GIS软件在水土保持制图上的应用7-28.doc

推进水土保持改革发展 加快生态文明建设征文活动论文题目:GIS软件在水土保持制图中的应用姓 名：司才茂单 位：永靖县水土保持管理局地 址：永靖县古城路43号联系电话子邮箱：GSYJSB163.COM字 数：3685个完成时间：2014年7月9GIS软件在水土保持制图中的应用永靖县水土保持管理局 司才茂内容摘要；本例以ARCGIS软件为平台，以国土二调数字正射影像图为基础，多软件配合使用，实现北京54坐标系地形图矢量数据与影像图的重叠，谷歌地球图片与影像图的重叠，提高土地利用现状图的勾绘精度。关键词；数字正射影像图 坐标转换 矢量化 影像配准一、GIS软件较其他制图软件更适用于水土保持专题图制作水土保持制图常用的制图软件有AotuCAD、Photoshop、3S等. AotuCAD有强大的绘图功能，Photoshop在图像处理方面无人能及，但水土保持制图的核心软件应该是3S软件，因为水土保持制图需要表达空间地理信息。ARCGIS是美国环境系统研究所（Environmental Systems Research Institute Inc.）ESRI公司产品。公司从事GIS工具软件的开发和GIS数据生产，其软件产品经多年的实践应用，奠定了GIS领域的标准。桌面产品ArcInfo 是一款专家级GIS软件。MAPGIS是中国地质大学信息工程学院产品。RegionManager 水土保持与生态环境工程信息系统是北京地拓科技公司的产品。北京吉威Geoway等3S软件。GIS表达的数据类型是基于矢量的要素（点、线和多边形）的有序集合，如数字高程模型和影像的栅格数据集，描述地理对象的属性表 。由于 GIS 中的空间数据集具有地理参考，因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。在一个 GIS 中，同类型空间数据的地理对象集合被组织成图层，例如地块、水井、建筑物、正射影 像以及基于栅格的数字高程模型（DEM）。通过层之间共同的地理位置，我们可以很容易地得到多个层之间的空间关系。GIS可以实现平面和三维制图，与遥感影象叠加，形成丰富多彩的专题图， GIS制图可以任意放大缩小，按指定大小的幅面制图，按任意比例尺制图输出，这是人工制图无法实现的。GIS具有三维显示、虚拟地理实体功能，从不同视角和高度观察地形地貌，效果直观，易于理解。自动计算面积、长度，直接分析坡度、坡向、沟壑密度等指标，自动统计各类专题信息，生成统计图表，量算分析速度快、效率高。手持GPS在梯田地块量算中减少人为因素，面积核实更接近实际，导出的矢量要素方便制作梯田地块图。应用3S技术成本低；工作效率能够提高30%以上，对于复杂的项目可能会提高几倍；质量和效果好，是其他软件无法实现的。可见，3S技术在水土保持中应用的效益是显著的。二、水土保持专题图制作1、矢量要素地图上的每个要素在数据表中对应一行记录。通过关键字段（一个唯一的记录编号）实现图形数据记录与属性数据记录间一对一的关系。 dBASE 文件中的属性记录与主文件中图形数据记录的顺序相同。Shape文件数据是矢量数据模型：Shape文件将空间要素的图形及属性信息以非拓扑的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储成为具有矢量坐标的图形。简单要素类型：点、线、面分别存储，一个Shape文件中只能存储一种类型的要素。Shape文件的构成：SHP主文件.shp贮存地理要素的几何数据；SHX 索引文件shx，贮存图形要素索引信息，用于查询；DBF dBASE 数据表文件dbf贮存要素属性信息的dBASE文件；PRJ 投影参数文件: counties.prj坐标系定义文件；xml元数据文件等7个文件。Shape文件数据是非拓扑的数据库。数据显示速度快，数据的编辑也比较容易实现。通过编程的方式很容易实现对Shape文件的存取操作。ESRI ArcGIS 中分别用 ArcCatalog（GIS 是一套地理数据集的观点）、 ArcMap（GIS 是一幅智能的地图）和 ArcToolbox（GIS 是一套空间处理工具）来表达。这三部分是组成一个完整GIS的关键内容，并被用于所有 GIS 应用中的各个层面。ArcGIS 将空间数据组织成一系列的专题图层和表格。2、地形图矢量化是利用1:10000工作底图的前提使用同济大学测量与国土信息工程系GeoTrans 2.0软件，将地形图框的4个坐标点转换，以经纬度表示的大地坐标值转换为以米表示的平面坐标值，用直角坐标值为控制点在R2V for Windows软件中实现地形图矢量化。在GeoTrans 软件中选择椭球参数北京54坐标系椭球参数，中央子午线经度102，加常数34500公里。中央子午线102度和34度是地形图3度分带值。添加4个大地坐标值及高程值，然后转换生成直角坐标值，另存为TXT格式的文本文件，为R2v矢量化提供坐标控制点。图1 R2VR软件坐标转换R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)是一款高级光栅图矢量化软件系统，可以用扫描图像为背景的矢量编辑工具。由于该软件的良好的适应性和高精确度，其非常适合于地形图矢量化。第一步，扫描图预处理。用菜单工具“图像”命令将图片转换为灰度图，“去斑”降噪处理污点。减少扫描过程产生的污点，提纯等高线，使其黑白分明，粗细有别，矢量的线段圆滑有层次感。图2 扫描图转换去斑第二步，直角坐标值代替图像栅格值。通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位置所需的信息，打开GeoTrans 软件保存的TXT格式文本文件，按次序输入4个坐标值，栅格数据的自定义坐标值被北京54直角坐标值代替。实现控制点的精确定位。由于R2V的X、Y值的方向规定不同于地形图投影的X、Y的方向，必须X、Y值对调。图图4 矢量数据输出图3 控制点输入 自动矢量化工具快速将地形图矢量化，一张地形图约30秒完成。不足之处是断线太多，一张1:10000的图大约有8000多条线段，等高线赋值特别困难，用等高线生成DEM不可能完成。第三步，矢量文件输出。输出矢量线段，保存类型选择Arcview. Shp类型，输出等高线SHP格式的矢量文件。3、将现有数据统一到坐标系统下 GIS 中的矢量数据具有地理信息，为了能够将影像数据与矢量数据集成，以便进行分析， 必须对其进行处理，事先将数据统一到一个指定的地图坐标系，点、线、面、影像添加到操作环境中，以图层的形式显示，实现矢量数据与栅格数据间的叠加。国土二调使用的数字正射影像图DOM采用1985国家高程基准高程系统，高斯-克吕格投影3度分带，1980西安坐标系，QuickBird数据源，分辨率0.60米， GeoTIFF数据格式。我县95张1:10000纸质地形图中有60张是1954北京坐标系，需要1954北京坐标系转换为西安1980坐标系。北京 54 坐标系和西安80 坐标系之间的转换是两种椭球参数之间的转换，一般而言比较严密的是用七参数布尔莎模型，即X 平移，Y 平移，Z 平移，X 旋转（WX），Y 旋转（WY），Z 旋转（WY），尺度变化（DM）。若得七参数就需要在一个地区提供3 个以上的公共点坐标对（即北京54 坐标下x、y、z 和西安80 坐标系下x、y、z），需要从测绘局获取，但该参数涉及国家安全获得较难。办法总比困难多。早期项目制图采用移动点、线、面要素，重叠到数字正射影像图的办法，此法操作简单，能解决实际问题，但要素被移来移去空间位置变化，后期建立数据库问题较多。现在采用要素不移动，借助ARCMAP量出x、y差值，MAPGIS投影变换模块计算，结果即为1980西安坐标点，用1980西安坐标控制值，再次等高线矢量化，地形图线要素与影像图叠加。将矢量化的等高线SHP线要素添加到ARCMAP,在制图版面比例尺定义1：1000，利用标尺工具定位量距，经度方向的差值是8.5CM,纬度方向的差值是1.1CM。已知1:1000比例尺条件下，图纸1CM代表实际距离是10米，所以得到经度参数-85米，纬度参数11米。高程变化值一般假定为0米。因为是平面二维制图所以不比深究1985国家高程基准高程系统与1954北京坐标系间的差异。图5 经纬度量取求得经度、纬度、高程3个参数值，1954北京坐标系转换为1985国家高程基准高程系的难题就解决了。计算过程可以使用EXCEL或MAPGIS投影变换模块计算投影参数。本例使用MAPGIS计算，输入1954北京坐标系直角坐标值，选择三参数转换方法，填入三参数，输出结果1980西安坐标直角坐标值。采用1980西安坐标直角坐标值，再按R2V的操作过程重新对地形图矢量化，等高线要素添加到数字正射影像图上，地形地貌重叠显示。土地利用现状图勾绘更加快捷、准确。勾绘精度远超于使用1:10000的纸质地形图的精度要求。 图6 MAPGIS西安80坐标值计算4、谷歌地球图片配准Google 地球免费开放，图像清晰且能立体显示，永靖县四分之一的区域更新至2014年3月的影像，对涉及项目规划的小范围区域可用ArcMap栅格图像配准获得影像。以国土二调数字正射影像图的坐标值代替栅格数据的原始坐标值。Google 地球视角海拔高度3.0公里，复制图像到Photoshop中保存为JPJ格式。打开ArcMap，增加国土二调数字正射影像图，找相关区域5个坐标值，记录在记事本上。把要纠正的图片增加到ArcMap中，激活Georeferencing工具条。 点击Add Control Point按钮，使用该工具在图上精确找到一个匹配点点击，然后鼠标右击，Input X and Y输入该点实际坐标，即国土二调数字正射影像图的坐标值，增加5个控制点后，点击Update Display。更新后，就变成真实的坐标。三、水土保持专题图制作的问题水土保持制图使用两类数据：矢量数据和栅格数据。矢量数据随着制图不断积累愈加丰富，而栅格数据则停留在2008年时相。高精度的数字高程模型图DEM,高精度本年度的卫星影像数据获得成本高，影响3S技术其他功能的拓展。县级水保部门由于缺乏相关项目支撑，得不到上级业务部门的技术支持，无法利用最新卫星影像图，不能走在3S应用的前沿。1：1万5米分辨率的数字高程模型图DEM是提取土壤侵蚀图，分析沟壑密度、坡度、绘制三维虚拟地理的前提，但县级各单位均无此图。把GIS与CAD等同起来，为制图而使用3S，3S当中强大的数据获取、面积量算、空间分析、查询检索、统计报表、定位监测等功能没有得到充分发挥，3S技术应用的效益也没有充分的表现出来。2000国家大地坐标系于2008年7月1日正式启用，需要现有数据转换到2000国家大地坐标系，水保制