洞庭盆地西部地势图编制

高海丽，李德平，陈玉冬，宇洁莹

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081）

洞庭盆地西部地势图编制

高海丽1，李德平1，陈玉冬1，宇洁莹1

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081）

利用水文分析方法划分出洞庭盆地西部范围，基于DEM数据和遥感影像数据，收集制图区域资料进行分析，利用ArcGIS软件，采用分层设色加晕渲法表示地势图。比例尺的选择、色层表的确定、阴影参数的设置是地势图编制的关键，决定着最终效果图的质量。

地势图；西洞庭盆地；DEM；Landsat8

1 洞庭盆地西部流域划分

1.1 洞庭盆地概况

洞庭盆地位于湖南省北部，两湖平原南部，主要由长江通过松滋、太平、藕池、调弦四口输入的泥沙和洞庭湖水系湘江、资水、沅江、澧水等带来的泥沙冲积而成。洞庭盆地区域包括由湖槽和洲滩组成的洞庭湖区和湖区外围的垸田、洪道以及盆地周缘的一些台地[1]。本研究区“洞庭盆地”范围以盆地形成和发育过程中的地层为根据，依据1∶500 000湖南省地质图白垩纪以来地层[2]划定，在行政区上共包含澧县、临澧县、津市、常德市、安乡县、岳阳县等19个县市，其范围如图1所示。

图1 洞庭盆地范围示意图

洞庭盆地地貌类型复杂多样，湖泊、平原、山地和丘陵兼备。盆地中部的海拔较低，多为海拔50 m以下的河湖平原，湖区部分仅有赤山岛一处地势较高；平原外围分布着海拔200～500 m的丘陵；最外围是中低山区，且山地逐渐向中部和东北部倾斜[3]。由于地形地貌因素的影响，整个水系呈扇形展布，形成了以湖泊为中心的向心状水系[4]。洞庭盆地西部地貌类型兼具山地与平原，海拔垂直变化大，但从大的区域尺度图中不能清晰表现局部的地貌细部特征，因此划分出洞庭盆地西部，为洞庭盆地西部地区大比例尺地势图制作奠定基础。

1.2 洞庭盆地西部范围划定

因洞庭盆地有湘、资、沅、澧和长江水汇流注入，流域众多，因此本文主要根据流域来划分出洞庭盆地西部的地理范围。流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出从而形成的一个集水区域，出水口即流域内水流的出口，是整个流域的最低点。流域间的分界线即为分水岭。分水线包围的区域称为一条流域或水系的流域，流域分水线所包围的区域面积就是流域面积。本文流域划分采用洞庭盆地DEM为数据源划分出洞庭盆地西部的地理范围。其中选用的数据为GDEM DEM数据，本数据集利用ASTER GDEM第一版本（V1）的数据进行加工得来，空间分辨率为30 m，数据时期为2009年，数据范围为整个洞庭盆地。

本节主要选用ArcGIS的水文分析模块，来进行洞庭盆地流域的划分，主要包括地表径流模拟过程中的水流方向的确定、洼地填平、汇流累计量的计算、河网的提取及流域分割等，最后生成集水流域。将划分好的集水流域图与洞庭盆地矢量图叠加，右侧以赤山岛为界，大致沿南北-西北方向，根据分割的集水流域划分出洞庭盆地西部的范围（图2）。

图2 洞庭盆地西部范围

图3 技术路线图

2 研究方法和技术路线

1）研究方法。地势图有3种表示方法：等高线法、分层设色法和晕渲法[5]。用分层设色法可以使高程分布规律、山脉系统和大地貌单元一目了然，在分层设色基础上再加晕渲，可以增强地貌立体感。本文在分析区域内地形、地貌特征和水系分布情况的基础上，采用分层设色法和晕渲法2种方法组合的叠加效果来表示，突出显示各高程带的范围及不同高程带内地貌单元的特征。

2）技术路线。技术路线如图3所示，首先确定制图目的和方法，在此基础上收集区域资料和已有数据资料，对资料进行分析；然后对数据进行处理，处理过程主要包括4个方面：①1∶200万湖南省栅格地图校正后，进行居民点、行政边界、山峰等的矢量化；②将下载的Landsat8数据进行镶嵌、裁切后导入ArcGIS中进行水域的矢量化操作；③修正、完善DEM数据；④由完善后的DEM数据生成表面阴影图。经上述处理后将图层进行叠加，最后经符号化设计与地图整饰后，输出成果图。

3 资料准备

本文所使用的数据主要包括DEM数据、遥感影像数据和地理底图数据。其中DEM数据主要用于表示地势起伏，来源于“地理空间数据云”网站http:// www．gscloud．cn/提供的GDEM数据，其地图投影为WGS_1984_UTM_Zone_49N。遥感影像数据主要用于提取研究区内的水系信息，采用最新的Landsat8数据，数据时间为2013-08-07，地图投影为WGS_1984_ UTM_Zone_49N，本数据同样由“地理空间数据云”网站下载得来。地理底图数据主要用于提取一些重要的居民点、交通线和境界线等社会经济要素，采用的是从“天地图·湖南”网站http://www．dzmap．cn/ apps/web．html下载的《1∶200万的湖南省标准地图》，因前2种数据地图投影均为WGS_1984_UTM_ Zone_49N，因此我们对该栅格图进行校正时也采用该投影，以保证坐标系统的一致，同时也减少了工作量。

4 数据处理

4.1 基础地理底图的编制

地势图的地理底图主要包括河流、湖泊等自然地理要素以及一些重要的居民点、交通线和境界线等社会经济要素，这些要素构成地势图的基本骨架。本地势图的编制主要利用ArcGIS软件来制作。

1）自然地理要素的编制。为保证河流、湖泊等地理要素具有一定的精度，本研究选择从空间分辨率为30 m的遥感影像上提取水系信息。首先将下载得到的2幅Landsat8遥感图像在ENVI软件中进行镶嵌、裁剪操作，得到洞庭盆地西部范围的遥感影像图，最后输出为tiff格式添加到ArcGIS中进行水系的矢量化提取。

2）社会经济要素的编制。居民点、境界线等社会经济要素来源于《1∶200万湖南省标准地图》，首先在ArcGIS中用Georeferencing工具条对该栅格图进行校正，然后在带有坐标信息的栅格图上进行经济要素的矢量化。将以上得到的各种矢量数据进行形状、尺寸、颜色等的符号化后加上注记得到矢量要素图件（图4）。

4.2 DEM数据的处理

1）DEM数据预处理及粗差检测。预处理包含对5幅DEM的拼接和裁剪，得到洞庭盆地西部的DEM数据。其高程范围为-185～5 109 m，这与所查资料不符，即DEM数据中存在异常区域，即所谓的粗差。DEM生产过程的误差来源包括原始数据的采集误差、建模误差、系统误差及偶然误差等，除此之外还会出现粗差。粗差实际上是一种错误，它与前几种误差相比，粗差对数字高程模型所反映的空间变化的扭曲极为严重。在有些情况下，粗差还会导致DEM及其产品严重失真甚至完全不能应用。目前常用的DEM数据粗差检测方法主要有基于趋势面、基于坡度信息的检测和可视化方法3种[6]。以上3种方法各有特色，因可视化方法是一种比较直观的方法，所以本研究采用的粗差检测方法为先通过目视效果检测，再采用基于可视化的方案检测粗差。

图4 洞庭盆地西部各矢量要素叠置效果图

2）DEM坏值修复。目视观察洞庭盆地西部DEM数据，由已知资料和相关经验可知，水域分布范围处的DEM数据存在明显异常。通过栅格计算提取出负值所在区域，与水域图层叠加显示后发现负值区域全部位于水域范围内，考虑到成果图中水域覆盖于DEM之上，不会影响出图结果，我们用水域面数据掩膜DEM数据得到除水域面积外的DEM数据，发现其高程范围为8～5 109 m，将其加载到ArcScene中三维显示（图5），发现有异常突起点。经与地形图比对，得出研究区范围内海拔最高为605 m，因此我们在栅格计算器Raster Calculator中用con（[dem]＜605，1）函数做mask，使图像中的正常值为1，然后将两张图用nibble（[dem],[mask]）函数修复（其中[dem]为西洞庭盆地DEM栅格数据），得到比较精确的DEM数据。

图5 洞庭盆地西部三维显示效果

5 地势图制作

编制一幅清晰易读、层次分明、富有美感的优秀地势图的关键在于比例尺的设定、高程分层和色层表的确定、山体阴影参数的设置及符号化设计与地图整饰等。

5.1 比例尺设定

比例尺为地图三要素之一，是地图设计与制作的前提。本研究比例尺的设计思路为：首先确定最后成果采用A3（297 mm×420 mm）纸张出图，然后根据图幅大小利用ArcGIS软件决定最终采用的比例尺大小。在ArcMap的Layout View版面视图中，在默认纸张边缘以外，右键选择Page and Print Setup命令，设置纸张类型为A3后确定。在工具栏的比例尺选项中设置比例尺大小，经对比后发现，1∶500 000为最适合该图幅的比例尺。

5.2 设色原则及色层表的确定

地图色彩运用的总原则是使每一种色相、色调与色度的设计同所表示对象的实质与特征联系起来，最有效地反映制图对象的特征及分布规律与区域差异[5]。

专题地图设色是利用色彩的色相、明度和饱和度三属性的变化，形成色彩的立体感，塑造地貌的立体效果。主要方法是随地形的高低、色彩排列规律设色，如越高越暗、越高越亮、越亮越饱和、与光谱色相应、综合设色等[7]。

在地势图设计过程中，色层表的建立是直接影响晕渲图图面效果的关键[8,9]。对制图区域的DEM数据进行统计分析，该区域高程分布范围为8～586 m，平均高程为59 m，高程密集区域为22～70 m。为了更好地突出层次差异，更逼真、连续地体现地貌形态变化特点，本文最终采用随着地面海拔高度的增高，色相由绿到黄到红依次渐变的分层设色方案。

5.3 山体阴影参数

山体阴影是根据假想的照明光源对高程栅格图的每个栅格单元计算照明值，山体阴影图可以很好地表达地形的立体形态[10]。计算过程中包括3个重要参数值：太阳高度角、太阳方位角、表面灰度值，其中光照表面灰度值的默认范围为0～255。经反复实验，当太阳入射方位角为315°、高度角为45°时效果最好（图6）。

图6 洞庭盆地西部地表表面阴影图

图7 洞庭盆地西部地势图

5.4 符号化设计与地图整饰

符号化设计与地图整饰在地图生产过程中是一个重要的环节。符号化的原则是按地理对象的实际形状确定地图符号的基本形状，以符号的颜色或者形状区分事物的性质。地图数据的符号化与注记标注，都是为地图的编制准备基础的地理数据。地图整饰体现地图的整体感，主要包括图面配置，图框设置，图名、图例、指北针的放置和比例尺的生成等（图7）。从图中可以看出，洞庭盆地西部范围内，东部包括汉寿县及常德市大部分区域海拔较低、地势平坦，且有大面积湖区分布，其次地势较为低平的地区位于偏北部澧县境内；西部和西南部临澧县及桃源县境内地势起伏较大，有低山分布。

[1] 来红州,莫多闻,苏成．洞庭湖演变趋势探讨[J]．地理研究,2004,23(1):78-86

[2] 傅宠．地质专报——湖南省区域地质志[M]．北京:地质出版社,1988

[3] 周国旗,成铁生,赵守勤．洞庭盆地的由来和演变[J]．湖南地质,1984,3(1):54-65

[4] 徐斌．基于DEM的洞庭湖盆地非均匀沉降研究[D]．长沙：湖南师范大学,2011

[5] 孟万忠．计算机专题制图[M]．北京:气象出版社,2006

[6] 季建华,杨军生．大比例尺DEM生产过程中的粗差检测与质量控制的研究[J]．现代测绘,2004(3):31-33

[7] 祝国瑞．地图设计与编绘[M]．武汉:武汉大学出版社,2001

[8] 郭礼珍,李霖,张圆柱．基于视觉表象的彩色晕渲地图色彩设计[J]．武汉大学学报:信息科学版,2004,29(6):492-495

[9] 王海英．ArcGIS制作地势图的工艺过程[J]．铁路勘察, 2009(2):26-28

[10] 汤国安,杨昕．ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]．北京:科学出版社,2006

[11] 廖克．现代地图学[M]．北京:科学出版社,2003

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0171-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.060

高海丽，硕士，研究方向为GIS应用。

2014-03-19。

项目来源：湖南省普通高等学校重点实验室开放基金资助项目（09K020）；湖南师范大学地图学与地理信息系统校级重点学科建设资助项目。