利用ArcGis绘制墒情等值线图及相关拓展应用

2024-04-25王路路

农业技术与装备 2024年3期

王路路

（东营市水文中心，山东东营 257000）

在水文工作中，墒情能反映土壤含水率，与雨情、水情等水文要素同样具有不可忽视的地位，墒情等值线（面）能直观地反映一个区域内的土壤干湿程度，做好墒情等值线（面）图的绘制十分重要[1]。随着计算机技术的发展，绘制等值线的工具越来越多，比如Map-Info、Surfer、ArcGis 等软件。本文以一张普通的东营市水系图为开端，经过ArcGis 的一系列处理，成功地将普通地图矢量化，并以东营市墒情数据为基础，使用Arc-Gis 软件，自动生成了墒情等值线图，为全面了解东营市的土壤墒情提供了理论支撑[2-3]。

1 前期资料准备

东营市水系图：从山东省自然资源厅官网下载一张标准的东营市水系图，东营市18 处自动墒情站地理坐标，东营市18 处自动墒情站2023 年2 月15 日相对湿度数据，东营市政府、河口区政府、垦利区政府、广饶县政府、利津县政府实际地理坐标。

2 操作步骤

2.1 地图矢量化

2.1.1 生成图层

启动ArcGis 软件，在菜单栏点击“添加数据”，将下载完成的东营市水系图导入软件，生成相应图层。

2.1.2 地理配准

右键点击工具栏，选择“地理配准”工具，点击“添加控制点”选项，在地图上选择位置明显的地标左键点击地标，会出现小十字，此时点击右键，选择“输入x和y”，输入地标的真实坐标。

以上操作完成后，会给普通的水系图赋予坐标。需要注意，地图会发生形变，这是正常状况，后期完成“定义坐标系”操作后，地图会恢复正常形态。

在“地理配准”工具栏内，点击“查看链接表”，会出现地理配准坐标残差检验界面，如图1 所示。图1 内的“残差”值越小，说明地图坐标越精确。

图1 地理配准坐标残差检验界面Fig.1 Geographical registration coordinates residual error test interface

2.1.3 创建线要素

因为下载的水系图还存在多余的部分，此操作的目的是框选出东营市边界，裁剪掉多余边角料。

在目录内选中“东营市水系图”所在文件夹，点击右键，新建shapefile，更改名称，要素类型选择折线。

点击编辑器，下拉、开始编辑，点击创建要素，在右侧弹出的创建要素对话框内构造工具选择线，沿东营市地图边界框选一圈，完成后左键双击停止。

2.1.4 线要素转面要素

上一步的操作框选了东营市的周长，线要素转面要素的目的是将周长转换为面积。打开“ArcToolbox”工具箱，打开工具箱，点击数据管理工具，选择要素，要素转面，输入要转换的要素。

2.1.5 地图裁剪

打开“ArcToolbox”工具箱，点击“数据管理工具”，选择“栅格”，选择“栅格处理”，选择“裁剪”，左键双击打开对话框。

对话框内，输入栅格：下拉选中要裁剪的图层，输出范围：选择转换完成的面要素，点选“使用输入要素裁剪几何”，输出栅格数据集：选择文件地址，命名时注意加后缀.tif，此时相应文件夹内存在图片。

如果出现“当前许可不支持影像服务器”提示时，选择裁剪窗口的“环境”按钮，点开“并行处理”，在“并行处理因素”对话框中输入“0”。

至此，东营市水系图矢量化操作完成，可以保存文件作为底图文件，此后每次使用都可在此底图的基础上往下进行，不用重复进行地图矢量化的操作。

2.2 定义地理坐标系

在ArcGis 中坐标系分为地理坐标系和投影坐标系。地理坐标系是球面坐标，参考平面是椭球面，坐标单位是经纬度；投影坐标系是平面坐标系，参考平面是水平面，坐标单位是m、km 等[1]。地理坐标系转换到投影坐标系的过程理解为投影，将不规则的地球曲面转换为平面。

操作方法为：在左侧“内容列表”内，右键点击图层，选择“属性”，在弹出的“数据框属性”对话框内，选择“坐标系”对话框，选择“地理坐标系”，在弹开的列表中选择“World”，继续选择“WGS 1984”，点击确定完成。

此时的东营市水系图仍然保持变形的状态，这是只定义了地理坐标系，尚未定义投影坐标系。设置投影坐标系需要先添加墒情数据再可进行操作，若顺序颠倒会出现墒情站点与地图分离的状况。

正确的操作顺序为：地图裁剪—定义地理坐标系—添加墒情数据—定义投影坐标系—绘制等值线。

2.3 创建墒情站坐标点

2.3.1 Excel数据处理

在Excel 里做4 列（多列亦可）数据，第1 列为站点名称，中间2 列为墒情站点真实坐标，第4 列为土壤相对湿度，如表1所示。

表1 东营市2023年2月15日土壤墒情表Tab.1 Soil moisture table on February 15,2023 in Dongying City

2.3.2 添加数据

打开左上角文件，选择“添加数据”，选择“添加x、y数据”，选择“土壤墒情表”，分别选择“x、y、z数据”，点击“确定”。

注意，如果出现“表没有Object-ID 字段”提示，可以打开“ArcToolbox”工具箱，选择“转换工具”，选择“Excel”，选择“Excel转表”的操作进行处理。

此时会在左侧“内容列表”内出现相应的“表”，选中该表，点击右键，“显示x、y数据”，“x字段”数据选择经度，“y字段”数据选择纬度，“z字段”数据选择土壤相对湿度，点击“确定”，即可显示出18处墒情站点。

若需显示站点名称，可以选中表，点击右键，点选“标注要素”。

2.4 定义投影坐标系

在左侧“内容列表”内，右键点击图层，选择“属性”，在弹出的“数据框属性”对话框内，选择“坐标系”对话框，选择“投影坐标系”，在弹开的列表中选择“UTM”，继续选择“WGS 1984”，选择“Northern Hemisphere”，在弹开的列表中选择“WGS 1984 UTM Zone 50 N”，点击确定即可完成。定义投影坐标系后，地图变得狭长，并且恢复到下载的原图大小。

2.5 绘制等值线

2.5.1 使用反距离权重法插值

打开“ArcToolbox”工具箱，选择“Spatial Analyst 工具”，选择“插值分析”，选择“反距离权重法”。然后在“输入点要素”中选择土壤墒情表，“Z值字段”选择土壤相对湿度。如果此时点击确定，会出现等值线图与地图大小不重合的状况，需要在“环境”界面中继续设置。

在“环境设置”界面下，“处理范围”设置为与裁剪完成的东营市水系图相同，“栅格分析”下的“掩膜”选择同样范围。

2.5.2 等值线成线

打开“ArcToolbox”工具箱，选择“Spatial Analyst 工具”，选择“表面分析”，左键双击“等值线”。然后在“输入栅格”中选择使用反距离权重法插值后的图层，“等值线间距”和“起始等值线”可根据需求自行设置，“等值线类型”选择“CONTOUR”。

2.5.3 平滑等值线

初步生成的等值线存在生硬的锯齿，可以通过以下操作使等值线平滑美观。

打开“ArcToolbox”工具箱，选择“制图工具”，选择“制图综合”，选择“平滑线”。然后在“输入要素”中选择等值线，“平滑算法”选择“PEAK”，“平滑容差”根据自身需求填写，后面单位选择“km”，点击确定。

2.5.4 设置等值线标注

选中等值线图层，右键，选择属性，选择“标注”，勾选“标注此图层中的要素”，在“标注字段”中选择“Contour”，同时，可以根据需求设置字体样式、颜色和大小。

点击“放置属性”，设置标注的方向和位置。如果标注的位置为“在线上”，会出现标注被线遮挡的情况，此时需要掩膜操作。在“标注”界面下，选择“符号”，进一步选择“编辑符号”，选择“掩膜”，点选“晕圈”。

3 拓展应用

3.1 生成等值面

打开“ArcToolbox”工具箱，选择“Spatial Analyst 工具”，选择“表面分析”，双击“等值线”。“输入栅格”“等值线间距”“起始等值线”三项与“2.5.2 等值线成线”节要求相同，不同的是“等值线类型”选择“CONTOUR_POLYGON”。点击确定即可自动生成等值面。

3.2 设置等值面颜色

根据不同的墒情数据及干旱等级设置相应的颜色，如表2所示。选中等值面图层，点选符号选择器，根据土壤相对湿度数据设置相应颜色。

表2 干旱等级及颜色对应表Tab.2 Drought grade and color mapping table

3.3 设置等值面透明度

此操作的目的在于使东营市地图内各县区、河道水系等基本信息不被覆盖，真实显示各县区的墒情状况。操作方法为：选中等值面，右键选择属性，在“显示”界面根据需求设置透明度。

3.4 计算等值面各区域面积

该操作的目的是计算等值面内各区间的面积，比如土壤轻旱、中旱受灾面积等。此法还可应用在雨量站上，在生成的降水量等值面图内计算各降水量级的区域面积。

操作步骤为，选中“墒情等值面”图层，右键，选择“打开属性表”，左上角点击“表选项”，在弹出的对话框中选择“添加字段”，定义名称，类型选择“双精度”，点击确定。此时，会在表的最后一列出现“面积”一栏，选中整列，右键，选择“计算几何”。在“计算几何”对话框中，点选“使用数据框的坐标系”，单位选择“km2”，点击确定，会自动计算各区间面积。方法如图2所示。