基于ArcGIS编制云南省1：100万森林分布图的实践.pdf

.46Aug.20232023年8 月CENTRAL SOUTH FORESTINVENTORY ANDPLANNINGVol.42 No.3中南林业调查规划第42 卷第3期基于ArcGIS编制云南省1：10 0 万森林分布图的实践陈春祥，李元杰，王海波，杨晓松（云南省林业调查规划院，云南昆明6 5 0 0 5 1）摘要：以编制云南省1：10 0 万森林分布图实践为例，针对编制全省森林分布图过程中存在整理规范数据工作量大、图斑属性因子复杂、基础地理信息数据量多、森林专题要素汇总概括工作不易、制图时界线出现“双眼皮”现象等困难，提出了解决困难的技术路线、方法、步骤和过程。关键词：森林资源规划设计调查；森林分布图；ArcCIS；云南中图分类号：S757.2文献标识码：A文章编号：10 0 3-6 0 7 5（2 0 2 3）0 3-0 0 46-0 5D0I:10.16166/43-1095.2023.03.011Practice of Compiling 1:1 Million Forest Distribution Map ofYunnan Province Based on ArcGISCHEN Chunxiang,LI Yuanjie,WANG Haibo,YANG Xiaosong(Yunnan Institute of Forest Inventory and Planning,Kunming 650051,Yunnan,China)Abstract:In the process of drawing up the forest distribution map of the whole province,there are manydifficulties,such as the large amount of work to arrange and standardize the data,the complex attribute factorsof the sub-compartment,the large amount of basic geographic information data,the dfficult work of summing upand summarizing the forest thematic elements,and the phenomenon of“double eyelids”appeared at the boundaryof thematic maps.Taking the practice of drawing up 1:1 million forest distribution map in Yunnan Province asan example,this paper puts forward the technical route,method,step and process of solving the difficulties.Key words:forest resources planning and design investigation;forest distribution map;ArcGIS;Yunnan森林资源分布图系林业最基本的大型专题地图，也是森林资源二类调查的重要成果之一。云南省于2014年9月一2 0 16 年12 月完成全省第四次森林资源规划设计调查（以下简称“二类调查”）2】。采用GIS技术将二类调查结果形成的数字化成果编制全省森林资源分布图。采用传统林业专题图制图方法生产周期长、劳动强度大、功能差、受人为因素影响大、难以控制制图综合标准，在一定程度上影响了成图质量，而且成果图保存与查询也有诸多不便3-4。随着计算机技术和GIS技术的成熟，在林业科研、生产和林业建设实践中，基于GIS软件（如ArcGIS）开展专题图制作已逐渐取代传统林业专题图制作方法。已有较多研究谈到将ArcGIS应用在小区域的二类调查成果的制作、林地资源管理系统的设计、林权制度改革、公益林管理、古树名木地理分布图制作、森林资源数据年度更*收日期：2 0 2 2-0 8-18作者简介：陈春祥（197 5 一），男，云南弥渡人，硕士研究生，高级工程师，主要从事林业调查规划及林业信息化建设工作。E-mail:。通信作者：李元杰（198 6 一），男，云南嵩明人，硕士研究生，工程师，主要从事林业调查规划和林业信息化建设工作。E-mail：。472023年第3期第42 卷陈春祥，等：基于ArcGIS编制云南省1：10 0 万森林分布图的实践新、天然林保护专题图批量生成等5-1，但作者发现，基于ArcGIS制作大区域森林资源分布图（如全省森林分布图）的文献较少。在此背景下，本文结合编制云南省森林分布图的工作实践，对编制工作中的难点、关键技术和重要环节进行了阐述。1编制全省森林分布图存在的主要困难基于云南省第四次森林资源二类调查县级成果编制的小比例尺全省森林分布图，会面临着许多在制作大比例尺森林分布图（如县级森林分布图）工作中碰不到的困难和挑战1.1规范数据工作量大云南省森林资源二类调查成果数据中，在坐标系方面，大部分数据坐标系采用了6 度带高斯克吕格投影，有少部分成果采用3度带高斯克吕格投影，还有极少部分成果未定义坐标系；在数据格式方面，有的数据为地理数据库格式，有的数据为shp格式。在开展全省数据汇总前，须对收集的数据认真检查并统一数据格式，对没有坐标信息的数据须准确定义坐标系，但因数据种类多、数据量大，数据的规范整理工作耗时长，且云南省横跨2 个标准6 度带，不同数据坐标起点不同，规范数据工作量大。这就要求专业技术人员熟练掌握GIS软件和有一定的专业背景，才能实现对各成果数据的无缝拼接。1.2图斑属性因子复杂据统计，云南省12 9个县（市、区，简称“县”，下同）共区划小班417.5 万个，平均每个县区划小班3.24万个。每个小班有40 余项属性因子。制作全省森林分布图时，虽然确定林相填色类型时只涉及其中几项属性因子，但因数据量大，林相填色类型计算需要耗费较长时间，如果设计的技术方案操作流程不合理，会增加工作难度，直接延长成果图制作周期。1.3基础地理信息数据量多在二类调查工作中，各县采集的基础地理信息数据内容和细节较详尽，制作全省小比例尺森林资源分布图时，需要对各类基础地理信息数据进行大量删减，以保留主要的、具有控制作用和代表性强的部分要素。要素取舍是个挑战，对取舍结果的简化需要积累丰富经验。1.4森林专题要素汇总概括工作不易比例尺对制图综合的影响非常明显，当比例尺变小后，同一个制图区域在图上的面积随之缩小，图面上所能承载的地物信息量也相应减少。县级森林资源二类调查成果为大比例尺空间数据，全省森林分布图为小比例尺空间数据，编制过程中，因比例尺大幅缩小，需要对原始二类调查小班空间数据进行制图综合，全省数据量较大，综合起来难度大、困难多。1.5制图时界线出现“双眼皮”现象制作的全省森林分布图不仅要满足图面美观的基本要求，各级界线还要参照林业地图图式【12 图例规范绘制。各级界线提取需要统筹考虑，如果处理不好，结果就会出现制图界线与小班综合结果图斑边界不重叠，出现“双眼皮”现象。2编制实践2.1数据来源编制云南省森林分布图的数据来源于云南省第四次森林资源二类调查县级成果。该成果包括基础地理信息，如水系（河流、湖泊）、山峰、道路、居民点等数据，以及各级林业经营界线、小班空间数据及属性因子、县级森林分布图、乡镇林相图等。2.2技术路线全省森林资源分布图属综合程度非常大的林业专题图。编制工作中，因收集的数据信息详细，比例尺较大，且以县为单位独立存储，为了保持最终成果图的美观和易读，须对收集的各种数据进行结构规范和格式统一。按设定的标准进行处理，形成全省拼接数据，实施制图综合，生成与图面承载量匹配的要素，要避免图面上出现过多的居民地、道路、河流以及图斑信息情况。因此，云南省森林分布图除表达森林状况外，还要表达省、市（州，简称“市”，下同）、县三级行政界线，省、市、县、乡（镇、街道办，简称“乡镇”，下同）四级行政中心驻地，云南六大水系主干流、大支流，以及包含云南九大高原湖泊在内的较大面积湖泊，国道、省道等主要交通主干线。围绕这一目标要求，制定技术路线图，详见图1。2.3难点解析2.3.1统一坐标系本次二类调查要求各县采用西安8 0 坐标系，高斯克吕格投影，但因收集的部分数据没有定义坐标系或者坐标系定义不正确，需使用ArcGIS投影定义DefineProjection功能，对收集的各数据进行坐标系检查或正确定义。48第42 卷中南林业调查规划2023年第3期编制方案预处理结果综合结果收集资料按要素进行全省合并云南省森林各县森林各要素拼接分布图制作资源二类结果调查成果制图要素选取编绘结果各要素整理及处理与简化云南省森林分布图（规范数据和格式统一)图1技术路线按标准6 度带，云南处于第17、18 带（对应中央子午线99、10 5），且在两带上的面积基本相当。为减小投影产生的变形，全省森林分布图采用的地图数学基础为：6 度带，高斯克吕格投影，西安8 0 坐标系，中央子午线10 2。根据这一数学基础，采用ArcCIS软件的目录管理器（Catalog）功能，创建文件地理数据库，并分别创建水系、交通、居民点、山峰、二类调查小班等要素数据集。2.3.2要素拼接在确保各要素坐标系正确的前提下，将整理规范化的各类要素导人相应数据集，构建起全省森林分布图地理数据库。ArcGIS软件能自动完成要素重投影。当把导人的要素加载进View视图时，还可以检查各要素位置的正确性。以完成全省居民点要素拼接为例，详细说明操作步骤：首先，可采取在“居民点”数据集上点击右键，选择“FeatureClasstoGeodatabase（mu l t i p l e）”，依次将各县居民点数据导人。其次，当正确导人各县居民点要素到“居民点”数据集后，在ArcMap桌面系统“地理处理”菜单中，使用图层合并（Merge）功能，完成全省“居民点”数据拼接。水系、交通、二类调查小班等各要素的合并操作方法与居民点拼接方法相同。拼接工作中，需要重点对水系、交通网作贯通性检查，不能出现河流、道路突然在县与县接边处无故成了“断头”情况，要确保拼接结果与现实情况相符。同时，为方便对拼接结果进行编辑，要对拼接的线、面要素进行拓扑处理。如对“水系_line”进行拓扑处理，其方法为在“水系_line”要素上点击右键，选择新建“Topology”，根据对话框，使用默认参数往下执行即可。2.3.3要素提取2.3.3.1提取基础地理信息制图要素1）点状要素提取。点状要素主要是居民点、山峰，提取时可根据级别、重要性和疏密程度综合选取。其中，居民点的级别可通过属性字段ID值筛选后提取。收集的数据中，ID值对应市级（2 0）、县级（30）、乡镇级（40）、行政村级（5 0）、自然村（6 0）五个级别。根据预先设计的技术方案，全省森林分布图上只标注乡镇级及以上居民点，具体操作可通过在属性选择对话框中输入 TD=40，然后将选择结果要素导出即可。山峰通过手工选择方式提取，提取原则为每个市选取13个海拔高且有控制作用的山峰点。2）线状要素提取。线状要素主要包括线状的水系和交通网。水系。首先，将云南省水系进行分级，并在相应的属性中进行标识。分级方法为：云南的六大水系的主干作为一级干流，一般干流上较大的支流作为二级干流，一级干流上较小的支流、二级干流上的大支流作为三级干流，剩余的部分作为支流（此分级方法为编制工作中积累的经验，与水利部门的分级原则可能不一致）。其次，根据属性提取需要的水系。最终提取出来的水系要构成“树”形网状，一级干流好比树根，二级干流好比主干，三级干流好比树尖或分支，支流好比树的所有末梢。编制工作中，水系属性设定了“ID”“等级”“水系”3个字段。“ID”分别用“2 10 0”“2 2 0 0”“2 30 0”“2 40 0”标识，对应河流的径流量大小及上图时线条粗细情况说明分别为“大、粗”“较大、较粗”“中、稍粗”“小、细”。49.2023年第3期第42 卷陈春祥，等：基于ArcGIS编制云南省1：10 0 万森林分布图的实践“等级”标识河流的分级情况，分别用“1”“2”“3”“4”标识，对应等级为“一级干流”“二级干流”“三级干流”“支流”。“水系”指云南境内的“金沙江”“怒江”“澜沧江”“红河”“南盘江”“依洛瓦底江”六大流域。提取河流时，通过组合“ID”及“等级”，可以快速提取制作全省森林分布图需要的水系（线状）要素。组合“ID”及“等级”，必须保证一级干流、二级干流全部保留；保留径流量较大的三级干流；径流量小的支流则不选取。提取出来的河流，要做到水系分布符合现实情况，能够正确反映水系的类型、形状和分布特征，各干流衔接合理，整个水系完整贯通（存在地下河的除外）。交通网。首先，对拼接的交通网和属性进行检查，确保整个交通网能够连通、属性正确；其次，根据编制要求，通过属性筛选，提取国（省）道、高等级道路和铁路。编制工作中，交通要素属性字段采用了“道路种类”和“ID”两项，其中，“道路种类”具体有“国省道”“铁路”“高等级公路”“乡村道”4类，对应的“ID”值分别设定为10 0 0、1100、12 0 0、130 0。提取时，在属性筛选对话框中，输人条件 D1300（根据设计方案，乡村道不上图），即可快速提取制作全省森林分布图需要的交通网要素。提取出来的线状水系、交通网，数据量上有大幅度减少，在全省森林分布图上起到了“骨架”作用，但其形状仍为大比例尺下采集的形状，细节丰富。制作全省森林分布图时，“骨架”要素会因为比例尺缩小而产生褶皱，因此，需通过ArcGIS软件制图综合功能的线型简化工具（SystemArcToolboxsDataManagementGeneralizationSmooth Line）进行平滑处理。值得注意的是，平滑处理后，原本不重合的不同等级（对应不同ID值）线状要素会出现重合、交叉、分离情况，因此，须对平滑结果进行拓扑。拓扑后，一方面重合的线要素只保留了ID值最小（即级别最高）的，另一方面也方便编辑去除不合理的“断头”等问题。3）面状要素提取。面状基础地理信息要素主要包括各级水库、湖泊和较宽的河道。对于水库、湖泊的提取，首先仍通过属性进行分类，其次在成图比例尺下提取那些面积大、能明显上图（图上面积大于4mm）的要素，最后提取出来的要素如果边界细节太丰富，需对边界进行简化，功能模块为：SystemArcToolboxs Data Management Generalization SimplifyPolygon。比较宽的河道形成的双线河面要素须基于提取得到的简化双线河线要素，使用线转面功能（System ArcToolboxs Data Management Tools FeaturesFeatureToPolygon）来提取。编制工作中，湖泊、水库要素属性字段设定为“ID”和“名称”两项。其中，“ID”标识为“水库”或“湖泊”，“名称”字段标注水库或湖泊的名称。2.3.3.2提取各级行政区界线全省森林分布图只需反映乡镇级以上行政界线。制图界线如果通过收集的各县界线综合得到，不仅工作量大，而且结果与由综合后的森林资源分布图斑边界不重叠，会出现“双眼皮”情况。因此，制图用的各级行政界线通过提取森林资源分布图斑边界的方法来获取。具体方法为：首先，使用ArcGIS的融合功能（System ArcToolboxs Data Management Generalization一Dissolve）分别提取全省乡镇以上各级行政区的面要素；其次，通过面转线分别提取对应的线要素，并对线要素按行政界线级别从高到低顺序给“ID”字段赋从小到大的属性值；再次，将各线要素合并成一个图层；最后，对合并结果图层进行拓扑（拓扑后重合界线只保留行政级别最高，即ID值最小的部分）、编辑，形成最终的制图界线要素。2.3.3.3提取森林资源分布面状专题要素森林资源分布面状专题要素为全省森林分布图的主体内容。编制工作中，因小班数量巨大，需对小班属性及轮廓形状作大幅度制图综合，主要步骤如下。1）提取森林分布图林相类型。根据小班属性因子，组合不同因子提取14类森林分布图林相类型，即云冷杉_幼中林；云冷杉_近成过熟林；思茅松_幼中林；思茅松_近成过熟林；针叶林_幼中林；针叶林_近成过熟林；针阔混_幼中林；针阔混_近成过熟林；阔叶林_幼中林；阔叶林_近成过熟林；经济林；竹林；?其他林地；非林地。云冷杉、思茅松在云南具有地域性分布特点，须单独提取，因此四种林相类型不再包含这两个树种。在ArcGIS中提取云冷杉_幼中林筛选查询语句为：地类 in（乔木森地）and优势树种 in（云铁杉 铁杉 紫杉 冷杉）and龄组”in（幼龄林 中龄林）。提取其他林相类型的筛选查50上接第45 页）第42 卷中南林业调查规划2023年第3期询语句方法近似，不再累赘。2）使用融合（Dissolve）功能，以14类林相类型为对象进行融合。3）将融合结果转为栅格，采用焦点（Focal）滤波功能进行滤波。4）将滤波结果转为矢量图层，对矢量图层求算图斑面积。采用消除（Eliminate）功能消除图上面积小于4mm细碎斑块【13，即生成森林资源分布面状专题要素。采用上述方法及步骤，完成全省森林资源分布面状专题要素提取，结果在图斑数量上相比综合前有较大幅度减少，从综合前的417.5 万个减少至2.7 万个。3结语1）借助ArcGIS软件，建立地理数据库，可对大量县级森林资源二类调查成果高效管理，方便编制过程中对各种要素的拼接、调用、查询和编辑；灵活利用各要素的属性特点，通过分级、分类、合并、融合、筛选等操作提取制图要素，最终实现对制图要素的综合取舍，有效解决了编制工作中遇到的困难和问题。2）与传统手工制图相比，基于ArcGIS制作森林资源分布图简化了生产工艺，缩短了成图周期，降低了生产成本，提高了工作效率和经济效益1-4。据估计，按5 个人组成的工组计算，完成云南省1：10 0 万森林分布图手工编制需用1年左右时间，采用此方法使用ArcGIS编制最多2 个月即可完成，大大降低了人力、物力成本。并且，最终成果图上的同种符号大小和线状一致、线条线型和粗细统一、色块填充分布均匀，成图精度高，是传统手工编制无法比拟的。3）编制结果形成的居民点、山峰、水系等基础地理信息，以及森林资源分布面状专题要素，均以数字形式存储，可直接应用于后续全省小比例尺林草相关15庄鸿飞，秦浩，王伟，等.基于MaxEnt模型的云南红豆杉潜在适宜分布预测J山西大学学报（自然科学版），2 0 18，41(1):233-240.16郭斌，王珊，陈超，等气候变化背景下川西北高原多年生垂穗披碱草种植适生区分布预测J草地学报，2 0 19，2 7(6):1596-1606.图件制作之中，能快速地对相关图件进行制作，实现资料共享、重复利用的效果。4）本文阐述的编制实践是人工主导式的编制过程，制图人员起着主要作用，后续可开展基于ArcGIS下的自动或半自动编制研究实践，制图人员的作用更多应该是发出执行指令，人工干预较小，整个编制过程交由计算机自动完成。参考文献：1】张灿辉.1：10 0 万甘肃省森林资源分布图的编制及其特色J甘肃科技，2 0 0 1，2 6（1)：6 5-6 7.2云南省林业厅云南省各州（市）森林资源状况【M昆明：云南科技出版社，2 0 18：1-2 5.3石军南，刘恩林，罗鹏基于CIS的森林分布图的制图综合J中南林学院学报，2 0 0 5，2 5（6)：12 4-12 7.4肖洪，孙培林业机助制图的必要性【J中南林业调查规划，1998，17（1)：45-48.5】王菊芳.ArcGIS软件制作二类调查成果图的技术要点J甘肃科技，2 0 17，33（13）：19-2 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