ArcGIS在水土保持工作中的应用

韩立新 朱日清 牛帅帅

摘要：“天地一体化”监管的日益加强，传统的水土保持方案、监测、验收、规划及小流域综合治理实施方案的编制已不能满足水土保持信息化建设的需要，对水土保持工作者提出了新要求。新形势下，水土流失防治责任范围矢量图成为水土保持方案的重要组成部分，是生产建设项目水土保持监测、验收、信息化监管的重要基础数据之一。文章借助生产建设项目水土流失防治责任范围矢量化的过程分析，对ArcGIS中水土保持工作常用到的CAD图转矢量化、地理坐标矢量化、栅格图像矢量化和属性数据录入等关键技术进行介绍，为水土保持工作者提供参考和借鉴。

关键词：ArcGIS  水土保持  防治责任范围  矢量化

中图分类号： S157   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）05（a）-0000-00

1水土保持工作的现状分析

1.1水土保持方案

传统的“人、车、相机、设计资料”编制水土保持方案报告的方式已不能满足新时代的编制要求。地面拍摄不能全方位的展示项目区概况，无人机航拍已成为水土保持方案汇报现场概况的主流。随着全国水土保持信息管理上报系统的逐渐完备，水土流失防治责任范围矢量化、拐点坐标提取将成为水土保持方案工作者的日常工作。水土保持方案阶段，水土流失防治责任范围及措施图矢量化是水土保持信息化监管的基础[1-2]。

1.2水土保持监测及验收

在水土保持监测及验收工作中，无人机监测已成为主要的监测方法。传统监测方法中的皮尺、相机、测钎已不能满足水土保持信息化监测及验收的需求，而无人机拍摄的正射影像、DEM数据可提取项目区的扰动面积、水土保持措施工程量、土方开挖堆存量，已成为新时代水土保持监测及验收的重要手段[3-4]。

1.3小流域综合治理工程

小流域综合治理工程中，CAD制图不能满足水土保持图件的需求，不符合图斑精细化管理的要求。利用ArcGIS软件对小流域进行图斑划分，提取图斑的地貌类型、坡度、植被覆盖度、土壤侵蚀强度等基本信息，对确定治理范围、治理工程、统计工程量具有方便、快捷、精准的特点[5]。

1.4水土保持规划

在水土保持规划中，ArcGIS应用更为广泛。通过ArcGIS软件，分析项目区的地势地貌、自然水系的流向、进行小流域划分，综合分析土壤侵蚀等级等基本信息，便于进行重点工程布设安排[5-6]。

1.5第三方技术服务

水土保持信息化项目监管往往是水行政主管部门与技术实力过硬的第三方技术服务单位协作完成。信息化项目监管的流程为资料准备、遥感监管、监管信息现场采集、成果整编与审核评价这4个部分。其中资料准备包含资料收集整理及设计资料矢量化。设计资料矢量化是水土保持信息化监管的前提，遥感监管需要工作者根据遥感影像判别扰动范围、水土保持措施布设情况，掌握合规性、水土保持方案落实情况及变更情况[2，7]。

综上所述，水土保持方案、监测、验收、小流域治理及规划、项目监管的第三方技术服务等工作均需ArcGIS协助，日常水土保持工作使用的ArcGIS功能主要为将栅格图像矢量化、坐标点生成shapefile文件、CAD转为shapefile文件、提取拐点坐标、属性录入、小流域划分、地形图转DEM数据，坡度提取、综合统计分析等基本功能。小流域划分、地形图转DEM数据等使用机率较小，可参考有关论文[8-9]，此处不再详述。

该文以菏泽广源陆港铁路专用线工程為例说明水土流失防治责任范围shapefile文件的制作，以介绍日常工作使用的ArcGIS关键技术。文章使用的软件为汉化后的ArcGIS10.2，其他版本可参考。

2项目概况

菏泽广源陆港铁路专用线工程位于山东省菏泽市曹县磐石街道，曹县站东侧、省道S350南侧，曹县站集装箱货区北侧道岔为本工程出岔接口。

该工程为新建建设类项目，铁路专用线等级为专用线，正线数目为单线。主要建设内容为改造曹县站相关设备设施;新建铁路装卸区，设贯通式装卸线3条，延长曹县站集装箱货区既有机回线390m，走行线末端设机回线50m。工程铺轨里程4.572km，辅道岔5组，新建涵洞4座，接建框架涵1座，通站道路152m，股道两侧布设散杂货作业区和集装箱作业区。

该工程由站场路基工程、桥涵工程、站场作业区工程、通站道路以及附属设施（电气化、信号、通信、房建等）等组成。总占地面积24.95hm²，永久占地24.25hm2，临时占地0.70hm2。新征用地23.26hm²，已征用地0.25hm²，永久占用国铁范围0.74hm²，临时占用国铁范围0.70hm2。

3制作过程分析

方案编制过程中收集到的资料有新征用地范围线CAD版，工程总平面布置图PDF版。新征用地范围线为2000国家坐标系工程建设用地勘测定界图，界址点坐标为X：3854001.938，Y：39370213.349类型。根据坐标点、地理位置可判定，项目区位于3°分带第39带，中央子午线为东经117°。

收集到的勘测定界图可通过CAD图转矢量化直接导入ArcGIS中，作为防治责任范围的组成部分。若未收集到CAD版定界图，可人工提取界址点坐标表到Excel中，通过地理坐标点矢量化完成防治责任范围的绘制。工程占用已征用地、国铁工程、临时占地范围可通过栅格图像矢量化的方式导入ArcGIS中。完成图形的绘制后，进行必要信息的属性录入。

4 ArcGIS关键技术

4.1 CAD图转矢量化

首先需整理CAD文件，选择定界范围线复制，新建CAD文件，将其粘贴到原坐标，保存新文件命名为“新征用地.dwg”。新文件只保留必要信息，可减少加载时间，避免进入ArcGIS中，图像混乱、叠加。导入ArcMap前，还需确保比例尺为1∶1000;核实X坐标是否含有带号;范围线应闭合。

打开Arcmap后，在标准工具条中，点击以“+”为图标的“添加数据”，选择“新征用地.dwg”。点击确定后即可看到文件图形，左侧“内容列表”中选择“新征用地.dwg Polygon”，“导出数据”为“新征用地”shapefile文件，弹出是否将导出的数据添加到地图图层中，选择“是”，新征用地shapefile文件显示在内容列表中。

在标准工具条中，打开ArcToolbox，选择“数据管理工具”下“投影和变换”中的“定义投影”。对话框中选择“新征用地”，坐标系选择“CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E”。完成定义投影后，利用“编辑器”中“移动”将图形X偏移-39000000，保存编辑，完成新征用地范围的矢量化。

4.2地理坐标点矢量化

人工提取界址点坐标表到Excel中，可将原坐标的带号”39”直接去除，去除带号的坐标列定义为X坐标，原X坐标列定义为Y坐标，因为AutoCAD和ArcGIS中坐标是反的。通过标准工具条中“添加数据”，将其加载到ArcMap中，右击加载的sheet数据，选择“显示XY数据”。生成事件后将其输出为shapefile点文件，利用ArcToolbox中“数据管理工具”下的“要素”中“点集转线”将shapefile点文件转为shapefile线文件。点击编辑器下方的“开始编辑”，选择新形成的shapefile线文件，然后选择编辑器工具条最右侧的“创建要素”，连接起点和终点，依次点击编辑器下方的“保存编辑内容”“停止编辑”。再利用ArcToolbox中“数据管理工具”下的“要素”中“要素转面”将shapefile线文件转为shapefile面文件，再定义坐标系。

4.3栅格图像矢量化

工程总平面布置图由pdf转为栅格图像（jpg、tiff等圖像格式），通过“添加数据”将其加载到ArcMap中，也可直接拖拉的形式加载。根据“新征用地”的界点为控制点进行“地理校准”。控制点至少要7个，且尽量均匀分布[3]。打开编辑器下拉框中选择“开始编辑”新征用地shapefile，通过编辑器工具条右侧“创建要素”，沿本工程占用已征用地、国铁工程、临时占地范围进行勾绘，外边界勾绘完成后，利用编辑器工具条右侧的“剪裁面工具”，进行分区划分，依次点击编辑器下拉框的“保存编辑内容”“停止编辑”。

占用已征用地、国铁工程、临时占地范围的矢量化也可通过CAD版的水土流失防治责任分区图通过CAD图转矢量化直接导入Arcmap中，但需要与勘测定界图的位置、比例相匹配。

4.4属性录入

矢量图不仅具有空间地理坐标信息，也须有属性信息。新建的shapefile文件可在属性表中，通过“添加字段”，添加面积、组成部分、备注等字段。面积的数据类型选择Double，通过“计算几何”完成数据的填写，对于界限不明确的组成部分，可手动修改面积。组成部分、备注的数据类型选择Text，通过手动录入。

字段的添加也可使用程序栏中的“地理处理”中的“合并”命令将带有字段属性的文件与新文件合并，形成Merge新文件，打开其属性表，选中需要的要素，导出新文件，其已带有字段属性。属性的录入也可选择表选项中的关联和连接Excel表格，通过字段计算器进行批量录入。

4.5示意上图

根据《生产建设项目水土保持信息化监管技术规定（试行）》，防治责任范围不明确的工程，可进行示意性上图。点、面型项目，根据设计资料查找项目区中心点的坐标，将其矢量化后，利用“地理处理”中“缓冲区”命令，绘制直径为100m的圆形。线型项目，根据主体设计提供的kml路径图，可利用ArcToolbox中“转换工具”下的“由kml转出”中“kml转图层”，将其转化为shapefile线文件后，利用“地理处理”中“缓冲区”命令，形成面文件进行示意性上图。适宜性上图的属性表中，应备注为示意性。

4.6其他经常使用的关键技术

拐点坐标提取：首先需要将提取拐点的文件转化为shapefile点文件，利用ArcToolbox中“数据管理工具”下的“要素”中“要素折点转线”。打开新形成的shapefile点文件的属性表，添加X坐标、Y坐标字段，字段类型选择浮点型，右击字段名称，选择“几何计算”，分别选择“点的X坐标”、“点的Y坐标”，单位选择m，输出大地地理坐标值，选择十进制，输出经纬度。然后将新文件的dbf文件导入Excel表格。

统计分析：Shapefile文件中的dbf文件可直接导入Excel表格，通过Excel表格进行统计分析。ArcMap属性表中，字段名右击可升序排列、降序排列、汇总、统计，表属性中可“按属性选择”，根据属性进行统计、汇总。

5最终成果

菏泽广源陆港铁路专用线工程水土流失防治责任范围的矢量化成果（shapefile文件）包含6个文件，具体见图1。其中主文件（*.shp）存储勾绘的几何图形，表文件（*.dbf）可用Excel打开，记录着图形的属性信息，索引文件（*.shx）存储图形要素与属性信息索引，以上三个文件为必须文件。一般还包括空间参考文件（*.prj）、几何体空间索引文件（*.sbn和*.sbx）。

6结语

目前水土保持方案编制工作已明确要求防治责任范围矢量化成果，水土保持监测、验收小流域治理及规划等工作均需要ArcGIS协助。该文虽只具体提到防治责任范围矢量化的方法，但同样适用于历史遥感影像扰动图斑的勾绘、小流域小班的划分、水土保持措施矢量化。

GIS具有数据管理系统、计算机辅助设计以及空间数据管理和分析功能，已广泛应用在水土保持领域。该文仅介绍了ArcGIS软件中防治责任范围矢量化的方法，其各种使用技巧、强大的空间分析能力、辅助设计作图能力需继续探索学习。

参考文献

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[4]    巴丽敏.无人机遥测在水土保持设施验收技术评估中的应用[J].东北水利水电，2017，35（10）：28-29，36.

[5]    李长保.ArcGIS在小流域水土保持规划设计中的应用[J].中国水土保持，2018（1）：65-68.

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[7]    张雪，周祖煜，辛华荣，等.生产建设项目水土保持天地一体化监管作业网络平台研究[J].江苏水利，2021（11）：10-14.

[8]    韩立新，胡安强，杨晓娟.以济南市章丘区为例浅谈小流域划分技术[J].水土保持应用技术，2021（5）：51-54.

[9]    米瑞鹏.不同城市需求下海绵城市规划建设研究[D].成都：西南科技大学，2020.