ArcGIS在水利规划设计中的具体应用

汪仕伟,刘 辉,洪明海,余晓敏,夏明鸿

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵阳 550002)

GIS技术作为信息化的体现之一,在水利工程各环节中的应用范围不断扩大,应用层次也逐渐深入[1]。ArcGIS是GIS体系化应用系统,其中包含地理分析、地图视觉化、数据库等功能,能够对空间信息进行处理和分析[2]。ArcGIS软件系统主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe和ArcScene等软件组成,近年来广泛应用于水利规划设计中,如水利信息化、水文分析计算、洪水风险区划、水资源管理、水利工程用地布局等。现代水利规划工作主要是以区域水利发展历史和现状为基础,结合经济社会发展规划布局,预测未来水利保障需求,提出与规划水平年需求相适应的水利工程建设和管理工作重点,为区域社会高质量发展提供可靠的水安全保障。文章以贵州省W县水安全保障规划项目为例,探讨ArcGIS软件在规划工作中水利数据管理与分析、数据赋值与统计、规划成果图制作等应用,取得良好的效果,有一定的借鉴和参考意义。

1 项目背景与ArcGIS应用价值分析

1.1 项目背景

贵州省W县耕地资源丰富,土地平整且肥沃,兼具高海拔、低纬度、日照长、昼夜温差大等特征,是“云贵高原65个夏秋蔬菜生产基地建设重点县”“全国153个夏秋蔬菜生产基地县”。W县人口、耕地等用水户主要分布在1800m高程以上,而河流平均海拔仅1500m,河流、水库等水资源分布的高程远低于人口、耕地等分布高程,严重制约当地经济发展。为解决区域水资源短缺和工程性缺水问题,W县水安全保障规划提出新建一批水库等骨干水源和提水工程。

1.2 ArcGIS应用价值分析

水利规划需要大量的基础数据和行业专业数据,包括河流水系、地形地貌、水资源分区、水功能区划、水利工程分布(包括水库、提水工程、堤防、机井、水厂等)、经济社会分布(包括人口、行政区划、耕地资源、工业园区等)、饮用水源地、生态敏感区等,具体到W县水安全保障规划中,还需要细化到蔬菜基地分布等。为提高规划工作效率和规划成果水平,需要将上述大量的有关数据集成在一个统一的空间范围内,便于分析研究现状,提出水利工程与管理工作重点规划。ArcGIS具有强大的数据管理功能,能很好地应用于上述数据的储存、整合、编辑等管理分析。

水利规划中,不同高程的水源或提水工程覆盖的人口、耕地灌溉面积等差异较大,供水对象的高程和空间范围分布是确定规划工程项目布局、优化工程参数、开展水网构建、提升水资源配置有效性的关键因素,对规划项目的效益发挥和投资有直接影响。而实际工作过程中收集到的耕地图斑数据往往是不带高程的二维数据,无法根据工作需要准确且高效地统计出不同高程的耕地面积。传统规划中采用的方法通常是利用CAD等软件,将耕地分布图与1∶50000或1∶10000的地形图叠加,然后通过人工识别等方式去判断耕地的空间分布,进而开展水资源配置。此方法不仅要耗费大量人力和精力,也难以满足现代水利规划高效、准确的要求。因此,文章以ArcGIS在W县水安全保障规划中的具体应用为背景,研究通过批量简化处理且精度满足要求的方法,统计不同高程的耕地数据和识别判断耕地空间分布情况。

规划图件是规划成果必不可少的组成,其主要作用在于集成和直观展示规划成果。现代水利规划对于成果图的制作水平有更高的要求,比如信息准确、内容丰富、展示全面、效果美观、出图高效、便利储存调用和修改等。传统规划中常使用CAD软件进行制图,其存在数据管理不便、信息不准确、作图效率低、图表对应关系难以建立和同步更新等弊端。ArcGIS软件具有强大的数据管理和基于数据库的符号化展示功能,可以很好地解决传统工作中的制图问题,高质量地完成规划成果图制作。

2 ArcGIS在水利数据管理与分析中的应用

空间数据的编辑和管理是地理信息系统软件的主要功能之一。ArcGIS具有强大的数据编辑、版本管理、数据共享、企业级数据管理功能,还具有空间数据采集、空间数据库创建、拓扑关系创建与管理等功能。以软件在W县水安全保障规划中的应用为例,主要进行了如下数据管理与分析的应运用:①加载、查看、编辑和导出数据功能,比如通过软件可加载河流水系、行政区边界、水利工程点、耕地图斑等要素矢量数据,便于直观查看有关数据的空间分布;打开数据对应的属性表还可查看各要素的详细信息,发现错误信息可以编辑修正,重点关注的数据也可以选择导出,在工作中数据查找分析、会议讨论、项目汇报等过程中应用广泛。②有关数据信息整合,比如通过数据连接功能为水库点文件添加库容、水位、供水量等信息,便于后续工作中查看和统计分析;或者通过坐标系转换功能,将不同坐标系的数据转换到统一的基准坐标系下,为后续统一规划打好基础。③开展数据之间关系分析,比如进行规划水库建设用地范围与生态保护红线关系比对分析,可为调整优化水利工程布局提供可靠支撑;或者开展水源工程自流供水覆盖高程的分析,可研究水源自流供水的范围。

3 ArcGIS在耕地资源高程赋值和统计分析中的应用

3.1 资料收集和基础数据准备

首先收集整理W县人口经济社会分布情况、现状及规划水源工程分布情况、水资源分区、第三次国土调查评价成果、DEM栅格数据和高清卫星影像图等基础资料。然后将W县第三次国土调查评价成果中的地类图斑数据(DLTB)加载到ArcMap展示界面,通过工具箱(ArcTool box)中的“按属性选择工具”选中耕地数据图斑(通常包括水田、旱地、水浇地),具体代码为＂DLMC＂='水田'OR'水浇地'OR'旱地',确认选择后,将耕地图斑导出备用。注意导出时选择“导出所选要素”,为避免文件导出后出错,导出结果文件宜以英文方式命名。根据导出数据统计,W县耕地总面积248.02万hm2,图斑数量共计18.28万个,平均面积1.55hm2。

3.2 耕地图斑高程赋值计算

上述导出的耕地图斑为不带高程的矢量数据。想要获得不同高程的耕地资源面积和耕地空间分布情况,可以考虑通过带高程信息的DEM栅格数据为耕地图斑赋高程值。但是在ArcGIS软件系统中,由于耕地矢量面和DEM栅格面之间存在无数个相交点,无法将DEM栅格数据的高程值直接赋给耕地图斑的面文件。考虑到用一个耕地图斑的高程差别不大,文章根据“以点代面”的简化思路,提出一种简化计算的方法:首先将提取耕地图斑的代表点(中心点),然后将DEM的高程值赋予耕地图斑的代表点,作为耕地图斑的平均高程,再通过耕地点和耕地图斑的一一对应关系,将耕地点的高程数据连接至耕地图斑,便可得到具有代表点高程信息的耕地图斑。经验证,此种方法的计算精度能够满足水利规划阶段的要求,且大大提高了工作效率。主要计算过程说明如下:

为确保耕地图斑的前后一致性,便于后续数据之间连接计算,首先需要为每个耕地图斑进行编码,使其具有唯一代码。编码方式可根据图斑具体个数而定,例如W县耕地图斑共计18.28万个,可采用县名拼音首字母+六位数据的编码方式,也可直接采用系统自动赋值的OBJECTID字段作为唯一编码。然后提取带唯一编码的耕地图斑中心点作为耕地图斑平均高度的代表,具体操作为通过ArcTool box中的“要素转点”工具,将耕地面要素转换为代表点要素,注意转换过程中要勾选“内部点”,确保代表点在图斑内部。接下来,在同时加载了耕地代表点和带有高程信息的DEM栅格数据图层的条件下,通过ArcTool box中的“值提取至点”工具,可将DEM上对应点的高程值赋予上述代表点,得到带有高程数据的代表点要素。为进一步提高计算效率,以上步骤可通过ArcGIS软件建立计算模型,将输入要素、计算过程工具和输出结果通过软件自带的工具按照既定程序设定好,后续工作中便可实现一键计算和重复调用计算。当需要计算数量巨大的数据时,这种方法可以很好地节省时间,例如,通过调用已设置好的计算模型,本次完成W县18.28万个图斑高程数据赋值计算时间约1min。

得到带有高程数据的代表点要素后,再通过“连接数据”将代表点的高程值通过数据表中唯一编码OBJECTID连接至原耕地面图斑,保持数据之间连接关系将耕地面图斑数据导出,便可得到带有平均高程数据的耕地资源图斑。

3.3 耕地高程分级和分区统计

根据上述得到的带有高程数据的耕地资源图斑,打开数据对应的属性表,选中其高程数据字段,使用右键选择统计功能,便可得知数据的个数、最大最小值、合计数、平均值、标准差等信息。导出其属性表格并通过excel打开,对各图斑高程进行分段后,便可对不同高程范围的数据进行统计,统计结果见表1。

表1 W县不同高程耕地面积统计表

在水利规划的水资源配置过程中,通常还要对不同行政区或水资源分区进行水资源供需平衡计算,因此还需要统计不同区域的耕地面积数据。例如,为统计各水资源分区的耕地分布情况,可以在同时加载了耕地图斑和水资源分区数据的情况下,可采用ArcGIS软件中的“相交”工具,将上述带高程信息的耕地图斑与水资源分区矢量图相交计算。根据软件的“相交”计算设定,两数据相交的结果将保留两者原始数据信息,便可得到带有水资源分区数据的耕地图斑。不同行政区的数据统计方法同理。导出相交计算的结果属性表格后,可统计不同水资源分区的耕地面积,结果见表2。

表2 W县不同水资源分区耕地面积统计表

根据表1,W县81.43%的耕地资源分布在1800～2400m之间,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,在研究规划工程布局时,要充分考虑耕地高度的分布情况,在满足水文、地质等要求的同时,尽量减少输配水的提水扬程,实现高水高用、低水低用的优化配置。根据表2,W县的耕地主要分布于横江、牛栏江和大渡口以上三个水资源分区,可知这是开展规划水资源配置的重点区域,需加强这些区域的水资源保障,确保耕地得到有效灌溉。

4 ArcGIS在制图与效果展示中的应用

ArcGIS在专题地图制图方面有着较为出色的表现,其制图技术主要包括符号库技术、符号系统和标注等[3]。本次规划过程中,通过ArcGIS软件系统中的ArcMap的制图功能,将需要制图达展示的河流水系、行政区要素、水利工程要素、水网构建简要线路等数据加载并按主次关系排序,然后进行地图模板创建、信息标注、符号配置与制图表达、图外整饰、质量控制、地图输出等过程操作之后,便绘制完成了相关规划成果图。

本次W县水安全保障规划利用ArcMap软件完成了二维平面图、三维展示图等图件制作。二维平面展示图主要包括W县水系及水资源分区示意图、地形地貌示意图、耕地分布情况示意图、水网布局示意图、县城及乡镇供水水资源配置示意图等8张规划成果图。三维展示图主要是通过ArcScene软件完成,例如为展示W县某镇的耕地空间分布情况,首先将DEM数据通过按高程拉升的方式生成三维地形底图,并将上述带高程信息的耕地图斑覆盖在三维地形底图上,然后在同一水平面上设置按耕地的高程值拉升,并调整优化数据的符号化显示(例如设置不同高程段耕地图斑显示为不同颜色),便可使耕地资源的空间三维分布情况更直观地展示出来。在实际应用过程中,由于数据计算和符号化展示受计算机CPU、内存和显卡等限制,数据量过大时操作过程中软件系统容易出现卡顿,因此需要配置性能较好的计算机硬件系统。

5 应用成果讨论及建议

文章探讨了ArcGIS软件在水利规划设计中数据管理与分析、数据赋值计算与统计、规划成果图制作等方面的具体应用,取得了较好的效果,对现代水利规划设计有一定的借鉴和参考意义。特别是通过“以点代面”的简化思路,提出了一种耕地数据高程的赋值计算方法,可快速为水利规划提供可靠的基础数据,此方法不仅可应用于水利规划设计,经进一步复核验证也可应用于工程设计的可研、初设等阶段。通过ArcGIS软件系统中ArcMap、ArcScene等软件,充分发挥其符号化功能,可高质量地制作出水利规划图件。建议在今后水利规划中充分利用ArcGIS软件系统,深入挖掘和发挥其功能,比如水文分析计算、工程用地布局与敏感区关系分析、标准化批量制图等,或者基于ArcGIS系统进行二次开发,更好地服务于水利规划,提高规划效率和水平。