水利图集编制方案研究与实践

兰 林，毛媛媛，张 颖，陆 楠

（江苏省水利工程规划办公室，江苏 南京 210029）

0 引言

水利图集是展现水利发展成就的载体，囊括规划、设计、建设、运行、管理等诸多领域的体系布局和工作思路方面，成为了解研究水利的窗口与工具。随着信息化建设进程的加快，水利建设管理与空间地理的联系变得更加紧密，对图集的需求越来越大，促使水利图集功能向更加全面、应用向更为广泛的方向发展。

国内出版的水利图集较少，侧重于以水利工程、水资源、农业灌溉、水土保持等专题图组展示水系与工程布局；国外出版的水资源分布图集，包含气候变化、景观用水、大坝建设、生物多样性及水资源管理等分类地图[1]，反映水资源的自然禀赋和保护情况。总体上缺少全面反映水利各个领域现状，满足各类业务需求的综合型图集，究其原因是对编制技术研究不足，表现在编目设计、地图主题表现、数据遴选、地图数据管理等方面。因此结合编制新版江苏省水利图集的契机，采用先进的信息管理、测绘技术，着力于编制技术革新与方案完善，实现水利信息的地图化应用与管理，展现水利专业特点，形成先进实用的图集编制方案，为水利工作提供地图工具，是研究亟待解决的重点。

1 思路与任务

1.1 设计思路

全面分析水利图集的应用需求、功能特性和业务特点，整合共享地理信息资源，构建水利地图底图库，完善数据组织方式，以统一的设计原则、实用的主题结构、专业的表现形式，通过研究图集编制的关键技术，实现地理信息在地图中的发布、参证、交互等功能[2]。

1.2 开发任务

开发围绕技术研发和组织实施 2 条线展开：

1）技术研发。技术研发是编制方向和手段，确定图集设计目标。技术研发包括以下内容：a.功能设计。基于水利业务需求重点分析规划设计、防汛防旱、调研巡查、空间管控、事务协调等方面，衍生出与之对应的图层。b.内容编目。设计分析主题、地域、水利专业特点等，组合图层形成分幅图，并分组归纳。c.地理数据组织。地理数据组织是绘图基础，建立为制图服务的数据库及绘图数据的调用模式。d.专题图设计。分析和遴选反映主题的要素类别，筛选出图元实体，确定每幅图包含的图形。e.制图综合。制图综合研究图元实体的表现形式。

2）组织实施。组织实施是实施保障，提高开发工作效率，促进目标实现。为提高开发效率，避免出现反复修改的情形，可按照草图—典型图—初稿—定稿的开发流程，分工明确地开展阶段工作，草图阶段确定图集的编目，典型图阶段确定分幅图的主题和要素，初稿阶段完善图集结构框架和图元细节，定稿阶段查漏补缺，统一风格。

水利图集开发任务与流程如图1 所示，从技术研发、组织实施、数据转化 3 个流程说明主要步骤和工作。

图1 图集开发任务与流程

2 功能设计

分为本体和客体 2 个功能：本体为水利事业服务，从工作职能上细分功能；客体从扩大使用范围和周期上考虑，发挥图集广谱功能。

2.1 本体功能设计

水利图集具有以下本体功能：

1）水利总览。展示水系、水利工程的布局和治理体系，从整体到局部运用多尺度展现其特征，以水系和工程的布局图层为载体。

2）事权划分。以多重境界描述治理范围与对象，区分各级事权，以境界图层为载体。

3）空间管控。以流域、区域、防洪、水资源等专业区划单元说明水利治理的空间特征，作为参与国土空间管理的依据，以专业区划图层为载体。

4）工程管理。落实不同的管理需求区分工程等别，以工程分类分级图层为载体。

5）调度运行。以输水线路、工程组合体系，说明洪涝和供水调度方案、控制节点、枢纽工程的布设及作用，以高度概化图层为载体。

6）边际控制。为协调解决边际涉水纠纷矛盾提供参证依据，清晰标明上下游、干支流、左右岸等空间关系，以各级行政区划图层为载体。

7）行业协调。标明交通、能源、城镇建设等基础设施的分布位置，是行业协调的重要工具，以公共图层为基础。

2.2 客体功能设计

图集具有宣传交流、拓展延伸、动态更新等客体功能。水利图集是对外宣传交流水利事业的优质媒介，让大众了解和参与水利事务，这就要求图形语言的设计风格易被接受与认知，便于推广使用。水利图集内容经拓展延伸后再利用，广泛应用于规划设计、汇报演示、信息系统设计等场景，提升使用价值，设计时应考虑基础示范功能。水利图集的生命周期取决于时效性，动态更新具备捕捉下垫面变化，联动水利地理信息数据库，滚动修订地图的功能。例如湖泊退圩还湖工程实施后，水域岸线和堤防的空间形态随之变化，水利图集中应及时修正图元信息，实现持续利用。

3 编目设计

用户通过浏览编目总览水利图集。编目设计通过编排内容结构，汇编一系列水利专题图，内容上反映水旱灾害防御、水利基础设施建设、河湖综合管理、农村水利网络、水资源利用与管理等各水利专业领域，结构上体现研究分析水利问题的基础、治理水利问题的视角、划分与协调事权的层级。决定水利图集编目的主要因素有主题、要素、专业区划、管理等，从主题分类、地域重构、专业分组3 个方面编排[3]，编目结构设计如图2 所示。

图2 图集编目结构设计示意图

3.1 主题分类

地图主题集群地理要素反映某一空间特征，按功能属性分为公共地理、水利基础、水利专业等要素，公共地理要素来源于基础测绘成果，水利基础、专业要素来源于水利生产环节产生的数据。对要素进行分类要便于数据的获取和管理，为主题归纳提供基础。

1）公共地理要素。综述自然地理、社会经济和开发利用现状，选取以下构成水利治理基础的要素成图：反映下垫面情况的地形等高线、平原丘陵山脉、骨干河流湖泊水库、城镇建成区；反映国土分级管理的各级行政区划境界及其驻地；反映开发利用状况的公路、铁路、航道，以及车站、码头、机场所组成的水陆空交通网络，桥隧管线组成的线型基础设施。分为行政区划图、地形地貌图、交通线路图、基础设施图等。

2）水利基础要素。综述水系、水利工程、水文设施的布局，类别或级别，选取以下水利研究的背景与工具要素成图：反映水系级别的流域性、区域性、其他重要、县乡等河流，大中小型水库，省管、市管、县管湖泊；反映水利工程体系的控制性枢纽、大中小型涵闸、泵站等点状工程，1～5 级堤防、引调水线路、梯级河网等线状工程，行洪区、蓄滞洪区、灌区、塘坝窖池等面状工程；反映水文监测网络的水文站、水位站、水质站、雨量站、墒情站及其等值线参数。分为流域区域水系图、水利工程布局图、水文站网图等。

3）水利专业要素。综述规划、设计、运行、管理的空间分布特征，选取以下代表水利治理手段与方式的要素成图：反映规划分区研究而划分的防洪、除涝、水资源分区；反映水工建筑物组合发挥综合功能的控制性枢纽；反映防汛防旱，水资源配置，以及保障生态水量的调度线路、工程及特征参数。分为功能区划图、工程概化图、防洪与供水形势图、洪涝与水源调度图、水旱灾害地区分布图。

3.2 地域重构

水利不仅以行政区划划分治理单元，还从产汇流过程、洪涝成因的角度分析问题，以流域、水系或片区划分治理单元，考虑工程布局常跨越地区界限问题。使地图适应水利业务特点的重要途径是尽可能采用水利专业区划作为图幅范围，进行地域重构，以专业视野反映水利规划建设和事权划分的特点。从行政角度一般划分为省级、设区市级、县（市、区）级；从治理角度划分为洪涝、水资源分区，水土保持、灌区等专业区划，进一步分出洼地、圩垸区、汇流片、排水片区等；从事权角度划分为流域、水系、水利等分区。

3.3 专业分组

以先基础后专业，先整体后局部，先概要后具体的原则进行分组，设计以下 3 类组图：

1）序图组。包含政区、地形、交通、环境和水系等分幅图，概要地说明涉水公共基础要素的分布和交互情况。

2）专题图组。包含水利功能区划、概化工程、洪涝水源调度运行、水文情势等分幅图，说明水利行业建设特点。

3）市县图组。包括设区市、县（市、区）的水系图，说明水系和工程的等级关系，便于掌握各级水利关注点。

4 地理数据组织

水利地理数据源于基础地理数据，两者的分布形态和趋势相似，有位置、范围、功能和规模等属性信息，构成复杂多元的地理数据。水利行业经过多年的建设积累，各地已基本建立水利地理信息数据库[4]，为地理数据组织提供扎实的基础，充分利用数据库进行地图化预处理，按照统一的数学基础构建常用比例尺的全域水利底图库，为规模制图提供基础，组织框架如图3 所示。

图3 地理数据组织框架图

4.1 数学基础

水利地图的数学基础为兰伯特投影（双标准纬线等角圆锥投影）、CGCS2000 坐标系和 1985 国家高程基准。兰伯特投影适用于沿纬线方向延伸且连续的中纬度地区，我国大部分省区都位于此地区，其变形程度可控制在 0.1% 以内，选用该投影能降低地图模拟失真率。比例尺选取要兼顾地域范围和图集版面尺寸，常用 A4 或 A4 跨页版面展示 1 幅图，以此确定省域的比例尺约为 1∶2 000 000～1∶1 000 000，设区市域、功能区划域约为 1∶800 000～1∶300 000，县域约为 1∶250 000～1∶100 000，概化工程域约为 1∶10 000～1∶5 000[5]。对不符合格式的数据转化格式后再存储。

4.2 图元概括

图元概括指缩减图元的定位点数量，适应不同图幅和比例尺下客观反映实体趋势、形状、摆布等事实，将点数量控制在合理的范围内，实现图形有效表达[6]，主要利用 GIS 平台的智能抽稀功能，辅助人工干预的方式对复杂的图元进行概括，甄别主次关系、等别属性、跨界情况、分布均衡等影响因子。对质量特征概化时，保证线状和面状图元的主要形态和分布位置；对数量特征概化时，制定图元数量阈值，相同类型图元以平行方式抽稀，避免出现地图内图元疏密不均、地图间图元总数量差异过大及不平衡的情况。

4.3 创建实体

水利地理实体，如 1 条完整的河流、1 座大型水利枢纽，由若干点、线、面图元组成，将图元完整地组织成实体，完整表达出水利图形空间形态，这是数据预处理的重要内容。处理时将多个图元与实体挂接，构建常用水利实体库，例如某河流 A 由多段岸线图元组成，将这些图元完全挂接到河流实体 A 中。水利地图中多个实体共用 1 个图元的情况较多，河流 A 交汇河流 B，交汇共用岸线图元分别挂接到 A 和 B 中，形成各自的实体库，以备绘图要素筛选使用。

利用数据组织方法构建覆盖全域的底图库，以1∶2 000 000，1∶1 000 000，1∶500 000，1∶250 000等常用比例尺规格建设，基本能满足绘图需要。

5 专题图设计

编目设计制定了专题图的类别及主题，专题图设计时需从底图库中遴选目标图元实体，对水利要素分组排列，用水利地图语言表达主题。

5.1 主题表达

主题通过要素编排和表达实现，从地图库中确定主次要素，设计表达方案。以江苏省水利地图集为例说明水利分区图与县区水利图的具体设计，设计说明如表1 和 2 所示。水利专题图以统一的体例说明水利基础与专业要素的等级、组合及其功能，此为主要内容，其他要素则辅助说明其参证位置。不同专题图的内容各有侧重，水利分区图与县区水系图的要素编排效果对比示意图如图4 所示。从图4 对比同一地区可见：水利分区图多了涝区和水利分区的范围边界，突出研究治理手段；县区水系图增加了水系要素的数量，突出基层管理面广量大的特点，内容上突出彼此的差异性，又相互论证和补充，表现出内在联系[7]。

图4 水利分区图与县区水系图的要素编排效果对比示意图

表1 水利分区图设计表

5.2 图元实体遴选

为建立各类专题图与海量水利实体匹配的逻辑关系，突出主题、层次和区分度，从全要素图层中遴选可用实体对象。所选实体应与主题匹配，单位面积内的实体个数均衡，避免视觉冲突影响读图效果。河流依据级别、长度、跨界、数量等级指标，水利工程依据等级、等别、重要性和各地区数量等指标综合筛选。以江苏省设区市水利图的河流筛选为例，筛选方法与步骤如下：

1）江苏省 13 个设区市的河流总数量控制在5 000 条量级，形成省、市、县三级分别以 1 500，5 000，12 000 条递增的数量级；

2）挑出跨省、市、县等重要跨界河流约 200 条，用于识别边际水利问题；

3）设区市水利图的比例尺中位数约为 1∶500 000，在图上 5 km 实际长度是 1 cm，是适合辨识的有效长度，以此确定为最小控制长度，超过它的有 4 900 余条河流；

4）考虑各市的面积、地形平衡数量，丘陵地区的密度应低于平原水网区，删除级别较低、密集偏多的河流 500 余条，最终形成全省约 4 600 条河流的规模。

表2 县区水系图设计表

6 制图综合

制图综合的效果决定图集风格，用户的视觉感知风格形成初步印象，决定了下一步认知过程的准确性或局限性，水利地理图元综合效果具有独特性，采用多种方法处理。

6.1 水利制图综合方法

水利制图综合遵循以缩小的图形显示物理世界的基本规则，但不能机械地以图形大小和比例关系综合，而应以地图的用途目的为重点，以制图者对其认识为转移。综合方法采用轮廓简化和符号移位等手段，在保持图元形状的前提下，依据比例尺简化轮廓，调整曲率，平滑形态，对符号密集区进行适当移位和简化，为强调重要性还会用到异频放大方法。

实施整体和局部的综合，使图元形状和分布规律在水利图集中风格统一。整体上要平衡和约束密度，把握水利图元与自然地形的客观规律，例如平原水网密度大于山丘河道，干流上水利工程密度大于支流。局部上水系综合阐明本身的趋势，同时交代与境界、基础设施的交汇关系，以线型区别河道特征，山丘区河流具有“血管”式形态及确定的汇流关系，平原区河流具有散布形态，没有明确的干支关系；工程综合依据比例尺的基数变化设计工程的缩放方案，渐进式地展现工程布设由简入繁的变化趋势，例如复杂的水利枢纽由若干水闸、泵站、船闸、立交组成，在 1∶1 000 000 的小比例尺图中以 1 个主导功能的图例代替，而在 1∶10 000 的大比例尺概化图中全面反映各个水工构筑物。

图元位置摆布优先级是水利类，小比例尺地图常出现水利图元间或与其他图元位置压盖的情况，需做适量位移处理，甚至仅保留 1 类要素说明主要特征，以突出主题，提高地图易读性。例如河流有2 道堤防时，在小比例尺图中简化为 1 道堤防。

6.2 图例与注记

参考相关制图规范，沿用图例使用惯例，设计体现水利特色的符号库，部分图例设计案例如图5所示，图例风格应醒目鲜明，直观易读，展现水工美和力量感，以组合视觉变量表示内容与深度，以形状、尺寸、方向、颜色的变化区分水利要素的功能与规模。注记样式最能反映水利特征，从视觉阈值的角度协调均匀，常用独特的排列方式突出标识，文字排版赋予个性化风格[8]，如：以蓝色雁行字列标识河流名称，以红色阵型字列标识工程名称，以屈曲字列标识流域水系界线等，部分注记效果如图6 所示。河流注记能反映形态和趋势特征，工程注记强调位置和功能。复杂冗长的名称应适当简化，保留主要含义。

图5 部分图例设计示意

图6 工程概化图的图例与注记示意

6.3 特殊问题处置

水域范围线是水域和岸线的界线，在水利空间管控中具有重要意义。从数据库中选用临水边界线作为水域范围线，准确描述水流的自然形态，满足水利治理对河势控制、行洪安全和河湖空间完整的需求，具体可采用水库的正常蓄水位、湖泊的多年平均水位、河道的常水位或平滩水位对应的水面线绘制。对于违法侵占水面的行为不能以现状地貌表示，应以批准规划中明确的水面范围绘制。

为突出主题，叠放图层时特别将交通图层置于水系图层下，在水利图集中交通要素处于从属地位，目的是突出水网布局等主题要素，顺序如图7所示。这是有别于其他种类地图的差异化处置，效果上能避免因交通线路压盖河流而出现“虚线河、断头河”的情况，保持河流的连续性，提高主要图元的易读性。

图7 图层叠放顺序示意

7 结语

水利图集编制属于水利、测绘等方面技术与信息技术结合的领域，本方案围绕数据整合、地图服务、业务应用、数据更新等热点，构建了水利图集的功能、整体架构与内容体系，设计了水系和工程复杂交织下的要素筛选及配图样式，展示了多种地域范围下的地图主题与风格，实现多图元背景下化繁为简的精准表达方式，基于通用平台建立了水利地图底图库，为地图的更新和融合提供了基础，使编制方案更具有针对性、专业性和规范性，提升了工作效率，带动了水利制图水平进步。

随着国土空间治理体系建设的不断深入，水利图集将为河湖空间管控、水网格局优化等工作提供更为精准和详实的参证服务，需要继续拓展图集内容，丰富专题图的表现形式，提高要素的信息量和精准度，使编制方案日臻完善。编制水利图集是水利信息化服务的手段，响应智慧水利关于资源共享的要求，可整合多元数据信息，深入挖掘信息资源，发挥再利用价值，推动水利一张图建设。