實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書-降水量制作

ArcGIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)與精細(xì)化制圖之中國(guó)年降水量分布圖的制作第一部分：底圖的制作。這一部分介紹襯托專題圖的底圖的制作，這一部分的結(jié)果還可以作為其它專題圖的底圖；第二部分：中國(guó)年降水量插值。這一部分介紹用ArcGIS的空間插值方法將氣象站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)插值得到全國(guó)范圍內(nèi)的降水分布；第三部分：地圖整飾。這一部分介紹添加地圖要素和美化及最后出圖。第一部分：底圖的制作Step1-1：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備總共包含五個(gè)文件：bou2_4l.shp：中國(guó)政區(qū)的線文件，在這個(gè)線文件里包含了南海的九段線bou2_4p.shp：中國(guó)政區(qū)的面文件（或者“中國(guó)政區(qū).shp”）rivers.shp：世界主要河流cntry02.shp：世界國(guó)家面文件省會(huì)城市.shp：中國(guó)省會(huì)城市點(diǎn)文件在下載到的站點(diǎn)信息中提供了每個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)（中國(guó)地面氣候資料國(guó)際交換站數(shù)據(jù)集臺(tái)站信息.xlsx），這樣我們可以利用ArcMap->File（文件）->AddData（添加數(shù)據(jù)）->AddXYData（添加X(jué)Y數(shù)據(jù)）將站點(diǎn)導(dǎo)入ArcMap中，注意導(dǎo)入時(shí)設(shè)置坐標(biāo)系為WGS84。在這里事先導(dǎo)入的原因是后面導(dǎo)入可能會(huì)發(fā)生投影問(wèn)題，使得站點(diǎn)位置與中國(guó)政區(qū)圖不一致，注意：需要先在Catalog中將這兩個(gè)文件（rivers.shp和cntry02.shp）的地理坐標(biāo)系設(shè)為WGS84。臺(tái)站信息如果不能導(dǎo)入，可轉(zhuǎn)換為.xls格式后再導(dǎo)入。Step1-2：設(shè)置投影打開(kāi)ArcMap將這些文件添加進(jìn)去，接下來(lái)我們要給Dataframe設(shè)置一個(gè)投影坐標(biāo)系。由于我們要做的是中國(guó)全國(guó)的降水量分布，我們使用等面積的Albers投影。右擊Layers(圖層)->Properties（屬性）->CoordinateSystem（坐標(biāo)系統(tǒng)）選項(xiàng)卡->new（新建）ProjectSystem（投影坐標(biāo)系），選擇Albers，設(shè)置中央經(jīng)線105，標(biāo)準(zhǔn)緯線25度，47度，在地理坐標(biāo)系中選擇WGS84。設(shè)置如圖：Step1-3：放大圖我們可以看到，沿海一帶有很多面積很小的島嶼，為了制圖的美觀，我們需要?jiǎng)h掉一些面積小的島嶼，但是在這之前，我們必需把南海諸島以及臺(tái)灣周圍的島嶼保留下來(lái)。關(guān)閉其它圖層（只留下政區(qū)圖層bou2_4p），開(kāi)始編輯進(jìn)入編輯狀態(tài)，選中南海的那些島嶼以及臺(tái)灣周邊島嶼，如圖：在bou2_4p圖層上右擊選擇Selection（選擇）->CreateLayerFromSelectedFeatures（根據(jù)所選要素創(chuàng)建新圖層）。將選中的要素創(chuàng)建一個(gè)新的圖層。停止編輯，在剛剛產(chǎn)生的圖層上右擊選擇Data（數(shù)據(jù)）->ExportData…（導(dǎo)出數(shù)據(jù)），將選擇的要素導(dǎo)出，命名為“南海諸島及其它島嶼.shp”。接下來(lái)我們就可以刪掉面積小的島嶼了。繼續(xù)進(jìn)入編輯狀態(tài)，打開(kāi)bou2_4p的屬性表，打開(kāi)SelectbyAttribute（按屬性選擇）對(duì)話框，輸入"AREA"<0.01，點(diǎn)擊apply（應(yīng)用），選中面積為小于0.01的多邊形，刪除。Step1-4:提取出中國(guó)的輪廓線接下來(lái)我們要從政區(qū)文件(bou2_4p)中提取出中國(guó)的輪廓線。這一步的目的是我們要分開(kāi)中國(guó)在陸地上的國(guó)界和在海岸線上的國(guó)界，因?yàn)檫@兩者在制圖的時(shí)候是不同的。打開(kāi)Toolbox（工具箱）->DataManagementTools（數(shù)據(jù)管理工具）->Features（要素）->PolygontoLine（面轉(zhuǎn)線），將輸出文件命名為“中國(guó)線.shp”。確?！盜dentifyandstorepolygonneighboringinformation(optional)（識(shí)別和存儲(chǔ)面領(lǐng)域信息）”選中（保留每條線段兩邊的多邊形信息是下一步提取輪廓線的關(guān)鍵。打開(kāi)“中國(guó)線.shp”屬性表，選中LEFT_FID=-1或者RIGHT_FID=-1的所有要素，這個(gè)時(shí)候邊界上的所有線要素就被選中了。將選中的要素創(chuàng)建圖層，并導(dǎo)出成單獨(dú)的圖層，命名為“中國(guó)輪廓線.shp”。Step1-5：提取陸上國(guó)界和海上國(guó)界新建一個(gè)點(diǎn)文件（坐標(biāo)系設(shè)為WGS84），進(jìn)入編輯狀態(tài)。在遼寧與朝鮮的入?？谔?、廣西與越南的入海口處創(chuàng)建兩個(gè)點(diǎn)，保存并停止編輯。使用Toolbox（工具箱）->DataManagementTools（數(shù)據(jù)管理工具）->Features（要素）->SplitLineatPoint（在點(diǎn)處分割線）工具，將線在點(diǎn)處打段。并且在編輯狀態(tài)下，用Merge（合并）工具將兩部分分別合并在一起；并新建一個(gè)字段用以區(qū)分陸上國(guó)界和海上國(guó)界。Step1-6：提取出九段線這一步我們從中國(guó)政區(qū)的線文件（bou2_4l）中提取出九段線。名稱是叫九段線，但是實(shí)際上在現(xiàn)在地圖出版物中都是10段的。這一步比較簡(jiǎn)單，在編輯狀態(tài)下選出這10段線，導(dǎo)出成單獨(dú)的文件，命名為“九段線.shp”。到目前為止，我們已經(jīng)整理出來(lái)我們的底圖所需要的要素文件：省會(huì)城市（點(diǎn)）九段線（線）中國(guó)輪廓線（線）河流（線）南海諸島及其它島嶼（面）中國(guó)政區(qū)（面）國(guó)家（面）接下來(lái)我們對(duì)這些要素進(jìn)行符號(hào)化。Step1-7：紙張?jiān)O(shè)置首先在File（文件）->PageandPrintSetup（頁(yè)面和打印設(shè)置）中，將紙張調(diào)成橫向。進(jìn)入版面視圖，適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)框的大小和位置（上面留出寫標(biāo)題的空間，右邊留出說(shuō)明文字的空間），將地圖比例尺改為1：25000000。Step1-8：設(shè)置國(guó)家層的符號(hào)樣式將國(guó)家層（cntry02）的填充顏色設(shè)為10%灰度，邊框?qū)挾?.2，邊框顏色為20%灰度。這時(shí)，整體如圖：Step1-9：設(shè)置國(guó)界線的符號(hào)樣式雙擊“中國(guó)輪廓線”圖層打開(kāi)LayerProperties（圖層屬性）對(duì)話框，在Symbology（符號(hào)系統(tǒng)）中選擇Categories（類別）方式，在ValueField（值字段）中選擇國(guó)界類型，點(diǎn)擊AddallValues（添加所有值）。雙擊陸上國(guó)界的符號(hào)，打開(kāi)SymbolSelector（符號(hào)選擇器）對(duì)話框，隨便選擇一種線型符號(hào)，點(diǎn)擊“EditSymbol（編輯符號(hào)）”，打開(kāi)SymbolPropertyEditor（符號(hào)屬性編輯器）對(duì)話框。對(duì)對(duì)話框中點(diǎn)擊左下的“+”號(hào)新建兩層。將線型符號(hào)的顏色設(shè)為50%灰度，線寬0.5，LineJoins（線連接）設(shè)為“Round（圓形）”。第二層的顏色設(shè)為Mango（RGB255，211，127），線寬2，LineJoins設(shè)為“Round”，將LinePropeties（線屬性）中的Offset（偏移）設(shè)為1。類似地，第三層的顏色設(shè)為TopazSand（RGB255，235，175），線寬4，LineJoins設(shè)為“Round”，將LinePropeties中的Offset設(shè)為2。點(diǎn)擊確定，返回SymbolSelector對(duì)話框，可以將剛剛設(shè)置的樣式保存。點(diǎn)擊確定返回LayerProperties對(duì)話框，將海上國(guó)界的符號(hào)樣式設(shè)置為：顏色YogoBlue（RGB115，178，255），線寬0.4。設(shè)置完成后國(guó)界線的效果如圖：將九段線的符號(hào)樣式也設(shè)置成陸上國(guó)界的樣式。Step1-10：設(shè)置省會(huì)城市符號(hào)將省會(huì)城市的符號(hào)類型設(shè)置為“Circle19”，顏色50%灰度，大小6。并右擊該圖層設(shè)置“LabelFeatures（標(biāo)記要素）”。Step1-11：設(shè)置河流符號(hào)樣式使用ArcToolbox（工具箱）->CartographyTools（制圖工具）->Generalization（制圖綜合）->SmoothLine（平滑線）工具，將河流光滑。”SmoothingAlgorithm（平滑算法）”方法選擇BEZIER_INTERPOLATION。完成以后設(shè)置河流的符號(hào)樣式為：顏色CreteanBlue（RGB0，112，255），線寬0.5。為了只讓它顯示長(zhǎng)江和黃河，雙擊光滑過(guò)的河流圖層，切換到“DefinitionQuery（定義查詢）”選項(xiàng)卡，在DefinitionQuery中輸入"NAME"='HuangHe'OR"NAME"='Yangtze'，點(diǎn)擊確定。Step1-12：為數(shù)據(jù)框設(shè)置背景顏色雙擊數(shù)據(jù)框“Layers（圖層）”打開(kāi)DataFrameProperties（數(shù)據(jù)框?qū)傩裕?duì)話框，切換到“Frmae（框架）”選項(xiàng)卡，在“Background（背景）”中選擇“LtBlue”，確定，此時(shí)效果如圖:Step1-13：為數(shù)據(jù)框添加經(jīng)緯線雙擊數(shù)據(jù)框“Layers（圖層）”打開(kāi)DataFrameProperties（數(shù)據(jù)庫(kù)屬性）對(duì)話框，切換到“Grids（格網(wǎng)）”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“NewGrid…（新建格網(wǎng)）”，保持默認(rèn)一直到Finish（完成）。接下來(lái)點(diǎn)擊“Properties…（屬性）”打開(kāi)“ReferenceSystemProperties（參考系統(tǒng)屬性）”對(duì)話框。在“Axes（軸）”選項(xiàng)卡中，取消”MajorDivisionTicks（長(zhǎng)軸主刻度）”和”SubdivisionTicks（分刻度）”中所有的復(fù)選框；在“InteriorLabels（內(nèi)部標(biāo)注）”選項(xiàng)卡中，取消”Showinteriorgridlabels（顯示內(nèi)部格網(wǎng)標(biāo)注）”復(fù)選框；在“Labels（標(biāo)注）”選項(xiàng)卡中，設(shè)置Label（標(biāo)注）的字體為TimesnewRoman，8號(hào)，“LabelOffset（標(biāo)注偏移）”為“-2”pts（磅）。點(diǎn)擊“AdditionalProperties（其他屬性）”打開(kāi)“GridLabelProperties（格網(wǎng)標(biāo)注屬性）”對(duì)話框，取消“Showcoordinatedirectionlabels（縮寫標(biāo)注帶小數(shù)值）”復(fù)選框，取消“Showzerominutes（顯示零分鐘）”和“Showzeroseconds（顯示零秒）”復(fù)選框；在“Lines（先）”選項(xiàng)卡中，點(diǎn)擊Symbol（符號(hào)），設(shè)置經(jīng)緯線的符號(hào)樣式為：顏色MooreaBlue（RGB0，169，230），線寬0.2；點(diǎn)擊確定，效果如圖:Step1-14：添加北回歸線雙擊數(shù)據(jù)框“Layers”打開(kāi)DataFrameProperties（數(shù)據(jù)框?qū)傩裕?duì)話框，切換到“Grids（格網(wǎng)）”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“NewGrid…（新建格網(wǎng)）”，保持默認(rèn)一直到Finish（完成）。點(diǎn)擊“Properties…（屬性）”打開(kāi)“ReferenceSystemProperties（參考系統(tǒng)屬性）”對(duì)話框。在“Lines（線）”選項(xiàng)卡中設(shè)置線型為“Dashed4：4”，顏色40%灰度，線寬0.4；在“Label（標(biāo)注）”選項(xiàng)卡中取消所有復(fù)選框；在“Intervals（間隔）”選項(xiàng)卡中如下設(shè)置：點(diǎn)擊確定。點(diǎn)擊菜單”Insert（插入）”->”Text”插入“北回歸線”四個(gè)字，雙擊這四個(gè)字，如下設(shè)置：Angle（角度）設(shè)為15度；VerticalAlignment（垂直對(duì)齊）設(shè)置為center（居中）；HorizontialAlignment（水平對(duì)齊）設(shè)置為center(居中）；到現(xiàn)在為止，我們的底圖就基本做完了，效果如下圖所示。之所以叫基本做完了，是因?yàn)?，還有重要的南海諸島沒(méi)有放上去，但是這一步我們留到最后才做。第二部分：中國(guó)年降水量插值Step2-1：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備元數(shù)據(jù)中包括中國(guó)地面氣候資料國(guó)際交換站數(shù)據(jù)集臺(tái)站信息，其中有區(qū)站編號(hào)、站名、經(jīng)緯度、海拔高度等信息。站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息是建立空間關(guān)系的基礎(chǔ)（如圖1所示）。國(guó)際交換站從建站到2007年資料臺(tái)站數(shù)為206個(gè)。Step2-2：數(shù)據(jù)預(yù)處理在下到的數(shù)據(jù)中，有一些值如999、9999、32700等是填充值，要先去掉。接下來(lái)，這些數(shù)據(jù)存放的是每個(gè)臺(tái)站365天的降水量，所以先要統(tǒng)計(jì)得到每個(gè)站的年降水量數(shù)據(jù)。在Excel中打開(kāi)降水量數(shù)據(jù)表，選中所有數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊插入->數(shù)據(jù)透視表，插入一個(gè)新的數(shù)據(jù)透視表。在數(shù)據(jù)透視表中勾上“臺(tái)站”、“月”和“20-20降水量（無(wú)填充值）”。并拖到如下圖所示的位置，在“數(shù)值”一欄中設(shè)置“求各項(xiàng)”，這樣就統(tǒng)計(jì)出了每個(gè)氣象站點(diǎn)的年降水量值。將這個(gè)表整理，并將降水量由0.1mm處理成1mm為單位的數(shù)據(jù)。Step2-3：導(dǎo)入站點(diǎn)數(shù)據(jù)用Data（數(shù)據(jù)）->ExportData（導(dǎo)出數(shù)據(jù)）將站點(diǎn)導(dǎo)出成shp文件，命名為“氣象站點(diǎn).shp”。如圖2-4。Step2-4：投影氣象站點(diǎn)使用DataManagermentTools（數(shù)據(jù)管理工具）->ProjectandTransformations（投影與變化）->Features（要素）->Project（定義投影）工具將點(diǎn)數(shù)據(jù)投影到Albers平面上（中央經(jīng)線105度，標(biāo)準(zhǔn)緯線25度、45度。生成氣象站點(diǎn)_Project文件）。Step2-5：關(guān)聯(lián)氣象站點(diǎn)與降水量值在氣象站點(diǎn)_Project右擊->JoinsandRelates（連接與關(guān)聯(lián)）->Join（連接），使用區(qū)站號(hào)作為關(guān)聯(lián)ID，連接文件為“2011中國(guó)地面國(guó)際交換站20-20降水量”，連接基礎(chǔ)字段設(shè)為：“行標(biāo)簽”（處理后的數(shù)據(jù)），將氣象站點(diǎn)與每個(gè)站點(diǎn)的降水值關(guān)聯(lián)起來(lái)。從關(guān)聯(lián)結(jié)果可以看出，只有181個(gè)（總共206個(gè)）關(guān)聯(lián)成功了，這是因?yàn)橛行庀笳军c(diǎn)被廢棄不用了。結(jié)果如圖：連接上后，選擇“降水量_毫米”不為0的點(diǎn)導(dǎo)出，與上面導(dǎo)出成新圖層方法一樣，后面的插值使用導(dǎo)出后的降水量點(diǎn)數(shù)據(jù)。Step2-6：插值方法研究接下來(lái)我們便要用這181個(gè)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)插值得到全國(guó)的年降水量分布?？臻g降水插值一直是個(gè)難題，影響降水的因素很多，如經(jīng)度、緯度、高程、坡度、坡向、離水體的距離等,建立一個(gè)通用的降水插值模型幾乎是不可能的。空間降水插值方法很多,優(yōu)缺點(diǎn)和適用性不同?？傮w上,降水的空間插值方法有3類:整體插值法(趨勢(shì)面法和多元回歸法等)、局部插值法(泰森多邊形法、反距離加權(quán)法、克里金插值法和樣條法)和混合插值法(整體插值法和局部插值法的綜合)。何紅艷（2005）比較了各種降水插值的優(yōu)缺點(diǎn)：在這里，克里金插值能達(dá)到較高的精度，而為了能考慮高程的因素，我們選擇使用協(xié)同克里金插值。協(xié)同克里金插值的一個(gè)前提是，降水量與高程應(yīng)該有相關(guān)性。為此，下一步我們要驗(yàn)證年降水量與高程是不是相關(guān)的。Step2-7：相關(guān)性檢驗(yàn)在我們關(guān)聯(lián)的降水量數(shù)據(jù)以后，氣象站點(diǎn)的屬性表里就有了站點(diǎn)的高程和站點(diǎn)的年降水量。把屬性表導(dǎo)出，并用SPSS檢驗(yàn)兩者的相關(guān)性，結(jié)果如下：結(jié)果表明，站點(diǎn)的年降水量與高程顯著相關(guān)，于是，我們便可以利用站點(diǎn)本身附帶的高程數(shù)據(jù)對(duì)降水量進(jìn)行插值了。Step2-8：降水量插值在工具欄空白處右擊打開(kāi)GeostatisticalAnalyst工具條，選擇GeostatisticalWizard（地統(tǒng)計(jì)向?qū)В?，每一步的設(shè)置如下：第一步：在“Methods”中選擇“Kriging/CoKriging”，Dataset中選擇“氣象站點(diǎn)_Project”，DataField選擇“降水量_毫米”，Dataset2中選擇“氣象站點(diǎn)_Project”，DataField選擇“海拔高度”；第二步：由經(jīng)驗(yàn)知我國(guó)的降水由東南往西北會(huì)遞減，在這里選擇“First”以剔除降水分布的趨勢(shì)分布（一次）；第三步：年降水量分布的趨勢(shì)（一次趨勢(shì)面）第四步：設(shè)置NumberofLags為24第五步：設(shè)置SectorType為四方向第六步：交叉驗(yàn)證由交叉驗(yàn)證結(jié)果可以看出，插值誤差為0.899（毫米），均方根誤差162.0961，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為156.8678，兩者比較接近。標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為1.039048。點(diǎn)擊Finish完成插值。Step8：插值結(jié)果導(dǎo)出。插值所覆蓋的范圍默認(rèn)只包含氣象點(diǎn)的最小外包矩形，要把它擴(kuò)展到整個(gè)中國(guó)區(qū)域。雙擊插值產(chǎn)生的圖層在LayerProperties（圖層屬性）對(duì)話框中切換到“Extent（范圍）”選項(xiàng)卡，在“SettheExtentto（將范圍設(shè)置為）”選擇“therectangularextentof（矩形范圍）中國(guó)政區(qū)”。到這里，我們就完成了降水量的插值了。第三部分：地圖整飭Step3-1：降水量分級(jí)從插值結(jié)果可以看出，年降水量在1.68-1957.28mm的范圍內(nèi)，我們按照母100毫米分一級(jí)的等距分級(jí)法進(jìn)行分級(jí)。雙擊插值結(jié)果圖層打開(kāi)LayerProperties（圖層屬性）對(duì)話框，在Symbology（符號(hào)系統(tǒng)）選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“Classfify…（分類）”，選擇“Manual（手動(dòng)）”，Classes（累）：20，在“Break（中端）”中手動(dòng)輸入從100-2000：點(diǎn)擊OK，選擇從藍(lán)色到紅色的漸變，結(jié)果如圖：Step3-2：結(jié)果導(dǎo)出成矢量文件右擊選擇Data（數(shù)據(jù)）->ExporttoVector（導(dǎo)出至矢量），在“ContourType（等值線類型）”中選擇“FILLEDCONTOUR”，導(dǎo)出文件命名為降水量。Step3-3：分級(jí)設(shè)色雙擊降水量圖層，設(shè)置如下：Quantities(數(shù)量)->Graduatedcolors(分級(jí)色彩);Values(值)設(shè)為Classes;Classes(類)設(shè)為20。Label（標(biāo)注）中手動(dòng)輸入100-2000；點(diǎn)擊確定。提取中國(guó)區(qū)域：矢量轉(zhuǎn)柵格，使用TransformTool(轉(zhuǎn)換工具)->ToRaster(轉(zhuǎn)為柵格)->FeaturestoRaster(要素轉(zhuǎn)柵格)。將降水量的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，并用SpatialAnalyst->Extraction（提?。?>ExtractbyMask（按蒙版提?。⒅袊?guó)區(qū)域提取出來(lái)。結(jié)果如圖：Step3-4：生成等降水量線先提取中國(guó)區(qū)的降水量柵格，方法是先把Cokringing導(dǎo)出成柵格后再按蒙版提取中國(guó)區(qū)降水柵格。用SpatialAnalyst->Surface(表面分析)->Contour（等值線），輸入柵格為剛剛提取出的中國(guó)區(qū)降水柵格，設(shè)置間隔100，生成等降水量線。并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注。雙擊等降水量線在圖層屬性對(duì)話框中切換到Labels選項(xiàng)卡，設(shè)置標(biāo)注的字體和顏色，點(diǎn)擊“PlacementProperties（放置屬性）”，在“LinePosition(線設(shè)置)”中設(shè)置方向?yàn)椤癱urve（彎曲）”，“position（位置）”設(shè)為“ontheline(