李標(biāo)明

摘 要：利用軟件繪制等高線地形圖可有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量，而目前大多數(shù)地理教師利用軟件繪制等高線地形圖技能不足或制圖效果差，在一定程度上影響其教學(xué)效果。以認(rèn)識GIS軟件的主要類型及其制圖思想為基礎(chǔ)，探討用GIS軟件繪制和加工小區(qū)域等高線地形圖的一般過程，主要包括：地理要素數(shù)據(jù)下載—坐標(biāo)系變換—數(shù)據(jù)加工—地圖輸出等環(huán)節(jié)，并以具體案例實踐說明制圖的操作細節(jié)。

關(guān)鍵詞：GIS軟件；等高線地形圖制作；地理要素數(shù)據(jù)；坐標(biāo)系變換；數(shù)據(jù)加工

中圖分類號：G633.55；K99? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2023）07-0008-04

地理新課標(biāo)強調(diào)教師應(yīng)在教學(xué)中深化信息技術(shù)的應(yīng)用。利用GIS制圖技術(shù)輔助地理教學(xué)或研學(xué)已逐漸被教師認(rèn)可［1］，但大多數(shù)地理教師在講授等高線地形圖、原創(chuàng)命題過程中存在不會制作學(xué)生所在鄉(xiāng)土地區(qū)或全球任意小區(qū)域的高清等高線地形圖的問題。目前，教師獲取高清地圖主要通過以下兩種方法：①初級方法：網(wǎng)上搜索地圖→下載→用Windows中的畫圖板工具和辦公軟件Office/WPS中Word/PPT的繪圖工具去調(diào)整亮度、對比度，或者手工描摹→高清地圖；②網(wǎng)上搜索地圖→下載→用矢量化工具修圖→高清地圖。例如，可用Adobe Illustartor、CorelDraw或Inkscape等矢量繪圖軟件加工中國自然資源部的標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/）所提供的.eps格式的地圖。

通過以上兩種方法重繪高清地圖都費時費力，且不能主動獲得自己想要的任意區(qū)域的地圖。本文通過探索使用GIS軟件生成任意小區(qū)域的高清等高線地形圖的方法，并疊加經(jīng)緯網(wǎng)、水系、交通、地名、政區(qū)等地理要素制圖以滿足一線教師的教學(xué)需要。

一、GIS軟件介紹

近幾十年，快速發(fā)展的地理信息技術(shù)推動著地理要素數(shù)字化、可視化。GIS軟件可直觀顯示球面和平面的地理要素的空間分布。不同類型的GIS軟件已在遙感、城鄉(xiāng)規(guī)劃、無人機、軍事、交通、地質(zhì)、電力等多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于達成不同的目標(biāo)任務(wù)需要采用不同的技術(shù)路徑，同時又面對海量的地球空間數(shù)據(jù)，因此，全球范圍內(nèi)很多大學(xué)、研究機構(gòu)和公司都在開發(fā)功能有所側(cè)重的GIS軟件。GIS軟件可分為收費和免費兩種。其中，商業(yè)軟件有美國的ArcGIS、Global Mapper、Maptitude和中國的SuperMap GIS、MapGis等；開源軟件有QGIS、gvSIG、OpenGeoDa等［2］。GIS商業(yè)軟件的公司官網(wǎng)都可下載試用版或申請試用許可。

下載上述軟件的方法示例：百度輸入“QGIS軟件”→進入該軟件公司的官方網(wǎng)站→下載安裝文件→按照提示進行安裝。在百度中輸入“QGIS 的操作界面如何設(shè)置成中文”，搜索到設(shè)置方法后按提示操作即可設(shè)置中文界面。另外，現(xiàn)在的瀏覽器都有翻譯功能，可比較方便地閱讀國外GIS軟件公司官網(wǎng)的內(nèi)容。由于GIS軟件要處理海量地圖數(shù)據(jù)，故電腦的CPU配置要64位，操作系統(tǒng)為windows10以上或Linxu等版本。

不同版本的GIS軟件的界面風(fēng)格、菜單命令功能差異較大，對數(shù)據(jù)的加工方法有多種，會生成不同的數(shù)據(jù)格式，但其制圖的基本思想都一樣：下載地圖數(shù)據(jù)→在GIS軟件的圖層中呈現(xiàn)空間分布→加工數(shù)據(jù)→在布局項目中設(shè)置地圖樣式→輸出地圖。選擇合適的GIS軟件工具，可幫助教師解決中學(xué)地理教學(xué)中的地圖自動繪制的問題。本文推薦使用QGIS、Global Mapper或超圖軟件。

二、繪制與加工小區(qū)域等高線地形圖的一般過程

1.數(shù)據(jù)下載

下載地理要素數(shù)據(jù)的途徑主要有：①通過國土部門、地理信息類的研究機構(gòu)、GIS微信公眾號、地信網(wǎng)論壇（http：//bbs.3s001.com/forum-36-1.html）等網(wǎng)站下載；②利用各種GIS軟件及其插件下載在線地圖數(shù)據(jù)，其中不少Web GIS服務(wù)器需要登錄賬號和密碼許可；③加入GIS地理信息技術(shù)QQ群，群文件夾里可能有需要的數(shù)據(jù)。

（1）下載數(shù)字高程模型DEM

為獲得任意小區(qū)域的等高線地形圖，要先下載該區(qū)域的數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)（DEM是一種柵格數(shù)據(jù)，可用于提取等高線）。下載DEM數(shù)據(jù)的途徑有多種，例如，在地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/#page1/1）中，按“首頁→服務(wù)→DEM切割→行政區(qū)→省→市→縣”的次序進入數(shù)據(jù)下載頁面，可下載到我國某地.tiff格式的數(shù)據(jù)。在日本財團—GEBCO海床2030項目網(wǎng)站（https：//download.gebco.net/）中，無需注冊就可下載精度較低、范圍較大的.tif格式的數(shù)據(jù)。通過在QGIS內(nèi)安裝SRTM-Downloader插件，注冊后可下載美國航空航天局的數(shù)字地球官網(wǎng)（https：//earthdata.nasa.gov/）提供的.hgt格式的數(shù)據(jù)。以上三種來源的數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)系為EPSG：4326-WGS84。不同來源的DEM數(shù)據(jù)由于其測量的歷年不同，測量設(shè)備不同，算法不同，精度也會有所不同。

（2）下載水系、交通、地名、政區(qū)等地理要素數(shù)據(jù)

要實現(xiàn)對純等高線地形圖的加工，先要獲得水系、公路、鐵路、地名、政區(qū)等地圖矢量數(shù)據(jù)。

①在國家基礎(chǔ)地理信息中心（https：//www.webmap.cn/store.do？method=store&storeId=2）實名注冊后可下載1∶100萬或1∶25萬的中國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫中各種地理要素的矢量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)系為CGCS2000，均可被QGIS打開。1∶100萬的數(shù)據(jù)是gdbtable文件，內(nèi)有等高線數(shù)據(jù)。1∶25萬的數(shù)據(jù)是shapefile類型的文件，有地名、水系、公路、鐵路等地理要素數(shù)據(jù)。

②在中科院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）注冊登錄后可下載我國的政區(qū)、地質(zhì)、地貌、土壤和水系等矢量和柵格數(shù)據(jù)。但不少免費的數(shù)據(jù)比較老舊。

③在中國自然資源部天地圖（https：//www.tianditu.gov.cn/）注冊登錄后，可在國家級或省市節(jié)點提供的服務(wù)資源中下載數(shù)據(jù)。在國家級的節(jié)點中，下載中國水系、公路、鐵路、地名數(shù)據(jù)的步驟：QGIS左側(cè)的瀏覽器→WFS/OGC API-features→單擊右鍵→新建連接→名稱輸入“天地圖中國”→URL中輸入天地圖網(wǎng)站中的數(shù)據(jù)API的網(wǎng)址為http：//gisserver.tianditu.gov.cn/TDTService/wfs→OK→鼠標(biāo)雙擊剛才新建的“天地圖中國”→可打開天地圖提供的中國范圍內(nèi)的水系、公路、鐵路、地名等要素圖層。這些圖層數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)系為EPSG：4326-WGS84，可導(dǎo)出保存為shapefile類型的文件。各省市節(jié)點提供的數(shù)據(jù)多是受保護的，需要申請許可才能下載。

④世界各國的各級政區(qū)數(shù)據(jù)可在網(wǎng)站https：//osm-boundaries.com/中下載，但需要注冊賬號且連接不被限制才能下載.geojson格式的政區(qū)數(shù)據(jù)；在QGIS中，安裝插件HCMGIS后可下載GADM提供的精度較小的全球政區(qū)數(shù)據(jù)；插件HCMGIS內(nèi)有很多Web GIS服務(wù)器提供的共享地理要素數(shù)據(jù)，如可通過網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)WFS方式連接美國斯坦福大學(xué)的地圖數(shù)據(jù)庫。全球大部分城鎮(zhèn)地區(qū)的水系、交通、地名等.shp格式的地理要素數(shù)據(jù)都可在網(wǎng)站https：//download.geofabrik.de/index.html中下載；在QGIS中，安裝插件OSMDownloader后可下載全球大部分城鎮(zhèn)地區(qū)的地理要素數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)系都是WGS84。

不同來源的地圖數(shù)據(jù)會涉及國家主權(quán)的問題。地圖編輯和發(fā)布凡是涉及我國疆域主權(quán)的政區(qū)邊界、軍事要地等數(shù)據(jù)，必須遵守我國地圖管理的相關(guān)法律，要以中國自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)的地圖為準(zhǔn)。

2.坐標(biāo)系及其變換

地理要素數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系分地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系兩種。地理坐標(biāo)系是球心坐標(biāo)系，坐標(biāo)單位是經(jīng)緯度。由于地圖投影是球面轉(zhuǎn)平面的過程，故投影坐標(biāo)系地圖上的經(jīng)緯線是彎曲的。世界各國各地采用坐標(biāo)系多有不同。就地理坐標(biāo)系而言，中國的是CGCS2000，法國的是ATF（Paris），美國的是WGS84，加拿大的是NAD83，南非的是Cape……就投影坐標(biāo)系而言，有Albers、Lambert、Mercator、 Gauss-Krüger等多種類型。

每一種地理坐標(biāo)系，可對應(yīng)多種投影方法。每一種投影坐標(biāo)系，不同經(jīng)緯度位置地區(qū)的投影方法也不盡相同。對比例尺大于等于1/50萬的小區(qū)域而言，地圖要采用 Gauss-Krüger投影坐標(biāo)系。例如，成都平原可采用的投影坐標(biāo)系為EPSG：4496-CGCS2000 / Gauss-Krüger zone 18；廣州可采用的投影坐標(biāo)系為EPSG：4526-CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger zone 38。

不同的地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)的數(shù)據(jù)在進行圖層疊加時會出現(xiàn)地圖偏移的問題，這涉及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題。地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換涉及歷年歸算、參考框架轉(zhuǎn)換、板塊運動改正、保密的測繪數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換參數(shù)等問題［3］，需要用到超圖軟件、ArcGIS等商業(yè)軟件才能處理好。有些GIS軟件在設(shè)置坐標(biāo)系時會涉及橢球參數(shù)、基準(zhǔn)變換等問題。開源GIS軟件在進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，會用到開源的PROJ通用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件（https：//proj.org/）。建議制圖時要下載CGCS2000或WGS84地理坐標(biāo)系及其投影坐標(biāo)系下的地理要素數(shù)據(jù)，可避免處理復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題。

現(xiàn)在，GIS軟件有地理坐標(biāo)的動態(tài)投影功能［4］。最先導(dǎo)入的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系會被默認(rèn)為工程的坐標(biāo)系，后面導(dǎo)入的其他不同地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系都會自動進行動態(tài)投影和地理坐標(biāo)變換，以使這些地圖數(shù)據(jù)正確地顯示地理位置。

3.數(shù)據(jù)加工

對地理要素數(shù)據(jù)圖層的加工，要根據(jù)數(shù)據(jù)特點和制圖目標(biāo)而定。地理要素的數(shù)據(jù)可分為點、線、面三類，需要用到GIS軟件提供的數(shù)字化工具去加工。要注意對柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)有不同的導(dǎo)入方式，對其可以進行提取等高線、分割、裁剪、標(biāo)注、過濾、合并等操作。若圖層標(biāo)注出現(xiàn)亂碼時，要注意選擇數(shù)據(jù)源的編碼為UTF-8、GBK或其他格式。在QIGS中，安裝插件Magic Wand后，可提取地圖中的線、面或遙感影像中的輪廓。

數(shù)據(jù)加工過程中會遇到修改屬性表、代碼表達式、坐標(biāo)變換、符號庫、翻譯等很多技術(shù)問題。解決方法是需要教師在實踐中摸索并及時記錄下來。例如，可在QIGS官網(wǎng)中查找?guī)椭臋n；或到“嗶哩嗶哩”和微信公眾號中搜索關(guān)于QGIS的教學(xué)操作視頻。本文推薦使用“Deepl翻譯器”翻譯外文技術(shù)手冊；對于外文軟件中的各種功能，可用手機中的百度拍照翻譯輔助理解。另外，左傾斜的水體注記需要從網(wǎng)上下載和安裝“東體”字庫。

4.地圖輸出

不同的GIS軟件，其輸出地圖的方法不同，但主要是通過“布局”設(shè)置實現(xiàn)的。這樣做的好處有很多：數(shù)據(jù)加工和顯示分開處理；在布局中顯示地圖，可加上經(jīng)緯網(wǎng)、比例尺、圖例、文字注記等；一次加工數(shù)據(jù)后，可根據(jù)需要顯示多個局部地圖等。

不同的GIS軟件，地圖布局的操作界面也不一樣。例如，對Global Mapper而言，在做好數(shù)據(jù)導(dǎo)入、加工和坐標(biāo)系變換后，按“Tools→Map Layer Editor”的次序打開地圖布局編輯器，設(shè)置好方向標(biāo)、圖例、比例尺和圖名等，可導(dǎo)出.pdf格式文件。對超圖軟件SuperMap iDesktop 10i而言，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入、加工和坐標(biāo)系變換后，要先保存地圖，然后按“新建布局→對象操作→地圖→矩形→選擇地圖”的次序，再設(shè)置方向標(biāo)、圖例和比例尺等，設(shè)置好后可輸出地圖。

三、繪制與加工小區(qū)域等高線地形圖的實踐案例

本文以“用QGIS軟件生成投影坐標(biāo)系CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E下的蕉嶺縣等高線地形圖，并添加道路、河流、地名”為例說明國內(nèi)小區(qū)域等高線地形圖的生成和加工方法。操作步驟如下。

1.數(shù)據(jù)下載

①獲取中國縣級政區(qū)數(shù)據(jù)：打開QQ→搜索“GIS技術(shù)”→加“GIS開發(fā)技術(shù)之最強交流群”→群主同意入群→文件夾→2019全國行政區(qū)劃→解壓后得到數(shù)據(jù)格式為.shp、地理坐標(biāo)系為CGCS2000的文件。

②獲取蕉嶺縣交通、水系、地名等數(shù)據(jù)：在國家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站下載我國1：25萬的矢量數(shù)據(jù)，得到g50c004002.rar壓縮包，解壓后得到梅州市部分地區(qū)的交通、水系、地名等的.shp格式數(shù)據(jù)。

③獲取蕉嶺縣DEM數(shù)據(jù)：在地理空間數(shù)據(jù)云中，按“首頁→資源→公開數(shù)據(jù)→DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)→ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)→輸入經(jīng)度116.5、緯度24.5”的次序，可下載到文件ASTGTM_N24E116C.img，其數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)系為EPSG：32650-WGS84/UTM zone 50N。

2.坐標(biāo)系及其變換

①分割出蕉嶺縣政區(qū)：打開QGIS，以矢量格式導(dǎo)入2019全國行政區(qū)劃的縣.shp→選定該圖層→矢量→數(shù)據(jù)管理工具→分割矢量圖層→在唯一字段對話框中選“省”→輸出文件類型選“shp”→選定輸出目錄→OK，可分割出廣東省的shp文件。按同樣的方法，依次導(dǎo)出梅州市、蕉嶺縣政區(qū)數(shù)據(jù)，獲得文件NAME_蕉嶺縣.shp。新建QGIS工程，導(dǎo)入蕉嶺縣政區(qū)的shp文件，此時QGIS工程為地理坐標(biāo)系CGCS2000，將新建工程命名為“蕉嶺縣主要交通、河流和等高線地形圖”。

②更改工程為投影坐標(biāo)系：工程→工程屬性→CRS→過濾器中輸入4548（蕉嶺縣范圍小，要選擇117°E為中心的Gauss-Krüger投影坐標(biāo)系）→選定CGCS2000 / 3-degree Gauss-Krüger CM 117E→OK。

3.數(shù)據(jù)加工

①符號化處理政區(qū)圖層：蕉嶺縣政區(qū)圖層→屬性→符號化→簡單填充→填充顏色→透明填充→描邊樣式選“短橫點虛線”→OK。注意要標(biāo)注好后面導(dǎo)入數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的圖層名稱，否則容易混亂。

②提取和過濾等高線：以柵格格式導(dǎo)入ASTGTM_N24E116C.img→添加→選定剛生成的圖層→柵格→提取→等值線→設(shè)置等高距150米→運行即可得到等高線圖層。然后移除原來的柵格圖層。若只顯示海拔300米和600米的等高線，可用“過濾”的方法：選定圖層→屬性→過濾→利用“字段、采樣和操作符”，在過濾表達式中輸入："ELEV" = 300 OR "ELEV" = 600。

③裁剪等高線：矢量→地學(xué)數(shù)據(jù)處理工具→裁剪→輸入圖層選要被裁剪的等高線圖層→疊加圖層選NAME_蕉嶺縣→選定保存的文件夾→運行→獲得等高線圖層。然后移除原來的等高線圖層。

④設(shè)置等高線的樣式和標(biāo)注［5］：圖層屬性→符號化→可改變線條的粗細和顏色。圖層屬性→標(biāo)注→單一標(biāo)注→值選“ELEV”→標(biāo)注海拔。點擊圖層屬性→符號化→簡單線→符號圖層類型→幾何圖形生成器，用表達式if（$length>3000，$geometry，''），可刪去一些非常小的斑點狀的等高線。在標(biāo)注表達式中輸入if（$length>3000，"ELEV"||'m'，''），可刪去一些非常短小的等高線的數(shù)值和單位。

⑤以矢量格式依次導(dǎo)入下載的g50c004002文件夾內(nèi)的自然地名aanp、居民地名agnp、水系hydl、公路lrdl的.shp格式的文件。依次裁剪出蕉嶺縣境內(nèi)的地名、河流、公路圖層，建議分別導(dǎo)出為.shp格式的文件保存起來。單一標(biāo)注的值選“abc NAME”，標(biāo)注好地名、河流、公路注記?？捎们懊妗斑^濾”方法所用的代碼表達式有選擇地標(biāo)注某幾個地理要素名稱。

4.地圖輸出

①工程→新建打印布局→輸入標(biāo)題：蕉嶺縣主要交通、河流和等高線地形圖→添加項→添加地圖→主界面最右邊→選擇地圖1→項屬性→比例尺設(shè)置為1∶25萬→編輯→移動內(nèi)容或移動項→適當(dāng)調(diào)整圖幅大小。

②設(shè)置經(jīng)緯網(wǎng)：項屬性→網(wǎng)格→點擊“+”→選擇網(wǎng)格1→修改網(wǎng)格→CRS：在過濾器中輸入4 490，選擇CGCS2000坐標(biāo)系→橫坐標(biāo)：0.1，縱坐標(biāo)：0.1→框架→線條框架→打鉤“繪制坐標(biāo)”→格式：度、分→字體：14→坐標(biāo)精度：0。

需要注意在QGIS中，工程屬性要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度選擇合適的投影坐標(biāo)系；地圖布局中的網(wǎng)格（即經(jīng)緯網(wǎng)）應(yīng)選擇與投影坐標(biāo)系相對應(yīng)的地理坐標(biāo)系。

③布局→添加比例尺和標(biāo)注，按界面的提示操作即可。

④輸出地圖：布局→導(dǎo)出為圖像→獲得.png格式的地圖。

按以上步驟還可生成更大比例尺、更小等高距的有經(jīng)緯網(wǎng)的蕉嶺縣等高線地形圖，用手機下載“北斗伴”App實地測量幾個公路和河流交叉點的經(jīng)緯度，經(jīng)驗算其位置精度的誤差很小。由于受相關(guān)地圖法律的制約，本文不予顯示本案例操作所得的地圖。

按照上述步驟可制作盧森堡的盧森堡縣局部地區(qū)等高線地形圖（圖1）。其DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，交通、河流和建筑物數(shù)據(jù)來自QGIS中的OSMDownloader下載插件，地圖投影坐標(biāo)系為EPSG：32631-WGS 84 / UTM zone 31N。為顯示中文，需要修改地理要素數(shù)據(jù)的屬性表。例如，選定盧森堡縣的河流圖層→單擊右鍵，切換為編輯狀態(tài)→打開屬性表→新建字段→名稱：name_cn，類型：文本，長度：12→OK；編輯→選擇→選擇要素→滾動鼠標(biāo)，在地圖中找到要標(biāo)注的河流→打開屬性表→在name_cn中輸入阿爾澤特河→保存圖層編輯→切換為非編輯狀態(tài)。

四、結(jié)語

通過以上討論可知，用GIS軟件繪制和加工小區(qū)域等高線地形圖的方法有一定難度，但經(jīng)學(xué)習(xí)和實踐后是可操作的。若想繪制和加工等高線地形圖，就要熟悉地理要素數(shù)據(jù)下載方法，熟悉某一種GIS軟件的使用方法。在進行地圖數(shù)據(jù)加工和坐標(biāo)系選擇與變換過程中，可感受到現(xiàn)在國內(nèi)外“地學(xué)”的快速進展和價值所在，其中的理論和方法能極大更新中學(xué)地理教師的教學(xué)觀念。當(dāng)掌握等高線地圖繪制和加工的技術(shù)后，教師專業(yè)能力得到提高，可使平時的教學(xué)更具有主動性和創(chuàng)新性。

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