水土保持方案編制階段空間矢量化圖制作標(biāo)準(zhǔn)和方法研討

沈方舟，劉承佳，崔 揚(yáng)，張愛(ài)玲

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.松遼水利水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

根據(jù)水利部《全國(guó)水土保持信息化工作2015—2016實(shí)施計(jì)劃》(辦水保〔2015〕88號(hào))的總體部署，各地須開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)督示范工作[1]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)管核心是遙感調(diào)查，其中防治責(zé)任范圍上圖是遙感調(diào)查的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。防治責(zé)任范圍上圖是指將生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目防治責(zé)任范圍圖空間化和矢量化，并最終獲得具有既定地理空間坐標(biāo)的防治責(zé)任范圍矢量圖形的過(guò)程。目前水利部要求上報(bào)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案時(shí)繪制防治責(zé)任范圍矢量圖，但沒(méi)有公布矢量圖制作標(biāo)準(zhǔn)。因此，開(kāi)展方案編制階段矢量圖形制作標(biāo)準(zhǔn)和方法研究討論工作十分必要。

編制水土保持方案的主要目的是對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土地?cái)_動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)水土保持措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前傳統(tǒng)的水土保持方案編制方式主要以文字描述、數(shù)據(jù)表格等形式來(lái)體現(xiàn)，不可避免地會(huì)帶來(lái)信息表述抽象、內(nèi)容不夠具體、數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)等問(wèn)題；同時(shí)附圖一般也主要為CAD圖紙或柵格圖，不具備大地坐標(biāo)信息，圖形圖像難以和實(shí)際地理位置相對(duì)應(yīng)。水土保持方案中大量數(shù)據(jù)信息缺乏依據(jù)，多依靠估算和經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)實(shí)際建設(shè)指導(dǎo)意義不大，對(duì)后續(xù)的水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持設(shè)施驗(yàn)收等工作來(lái)說(shuō)，無(wú)法系統(tǒng)化地進(jìn)行參照和對(duì)比。引入GIS地理信息技術(shù)，將水土保持方案中的防治責(zé)任范圍、水土保持措施等要素通過(guò)空間矢量化圖形的方式進(jìn)行表述，可以有效解決上述問(wèn)題。

1 依托工程概況

本研究依托工程是孫東220 kV輸變電工程。線路總長(zhǎng)45.86 km，經(jīng)過(guò)北海市海城區(qū)、合浦縣、銀海區(qū)。水土流失防治分區(qū)主要為變電站區(qū)、塔基區(qū)、牽張場(chǎng)地區(qū)、臨時(shí)道路區(qū)、跨越場(chǎng)地區(qū)。沿線地貌類型為濱海平原地貌，地形開(kāi)闊平坦，現(xiàn)多為水田和旱地。地面高程20.0～51.0 m，高差31 m。土地利用類型以耕地為主，有部分林地。

2 工程各元素矢量圖的數(shù)據(jù)形式

(1)主體工程。數(shù)據(jù)形式為點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素。比如站址平面布置(面狀要素)、線路路徑(線狀要素)、塔基位置(點(diǎn)狀要素)、項(xiàng)目征地范圍(面狀要素)等體現(xiàn)主體工程組成的矢量圖。

(2)防治責(zé)任范圍。數(shù)據(jù)形式為面狀要素。內(nèi)容為水土保持方案中確定的防治責(zé)任范圍，包含永久征地和臨時(shí)征地。在屬性表中注明防治體系區(qū)劃分級(jí)、征地屬性、行政區(qū)劃、土地利用現(xiàn)狀等信息。面積、周長(zhǎng)、坐標(biāo)等屬性由幾何計(jì)算得出。在防治責(zé)任范圍矢量圖繪制完成后，根據(jù)幾何計(jì)算得出的面積數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后得到防治責(zé)任范圍面積。通過(guò)這種方法，可以保持矢量圖形和方案報(bào)告書(shū)中的數(shù)據(jù)一致。

(3)水土保持措施。數(shù)據(jù)形式為線狀要素、面狀要素。主要體現(xiàn)水土保持方案中的工程措施、植物措施、臨時(shí)措施。首先根據(jù)防治責(zé)任范圍圖層確定每塊防治責(zé)任范圍需要設(shè)計(jì)及布設(shè)的水土保持措施，然后按照不同措施特點(diǎn)分別用線狀要素或面狀要素表示，最后通過(guò)水土保持措施矢量圖層統(tǒng)計(jì)水土保持措施工程量。

(4)建設(shè)區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)形式為線狀要素、面狀要素。主要包含行政區(qū)劃圖(面狀要素)、土地利用現(xiàn)狀圖(面狀要素)、等高線(線狀要素)、DEM(柵格圖)等。建設(shè)區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于判斷項(xiàng)目所涉及的行政區(qū)、占地類型、地形地貌等信息?；A(chǔ)圖層和防治責(zé)任范圍圖層可以做空間鏈接，鏈接形成后，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層可以為防治責(zé)任范圍圖層關(guān)聯(lián)相關(guān)屬性。

3 矢量圖形制作要求

(1)數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式可以使用GDB地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)或shape圖層文件。在繪制階段建議使用GDB地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，最終形成成果可以導(dǎo)出shape圖層。

(2)坐標(biāo)系。選用CGCS2000坐標(biāo)系3度投影帶，原因如下：①響應(yīng)國(guó)家要求。②使用CGCS2000坐標(biāo)系繪制的工程圖可以直接導(dǎo)入使用。③兼容WGS84坐標(biāo)系。WGS84坐標(biāo)的影像數(shù)據(jù)可以直接疊加使用，繪制成果也可以導(dǎo)出為WGS84標(biāo)準(zhǔn)的矢量格式(例如kml格式)，用于移動(dòng)設(shè)備。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)字段標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)字段標(biāo)準(zhǔn)

4 矢量圖形制作過(guò)程

4.1 柵格圖導(dǎo)入

在GIS軟件中，選擇“文件—導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)—圖像”，彈出“導(dǎo)入圖像”對(duì)話框，直接輸入圖像的掃描分辨率和原圖的比例尺。點(diǎn)擊“瀏覽”選中導(dǎo)入處理的圖像，在“新圖層名稱”中輸入該圖層的名稱。

4.2 地圖影像配準(zhǔn)

對(duì)于沒(méi)有地理坐標(biāo)的柵格圖像，導(dǎo)入軟件后需要先進(jìn)行影像配準(zhǔn)。具體步驟為：①把需要糾正的柵格影像導(dǎo)入ArcMap中， 激活Georeferencing工具條。在View/data frame properties的coordinate properties中選擇坐標(biāo)系。如果是大地(投影)坐標(biāo)系，坐標(biāo)單位為米；如果是地理坐標(biāo)系，坐標(biāo)單位為度。②在校正過(guò)程中，從圖中選取一些控制點(diǎn)，如公里網(wǎng)格的交點(diǎn)，選取不少于5個(gè)，選取的控制點(diǎn)要在圖中均勻分布。③為每個(gè)控制點(diǎn)輸入該點(diǎn)實(shí)際的坐標(biāo)位置。采用投影坐標(biāo)系時(shí)輸入X、Y坐標(biāo)，采用地理坐標(biāo)系時(shí)輸入經(jīng)緯度，經(jīng)緯度用小數(shù)表示。④再用相同的方法，在柵格影像上增加多個(gè)控制點(diǎn)，輸入它們的實(shí)際坐標(biāo)。⑤所有控制點(diǎn)增加完成后，在Georeferencing菜單下，點(diǎn)擊Update Display。⑥更新后，校準(zhǔn)的柵格影像變?yōu)檎鎸?shí)的坐標(biāo)。⑦在Georeferencing菜單下，點(diǎn)擊Rectify，將校準(zhǔn)后的柵格影像保存。

4.3 數(shù)據(jù)矢量化[3]

選擇“預(yù)處理—二值化”，根據(jù)掃描圖的質(zhì)量輸入“右域值”(注：此處右域值越大，冗余線越多，右域值越小，斷線越多，一般為80～120)。二值化后執(zhí)行“預(yù)處理—二值化圖像處理—細(xì)化”，然后進(jìn)行矢量化。矢量化可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是全自動(dòng)矢量化，另一種是交互式矢量化。對(duì)于底圖比較清晰的可以進(jìn)行全自動(dòng)矢量化，對(duì)于底圖質(zhì)量不好的則需要進(jìn)行交互式矢量化。最常用的方法是交互式矢量化，便于分層處理。

4.4 圖層拼接

每幅圖矢量化后，需要進(jìn)行接邊處理。拼接方式為分層拼接，圖形拼接到一起后，需要參照對(duì)應(yīng)地圖將拼接處進(jìn)行修改編輯。點(diǎn)、線圖層中的屬性與拼接前相同。把需轉(zhuǎn)換成面圖層的線封閉轉(zhuǎn)換成多邊形圖層，再創(chuàng)建拓?fù)洌詣?dòng)計(jì)算各類多邊形面積，同時(shí)通過(guò)對(duì)各多邊形的邊界弧段區(qū)分，對(duì)不同空間數(shù)據(jù)特征賦予不同代碼，自動(dòng)建立空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.5 屬性數(shù)據(jù)輸入

屬性數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫(kù)中與圖形對(duì)應(yīng)的屬性信息。若屬性數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)用其他數(shù)據(jù)庫(kù)工具建好，則用戶可直接獲取外部數(shù)據(jù)鏈接表，選擇所需外部數(shù)據(jù)的類型及名稱，將該外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程管理器的數(shù)據(jù)表中，再執(zhí)行鏈接數(shù)據(jù)表功能。

直接輸入相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。如土壤數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、土壤侵蝕類型數(shù)據(jù)、土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)、水土保持治理項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)、水土保持監(jiān)督執(zhí)法數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況數(shù)據(jù)、水土保持政策法規(guī)數(shù)據(jù)、水土保持定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文氣象等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是水土保持規(guī)劃和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是水土保持監(jiān)測(cè)和管理的內(nèi)容。若地形圖中有相關(guān)數(shù)據(jù)，則可以直接進(jìn)行數(shù)字化與屬性輸入；若沒(méi)有則可在屬性表中增加相應(yīng)的字段，人工輸入。這些數(shù)據(jù)與圖形構(gòu)成系統(tǒng)屬性文件。

4.6 編輯地圖

新建地圖，選中已建好的圖層名稱，加入到該地圖中，圖層的順序可隨意調(diào)換。在地圖窗口中，進(jìn)行疊加分析，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)層，其結(jié)果是新數(shù)據(jù)層綜合原來(lái)兩層或多層要素所具有的屬性。其中疊加分析包括點(diǎn)與多邊形疊加，線與多邊形疊加和多邊形與多邊形疊加。利用屬性查詢功能來(lái)實(shí)現(xiàn)填充圖例圖層，設(shè)置點(diǎn)(或線、多邊形符號(hào))功能，選擇合適的圖例進(jìn)行填充，使數(shù)據(jù)圖形可視化。

4.7 地圖輸出

布局視圖用于地圖輸出，布局的內(nèi)容可以是地圖、數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計(jì)表等任何一種元素。新建布局，在布局界面中，先執(zhí)行“版面—紙張大小”功能，選定出圖的紙張大小，然后執(zhí)行“版面—插入”功能，依次插入地圖、指北針、比例尺、圖例、圖片等功能，做好相應(yīng)的布局工作，便可將成果圖打印輸出。

5 不同項(xiàng)目分區(qū)的繪制方法

5.1 單點(diǎn)式項(xiàng)目分區(qū)

分區(qū)特點(diǎn)：項(xiàng)目區(qū)在單一地理位置，比較集中。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)組成較為復(fù)雜。

適用范圍：發(fā)電站、變電(換流)站、鐵路車站、公路服務(wù)區(qū)、工廠廠區(qū)等。

數(shù)據(jù)依據(jù)：可行性研究或者初步設(shè)計(jì)的CAD平面布置圖。

適用元素：主體工程、防治責(zé)任范圍、措施布局。

根據(jù)可行性研究或者初步設(shè)計(jì)的平面布置圖進(jìn)行繪制。平面設(shè)計(jì)圖通常為CAD格式，若CAD圖是按照CGCS2000或WGS84大地投影坐標(biāo)繪制的，則可以在GIS軟件中定義相應(yīng)的坐標(biāo)系，直接導(dǎo)入CAD圖形。若CAD圖不是按照上述大地坐標(biāo)系繪制的，則需要找到地面控制點(diǎn)，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。主體設(shè)計(jì)圖配準(zhǔn)完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖繪制矢量格式的站址圍墻、防治責(zé)任范圍、硬化區(qū)域、非硬化區(qū)域。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 空間矢量化圖形制作流程示意

圖2 導(dǎo)入GIS軟件的孫東輸變電工程變電站CAD設(shè)計(jì)圖示意

5.2 離散式項(xiàng)目分區(qū)

分區(qū)特點(diǎn)：項(xiàng)目元素分散在不同位置，元素?cái)?shù)量多，元素結(jié)構(gòu)相同。

適用范圍：輸電線路塔基區(qū)。

數(shù)據(jù)依據(jù)：塔基坐標(biāo)、塔基根開(kāi)。

適用元素：主體工程、防治責(zé)任范圍、措施布局。

輸電塔基永久占地和臨時(shí)占地。塔基區(qū)永久占地為塔腿4角根開(kāi)距離外擴(kuò)1 m，每個(gè)塔基形成一個(gè)矩形圖斑表示永久占地范圍。塔基區(qū)臨時(shí)占地為永久占地外擴(kuò)8 m，形成外周為矩形，內(nèi)部空心的環(huán)形圖斑，代表臨時(shí)占地。見(jiàn)圖3。

圖3 孫東輸變電工程塔基區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖示意

塔基區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖數(shù)量多，位置分散，每個(gè)圖形結(jié)構(gòu)相同。如果手工繪制工作量非常大，為了簡(jiǎn)化繪制流程，利用GIS軟件中的Model Builder工具結(jié)合Python編程，編寫(xiě)了“塔基矢量圖自動(dòng)繪制工具”(見(jiàn)圖4)。

圖4 塔基區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖自動(dòng)繪制工具操作界面

只需要導(dǎo)入塔基坐標(biāo)、根開(kāi)、臨時(shí)占地外擴(kuò)距離信息，該工具就可以自動(dòng)繪制塔基區(qū)的防治責(zé)任范圍矢量圖(圖5)。

圖5 塔基區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖自動(dòng)繪制工具工作原理示意

5.3 臨時(shí)場(chǎng)地分區(qū)

分區(qū)特點(diǎn)：項(xiàng)目主要為臨時(shí)場(chǎng)地，位置及大小取決于主體工程和周圍環(huán)境。

適用范圍：牽張場(chǎng)地、臨時(shí)道路、跨越場(chǎng)地等。

數(shù)據(jù)依據(jù)：主體工程矢量圖形、臨時(shí)占地標(biāo)準(zhǔn)。

適用元素：防治責(zé)任范圍、措施布局。

牽張場(chǎng)地：在能確定耐張塔的情況下，根據(jù)耐張塔確定牽張場(chǎng)地位置。如果不能確定耐張塔，根據(jù)線路拐點(diǎn)及線路長(zhǎng)度確定牽張場(chǎng)地位置。根據(jù)線路電壓等級(jí)及回路數(shù)量確定單個(gè)牽張場(chǎng)地大小和尺寸。最終在防治責(zé)任范圍中繪制牽張場(chǎng)地。見(jiàn)圖6。

圖6 孫東輸變電工程牽張場(chǎng)地區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖示意

跨越場(chǎng)地：在線路路徑和需要跨越處設(shè)置，跨越場(chǎng)地兩側(cè)分布繪制跨域場(chǎng)地圖斑，每個(gè)跨越場(chǎng)地的兩個(gè)圖斑合并為一個(gè)要素。見(jiàn)圖7。

圖7 孫東輸變電工程跨越場(chǎng)地區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖示意

施工道路：將施工場(chǎng)地圖斑與衛(wèi)星影像相疊接，依影像上現(xiàn)有道路情況，根據(jù)需要繪制施工道路。施工道路繪制時(shí)先繪制線狀要素，然后根據(jù)道路寬度生成面狀要素。見(jiàn)圖8。

圖8 孫東輸變電工程施工道路區(qū)防治責(zé)任范圍矢量圖示意

[1] 李智廣，王敬貴.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)督示范總體實(shí)施方案[J].中國(guó)水土保持，2016(2)：14-17.

[2]王敬貴，亢慶，孫云，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍上圖關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)水土保持，2016(11):9-11.

[3]邵子玉，蔡景平.水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)中圖形矢量化處理技術(shù)[J].水土保持研究，2004，11(2)：73-74.