淺談基于Arc GIS軟件的坡度圖制作

周春峰

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心-遼寧省基礎(chǔ)測繪院,遼寧 錦州 121003）

0.引言

地表面任一點的坡度（Slope）是指過該點的切平面與水平地面的夾角，表示了地表面在該點的傾斜程度[1]。坡度值的高低反映了地面的地勢起伏情況，坡度值低表示地勢較平坦，坡度值高則表示地勢較陡峭。

耕地坡度調(diào)查是第三次國土調(diào)查的重要任務(wù)，它將在耕地保護(hù)、土地利用、耕地后備資源評價等相關(guān)管理中發(fā)揮重要作用。在耕地坡度調(diào)查中，坡度圖是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然而由于本次任務(wù)時間緊，利用傳統(tǒng)的坡度圖方法已經(jīng)不能滿足要求，因此需要研究快速、高效的坡度圖制作方法。

1.技術(shù)路線

圖1 坡度圖制作總體流程圖

根據(jù)國家要求，本次坡度圖制作任務(wù)是利用最新的1∶10000比例尺DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源來生產(chǎn)坡度圖數(shù)據(jù)。整體技術(shù)路線是：首先進(jìn)行資料收集整理，并對收集到的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系、完整性等檢查和處理；其次以縣級行政區(qū)為單位，將DEM拼接在一起，并進(jìn)行坡度計算，形成坡度柵格圖；然后按照規(guī)定的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級，形成坡度分級柵格數(shù)據(jù)；在坡度分級柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化生成坡度分級矢量圖；然后對坡度分級矢量數(shù)據(jù)用縣級界線進(jìn)行裁切；最后對縣級矢量坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修改，形成縣級坡度分級圖。（如圖1所示）：

2.生產(chǎn)平臺

本次坡度圖制作時間緊、任務(wù)重，我們選擇成熟的ArcGIS軟件進(jìn)行坡度圖制作。ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的GIS軟件產(chǎn)品，是世界上應(yīng)用最廣泛的GIS軟件之一[2]。作為地理信息系統(tǒng)的領(lǐng)軍軟件，ArcGIS軟件的空間分析功能非常強(qiáng)大，可以在ArcGIS軟件中利用已有的工具對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，制作坡度圖成果。

3.基于ArcGIS軟件的坡度圖制作

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括對分幅DEM數(shù)據(jù)基本信息和完整性等進(jìn)行檢查，滿足坡度圖制作的完整性、統(tǒng)一性。

3.1.1 數(shù)據(jù)基本信息檢查

包括DEM坐標(biāo)系、格網(wǎng)大小、數(shù)據(jù)格式等基礎(chǔ)信息。

DEM數(shù)據(jù)源坐標(biāo)信息檢查，對無坐標(biāo)信息的DEM數(shù)據(jù)重新賦予坐標(biāo)屬性。

DEM數(shù)據(jù)源的格網(wǎng)大小檢查，對格網(wǎng)大小不是5m的DEM數(shù)據(jù)及時匯總，重新收集。

DEM數(shù)據(jù)格式檢查，對不是Grid格式的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保持DEM數(shù)據(jù)格式一致。

3.1.2 數(shù)據(jù)完整性檢查

數(shù)據(jù)完整性檢查主要是檢查任務(wù)區(qū)內(nèi)DEM數(shù)據(jù)是否完全覆蓋和DEM數(shù)據(jù)圖幅間的接邊檢查。檢查方法為：

利用ArcGIS軟件將DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行合并拼接，與任務(wù)區(qū)范圍對比檢查DEM數(shù)據(jù)是否完整覆蓋。

收集到DEM數(shù)據(jù)是分幅形式的柵格數(shù)據(jù)，通過檢查鑲嵌影像是否存在黑邊或白邊現(xiàn)象，判斷DEM數(shù)據(jù)圖幅間是否完全接邊。

3.2 DEM拼接

按照縣級行政區(qū)界線，篩選DEM數(shù)據(jù)并進(jìn)行鑲嵌拼接得到完整的縣級DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)高斯－克呂格投影劃分，在遼寧省內(nèi)1∶10000比例尺DEM數(shù)據(jù)共劃分為三個投影帶，分別是40、41、42投影帶，中央經(jīng)線分別為120°、123°、126°。遼寧省涉及跨帶的縣區(qū)，將中央經(jīng)線轉(zhuǎn)換成該縣區(qū)制作第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫的投影帶。

3.2.1 縣級DEM數(shù)據(jù)組織

按照縣域范圍將DEM數(shù)據(jù)分別組織存儲。涉及跨帶的DEM數(shù)據(jù)，以該縣區(qū)制作第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)系為參考進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到以縣區(qū)為單位的統(tǒng)一坐標(biāo)投影的DEM數(shù)據(jù)。

3.2.2 縣級DEM數(shù)據(jù)拼接

在ArcGIS軟件下，依次點擊“數(shù)據(jù)管理工具”—“鑲嵌至新柵格”，（如圖2所示）。在工具里面，添加縣區(qū)所有DEM數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系選擇該縣區(qū)制作第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)投影。

圖2 ArcGIS軟件中DEM拼接

3.3 坡度計算

坡度是反映地形的重要因子，是地形描述中常用的參數(shù)，是一個具有方向與大小的矢量[3]。其坡度計算模型的選擇要依據(jù)區(qū)域地形地貌因素。

根據(jù)坡度計算公式來計算每個格網(wǎng)的坡度值，采用擬合曲面法提取地面坡度，生成坡度柵格數(shù)據(jù)。擬合曲面法采用二次曲面，即3×3的窗口，每個柵格中心有一個高程值，在分析窗口的DEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動完成整個區(qū)域的計算工作[4]。（如圖3所示）：

圖3 DEM3×3局部移動

坡度計算模型主要有二階差分、三階不帶權(quán)差分、三階反距離平方權(quán)差分等[5]。DEM拼接成以縣區(qū)為單元的DEM數(shù)據(jù)后，采用ArcGIS軟件下計算坡度工具進(jìn)行坡度（以度為單位）計算，生成坡度柵格數(shù)據(jù)圖。計算模型選擇三階反距離平方權(quán)差分（Horn算法），可以滿足本項目的要求，若在作業(yè)過程中出現(xiàn)特殊情況，根據(jù)不同區(qū)域特點用不同模型進(jìn)行計算。（如表1所示）：

表1 坡度計算模型

在ArcGIS軟件下：依次點擊“3D Analyst工具”—“柵格表面”—“坡度”（如圖4所示）：

3.4 坡度分級

坡度分級是利用ArcGIS軟件對坡度柵格數(shù)據(jù)按照分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級，坡度級分為≤2°、2°－6°、6°－15°、15°－25°、＞25°（上含下不含）5個坡度級。[6]當(dāng)縣區(qū)所用的DEM數(shù)據(jù)包括多種數(shù)據(jù)源時，按照DEM數(shù)據(jù)源的不同分別進(jìn)行坡度分級。坡度級劃分（如表2所示）：

表2 坡度級劃分

對生成的坡度圖進(jìn)行分級，用到重分類工具。具體步驟如下：

在ArcGIS軟件中，在“3D Analyst”中找到“重分類”工具，進(jìn)行坡度柵格數(shù)據(jù)重分類。（如圖4所示）：

圖4 坡度計算

圖5 柵格重分類

在“重分類”工具中，根據(jù)《利用DEM確定耕地坡度分級技術(shù)規(guī)定》要求的分類級別和方法，生成1、2、3、4、5共五類坡度級別的縣級坡度分級柵格數(shù)據(jù)。（如圖6所示）：

3.5 坡度分級數(shù)據(jù)矢量化

利用ArcGIS軟件對坡度分級柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，生成坡度分級矢量數(shù)據(jù)。主要是利用ArcGIS“柵格轉(zhuǎn)面”工具將坡度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量。（如圖7所示）：

圖6 坡度值設(shè)置

圖7 坡度柵格轉(zhuǎn)矢量

3.6 坡度分級矢量數(shù)據(jù)后處理

此項處理主要是坡度矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖斑綜合、拓?fù)渲亟?、?shù)據(jù)裁切等操作。

3.6.1 圖斑綜合

將圖上面積小于30mm2的坡度分級圖斑按坡度級就低不就高原則并入鄰近圖斑。

（1）消除圖上面積小于30mm2的所有圖斑；

（2）小面積圖斑合并時首先與坡度級低的鄰近圖斑逐級合并，如果鄰近圖斑的坡度級沒有小于本圖斑的，與坡度級高的鄰近圖斑逐級合并，以保證消除小面積圖斑；

（3）如果小面積圖斑位于界線接邊處則不予處理。

3.6.2 線狀圖斑合并

線狀坡度圖斑如果寬度小于或等于1個格網(wǎng)，則按將其與相鄰圖斑合并。

3.6.3 矢量數(shù)據(jù)裁剪

利用縣級界線對坡度分級矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，生成以縣為基本單位的坡度分級矢量數(shù)據(jù)。

利用ArcGIS軟件的“裁剪工具”對坡度分級矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。（如圖8所示）：

圖8 矢量數(shù)據(jù)裁剪

3.7 元數(shù)據(jù)制作

元數(shù)據(jù)是關(guān)于坡度圖生產(chǎn)過程的說明，是坡度圖制作不可分離的一部分，貫穿任務(wù)下發(fā)、資料收集整理、坡度圖生產(chǎn)制作、數(shù)據(jù)檢查驗收和成果匯交等各個環(huán)節(jié)。

（1）元數(shù)據(jù)反映數(shù)據(jù)生產(chǎn)全過程，由作業(yè)員及檢查員分別填寫；

（2）元數(shù)據(jù)根據(jù)DEM數(shù)據(jù)源的不同進(jìn)行區(qū)分；

（3）元數(shù)據(jù)中的圖名、行政轄區(qū)本次內(nèi)容填寫空值，同時增加縣級行政區(qū)劃名稱、縣級行政區(qū)劃代碼字段，全面反映坡度圖生產(chǎn)的過程。

3.8 數(shù)據(jù)接邊

縣級坡度矢量數(shù)據(jù)之間必須經(jīng)過接邊處理，包括圖形接邊和屬性接邊，接邊限差不超過2個格網(wǎng)。接邊之后坡度分級矢量數(shù)據(jù)縣區(qū)之間應(yīng)保證圖形數(shù)據(jù)連續(xù)、光滑，不得進(jìn)行硬接邊，避免出現(xiàn)尖角現(xiàn)象；同時接邊處應(yīng)進(jìn)行屬性接邊，確保屬性信息的一致性。

3.9 數(shù)據(jù)整理

對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拓?fù)錂z查等處理，檢查要素代碼、數(shù)據(jù)層屬性結(jié)構(gòu)等是否符合要求。

坡度分級矢量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行拓?fù)錂z查，避免出現(xiàn)圖斑重疊、圖斑空隙，避免出現(xiàn)有洞的多邊形內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間共點或共線或者同一多邊形多個局部頂角相交的情況。檢查坡度分級矢量數(shù)據(jù)是否有多余、缺失字段；檢查數(shù)據(jù)字段結(jié)構(gòu)是否正確（是否為空，字段長度等）。

4.數(shù)據(jù)檢查

主要采用人工檢查和人機(jī)交互方式檢查。利用ArcGIS軟件，人工檢查圖上面積小于30mm2的坡度分級圖斑是否按照規(guī)定的原則并入鄰近圖斑；人工檢查線狀坡度圖斑寬度小于或等于1個網(wǎng)格尺寸的是否合并至相鄰圖斑中；人工檢查坡度分級數(shù)據(jù)與坡度分級柵格數(shù)據(jù)空間位置偏移是否滿足規(guī)定要求；檢查縣區(qū)間坡度分級矢量數(shù)據(jù)是否進(jìn)行接邊處理，接邊處限差是否符合技術(shù)規(guī)定和設(shè)計要求。

4.1 屬性精度

檢查坡度分級矢量數(shù)據(jù)圖斑綜合的正確性、圖斑分級屬性的正確性、接邊處坡度級別的正確性，主要采用人工檢查和人機(jī)交互方式檢查。

4.2 完整性

采用人工檢查和人機(jī)互查方式檢查坡度分級矢量數(shù)據(jù)是否有多余及遺漏。

4.3 邏輯一致性

通過人工檢查和人機(jī)互查方式檢查坡度分級矢量數(shù)據(jù)文件組織目錄、文件格式、文件有效性及命名規(guī)則是否符合要求；檢查坡度分級矢量數(shù)據(jù)拓?fù)涠x、面重合等是否符合技術(shù)規(guī)定和設(shè)計要求。

4.4 時間精度

通過人工檢查制作坡度圖的原始DEM數(shù)據(jù)的來源及應(yīng)用是否符合技術(shù)規(guī)定和設(shè)計要求。

4.5 附件質(zhì)量

主要通過人工檢查方式檢查坡度分級元數(shù)據(jù)的內(nèi)容錯漏；相關(guān)專業(yè)技術(shù)設(shè)計書、技術(shù)補(bǔ)充規(guī)定、技術(shù)總結(jié)等文檔資料的各項內(nèi)容完整性、正確性、權(quán)威性是否符合技術(shù)規(guī)定和設(shè)計要求。

5.結(jié)束語

本文研究了第三次國土調(diào)查坡度圖制作的技術(shù)要求，針對生產(chǎn)工期緊、任務(wù)重，總結(jié)出了利用ArcGIS軟件進(jìn)行坡度圖制作的技術(shù)方法，推動了遼寧省第三次國土調(diào)查坡度圖制作的順利進(jìn)行，對正在開展的全國第三次國土調(diào)查具有一定的參考意義。