GIS软件在小区域等高线地形图制作中的应用实践

李标明

摘 要：利用软件繪制等高线地形图可有效提高课堂教学质量，而目前大多数地理教师利用软件绘制等高线地形图技能不足或制图效果差，在一定程度上影响其教学效果。以认识GIS软件的主要类型及其制图思想为基础，探讨用GIS软件绘制和加工小区域等高线地形图的一般过程，主要包括：地理要素数据下载—坐标系变换—数据加工—地图输出等环节，并以具体案例实践说明制图的操作细节。

关键词：GIS软件；等高线地形图制作；地理要素数据；坐标系变换；数据加工

中图分类号：G633.55；K99       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2023）07-0008-04

地理新课标强调教师应在教学中深化信息技术的应用。利用GIS制图技术辅助地理教学或研学已逐渐被教师认可［1］，但大多数地理教师在讲授等高线地形图、原创命题过程中存在不会制作学生所在乡土地区或全球任意小区域的高清等高线地形图的问题。目前，教师获取高清地图主要通过以下两种方法：①初级方法：网上搜索地图→下载→用Windows中的画图板工具和办公软件Office/WPS中Word/PPT的绘图工具去调整亮度、对比度，或者手工描摹→高清地图；②网上搜索地图→下载→用矢量化工具修图→高清地图。例如，可用Adobe Illustartor、CorelDraw或Inkscape等矢量绘图软件加工中国自然资源部的标准地图服务网（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）所提供的.eps格式的地图。

通过以上两种方法重绘高清地图都费时费力，且不能主动获得自己想要的任意区域的地图。本文通过探索使用GIS软件生成任意小区域的高清等高线地形图的方法，并叠加经纬网、水系、交通、地名、政区等地理要素制图以满足一线教师的教学需要。

一、GIS软件介绍

近几十年，快速发展的地理信息技术推动着地理要素数字化、可视化。GIS软件可直观显示球面和平面的地理要素的空间分布。不同类型的GIS软件已在遥感、城乡规划、无人机、军事、交通、地质、电力等多领域发挥着重要作用。由于达成不同的目标任务需要采用不同的技术路径，同时又面对海量的地球空间数据，因此，全球范围内很多大学、研究机构和公司都在开发功能有所侧重的GIS软件。GIS软件可分为收费和免费两种。其中，商业软件有美国的ArcGIS、Global Mapper、Maptitude和中国的SuperMap GIS、MapGis等；开源软件有QGIS、gvSIG、OpenGeoDa等［2］。GIS商业软件的公司官网都可下载试用版或申请试用许可。

下载上述软件的方法示例：百度输入“QGIS软件”→进入该软件公司的官方网站→下载安装文件→按照提示进行安装。在百度中输入“QGIS 的操作界面如何设置成中文”，搜索到设置方法后按提示操作即可设置中文界面。另外，现在的浏览器都有翻译功能，可比较方便地阅读国外GIS软件公司官网的内容。由于GIS软件要处理海量地图数据，故电脑的CPU配置要64位，操作系统为windows10以上或Linxu等版本。

不同版本的GIS软件的界面风格、菜单命令功能差异较大，对数据的加工方法有多种，会生成不同的数据格式，但其制图的基本思想都一样：下载地图数据→在GIS软件的图层中呈现空间分布→加工数据→在布局项目中设置地图样式→输出地图。选择合适的GIS软件工具，可帮助教师解决中学地理教学中的地图自动绘制的问题。本文推荐使用QGIS、Global Mapper或超图软件。

二、绘制与加工小区域等高线地形图的一般过程

1.数据下载

下载地理要素数据的途径主要有：①通过国土部门、地理信息类的研究机构、GIS微信公众号、地信网论坛（http：//bbs.3s001.com/forum-36-1.html）等网站下载；②利用各种GIS软件及其插件下载在线地图数据，其中不少Web GIS服务器需要登录账号和密码许可；③加入GIS地理信息技术QQ群，群文件夹里可能有需要的数据。

（1）下载数字高程模型DEM

为获得任意小区域的等高线地形图，要先下载该区域的数字高程模型DEM数据（DEM是一种栅格数据，可用于提取等高线）。下载DEM数据的途径有多种，例如，在地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/#page1/1）中，按“首页→服务→DEM切割→行政区→省→市→县”的次序进入数据下载页面，可下载到我国某地.tiff格式的数据。在日本财团—GEBCO海床2030项目网站（https：//download.gebco.net/）中，无需注册就可下载精度较低、范围较大的.tif格式的数据。通过在QGIS内安装SRTM-Downloader插件，注册后可下载美国航空航天局的数字地球官网（https：//earthdata.nasa.gov/）提供的.hgt格式的数据。以上三种来源的数据的地理坐标系为EPSG：4326-WGS84。不同来源的DEM数据由于其测量的历年不同，测量设备不同，算法不同，精度也会有所不同。

（2）下载水系、交通、地名、政区等地理要素数据

要实现对纯等高线地形图的加工，先要获得水系、公路、铁路、地名、政区等地图矢量数据。

①在国家基础地理信息中心（https：//www.webmap.cn/store.do？method=store&storeId=2）实名注册后可下载1∶100万或1∶25万的中国基础地理数据库中各种地理要素的矢量数据。这些数据的地理坐标系为CGCS2000，均可被QGIS打开。1∶100万的数据是gdbtable文件，内有等高线数据。1∶25万的数据是shapefile类型的文件，有地名、水系、公路、铁路等地理要素数据。

②在中科院资源環境与数据中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）注册登录后可下载我国的政区、地质、地貌、土壤和水系等矢量和栅格数据。但不少免费的数据比较老旧。

③在中国自然资源部天地图（https：//www.tianditu.gov.cn/）注册登录后，可在国家级或省市节点提供的服务资源中下载数据。在国家级的节点中，下载中国水系、公路、铁路、地名数据的步骤：QGIS左侧的浏览器→WFS/OGC API-features→单击右键→新建连接→名称输入“天地图中国”→URL中输入天地图网站中的数据API的网址为http：//gisserver.tianditu.gov.cn/TDTService/wfs→OK→鼠标双击刚才新建的“天地图中国”→可打开天地图提供的中国范围内的水系、公路、铁路、地名等要素图层。这些图层数据的地理坐标系为EPSG：4326-WGS84，可导出保存为shapefile类型的文件。各省市节点提供的数据多是受保护的，需要申请许可才能下载。

④世界各国的各级政区数据可在网站https：//osm-boundaries.com/中下载，但需要注册账号且连接不被限制才能下载.geojson格式的政区数据；在QGIS中，安装插件HCMGIS后可下载GADM提供的精度较小的全球政区数据；插件HCMGIS内有很多Web GIS服务器提供的共享地理要素数据，如可通过网络功能服务WFS方式连接美国斯坦福大学的地图数据库。全球大部分城镇地区的水系、交通、地名等.shp格式的地理要素数据都可在网站https：//download.geofabrik.de/index.html中下载；在QGIS中，安装插件OSMDownloader后可下载全球大部分城镇地区的地理要素数据。以上数据的地理坐标系都是WGS84。

不同来源的地图数据会涉及国家主权的问题。地图编辑和发布凡是涉及我国疆域主权的政区边界、军事要地等数据，必须遵守我国地图管理的相关法律，要以中国自然资源部标准地图服务网的地图为准。

2.坐标系及其变换

地理要素数据的坐标系分地理坐标系和投影坐标系两种。地理坐标系是球心坐标系，坐标单位是经纬度。由于地图投影是球面转平面的过程，故投影坐标系地图上的经纬线是弯曲的。世界各国各地采用坐标系多有不同。就地理坐标系而言，中国的是CGCS2000，法国的是ATF（Paris），美国的是WGS84，加拿大的是NAD83，南非的是Cape……就投影坐标系而言，有Albers、Lambert、Mercator、 Gauss-Krüger等多种类型。

每一种地理坐标系，可对应多种投影方法。每一种投影坐标系，不同经纬度位置地区的投影方法也不尽相同。对比例尺大于等于1/50万的小区域而言，地图要采用 Gauss-Krüger投影坐标系。例如，成都平原可采用的投影坐标系为EPSG：4496-CGCS2000 / Gauss-Krüger zone 18；广州可采用的投影坐标系为EPSG：4526-CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger zone 38。

不同的地理坐标系和投影坐标的数据在进行图层叠加时会出现地图偏移的问题，这涉及坐标系转换问题。地理坐标系和投影坐标系的转换涉及历年归算、参考框架转换、板块运动改正、保密的测绘数据和转换参数等问题［3］，需要用到超图软件、ArcGIS等商业软件才能处理好。有些GIS软件在设置坐标系时会涉及椭球参数、基准变换等问题。开源GIS软件在进行坐标转换时，会用到开源的PROJ通用坐标转换软件（https：//proj.org/）。建议制图时要下载CGCS2000或WGS84地理坐标系及其投影坐标系下的地理要素数据，可避免处理复杂的坐标系转换问题。

现在，GIS软件有地理坐标的动态投影功能［4］。最先导入的数据的坐标系会被默认为工程的坐标系，后面导入的其他不同地理坐标系和投影坐标系都会自动进行动态投影和地理坐标变换，以使这些地图数据正确地显示地理位置。

3.数据加工

对地理要素数据图层的加工，要根据数据特点和制图目标而定。地理要素的数据可分为点、线、面三类，需要用到GIS软件提供的数字化工具去加工。要注意对栅格数据和矢量数据有不同的导入方式，对其可以进行提取等高线、分割、裁剪、标注、过滤、合并等操作。若图层标注出现乱码时，要注意选择数据源的编码为UTF-8、GBK或其他格式。在QIGS中，安装插件Magic Wand后，可提取地图中的线、面或遥感影像中的轮廓。

数据加工过程中会遇到修改属性表、代码表达式、坐标变换、符号库、翻译等很多技术问题。解决方法是需要教师在实践中摸索并及时记录下来。例如，可在QIGS官网中查找帮助文档；或到“哔哩哔哩”和微信公众号中搜索关于QGIS的教学操作视频。本文推荐使用“Deepl翻译器”翻译外文技术手册；对于外文软件中的各种功能，可用手机中的百度拍照翻译辅助理解。另外，左倾斜的水体注记需要从网上下载和安装“东体”字库。

4.地图输出

不同的GIS软件，其输出地图的方法不同，但主要是通过“布局”设置实现的。这样做的好处有很多：数据加工和显示分开处理；在布局中显示地图，可加上经纬网、比例尺、图例、文字注记等；一次加工数据后，可根据需要显示多个局部地图等。

不同的GIS软件，地图布局的操作界面也不一样。例如，对Global Mapper而言，在做好数据导入、加工和坐标系变换后，按“Tools→Map Layer Editor”的次序打开地图布局编辑器，设置好方向标、图例、比例尺和图名等，可导出.pdf格式文件。对超图软件SuperMap iDesktop 10i而言，在数据导入、加工和坐标系变换后，要先保存地图，然后按“新建布局→对象操作→地图→矩形→选择地图”的次序，再设置方向标、图例和比例尺等，设置好后可输出地图。

三、绘制与加工小区域等高线地形图的实践案例

本文以“用QGIS软件生成投影坐标系CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E下的蕉岭县等高线地形图，并添加道路、河流、地名”为例说明国内小区域等高线地形图的生成和加工方法。操作步骤如下。

1.数据下载

①获取中国县级政区数据：打开QQ→搜索“GIS技术”→加“GIS开发技术之最强交流群”→群主同意入群→文件夹→2019全国行政区划→解压后得到数据格式为.shp、地理坐标系为CGCS2000的文件。

②获取蕉岭县交通、水系、地名等数据：在国家基础地理信息中心网站下载我国1：25万的矢量数据，得到g50c004002.rar压缩包，解压后得到梅州市部分地区的交通、水系、地名等的.shp格式数据。

③获取蕉岭县DEM数据：在地理空间数据云中，按“首页→资源→公开数据→DEM数字高程数据→ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据→输入经度116.5、纬度24.5”的次序，可下载到文件ASTGTM_N24E116C.img，其数据的投影坐标系为EPSG：32650-WGS84/UTM zone 50N。

2.坐标系及其变换

①分割出蕉嶺县政区：打开QGIS，以矢量格式导入2019全国行政区划的县.shp→选定该图层→矢量→数据管理工具→分割矢量图层→在唯一字段对话框中选“省”→输出文件类型选“shp”→选定输出目录→OK，可分割出广东省的shp文件。按同样的方法，依次导出梅州市、蕉岭县政区数据，获得文件NAME_蕉岭县.shp。新建QGIS工程，导入蕉岭县政区的shp文件，此时QGIS工程为地理坐标系CGCS2000，将新建工程命名为“蕉岭县主要交通、河流和等高线地形图”。

②更改工程为投影坐标系：工程→工程属性→CRS→过滤器中输入4548（蕉岭县范围小，要选择117°E为中心的Gauss-Krüger投影坐标系）→选定CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E→OK。

3.数据加工

①符号化处理政区图层：蕉岭县政区图层→属性→符号化→简单填充→填充颜色→透明填充→描边样式选“短横点虚线”→OK。注意要标注好后面导入数据所产生的图层名称，否则容易混乱。

②提取和过滤等高线：以栅格格式导入ASTGTM_N24E116C.img→添加→选定刚生成的图层→栅格→提取→等值线→设置等高距150米→运行即可得到等高线图层。然后移除原来的栅格图层。若只显示海拔300米和600米的等高线，可用“过滤”的方法：选定图层→属性→过滤→利用“字段、采样和操作符”，在过滤表达式中输入："ELEV" = 300 OR "ELEV" = 600。

③裁剪等高线：矢量→地学数据处理工具→裁剪→输入图层选要被裁剪的等高线图层→叠加图层选NAME_蕉岭县→选定保存的文件夹→运行→获得等高线图层。然后移除原来的等高线图层。

④设置等高线的样式和标注［5］：图层属性→符号化→可改变线条的粗细和颜色。图层属性→标注→单一标注→值选“ELEV”→标注海拔。点击图层属性→符号化→简单线→符号图层类型→几何图形生成器，用表达式if（$length>3000，$geometry，''），可删去一些非常小的斑点状的等高线。在标注表达式中输入if（$length>3000，"ELEV"||'m'，''），可删去一些非常短小的等高线的数值和单位。

⑤以矢量格式依次导入下载的g50c004002文件夹内的自然地名aanp、居民地名agnp、水系hydl、公路lrdl的.shp格式的文件。依次裁剪出蕉岭县境内的地名、河流、公路图层，建议分别导出为.shp格式的文件保存起来。单一标注的值选“abc NAME”，标注好地名、河流、公路注记。可用前面“过滤”方法所用的代码表达式有选择地标注某几个地理要素名称。

4.地图输出

①工程→新建打印布局→输入标题：蕉岭县主要交通、河流和等高线地形图→添加项→添加地图→主界面最右边→选择地图1→项属性→比例尺设置为1∶25万→编辑→移动内容或移动项→适当调整图幅大小。

②设置经纬网：项属性→网格→点击“+”→选择网格1→修改网格→CRS：在过滤器中输入4 490，选择CGCS2000坐标系→横坐标：0.1，纵坐标：0.1→框架→线条框架→打钩“绘制坐标”→格式：度、分→字体：14→坐标精度：0。

需要注意在QGIS中，工程属性要根据当地的经纬度选择合适的投影坐标系；地图布局中的网格（即经纬网）应选择与投影坐标系相对应的地理坐标系。

③布局→添加比例尺和标注，按界面的提示操作即可。

④输出地图：布局→导出为图像→获得.png格式的地图。

按以上步骤还可生成更大比例尺、更小等高距的有经纬网的蕉岭县等高线地形图，用手机下载“北斗伴”App实地测量几个公路和河流交叉点的经纬度，经验算其位置精度的误差很小。由于受相关地图法律的制约，本文不予显示本案例操作所得的地图。

按照上述步骤可制作卢森堡的卢森堡县局部地区等高线地形图（图1）。其DEM数据来源于地理空间数据云，交通、河流和建筑物数据来自QGIS中的OSMDownloader下载插件，地图投影坐标系为EPSG：32631-WGS 84 / UTM zone 31N。为显示中文，需要修改地理要素数据的属性表。例如，选定卢森堡县的河流图层→单击右键，切换为编辑状态→打开属性表→新建字段→名称：name_cn，类型：文本，长度：12→OK；编辑→选择→选择要素→滚动鼠标，在地图中找到要标注的河流→打开属性表→在name_cn中输入阿尔泽特河→保存图层编辑→切换为非编辑状态。

四、结语

通过以上讨论可知，用GIS软件绘制和加工小区域等高线地形图的方法有一定难度，但经学习和实践后是可操作的。若想绘制和加工等高线地形图，就要熟悉地理要素数据下载方法，熟悉某一种GIS软件的使用方法。在进行地图数据加工和坐标系选择与变换过程中，可感受到现在国内外“地学”的快速进展和价值所在，其中的理论和方法能极大更新中学地理教师的教学观念。当掌握等高线地图绘制和加工的技术后，教师专业能力得到提高，可使平时的教学更具有主动性和创新性。

参考文献：

［1］ 周泽甬.GIS制图技术在初中地理课堂教学中的应用实践［J］.地理教育，2022（11）：18-21.

［2］ 图新小正.推荐12款非常实用的GIS软件［DB/OL］.（2020-04-13）［2023-3-9］.http：//www.tuxingis.com/gisvision/knowledge/519.html.

［3］ 刘光明.CGCS2000坐标转换［M］.北京：测绘工业出版社，2020.

［4］ Heather Smith.Projection on the fly and geographic transformations［DB/OL］.（2020-03-02）［2023-3-9］.https：//www.esri.com/arcgis-blog/products/arcgis-pro/mapping/projection-on-the-fly-and-geographic-transformations/.

［5］ 贺小桑.利用QGIS制作等高线地形图［DB/OL］.（2021-06-11）［2023-3-9］.https：//mp.weixin.qq.com/s/VBKfGNTgmDpWg0YWH9ZFyw.