基于ArcGis的东江流域雨量等值线图和水质成果图绘制

苏阳悦

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516001)

1 概述

为推进东江流域水资源统一调配和精细化管理，落实省政府颁布实施的《广东省东江流域水资源分配方案》[1]，及时掌握和反映东江流域水资源水量、水质及重大涉水事务，对促进东江流域水资源的统一管理、优化配置和有效保护具有重要意义。尤其在“节水优先”的新时代治水思路下，流域水资源管理对数据成果的正确性、时效性、可视性有了更高的要求。现状对水文信息成果作图需求主要为雨量等值线图和水质情况分布图，在等值线图绘制中常用Delaunay三角剖分等方法绘制离散点的等值线图[2]，并结合经验手动调整，可快速应对数据上的瑕疵，绘制灵活性高；此外还有多软件的耦合使用方法，可大幅提高出图精度和效率，但有一定的上手门槛，制作成本高，操作相对繁琐[3-7]。水质情况分布图为逐站展示，标注效果亦是逐个调整，如按常规方法编辑处理，工作效率上难以满足需求。故本文结合实际工作情况以东江流域为例，介绍了一种通过ArcGIS软件制作相关专题图的方法，可快速绘制与美化雨量等值线图及江河湖泊水库水质情况图。

2 基础资料准备

2.1 雨量数据

使用广东省水文局惠州水文分局管辖范围内的135个基本雨量站数据作为绘图基础数据，涉及4个地市，所选站点均匀分布在东江流域主要干支流上，站网平均密度约为234 km2/站。雨量站点属性见表1。

表1 雨量站点属性 mm

2.2 水质数据

使用广东省水文局惠州水文分局管辖范围内67个常规水质站的数据作为绘图基础数据，所选断面均为东江流域主要干支流和大中型水库出入库口，共涉及4个地市。水质站点属性表结构与表1测站属性表结构相似，其中站点属性方面将依据水质站点的需求进行构筑，为方便后续分类渲染，增加了一列“水质达标判断”，该列内容为对水质列数据进行逻辑判断，达标为1，反之为0。水质站点属性见表2。

表2 水质站点属性 mm

2.3 底图数据

准备ArcGIS绘制使用的底图，包括流域内的市级行政区划相关图层、县级行政区划相关图层、水资源分区边界、水系图、重要水库湖泊分布图，站点分布图，地理坐标系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，格式均为*.shp，绘制过程建议将准备的图层文件存储在ArcGis GeoDatabase格式数据库(GDb)，以方便管理和提升运算速度。

3 专题图制作

制图工作分为3个部分：① 底图模板制作；② 专题图制作；③ 底图审核校对。具体流程如图1所示。

图1 技术路线示意

3.1 底图模板制作

依据SL 385—2007水文数据GIS分类编码标准，专题图层制作需准备水系层、图框层、图幅、点坐标层、境界与政区层、水文站层、雨量站层。

模板制作首先打开 ArcGIS map 软件，在工具栏“添加数据”选项中依次添加所准备的图层，地理坐标系均采用 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，并设置好相应地图例、指北针、比例尺、经纬线等一系列信息，所形成底图如图2所示。

图2 东江流域边界示意

3.2 雨量等值线专题

3.2.1空间插值

常用的空间插值方法有反距离权重法(Inverse Distance Weighted,以下简称IDW)、克里金法(Kriging)、全局多项式插值法、局部多项式插值法、径向基行数插值法(RBF)，其中克里金法又有多种变式[8],依据插值形式又可以划分为确定性方法和地统计方法(见图3)。这些方法各有特点，其中以IDW和Kriging最为常用，技术员可按不同需求进行选择。

图3 插值方法分类示意

反距离权重法是一种确定性插值方法，该方法认为两物体相似性随它们距离增大而减少，即离散点离插值点越近的样本赋予的权重越大[9]。在应用中IDW法运算速度快，成果直观，尤其在离散点均匀分布的情况下插值效果好，其插值结果在插值数据的极值之间，故其缺点就是易受数组极值的影响，并且它没有物理过程。

克里金法为地统计插值法，该方法用随机表面函数对不规则的空间连续进行模拟[10]。克里金法有许多分支，主要差异为假设条件不同，以普通克里金法为例，其假设条件为空间属性z是均一的，对于空间任意一点，都有同样的期望与方差。与IDW不同，克里金法具有物理实际意义，依据地理学第一定律，用半变异函数检验所采集的样本是否存在自相关性，在克里金工具中有数据点集和函数曲线的拟合图，选择拟合度最高的函数会得到更好的效果，缺点是调参过程较为繁琐耗时。

综上所述，当雨量数据较平均且有突出极值点需求的时候，应用IDW效果会比较好；当雨量数据区间范围较大时，可采用克里金法，能更好地表达趋势概念。但两种方法都会在一些地方产生较大的锯齿和跃变，不利于展示，为了使出图效果更好，曲线平滑，后文介绍了一种技术处理方法。

3.2.2雨量等值线制作

雨量等值线生成步骤如下：

1)ArcToolbox→Spatial Analyst工具→插值分析→反距离权重法或克里金法。

2)右键刚生成的图层→导出数据。

3)生成等值线 ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→等值线，生成成果如图4a所示。

a 雨量等值线优化前示意

3.2.3雨量等值线平滑及Modle Builder应用

平滑曲线工具可以减少锯齿和锐角，参数设置建议0.01～1。平滑曲线的操作步骤较为繁琐，且调参过程为重复性工作，为了提高该部分的工作效率，减少操作步骤，可以利用ArcGis自带工具modle builder 模型构建器简化工作流程[11-12]。

构筑思路如图5所示，快捷工具制作步骤如下：

图5 快捷工具的Modlebuilder构筑示意

1)将依据IDW或Kriging生成的栅格图导入，设定合适的等值线间距，利用等值线工具输出初步处理的等值线。

2)对初步处理的等值线进行平滑曲线处理，平滑容差参数设定建议填选0.1，平滑算法一般情况下选择PAEK，这样就可以得到处理后的平滑等值线(如图4b所示)。

3)为了使栅格图层可以匹配平滑后的等值线，则可利用要素转面工具，依据平滑后的等值线和边界条件生成与之匹配的面要素。

4)利用空间连接工具将等值线的属性赋予面要素，但对于共线的两个面无法很好地区分，将会赋予同一值，故需要把范围内的雨量站统计数据再次与面要素进行空间连接，利用内置函数仅保留平均降雨量。

5)对属性表进行逻辑运算，比对面平均雨量与所处等值面数值，如平均雨量大于等值面赋值，则认为所处面比邻近面的数值高，该面的赋值应增加1个等级，即加上1个等值单位，反之则不变。操作上首先利用表属性操作工具“添加字段”将字段“等间距”添加入属性表，其次用计算字段工具把变量“等值线间距”赋值给该字段，最后再次利用计算字段工具对字段“contour”(等值线的值)进行条件赋值。

6)将等值线间距、插值栅格、平滑算法、平滑容差、掩膜工具作为可输入项，并对模型进行封装(如图6所示)。

图6 快捷工具封装示意

7)运行所封装工具，依据GB/T14538-1993中的配色建议，调整等值线和等值面显示方式，最终得出该季度的雨量等值成果图(如图7所示)。

图7 东江流域雨量等值线示意

3.3 水质专题

载入底图模板后，水质图中需要重点展示达标分类结果，根据表达需要，运用python语句来控制相应的字体、字号、颜色。标注表达式源代码如下:

def FindLabel([STNM],[WQ],[WQP]):

if long([WQP])> 0:

return ""

else:

return ""

该段代码表示当水质达标时显示的字体颜色为绿色，否则显示为红色，字体大小均设定为“11”，显示样式为站名在上，水质情况在下。

实际工作中仅需替换水质站点要素图层，将该段源码代入“属性—显示—表达式”中即可自动显示达标情况，简化了人为调整的步骤。对于水质达标的辅助列“0”和“1”的赋值，可在Excel中利用If函数进行比对判断。水质成果如图8所示。

4 结果与分析

4.1 雨量等值线成果与分析

绘制东江流域雨量等值线图共选用了135个站点的资料，涉及4个地市，所选站点均匀分布在东江流域主要干支流上，所选时段为某年枯季雨量成果。

因是枯季，雨量数据无明显极值点，为体现数据的极值点情况，在内插算法上采用了反距离权重法(IDW)，在专题图层中生成相关的栅格图并提取等值线，图中等值线有锐角、Z型折线和S型高频率波浪，不仅不美观，在图形表达上也容易让人产生误解。于是对等值线和栅格数据进行优化，结果表明优化后的等值线平滑。

优化方法共需9个操作步骤，其中还需要配置逻辑代码，当生成结果需要调整参数，所有步骤需要重复一遍，使用较为繁琐，此种情况是当前对使用ArcGIS绘图的主要分歧与矛盾点之一，繁复的操作在工作效率上不如多软件耦合使用，多参数调整拟合在灵活性上不如手绘，因此，本文应用模型构建器(Modle builder)创建了1个快捷工具，集合所有机械且重复的步骤，使用者仅需输入必要参数即可生成相应的成果，该工具运算时间受计算机性能和载入数据量影响，在当前所选数据量和处理器为core(TM)i7-7 700的环境下，所需计算时长小于2 s，极大地减少重复性工作量，提高了工作效率。

运行快捷工具后，得出优化后的雨量等值线图，通过观察可直观地看到在时空分布上东江流域在该季度的降雨量由北向南，由东向西减少，降雨主要集中于北部；在站点108和109处出现极大值，在站点132处出现极小值。

4.2 水质成果与分析

水质专题中共选用了67个水质站的数据，所选断面均为东江流域主要干支流和大中型水库出入库口，共涉及4个地市。

水质成果是逐站展示的形式，所需操作步骤简单，在无新增水质站点的情况下，每次更新数据仅需覆盖历史数据，绘制难点在于达标水质点展示的逻辑判断，运用ArcGIS中的Python模块在标注表达式内编制相关逻辑判断代码，可让数据每次更新后即刻按要求展示，无需手动调整。

载入数据后获得成果，图中通过标注文字的颜色来区分达标点，通过观察可以看出该季度内河流水质普遍达标，下游站点19、20、31、48水质综合评价尚不达标，参考历史数据，发现站点20为水质突变站，具体情况可做进一步详细分析并采取相应措施。

5 结语

本文通过ArcGIS成功绘制出了东江流域的雨量等值线图和水质成果图，给出了相关成果图实现的详细步骤，在此基础上结合需求创建了1个雨量等值线优化快捷工具，并在标注表达式中运用了Python模块编译逻辑语句，提高了某一类型成果图的出图效率，技术员可把更多的精力放在数据分析上，而管理决策者仅需通过读图就能够有清晰的概念，并且成果图依据时间序列制作，可及时掌握数据变迁情况，对推进流域水资源的统一管理、优化配置和有效保护具有重要的现实意义。