基于Google Earth的DEM數(shù)據(jù)獲取及坡度分析應(yīng)用*

(四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和高程屬性特征的數(shù)字描述。流域的DEM包含了豐富的地形、地貌和水文信息等，是流域地形劃分、水文分析的重要基礎(chǔ)資料，無論是在水利行業(yè)的防汛抗旱、水土保持、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測還是農(nóng)田水利、城市水務(wù)等方面都具有廣泛的應(yīng)用價值，眾多專業(yè)精細(xì)的水利水文模型實現(xiàn)更是離不開地表、坡度、坡向等地理空間位置因素。因此，研究DEM的相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用在水利行業(yè)具有非常重要的意義。

1 DEM數(shù)據(jù)常用的獲取方式

DEM作為地形地貌數(shù)字化表達(dá)方式，以其多形式的顯示方式、不易損失的精度、自動化的更新方式等諸多優(yōu)點，逐步取代了傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)，成為與空間地理信息相關(guān)研究的必然基礎(chǔ)。DEM作為GIS空間數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容之一，在國家地理信息基礎(chǔ)、地表三維顯示、景觀設(shè)計、地形特征提取、流域水文分析等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。目前，雖然還沒有一套可以免費使用的高精度覆蓋全球的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，但是，還是可以通過以下常用方式和途徑找到一套可以使用的數(shù)據(jù)。

1.1 通過測量或者地圖矢量化獲取

自己通過實驗手段測量獲取，或者通過地圖矢量化處理獲得。這種獲取方式需要消耗大量的時間和精力，測量工具的價格、地圖矢量化人員的投入成本也最終將影響到這個途徑實現(xiàn)的可能性；此外，做過相關(guān)工作的人可以提供一些實用的數(shù)據(jù)。然而，進(jìn)行流域或者區(qū)域尺度的研究時，大中比例尺地形圖獲取困難，且實驗測量和地圖掃描并矢量化費時費力。因此，這種途徑獲得的數(shù)據(jù)的量和質(zhì)量有限，所得數(shù)據(jù)具有較大的局限性，往往獲取的只是一時一地的靜態(tài)數(shù)據(jù)，無法滿足動態(tài)更新的需要。遇上大范圍、大尺度以及動態(tài)數(shù)據(jù)分析的項目就很難有所作為。

1.2 通過網(wǎng)絡(luò)渠道獲取

通過網(wǎng)絡(luò)途徑獲取數(shù)據(jù)源是大部分研究人員最常用的方式。許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)如馬里蘭大學(xué)、美國國家航空航天局(NASA)、中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心等在網(wǎng)絡(luò)上免費提供大量可以使用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大多可以支持較大的項目；其次，在許多個人博客上也會有一些熱心網(wǎng)友提供下載鏈接。在國外的資源重點是以NASA(NASA數(shù)據(jù)搜索界面：https://search.earthdata.nasa.gov/search)和馬里蘭大學(xué)對外提供的開放數(shù)據(jù)庫為主，這里的數(shù)據(jù)非常豐富，涵蓋了大量地球科學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)，擁有眾多的數(shù)據(jù)庫，不過要下載NASA的數(shù)據(jù)還是比較困難的，登陸獲取的下載信息需要有特定的下載工具才能下載，具體可參考NASA提供的數(shù)據(jù)教程以及下載數(shù)據(jù)時系統(tǒng)提供的提示。在國內(nèi)，可以在中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)上下載SRTM數(shù)據(jù)。SRTMDEM數(shù)據(jù)是由美國太空總署和國防部國家測繪局聯(lián)合測量，每經(jīng)緯度方格提供一個文件，精度有SRTM1和SRTM3兩種，稱作30M和90M數(shù)據(jù)。目前中國境內(nèi)能夠免費獲取的SRTM1和SRTM3文件，經(jīng)過后期的加工處理，能夠滿足不同行業(yè)的基本應(yīng)用需求。

1.3 通過商業(yè)渠道獲取

在商業(yè)項目上，或者是研究經(jīng)費充足的課題中，可以耗費一些資金來尋求與專業(yè)數(shù)據(jù)制作公司的合作，通過一些特定的工具或軟件從專業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)商的服務(wù)器中獲取指定區(qū)域的數(shù)據(jù)。典型的工具有水經(jīng)注地圖下載器、稻歌、91衛(wèi)圖助手、BIGEMAP地圖下載器等，通過這些工具和軟件，可以高效快速地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)資源。通過商業(yè)渠道這種獲取方式，要么采取商業(yè)合作直接由數(shù)據(jù)商制作滿足要求的數(shù)據(jù)，要么購買數(shù)據(jù)服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)獲取渠道和工具軟件自己加工處理，其最明顯的特點就是需要投入較大資金，但其優(yōu)越性是數(shù)據(jù)服務(wù)的各個方面都非常優(yōu)秀。專業(yè)的數(shù)據(jù)公司會為數(shù)據(jù)獲取投入人力和資源，對于數(shù)據(jù)的處理和更新，數(shù)據(jù)使用這些方面還會提供全程支持，可以實現(xiàn)上述其他方式無法完成的所有工作。

2 基于Google Earth的高程數(shù)據(jù)獲取與DEM生成技術(shù)

2.1 Google Earth數(shù)據(jù)概況

谷歌地球(Google Earth，GE)是一款谷歌公司開發(fā)的虛擬地球軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上。

Google Earth的衛(wèi)星影像，并非單一數(shù)據(jù)來源，而是衛(wèi)星影像與航拍的數(shù)據(jù)整合。數(shù)據(jù)主要來源于DigitalGlobe、EarthSat、BlueSky、Sanborn等以衛(wèi)星、航拍、GIS/GPS地理數(shù)據(jù)、空中勘測等相關(guān)業(yè)務(wù)為主的國際商業(yè)公司。其中，衛(wèi)星影像部分來自于美國DigitalGlobe公司的QuickBird(快鳥)商業(yè)衛(wèi)星與EarthSat公司的陸地衛(wèi)星(影像來源以LANDSAT-7衛(wèi)星居多)；航拍部分的來源有英國BlueSky公司(以航拍、GIS/GPS相關(guān)業(yè)務(wù)為主)、美國Sanborn公司(以GIS、地理數(shù)據(jù)、空中勘測等業(yè)務(wù)為主)、美國IKONOS及法國SPOT5。

Google Earth的影像可以說是全球最佳影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整，是目前全球提供的最權(quán)威、最全面、最清晰的衛(wèi)星影像資料；它3～6個月就會更新一次，更新及時，是目前全球更新最及時的公開衛(wèi)星影像資料，最重要的一點，沒有偏移。Google Earth不僅提供了高分辨率的衛(wèi)星影像、街道、地形圖、歷史影像，還提供了另一項重要數(shù)據(jù)：海拔高程，這對涉及地理空間信息的行業(yè)來說是一項非常有價值的數(shù)據(jù)信息。

2.2 Google Earth高程數(shù)據(jù)的獲取步驟與DEM生成

獲取Google Earth高程數(shù)據(jù)的途徑較多，本文主要介紹在BIGEMAP地圖下載器平臺上獲取研究區(qū)Google Earth高程數(shù)據(jù)的步驟及利用Global Mapper14.1漢化版生成DEM的方法。

2.2.1 使用的工具及軟件

(1)BIGEMPA地圖下載器：是一款專業(yè)的地圖數(shù)據(jù)下載工具，BIGEMAP平臺集合了50多種國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)的地圖資源，主要包括衛(wèi)星影像、電子地圖、地形圖等。能夠根據(jù)需要快速高效地下載谷歌地球無偏移影像、歷史影像和高程數(shù)據(jù)。本文用到的BIGEMPA地圖下載器為已授權(quán)的全能版。

(2)Global Mapper14.1漢化版。

(3)ArcGIS軟件。

2.2.2 Google Earth高程數(shù)據(jù)下載

通過電腦上的BIGEMPA地圖下載器客戶端軟件，免費瀏覽全球各地的高清晰度衛(wèi)星圖片，然后根據(jù)需要選擇下載所需要的數(shù)據(jù)，步驟如下：

(1)選擇地圖源：打開軟件鼠標(biāo)移到左上角【選擇地圖】，即可展開地圖源列表，之后選擇“谷歌地球(等高線)”就可以下載高程數(shù)據(jù)；

(2)定位到目的地：在右上角區(qū)域，選擇【選擇行政區(qū)域】或是【地名查找】，定位到目的地；

(3)確定下載邊界：若要下載某個行政區(qū)域地圖則使用【選擇行政區(qū)域】功能來確定下載邊界；若是要下載指定區(qū)域地圖則使用頂部菜單【矩形】或者【多邊形】工具來確定下載邊界；

(4)下載設(shè)置：雙擊選定的邊界內(nèi)部彈出下載對話框，選擇【下載級別】，級別越高地圖越清晰同時數(shù)據(jù)也越大，其他參數(shù)如無特別需求可默認(rèn)不修改。

本項目研究川中丘陵區(qū)樂至縣，下載界面如圖1所示。下載之后的數(shù)據(jù)為tiff格式，實際為DEM高程數(shù)據(jù)。

圖1 Google Earth高程數(shù)據(jù)的下載界面

2.2.3 高程數(shù)據(jù)投影設(shè)置與DEM輸出

(1)加載數(shù)據(jù)：啟動安裝好的Global Mapper軟件，將下載好的高程數(shù)據(jù)(下載目錄下的后綴為tiff格式)拖入到Global Mapper中；

(2)設(shè)置投影：下載的高程數(shù)據(jù)默認(rèn)的是經(jīng)緯度坐標(biāo)，需要將投影轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系。如果要用WGS84，則直接選擇UTM，再選擇對應(yīng)的分度帶，即變成X、Y坐標(biāo)，單位為米。Global Mapper中操作步驟為：選擇【工具】→【設(shè)置】，在彈出對話框選擇里面的【投影】，修改下載的高程數(shù)據(jù)的投影為【UTM】，然后另存為【DEM】格式保存，設(shè)置和輸出界面如圖2所示。這樣設(shè)置完整的DEM高程數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行分析和應(yīng)用了(見圖3)。

圖2 高程數(shù)據(jù)投影設(shè)置與DEM輸出界面

圖3 研究區(qū)DEM展示

3 DEM坡度分析應(yīng)用

DEM的應(yīng)用包括：坡度(Slope)、坡向(Aspect)、提取等高線、算地形表面的陰影圖、可視性分析、地形剖面、水文分析等。高程、坡度和坡向是地形中非常重要的定量因子，是土地利用和水土流失分析的主要技術(shù)指標(biāo)，更是實施耕地保護(hù)、退耕還林的重要依據(jù)。坡度對水土保持規(guī)劃設(shè)計具有決定性的作用，是土地利用規(guī)劃和治理措施配置首先要考慮的因素。

3.1 坡度分析步驟

(1)加載數(shù)據(jù)：打開ArcMap軟件，選擇添加按鈕，將上述保存的DEM文件打開；

(2)分析模塊加載：在ArcMap中，選擇【自定義】→【擴(kuò)展模塊】，勾選“3D Analyst”和“Spatial Analyst”，加載3D分析和空間分析擴(kuò)展模塊；

(3)執(zhí)行坡度分析：在【ArcToolbox】中，執(zhí)行命令【3D Analyst工具】→【柵格表面】→【坡度】，指定各參數(shù)，其中輸入柵格為加載的DEM。需要特別注意的是z因子的設(shè)置至關(guān)重要，①當(dāng)輸入的DEM坐標(biāo)系是地理坐標(biāo)系，那么，水平坐標(biāo)(x，y)單位為度，而高程坐標(biāo)是米，二者單位不一致，需要使用z因子來轉(zhuǎn)換，z因子具體填寫什么數(shù)值，跟具體緯度位置有關(guān)，如果z因子填寫不正確，那么坡度分析結(jié)果是錯誤的；②當(dāng)輸入的DEM坐標(biāo)系是投影坐標(biāo)系，那么，水平坐標(biāo)(x，y)單位和高程坐標(biāo)單位都為米，二者單位一致，此時，z因子默認(rèn)為1即可；③當(dāng)輸入的DEM坐標(biāo)系是投影坐標(biāo)系，水平坐標(biāo)(x，y)單位為米，而高程坐標(biāo)單位都為英尺，二者單位不一致，此時，z因子應(yīng)填寫為0.3048，將z單位從英尺轉(zhuǎn)換為米。參數(shù)指定完成后，執(zhí)行后即可得到坡度柵格圖，柵格單元的值在0～90°間變化。用【ArcToolbox】中的【Spatial Analyst工具】也可以進(jìn)行坡度分析，步驟為【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【坡度】；

(4)坡度分級：對生成的坡度圖進(jìn)行分級，這里就會用到重分類工具：依次點擊【ArcToolbox】中的【3D Analyst工具】→【柵格重分類】→【重分類】。在打開的【重分類】工具框中，可以根據(jù)自己的需要設(shè)置分類的級別和方法。本研究按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的坡度等級進(jìn)行坡度分級。點【分類】按鈕，即可打開一個分類級別設(shè)置框，用手動分級法，將類別調(diào)整為6，將中斷值調(diào)整為：5，8，15，25，35，90，設(shè)置完后點擊“確定”，完成坡度分級；

(5)面積統(tǒng)計：對于生成的坡度分級結(jié)果，打開其屬性表，新建一個字段“面積”，把它設(shè)置為浮點型。在“面積”字段上右擊，可以打開一個下拉框，打開“字段計算器”，在其中輸入以下公式“count×30×30”。這里的count是每一級別的柵格數(shù)量，而“30”則是柵格的大小，單位是米。此處需要特別注意的是不同級別的DEM數(shù)據(jù)，其柵格大小也不相同，可以在DEM“屬性”中查看象元大小，本研究采用的是16級Google Earth高程數(shù)據(jù)，柵格大小為26.656352×26.656352。

研究區(qū)坡度分析分級和面積統(tǒng)計成果詳見下表1。

表1 研究區(qū)地形坡度分級及坡度組成情況

3.2 坡度分析應(yīng)用

地形坡度分級信息結(jié)合植被覆蓋、土地利用等信息可以進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險度評價。根據(jù)《水土流失危險程度分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 718-2015)，水力侵蝕危險程度等級劃分為微度、輕度、中度、重度、極度5級；水力侵蝕危險程度等級應(yīng)采用抗蝕年限，或植被自然恢復(fù)年限和地面坡度因子進(jìn)行劃分。采用植被自然恢復(fù)年限和地面坡度判別水力侵蝕危險程度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按照SL718-2015表4.1.3的規(guī)定執(zhí)行。

研究區(qū)地處西南土石山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。氣候溫和、四季分明、雨量充沛，年均降水量900mm，為濕潤區(qū)，有利于植物生長，植被自然恢復(fù)年限1～3年。因此，根據(jù)SL 718-2015表4.1.3，區(qū)域水土流失危險程度等級主要為微度和輕度，所占比重達(dá)到78%(詳見下表2)。地面坡度的不同級別，對水土流失和土地利用的影響不同，≤5°一般無水土流失現(xiàn)象；5°～8°可發(fā)生輕度土壤侵蝕，需注意水土保持；8°～15°可發(fā)生中度水土流失，應(yīng)采取修筑梯田、等高種植等措施，加強(qiáng)水土保持；15°～25°水土流失嚴(yán)重，必須采取工程、生物等綜合措施防治水土流失；>25°為《水土保持法》規(guī)定的開荒限制坡度，即不準(zhǔn)開荒種植農(nóng)作物，已經(jīng)開墾為耕地的，要逐步退耕還林還草。

表2 研究區(qū)水土流失危險程度等級評價

4 結(jié)語

本文以川中丘陵區(qū)樂至縣為例，介紹了基于Google Earth的高程數(shù)據(jù)獲取方法和DEM生成技術(shù)，并對DEM坡度分析應(yīng)用進(jìn)行了研究，以期能為DEM在水利行業(yè)深入廣泛應(yīng)用提供參考。水利行業(yè)是地理應(yīng)用的傳統(tǒng)行業(yè)，空間信息幾乎貫穿了整個水利業(yè)務(wù)線。作為一組實地模型，DEM的主要表現(xiàn)形式就是數(shù)值列陣，是對地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)，是對地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法、途徑，能夠?qū)⑵露茸兓省⑵露纫约捌孪虻认嚓P(guān)的地貌特征派生出來，在水利行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間，可遍及水利行業(yè)的各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。隨著不斷發(fā)展起來的三維、移動和云技術(shù)以及遙感應(yīng)用的深入，以及水利行業(yè)由傳統(tǒng)水利向“智慧水利”發(fā)展的當(dāng)下，其對遙感和地理信息等技術(shù)的應(yīng)用需求越發(fā)強(qiáng)烈和迫切，DEM技術(shù)在水利應(yīng)用上的深度和廣度將會不斷拓展延伸。