王路路

（東營市水文中心，山東 東營 257000）

在水文工作中，墑情能反映土壤含水率，與雨情、水情等水文要素同樣具有不可忽視的地位，墑情等值線（面）能直觀地反映一個(gè)區(qū)域內(nèi)的土壤干濕程度，做好墑情等值線（面）圖的繪制十分重要[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，繪制等值線的工具越來越多，比如Map-Info、Surfer、ArcGis 等軟件。本文以一張普通的東營市水系圖為開端，經(jīng)過ArcGis 的一系列處理，成功地將普通地圖矢量化，并以東營市墑情數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Arc-Gis 軟件，自動(dòng)生成了墑情等值線圖，為全面了解東營市的土壤墑情提供了理論支撐[2-3]。

1 前期資料準(zhǔn)備

東營市水系圖：從山東省自然資源廳官網(wǎng)下載一張標(biāo)準(zhǔn)的東營市水系圖，東營市18 處自動(dòng)墑情站地理坐標(biāo)，東營市18 處自動(dòng)墑情站2023 年2 月15 日相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，東營市政府、河口區(qū)政府、墾利區(qū)政府、廣饒縣政府、利津縣政府實(shí)際地理坐標(biāo)。

2 操作步驟

2.1 地圖矢量化

2.1.1 生成圖層

啟動(dòng)ArcGis 軟件，在菜單欄點(diǎn)擊“添加數(shù)據(jù)”，將下載完成的東營市水系圖導(dǎo)入軟件，生成相應(yīng)圖層。

2.1.2 地理配準(zhǔn)

右鍵點(diǎn)擊工具欄，選擇“地理配準(zhǔn)”工具，點(diǎn)擊“添加控制點(diǎn)”選項(xiàng)，在地圖上選擇位置明顯的地標(biāo)左鍵點(diǎn)擊地標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)小十字，此時(shí)點(diǎn)擊右鍵，選擇“輸入x和y”，輸入地標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)。

以上操作完成后，會(huì)給普通的水系圖賦予坐標(biāo)。需要注意，地圖會(huì)發(fā)生形變，這是正常狀況，后期完成“定義坐標(biāo)系”操作后，地圖會(huì)恢復(fù)正常形態(tài)。

在“地理配準(zhǔn)”工具欄內(nèi)，點(diǎn)擊“查看鏈接表”，會(huì)出現(xiàn)地理配準(zhǔn)坐標(biāo)殘差檢驗(yàn)界面，如圖1 所示。圖1 內(nèi)的“殘差”值越小，說明地圖坐標(biāo)越精確。

圖1 地理配準(zhǔn)坐標(biāo)殘差檢驗(yàn)界面Fig.1 Geographical registration coordinates residual error test interface

2.1.3 創(chuàng)建線要素

因?yàn)橄螺d的水系圖還存在多余的部分，此操作的目的是框選出東營市邊界，裁剪掉多余邊角料。

在目錄內(nèi)選中“東營市水系圖”所在文件夾，點(diǎn)擊右鍵，新建shapefile，更改名稱，要素類型選擇折線。

點(diǎn)擊編輯器，下拉、開始編輯，點(diǎn)擊創(chuàng)建要素，在右側(cè)彈出的創(chuàng)建要素對(duì)話框內(nèi)構(gòu)造工具選擇線，沿東營市地圖邊界框選一圈，完成后左鍵雙擊停止。

2.1.4 線要素轉(zhuǎn)面要素

上一步的操作框選了東營市的周長，線要素轉(zhuǎn)面要素的目的是將周長轉(zhuǎn)換為面積。打開“ArcToolbox”工具箱，打開工具箱，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)管理工具，選擇要素，要素轉(zhuǎn)面，輸入要轉(zhuǎn)換的要素。

2.1.5 地圖裁剪

打開“ArcToolbox”工具箱，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)管理工具”，選擇“柵格”，選擇“柵格處理”，選擇“裁剪”，左鍵雙擊打開對(duì)話框。

對(duì)話框內(nèi)，輸入柵格：下拉選中要裁剪的圖層，輸出范圍：選擇轉(zhuǎn)換完成的面要素，點(diǎn)選“使用輸入要素裁剪幾何”，輸出柵格數(shù)據(jù)集：選擇文件地址，命名時(shí)注意加后綴.tif，此時(shí)相應(yīng)文件夾內(nèi)存在圖片。

如果出現(xiàn)“當(dāng)前許可不支持影像服務(wù)器”提示時(shí)，選擇裁剪窗口的“環(huán)境”按鈕，點(diǎn)開“并行處理”，在“并行處理因素”對(duì)話框中輸入“0”。

至此，東營市水系圖矢量化操作完成，可以保存文件作為底圖文件，此后每次使用都可在此底圖的基礎(chǔ)上往下進(jìn)行，不用重復(fù)進(jìn)行地圖矢量化的操作。

2.2 定義地理坐標(biāo)系

在ArcGis 中坐標(biāo)系分為地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是球面坐標(biāo)，參考平面是橢球面，坐標(biāo)單位是經(jīng)緯度；投影坐標(biāo)系是平面坐標(biāo)系，參考平面是水平面，坐標(biāo)單位是m、km 等[1]。地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到投影坐標(biāo)系的過程理解為投影，將不規(guī)則的地球曲面轉(zhuǎn)換為平面。

操作方法為：在左側(cè)“內(nèi)容列表”內(nèi)，右鍵點(diǎn)擊圖層，選擇“屬性”，在彈出的“數(shù)據(jù)框?qū)傩浴睂?duì)話框內(nèi)，選擇“坐標(biāo)系”對(duì)話框，選擇“地理坐標(biāo)系”，在彈開的列表中選擇“World”，繼續(xù)選擇“WGS 1984”，點(diǎn)擊確定完成。

此時(shí)的東營市水系圖仍然保持變形的狀態(tài)，這是只定義了地理坐標(biāo)系，尚未定義投影坐標(biāo)系。設(shè)置投影坐標(biāo)系需要先添加墑情數(shù)據(jù)再可進(jìn)行操作，若順序顛倒會(huì)出現(xiàn)墑情站點(diǎn)與地圖分離的狀況。

正確的操作順序?yàn)椋旱貓D裁剪—定義地理坐標(biāo)系—添加墑情數(shù)據(jù)—定義投影坐標(biāo)系—繪制等值線。

2.3 創(chuàng)建墑情站坐標(biāo)點(diǎn)

2.3.1 Excel數(shù)據(jù)處理

在Excel 里做4 列（多列亦可）數(shù)據(jù)，第1 列為站點(diǎn)名稱，中間2 列為墑情站點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，第4 列為土壤相對(duì)濕度，如表1所示。

表1 東營市2023年2月15日土壤墑情表Tab.1 Soil moisture table on February 15,2023 in Dongying City

2.3.2 添加數(shù)據(jù)

打開左上角文件，選擇“添加數(shù)據(jù)”，選擇“添加x、y數(shù)據(jù)”，選擇“土壤墑情表”，分別選擇“x、y、z數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“確定”。

注意，如果出現(xiàn)“表沒有Object-ID 字段”提示，可以打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“轉(zhuǎn)換工具”，選擇“Excel”，選擇“Excel轉(zhuǎn)表”的操作進(jìn)行處理。

此時(shí)會(huì)在左側(cè)“內(nèi)容列表”內(nèi)出現(xiàn)相應(yīng)的“表”，選中該表，點(diǎn)擊右鍵，“顯示x、y數(shù)據(jù)”，“x字段”數(shù)據(jù)選擇經(jīng)度，“y字段”數(shù)據(jù)選擇緯度，“z字段”數(shù)據(jù)選擇土壤相對(duì)濕度，點(diǎn)擊“確定”，即可顯示出18處墑情站點(diǎn)。

若需顯示站點(diǎn)名稱，可以選中表，點(diǎn)擊右鍵，點(diǎn)選“標(biāo)注要素”。

2.4 定義投影坐標(biāo)系

在左側(cè)“內(nèi)容列表”內(nèi)，右鍵點(diǎn)擊圖層，選擇“屬性”，在彈出的“數(shù)據(jù)框?qū)傩浴睂?duì)話框內(nèi)，選擇“坐標(biāo)系”對(duì)話框，選擇“投影坐標(biāo)系”，在彈開的列表中選擇“UTM”，繼續(xù)選擇“WGS 1984”，選擇“Northern Hemisphere”，在彈開的列表中選擇“WGS 1984 UTM Zone 50 N”，點(diǎn)擊確定即可完成。定義投影坐標(biāo)系后，地圖變得狹長，并且恢復(fù)到下載的原圖大小。

2.5 繪制等值線

2.5.1 使用反距離權(quán)重法插值

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“插值分析”，選擇“反距離權(quán)重法”。然后在“輸入點(diǎn)要素”中選擇土壤墑情表，“Z值字段”選擇土壤相對(duì)濕度。如果此時(shí)點(diǎn)擊確定，會(huì)出現(xiàn)等值線圖與地圖大小不重合的狀況，需要在“環(huán)境”界面中繼續(xù)設(shè)置。

在“環(huán)境設(shè)置”界面下，“處理范圍”設(shè)置為與裁剪完成的東營市水系圖相同，“柵格分析”下的“掩膜”選擇同樣范圍。

2.5.2 等值線成線

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“表面分析”，左鍵雙擊“等值線”。然后在“輸入柵格”中選擇使用反距離權(quán)重法插值后的圖層，“等值線間距”和“起始等值線”可根據(jù)需求自行設(shè)置，“等值線類型”選擇“CONTOUR”。

2.5.3 平滑等值線

初步生成的等值線存在生硬的鋸齒，可以通過以下操作使等值線平滑美觀。

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“制圖工具”，選擇“制圖綜合”，選擇“平滑線”。然后在“輸入要素”中選擇等值線，“平滑算法”選擇“PEAK”，“平滑容差”根據(jù)自身需求填寫，后面單位選擇“km”，點(diǎn)擊確定。

2.5.4 設(shè)置等值線標(biāo)注

選中等值線圖層，右鍵，選擇屬性，選擇“標(biāo)注”，勾選“標(biāo)注此圖層中的要素”，在“標(biāo)注字段”中選擇“Contour”，同時(shí)，可以根據(jù)需求設(shè)置字體樣式、顏色和大小。

點(diǎn)擊“放置屬性”，設(shè)置標(biāo)注的方向和位置。如果標(biāo)注的位置為“在線上”，會(huì)出現(xiàn)標(biāo)注被線遮擋的情況，此時(shí)需要掩膜操作。在“標(biāo)注”界面下，選擇“符號(hào)”，進(jìn)一步選擇“編輯符號(hào)”，選擇“掩膜”，點(diǎn)選“暈圈”。

3 拓展應(yīng)用

3.1 生成等值面

打開“ArcToolbox”工具箱，選擇“Spatial Analyst 工具”，選擇“表面分析”，雙擊“等值線”?！拜斎霒鸥瘛薄暗戎稻€間距”“起始等值線”三項(xiàng)與“2.5.2 等值線成線”節(jié)要求相同，不同的是“等值線類型”選擇“CONTOUR_POLYGON”。點(diǎn)擊確定即可自動(dòng)生成等值面。

3.2 設(shè)置等值面顏色

根據(jù)不同的墑情數(shù)據(jù)及干旱等級(jí)設(shè)置相應(yīng)的顏色，如表2所示。選中等值面圖層，點(diǎn)選符號(hào)選擇器，根據(jù)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)顏色。

表2 干旱等級(jí)及顏色對(duì)應(yīng)表Tab.2 Drought grade and color mapping table

3.3 設(shè)置等值面透明度

此操作的目的在于使東營市地圖內(nèi)各縣區(qū)、河道水系等基本信息不被覆蓋，真實(shí)顯示各縣區(qū)的墑情狀況。操作方法為：選中等值面，右鍵選擇屬性，在“顯示”界面根據(jù)需求設(shè)置透明度。

3.4 計(jì)算等值面各區(qū)域面積

該操作的目的是計(jì)算等值面內(nèi)各區(qū)間的面積，比如土壤輕旱、中旱受災(zāi)面積等。此法還可應(yīng)用在雨量站上，在生成的降水量等值面圖內(nèi)計(jì)算各降水量級(jí)的區(qū)域面積。

操作步驟為，選中“墑情等值面”圖層，右鍵，選擇“打開屬性表”，左上角點(diǎn)擊“表選項(xiàng)”，在彈出的對(duì)話框中選擇“添加字段”，定義名稱，類型選擇“雙精度”，點(diǎn)擊確定。此時(shí)，會(huì)在表的最后一列出現(xiàn)“面積”一欄，選中整列，右鍵，選擇“計(jì)算幾何”。在“計(jì)算幾何”對(duì)話框中，點(diǎn)選“使用數(shù)據(jù)框的坐標(biāo)系”，單位選擇“km2”，點(diǎn)擊確定，會(huì)自動(dòng)計(jì)算各區(qū)間面積。方法如圖2所示。

圖2 計(jì)算等值面各區(qū)域面積操作界面Fig.2 Calculate the area of each area of the isosurface operation interface

4 結(jié)語

本文利用ArcGis 軟件實(shí)現(xiàn)了一張普通地圖生成墑情等值線的目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上生成了等值面，根據(jù)墑情數(shù)據(jù)，得出干旱受災(zāi)面積，可為相關(guān)職能部門提供旱情數(shù)據(jù)支撐，有效降低干旱風(fēng)險(xiǎn)。