水土保持方案编制阶段空间矢量化图制作标准和方法研讨

沈方舟，刘承佳，崔 扬，张爱玲

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021；2.松辽水利水电开发有限责任公司，吉林 长春 130021)

根据水利部《全国水土保持信息化工作2015—2016实施计划》(办水保〔2015〕88号)的总体部署，各地须开展生产建设项目水土保持“天地一体化”监督示范工作[1]。生产建设项目“天地一体化”监管核心是遥感调查，其中防治责任范围上图是遥感调查的一个关键环节[2]。防治责任范围上图是指将生产建设项目防治责任范围图空间化和矢量化，并最终获得具有既定地理空间坐标的防治责任范围矢量图形的过程。目前水利部要求上报生产建设项目水土保持方案时绘制防治责任范围矢量图，但没有公布矢量图制作标准。因此，开展方案编制阶段矢量图形制作标准和方法研究讨论工作十分必要。

编制水土保持方案的主要目的是对生产建设项目土地扰动情况进行预测和对水土保持措施进行设计，目前传统的水土保持方案编制方式主要以文字描述、数据表格等形式来体现，不可避免地会带来信息表述抽象、内容不够具体、数据不够精准等问题；同时附图一般也主要为CAD图纸或栅格图，不具备大地坐标信息，图形图像难以和实际地理位置相对应。水土保持方案中大量数据信息缺乏依据，多依靠估算和经验值，对实际建设指导意义不大，对后续的水土保持监测、水土保持设施验收等工作来说，无法系统化地进行参照和对比。引入GIS地理信息技术，将水土保持方案中的防治责任范围、水土保持措施等要素通过空间矢量化图形的方式进行表述，可以有效解决上述问题。

1 依托工程概况

本研究依托工程是孙东220 kV输变电工程。线路总长45.86 km，经过北海市海城区、合浦县、银海区。水土流失防治分区主要为变电站区、塔基区、牵张场地区、临时道路区、跨越场地区。沿线地貌类型为滨海平原地貌，地形开阔平坦，现多为水田和旱地。地面高程20.0～51.0 m，高差31 m。土地利用类型以耕地为主，有部分林地。

2 工程各元素矢量图的数据形式

(1)主体工程。数据形式为点状要素、线状要素、面状要素。比如站址平面布置(面状要素)、线路路径(线状要素)、塔基位置(点状要素)、项目征地范围(面状要素)等体现主体工程组成的矢量图。

(2)防治责任范围。数据形式为面状要素。内容为水土保持方案中确定的防治责任范围，包含永久征地和临时征地。在属性表中注明防治体系区划分级、征地属性、行政区划、土地利用现状等信息。面积、周长、坐标等属性由几何计算得出。在防治责任范围矢量图绘制完成后，根据几何计算得出的面积数据，经过统计后得到防治责任范围面积。通过这种方法，可以保持矢量图形和方案报告书中的数据一致。

(3)水土保持措施。数据形式为线状要素、面状要素。主要体现水土保持方案中的工程措施、植物措施、临时措施。首先根据防治责任范围图层确定每块防治责任范围需要设计及布设的水土保持措施，然后按照不同措施特点分别用线状要素或面状要素表示，最后通过水土保持措施矢量图层统计水土保持措施工程量。

(4)建设区域基础数据。数据形式为线状要素、面状要素。主要包含行政区划图(面状要素)、土地利用现状图(面状要素)、等高线(线状要素)、DEM(栅格图)等。建设区域基础数据用于判断项目所涉及的行政区、占地类型、地形地貌等信息。基础图层和防治责任范围图层可以做空间链接，链接形成后，基础数据图层可以为防治责任范围图层关联相关属性。

3 矢量图形制作要求

(1)数据格式。数据格式可以使用GDB地理信息数据库或shape图层文件。在绘制阶段建议使用GDB地理信息数据库，最终形成成果可以导出shape图层。

(2)坐标系。选用CGCS2000坐标系3度投影带，原因如下：①响应国家要求。②使用CGCS2000坐标系绘制的工程图可以直接导入使用。③兼容WGS84坐标系。WGS84坐标的影像数据可以直接叠加使用，绘制成果也可以导出为WGS84标准的矢量格式(例如kml格式)，用于移动设备。

(3)数据库字段标准。见表1。

表1 数据库字段标准

4 矢量图形制作过程

4.1 栅格图导入

在GIS软件中，选择“文件—导入外部数据—图像”，弹出“导入图像”对话框，直接输入图像的扫描分辨率和原图的比例尺。点击“浏览”选中导入处理的图像，在“新图层名称”中输入该图层的名称。

4.2 地图影像配准

对于没有地理坐标的栅格图像，导入软件后需要先进行影像配准。具体步骤为：①把需要纠正的栅格影像导入ArcMap中， 激活Georeferencing工具条。在View/data frame properties的coordinate properties中选择坐标系。如果是大地(投影)坐标系，坐标单位为米；如果是地理坐标系，坐标单位为度。②在校正过程中，从图中选取一些控制点，如公里网格的交点，选取不少于5个，选取的控制点要在图中均匀分布。③为每个控制点输入该点实际的坐标位置。采用投影坐标系时输入X、Y坐标，采用地理坐标系时输入经纬度，经纬度用小数表示。④再用相同的方法，在栅格影像上增加多个控制点，输入它们的实际坐标。⑤所有控制点增加完成后，在Georeferencing菜单下，点击Update Display。⑥更新后，校准的栅格影像变为真实的坐标。⑦在Georeferencing菜单下，点击Rectify，将校准后的栅格影像保存。

4.3 数据矢量化[3]

选择“预处理—二值化”，根据扫描图的质量输入“右域值”(注：此处右域值越大，冗余线越多，右域值越小，断线越多，一般为80～120)。二值化后执行“预处理—二值化图像处理—细化”，然后进行矢量化。矢量化可以通过两种方式实现，一种是全自动矢量化，另一种是交互式矢量化。对于底图比较清晰的可以进行全自动矢量化，对于底图质量不好的则需要进行交互式矢量化。最常用的方法是交互式矢量化，便于分层处理。

4.4 图层拼接

每幅图矢量化后，需要进行接边处理。拼接方式为分层拼接，图形拼接到一起后，需要参照对应地图将拼接处进行修改编辑。点、线图层中的属性与拼接前相同。把需转换成面图层的线封闭转换成多边形图层，再创建拓扑，自动计算各类多边形面积，同时通过对各多边形的边界弧段区分，对不同空间数据特征赋予不同代码，自动建立空间信息数据库。

4.5 属性数据输入

属性数据是数据库中与图形对应的属性信息。若属性数据库已经用其他数据库工具建好，则用户可直接获取外部数据链接表，选择所需外部数据的类型及名称，将该外部数据导入工程管理器的数据表中，再执行链接数据表功能。

直接输入相关属性数据。如土壤数据、土地利用现状数据、植被数据、土壤侵蚀类型数据、土壤侵蚀强度数据、水土保持治理项目管理数据、生产建设项目管理数据、水土保持监督执法数据、社会经济情况数据、水土保持政策法规数据、水土保持定点监测数据、水文气象等数据，这些数据是水土保持规划和设计的基础，也是水土保持监测和管理的内容。若地形图中有相关数据，则可以直接进行数字化与属性输入；若没有则可在属性表中增加相应的字段，人工输入。这些数据与图形构成系统属性文件。

4.6 编辑地图

新建地图，选中已建好的图层名称，加入到该地图中，图层的顺序可随意调换。在地图窗口中，进行叠加分析，产生新数据层，其结果是新数据层综合原来两层或多层要素所具有的属性。其中叠加分析包括点与多边形叠加，线与多边形叠加和多边形与多边形叠加。利用属性查询功能来实现填充图例图层，设置点(或线、多边形符号)功能，选择合适的图例进行填充，使数据图形可视化。

4.7 地图输出

布局视图用于地图输出，布局的内容可以是地图、数据表、统计表等任何一种元素。新建布局，在布局界面中，先执行“版面—纸张大小”功能，选定出图的纸张大小，然后执行“版面—插入”功能，依次插入地图、指北针、比例尺、图例、图片等功能，做好相应的布局工作，便可将成果图打印输出。

5 不同项目分区的绘制方法

5.1 单点式项目分区

分区特点：项目区在单一地理位置，比较集中。项目区内组成较为复杂。

适用范围：发电站、变电(换流)站、铁路车站、公路服务区、工厂厂区等。

数据依据：可行性研究或者初步设计的CAD平面布置图。

适用元素：主体工程、防治责任范围、措施布局。

根据可行性研究或者初步设计的平面布置图进行绘制。平面设计图通常为CAD格式，若CAD图是按照CGCS2000或WGS84大地投影坐标绘制的，则可以在GIS软件中定义相应的坐标系，直接导入CAD图形。若CAD图不是按照上述大地坐标系绘制的，则需要找到地面控制点，进行图像配准。主体设计图配准完成后，根据设计图绘制矢量格式的站址围墙、防治责任范围、硬化区域、非硬化区域。见图1、图2。

图1 空间矢量化图形制作流程示意

图2 导入GIS软件的孙东输变电工程变电站CAD设计图示意

5.2 离散式项目分区

分区特点：项目元素分散在不同位置，元素数量多，元素结构相同。

适用范围：输电线路塔基区。

数据依据：塔基坐标、塔基根开。

适用元素：主体工程、防治责任范围、措施布局。

输电塔基永久占地和临时占地。塔基区永久占地为塔腿4角根开距离外扩1 m，每个塔基形成一个矩形图斑表示永久占地范围。塔基区临时占地为永久占地外扩8 m，形成外周为矩形，内部空心的环形图斑，代表临时占地。见图3。

图3 孙东输变电工程塔基区防治责任范围矢量图示意

塔基区防治责任范围矢量图数量多，位置分散，每个图形结构相同。如果手工绘制工作量非常大，为了简化绘制流程，利用GIS软件中的Model Builder工具结合Python编程，编写了“塔基矢量图自动绘制工具”(见图4)。

图4 塔基区防治责任范围矢量图自动绘制工具操作界面

只需要导入塔基坐标、根开、临时占地外扩距离信息，该工具就可以自动绘制塔基区的防治责任范围矢量图(图5)。

图5 塔基区防治责任范围矢量图自动绘制工具工作原理示意

5.3 临时场地分区

分区特点：项目主要为临时场地，位置及大小取决于主体工程和周围环境。

适用范围：牵张场地、临时道路、跨越场地等。

数据依据：主体工程矢量图形、临时占地标准。

适用元素：防治责任范围、措施布局。

牵张场地：在能确定耐张塔的情况下，根据耐张塔确定牵张场地位置。如果不能确定耐张塔，根据线路拐点及线路长度确定牵张场地位置。根据线路电压等级及回路数量确定单个牵张场地大小和尺寸。最终在防治责任范围中绘制牵张场地。见图6。

图6 孙东输变电工程牵张场地区防治责任范围矢量图示意

跨越场地：在线路路径和需要跨越处设置，跨越场地两侧分布绘制跨域场地图斑，每个跨越场地的两个图斑合并为一个要素。见图7。

图7 孙东输变电工程跨越场地区防治责任范围矢量图示意

施工道路：将施工场地图斑与卫星影像相叠接，依影像上现有道路情况，根据需要绘制施工道路。施工道路绘制时先绘制线状要素，然后根据道路宽度生成面状要素。见图8。

图8 孙东输变电工程施工道路区防治责任范围矢量图示意

[1] 李智广，王敬贵.生产建设项目“天地一体化”监督示范总体实施方案[J].中国水土保持，2016(2)：14-17.

[2]王敬贵，亢庆，孙云，等.生产建设项目水土流失防治责任范围上图关键技术[J].中国水土保持，2016(11):9-11.

[3]邵子玉，蔡景平.水土保持监测与管理系统中图形矢量化处理技术[J].水土保持研究，2004，11(2)：73-74.