利規(guī)劃設(shè)計中的具體應(yīng)用

汪仕偉,劉 輝,洪明海,余曉敏,夏明鴻

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽 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、地圖視覺化、數(shù)據(jù)庫等功能,能夠?qū)臻g信息進行處理和分析[2]。ArcGIS軟件系統(tǒng)主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe和ArcScene等軟件組成,近年來廣泛應(yīng)用于水利規(guī)劃設(shè)計中,如水利信息化、水文分析計算、洪水風(fēng)險區(qū)劃、水資源管理、水利工程用地布局等?，F(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)濟社會發(fā)展規(guī)劃布局,預(yù)測未來水利保障需求,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,為區(qū)域社會高質(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、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 項目背景與ArcGIS應(yīng)用價值分析

1.1 項目背景

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

1.2 ArcGIS應(yīng)用價值分析

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、提水工程、堤防、機井、水廠等)、經(jīng)濟社會分布(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規(guī)劃。ArcGIS具有強大的數(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,供水對象的高程和空間范圍分布是確定規(guī)劃工程項目布局、優(yōu)化工程參數(shù)、開展水網(wǎng)構(gòu)建、提升水資源配置有效性的關(guān)鍵因素,對規(guī)劃項目的效益發(fā)揮和投資有直接影響。而實際工作過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),無法根據(jù)工作需要準(zhǔn)確且高效地統(tǒng)計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,然后通過人工識別等方式去判斷耕地的空間分布,進而開展水資源配置。此方法不僅要耗費大量人力和精力,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,研究通過批量簡化處理且精度滿足要求的方法,統(tǒng)計不同高程的耕地數(shù)據(jù)和識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?，F(xiàn)代水利規(guī)劃對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、便利儲存調(diào)用和修改等。傳統(tǒng)規(guī)劃中常使用CAD軟件進行制圖,其存在數(shù)據(jù)管理不便、信息不準(zhǔn)確、作圖效率低、圖表對應(yīng)關(guān)系難以建立和同步更新等弊端。ArcGIS軟件具有強大的數(shù)據(jù)管理和基于數(shù)據(jù)庫的符號化展示功能,可以很好地解決傳統(tǒng)工作中的制圖問題,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具有強大的數(shù)據(jù)編輯、版本管理、數(shù)據(jù)共享、企業(yè)級數(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,主要進行了如下數(shù)據(jù)管理與分析的應(yīng)運用:①加載、查看、編輯和導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能,比如通過軟件可加載河流水系、行政區(qū)邊界、水利工程點、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;打開數(shù)據(jù)對應(yīng)的屬性表還可查看各要素的詳細(xì)信息,發(fā)現(xiàn)錯誤信息可以編輯修正,重點關(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、會議討論、項目匯報等過程中應(yīng)用廣泛。②有關(guān)數(shù)據(jù)信息整合,比如通過數(shù)據(jù)連接功能為水庫點文件添加庫容、水位、供水量等信息,便于后續(xù)工作中查看和統(tǒng)計分析;或者通過坐標(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開展數(shù)據(jù)之間關(guān)系分析,比如進行規(guī)劃水庫建設(shè)用地范圍與生態(tài)保護紅線關(guān)系比對分析,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)濟社會分布情況、現(xiàn)狀及規(guī)劃水源工程分布情況、水資源分區(qū)、第三次國土調(diào)查評價成果、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縣第三次國土調(diào)查評價成果中的地類圖斑數(shù)據(jù)(DLTB)加載到ArcMap展示界面,通過工具箱(ArcTool box)中的“按屬性選擇工具”選中耕地數(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)出時選擇“導(dǎo)出所選要素”,為避免文件導(dǎo)出后出錯,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,W縣耕地總面積248.02萬hm2,圖斑數(shù)量共計18.28萬個,平均面積1.55hm2。

3.2 耕地圖斑高程賦值計算

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柵格面之間存在無數(shù)個相交點,無法將DEM柵格數(shù)據(jù)的高程值直接賦給耕地圖斑的面文件?？紤]到用一個耕地圖斑的高程差別不大,文章根據(jù)“以點代面”的簡化思路,提出一種簡化計算的方法:首先將提取耕地圖斑的代表點(中心點),然后將DEM的高程值賦予耕地圖斑的代表點,作為耕地圖斑的平均高程,再通過耕地點和耕地圖斑的一一對應(yīng)關(guān)系,將耕地點的高程數(shù)據(jù)連接至耕地圖斑,便可得到具有代表點高程信息的耕地圖斑。經(jīng)驗證,此種方法的計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。主要計算過程說明如下:

為確保耕地圖斑的前后一致性,便于后續(xù)數(shù)據(jù)之間連接計算,首先需要為每個耕地圖斑進行編碼,使其具有唯一代碼。編碼方式可根據(jù)圖斑具體個數(shù)而定,例如W縣耕地圖斑共計18.28萬個,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作為耕地圖斑平均高度的代表,具體操作為通過ArcTool box中的“要素轉(zhuǎn)點”工具,將耕地面要素轉(zhuǎn)換為代表點要素,注意轉(zhuǎn)換過程中要勾選“內(nèi)部點”,確保代表點在圖斑內(nèi)部。接下來,在同時加載了耕地代表點和帶有高程信息的DEM柵格數(shù)據(jù)圖層的條件下,通過ArcTool box中的“值提取至點”工具,可將DEM上對應(yīng)點的高程值賦予上述代表點,得到帶有高程數(shù)據(jù)的代表點要素。為進一步提高計算效率,以上步驟可通過ArcGIS軟件建立計算模型,將輸入要素、計算過程工具和輸出結(jié)果通過軟件自帶的工具按照既定程序設(shè)定好,后續(xù)工作中便可實現(xiàn)一鍵計算和重復(fù)調(diào)用計算。當(dāng)需要計算數(shù)量巨大的數(shù)據(jù)時,這種方法可以很好地節(jié)省時間,例如,通過調(diào)用已設(shè)置好的計算模型,本次完成W縣18.28萬個圖斑高程數(shù)據(jù)賦值計算時間約1min。

得到帶有高程數(shù)據(jù)的代表點要素后,再通過“連接數(shù)據(jù)”將代表點的高程值通過數(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 耕地高程分級和分區(qū)統(tǒng)計

根據(jù)上述得到的帶有高程數(shù)據(jù)的耕地資源圖斑,打開數(shù)據(jù)對應(yīng)的屬性表,選中其高程數(shù)據(jù)字段,使用右鍵選擇統(tǒng)計功能,便可得知數(shù)據(jù)的個數(shù)、最大最小值、合計數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息。導(dǎo)出其屬性表格并通過excel打開,對各圖斑高程進行分段后,便可對不同高程范圍的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 W縣不同高程耕地面積統(tǒng)計表

在水利規(guī)劃的水資源配置過程中,通常還要對不同行政區(qū)或水資源分區(qū)進行水資源供需平衡計算,因此還需要統(tǒng)計不同區(qū)域的耕地面積數(shù)據(jù)。例如,為統(tǒng)計各水資源分區(qū)的耕地分布情況,可以在同時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)矢量圖相交計算。根據(jù)軟件的“相交”計算設(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)計方法同理。導(dǎo)出相交計算的結(jié)果屬性表格后,可統(tǒng)計不同水資源分區(qū)的耕地面積,結(jié)果見表2。

表2 W縣不同水資源分區(qū)耕地面積統(tǒng)計表

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,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,盡量減少輸配水的提水揚程,實現(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水資源分區(qū),可知這是開展規(guī)劃水資源配置的重點區(qū)域,需加強這些區(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)主要包括符號庫技術(shù)、符號系統(tǒng)和標(biāo)注等[3]。本次規(guī)劃過程中,通過ArcGIS軟件系統(tǒng)中的ArcMap的制圖功能,將需要制圖達展示的河流水系、行政區(qū)要素、水利工程要素、水網(wǎng)構(gòu)建簡要線路等數(shù)據(jù)加載并按主次關(guān)系排序,然后進行地圖模板創(chuàng)建、信息標(biāo)注、符號配置與制圖表達、圖外整飾、質(zhì)量控制、地圖輸出等過程操作之后,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。在實際應(yīng)用過程中,由于數(shù)據(jù)計算和符號化展示受計算機CPU、內(nèi)存和顯卡等限制,數(shù)據(jù)量過大時操作過程中軟件系統(tǒng)容易出現(xiàn)卡頓,因此需要配置性能較好的計算機硬件系統(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)計中數(shù)據(jù)管理與分析、數(shù)據(jù)賦值計算與統(tǒng)計、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,對現(xiàn)代水利規(guī)劃設(shè)計有一定的借鑒和參考意義。特別是通過“以點代面”的簡化思路,提出了一種耕地數(shù)據(jù)高程的賦值計算方法,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,經(jīng)進一步復(fù)核驗證也可應(yīng)用于工程設(shè)計的可研、初設(shè)等階段。通過ArcGIS軟件系統(tǒng)中ArcMap、ArcScene等軟件,充分發(fā)揮其符號化功能,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)進行二次開發(fā),更好地服務(wù)于水利規(guī)劃,提高規(guī)劃效率和水平。