ArcGIS ModelBuilder在農(nóng)田灌溉面積一張圖中的應(yīng)用

摘 要：針對采用常規(guī)方法處理農(nóng)田灌溉面積一張圖操作流程繁瑣、過程重復(fù)、易出錯等問題，該文提出一種基于ArcGIS ModelBuilder的農(nóng)田灌溉面積一張圖建模批處理方法，采用ModelBuilder和Python將一系列空間數(shù)據(jù)處理工具串聯(lián)構(gòu)建批處理工具。該方法在瑞安市、開化縣等多個縣市區(qū)項目中得到了驗證，只要事先簡單設(shè)置參數(shù)，即可一鍵完成多個要素圖層的面積計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、屬性字段賦值等批處理工作，具有運行效率高、準(zhǔn)確率高、相比ArcGIS二次開發(fā)準(zhǔn)入門檻低等特點，大大提高了工作效率，為農(nóng)田灌溉面積一張圖項目按時完成提供保障，也為數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供一種新的作業(yè)思路。

關(guān)鍵詞：ArcGIS ModelBuilder；農(nóng)田灌溉面積一張圖；批處理；面積統(tǒng)計；字段賦值；Python

中圖分類號：P208 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0189-04

Abstract： Aiming at the problems of cumbersome， repetitive， and error-prone processing of a farmland irrigation area map using conventional methods， this paper proposes a batch processing method for modeling a farmland irrigation area map based on ArcGIS ModelBuilder. A series of spatial data processing tools are connected in series to build a batch processing tool. This method has been verified in projects in multiple counties and cities such as Rui'an City and Kaihua County： As long as parameters are simply set in advance， batch processing work such as area calculation， data statistics， and attribute field assignment of multiple feature layers can be completed with one click. It has high operating efficiency， high accuracy， and low entry threshold compared to the secondary development of ArcGIS. It greatly improves work efficiency， provides a guarantee for the timely completion of a farmland irrigation area map project， and also provides a new operating idea for the construction of a digital twin watershed data backplane database.

Keywords： ArcGIS ModelBuilder; a map of farmland irrigation area; batch processing; area statistics; field assignment; Python

根據(jù)《水利部辦公廳 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于開展全國農(nóng)田灌溉發(fā)展規(guī)劃編制工作的通知》（辦農(nóng)水〔2022〕304號）和《水利部辦公廳關(guān)于進一步復(fù)核確定2021年灌溉面積有關(guān)數(shù)據(jù)的通知》（辦農(nóng)水函〔2022〕740號）要求，全國各省需加強組織領(lǐng)導(dǎo)，在高質(zhì)高效完成農(nóng)田灌溉發(fā)展規(guī)劃報告編制的基礎(chǔ)上，全面推進農(nóng)田灌溉面積一張圖建設(shè)。農(nóng)田灌溉面積一張圖是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，前期涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)眾多，數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜繁瑣，需要面積統(tǒng)計的數(shù)據(jù)成果多，要素圖層多且字段重復(fù)賦值，處理過程中極易出錯。在時間緊、任務(wù)重的情況下，如何快速、高效、精確地完成一張圖數(shù)據(jù)庫，這是待解決的問題。

為解決上述問題，提出了一種基于ArcGIS ModelBuilder的農(nóng)田灌溉面積一張圖的數(shù)據(jù)批處理方法，將相交、計算字段、匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)等空間處理工具組合構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模型，實現(xiàn)自動化、流程化處理。該模型操作簡單，在面對海量數(shù)據(jù)時，仍能快速、高效、準(zhǔn)確地完成灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)庫處理[1]。

1 農(nóng)田灌溉面積一張圖介紹

本次農(nóng)田灌溉面積一張圖工作，目的在于摸清現(xiàn)狀灌溉面積和未來灌溉面積發(fā)展?jié)摿Φ姆植己兔娣e，本質(zhì)是對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的處理與分析，空間數(shù)據(jù)的處理主要涉及相交、面積計算、計算字段等，屬性數(shù)據(jù)的處理主要是屬性字段的賦值。

水利部統(tǒng)一下發(fā)了農(nóng)田灌溉面積一張圖標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，浙江省結(jié)合自身管理實際情況保留數(shù)據(jù)庫字段和圖層同時新增了部分字段和圖層，浙江省下發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)庫包含了6個要素圖層：2021年度現(xiàn)狀灌溉面積圖層、2025年度/2030年度/2035年度規(guī)劃面積圖層、2021年度/2035年度灌區(qū)外邊界，其中前4個是灌區(qū)灌溉面積圖層、后2個是灌區(qū)外邊界圖層。從表1中可以看出，表內(nèi)多數(shù)是相同字段，例如灌區(qū)所屬省份、灌區(qū)所屬市、灌區(qū)所屬縣區(qū)和灌區(qū)名稱等，作業(yè)流程重復(fù)性高，采用ModelBuilder批處理的方法可以很好地解決這一問題。

2 技術(shù)流程

2.1 ModelBuilder

ModelBuilder（模型構(gòu)建器）是ArcGIS軟件中用于設(shè)計、創(chuàng)建和編輯地理處理模型、構(gòu)建工作流的工具。ModelBuilder主要用于構(gòu)造地理處理模型，可將一系列空間處理工具串聯(lián)成工作流，可以完成一整套的地理處理過程[2]。ModelBuilder 具有可視性、快捷性、流程化、自動化、可共享性等優(yōu)勢[3-4]，眾多學(xué)者將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)質(zhì)檢[5]、區(qū)域裁剪[6]、數(shù)據(jù)庫合并[7]等空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)中。

ModelBuilder中，模型主要由輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)處理工具以及連接線構(gòu)成。輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果可以是要素類、數(shù)據(jù)集、表格等，空間數(shù)據(jù)處理工具包括ArcToolbox中的所有工具、腳本、自定模型等。將模型的變量和工具用連接線連接，完成模型構(gòu)建后，可自動驗證所添加和連接的數(shù)據(jù)、工具的有效性，當(dāng)模型被成功驗證后，可以運行所有進程[8]。

2.2 面積計算模型

在農(nóng)田灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，面積計算貫穿整個處理流程，本文采用Python函數(shù)！shape.area！在字段計算器中快速實現(xiàn)面積計算。由于處理過程中利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繁多，面積字段描述都不一樣，為了保證模型讀取面積字段不出錯，統(tǒng)一添加“MJ”字段，用于存儲面積數(shù)據(jù)。

2.3 統(tǒng)計模型

在農(nóng)田灌溉面積一張圖項目中，涉及基本的統(tǒng)計有16個：分鄉(xiāng)鎮(zhèn)/分灌區(qū)分別統(tǒng)計高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田、后備耕地、永久基本農(nóng)田、國土三調(diào)水田、國土三調(diào)旱地、國土三調(diào)林地、國土三調(diào)果園和國土三調(diào)牧草地，如果采用傳統(tǒng)人工統(tǒng)計，需相交、添加字段、計算面積、匯總統(tǒng)計等空間數(shù)據(jù)處理流程，操作繁瑣，且完全依靠人工干預(yù)，不僅會致使生產(chǎn)效率低下，還會導(dǎo)致隨機誤差產(chǎn)生。為此，提出了一種一鍵式、自動化處理方法，通過ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器，組合多種空間數(shù)據(jù)處理工具，實現(xiàn)過程如下。

1）輸入數(shù)據(jù)：目標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（要素類）、邊界（要素類）。

2）空間數(shù)據(jù)處理工具：相交、添加字段、計算字段、匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)。①相交，計算輸入要素的幾何交集，輸出相疊置要素部分的空間和屬性信息；②添加字段，這里統(tǒng)一添加“MJ”字段；③計算字段計算每一個圖斑要素面積，面積單位為萬畝，面積計算公式為MJ=！shape.area！*0.001 5，并將計算結(jié)果存儲于“MJ”字段；④匯總統(tǒng)計，統(tǒng)計字段選擇“MJ”，統(tǒng)計類型求和“SUM”，案例分組字段選擇“XZQMC”。

3）輸出數(shù)據(jù)：匯總統(tǒng)計表。

面積統(tǒng)計模型界面如圖1所示。

圖1 面積統(tǒng)計模型界面

2.4 字段賦值模型

農(nóng)田灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)庫字段更新包括：灌區(qū)所屬省份、灌區(qū)所屬市、灌區(qū)所屬縣區(qū)、灌區(qū)名稱、灌區(qū)類型、地塊所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、一級地類、二級地類和地塊面積。為了方便介紹，將字段分為3類：①對于一個灌區(qū)而言，灌區(qū)所屬省份、灌區(qū)所屬市、灌區(qū)所屬縣區(qū)、灌區(qū)名稱和灌區(qū)類型是固定的，同時地塊面積字段可以通過Python函數(shù)計算獲得，將這6個可以直接計算的字段稱為固定字段；②一級地類則是根據(jù)二級地類推斷，通過傳統(tǒng)方法不能直接賦值，將其稱為邏輯字段；③二級地類是繼承了三調(diào)數(shù)據(jù)DLMC屬性，實際作業(yè)中可直接繼承前期數(shù)據(jù)處理字段屬性，無需模型構(gòu)建器處理，這里不展開說明。

2.4.1 固定字段自動賦值

以2021年年度灌溉面積圖層屬性類型為例，固定字段有灌區(qū)所屬省份、灌區(qū)所屬市、灌區(qū)所屬縣區(qū)、灌區(qū)名稱、灌區(qū)類型和地塊面積等6個。采用傳統(tǒng)方法操作：打開屬性表—選中需賦值字段—右鍵—字段計算器—鍵入需賦值的值—單擊“完成”，6個屬性，需重復(fù)以上步驟6次，操作重復(fù)且繁瑣。為提高工作效率，采用ModelBuilder建模，將待賦值要素圖層導(dǎo)入模型構(gòu)建器內(nèi)，加入ArcToolbox中的“計算字段”工具，連接矢量要素和“計算字段”工具，設(shè)置參數(shù)。和傳統(tǒng)方法對比，ModelBuilder自動賦值方法，僅需鍵入需賦值的值——單擊“完成”就能完成一個要素的固定字段賦值。

2.4.2 邏輯字段自動賦值

第三次全國國土調(diào)查地類圖斑要素二級地類屬性通過DLMC（地類名稱）和DLBM（地類編碼）進行區(qū)分，農(nóng)田灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)庫DLMC_2（二級地類）可直接繼承三調(diào)數(shù)據(jù)庫DLMC（地類名稱）字段屬性，DLMC_1可根據(jù)表2明確，其中，在農(nóng)田灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)庫中，“果園”代表“種植園用地”，“牧草”代表“草地”。

傳統(tǒng)方法對DLMC_1 = 耕地的地塊賦值：打開屬性表—按屬性選擇—輸入SQL查詢語句“DLMC_2=‘水田’OR DLMC_2=‘水澆地’OR DLMC_2=‘旱地’”，選中耕地下的所有二級地類—右鍵—字段計算器—鍵入“=”耕地—單擊“完成”，林地、果園、牧草等一級類均需重復(fù)上述操作。對邏輯字段DLMC_1（一級地類）的賦值代碼，與固定字段一鍵式賦值相比，僅需在固定字段賦值基礎(chǔ)上加上簡單的幾行Python代碼就能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯屬性賦值，具體代碼如下。

def f（dl2）：

if dl2 == u“水田”or dl2 == u“水澆地” or dl2 == u“旱地” ：

return “耕地”

elif dl2 == u“果園”or dl2 == u“茶園”or dl2 == u“橡膠園”or dl2 == u“其他園地”：

return “果園”

elif dl2 == u“喬木林地” or dl2 == u“竹林地”or dl2 == u“灌木林地”or dl2 == u“其他林地”：

return “林地”

elif dl2 == u“天然牧草地” or dl2 == u“人工牧草地”or dl2 == u“其他草地” ：

return “牧草”

else：

return “其他”

2.4.3 數(shù)據(jù)迭代批處理模型

考慮到同一個灌區(qū)一張圖數(shù)據(jù)庫（.gdb），6個要素圖層的6個固定屬性都是完全一樣的，這里可以用ModelBuilder中迭代器做一個迭代處理，將“字段賦值”模型封裝成一個獨立的工具，使用迭代器工具對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的每一個要素圖層執(zhí)行一次字段賦值過程，達(dá)到一鍵處理一個灌區(qū)6個要素圖層的目的，實現(xiàn)過程如圖2所示。

3 應(yīng)用案例

以瑞安市為例，瑞安市有現(xiàn)狀灌區(qū)2個，規(guī)劃灌區(qū)6個，其他小型灌區(qū)1個共計9個灌區(qū)，一個灌區(qū)需處理的圖層有6個，總共需要處理的要素圖層54個，其中，一個圖層有6個固定字段，1個邏輯字段，傳統(tǒng)方法處理的屬性字段個數(shù)為7×54=378個。一個縣區(qū)的一張圖最基本的面積統(tǒng)計有16個。通過傳統(tǒng)人工方法和ModelBuilder方法分別對瑞安市數(shù)據(jù)進行面積統(tǒng)計和字段賦值處理，統(tǒng)計見表3。

經(jīng)過驗證，運用基于ArcGIS ModelBuilder的農(nóng)田灌溉面積一張圖數(shù)據(jù)批處理的方法，效率遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)人工方法。針對瑞安市，一個人操作普通工作機只需要大約5 h即可完成面積統(tǒng)計、字段賦值的工作。但是如果通過傳統(tǒng)人工的手段，需要大概32 h才可以完成相應(yīng)工作；如果需要修改，傳統(tǒng)人工方法時間將會成倍增長，而對于模型來講不會增加人力成本，增加的只是計算機運行程序的時間。

表3 傳統(tǒng)人工方法與ModelBuilder方法鼠標(biāo)操作對比

4 結(jié)論

利用ArcGIS ModelBuilder的建模方法可以高效、自動、準(zhǔn)確地完成農(nóng)田灌溉面積一張圖的面積統(tǒng)計、屬性字段賦值，并在實際應(yīng)用中得到了充分驗證。同時，ArcGIS軟件包含了許多的空間數(shù)據(jù)處理工具，且ModelBuilder具有操作簡單、多人共享、高效等特點，作業(yè)人員僅需在ModelBuilder中巧妙地串聯(lián)工具，就能輕松實現(xiàn)很多復(fù)雜空間數(shù)據(jù)的批處理，對實際工作中的水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)、一張圖建設(shè)、數(shù)據(jù)治理都非常有幫助，是一個高性價比的空間數(shù)據(jù)處理解決方案。

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