基于ArcGIS平臺(tái)的坡度分級(jí)圖快速制作

劉海飛 楊敏華 周 軍 鐘耀武

(1．湖南省第三測(cè)繪院，湖南長(zhǎng)沙 410007;2．中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

坡度作為重要的地形定量指標(biāo)，是土地利用分析的主要技術(shù)指標(biāo)，耕地坡度更是實(shí)施耕地保護(hù)、退耕還林的重要依據(jù)。在第一次全國(guó)土地調(diào)查中，耕地坡度采用人工量取，逐個(gè)圖斑獲取的方式進(jìn)行，這種方法獲取坡度數(shù)據(jù)工作量巨大，而且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，直接影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性和客觀性，工作效率低下［1］。根據(jù)全國(guó)第二次土地調(diào)查有關(guān)文件精神和湖南省第二次土地調(diào)查工作的統(tǒng)一部署，坡度分級(jí)圖制作被列為全省第二次土地調(diào)查工作任務(wù)之一。坡度分級(jí)圖制作采用數(shù)字高程模型(DEM)作為數(shù)據(jù)源，計(jì)算坡度數(shù)據(jù)，再將坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，制作坡度分級(jí)圖。在此基礎(chǔ)上，疊加土地利用現(xiàn)狀圖，采用自動(dòng)量算方法確定耕地的坡度等級(jí)。湖南省第三測(cè)繪院受省第二次土地調(diào)查工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室的委托，承擔(dān)湖南省第二次土地調(diào)查坡度分級(jí)圖制作工作。筆者作為該項(xiàng)目主要技術(shù)負(fù)責(zé)人，承擔(dān)了該項(xiàng)目的具體實(shí)施。該項(xiàng)目采用ESRI公司的ArcGIS9．2為平臺(tái)，依托平臺(tái)便捷的開發(fā)功能以及快速的處理功能，以1∶1萬(wàn)以及1∶5萬(wàn)DEM為數(shù)據(jù)源，制作坡度分級(jí)圖，為第二次土地調(diào)查耕地坡度賦值提供坡度分級(jí)數(shù)據(jù)。

1 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

將全省范圍內(nèi)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度、現(xiàn)勢(shì)性、完整性等檢查修改和格式轉(zhuǎn)換，通過分析計(jì)算得到坡度信息，在坡度計(jì)算的基礎(chǔ)上按照湖南省第二次土地調(diào)查所規(guī)定的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)，最終提供給建庫(kù)單位以行政區(qū)域?yàn)閱卧?∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅形式的坡度分級(jí)圖。

2 技術(shù)線路

收集和分析全省范圍內(nèi)的1∶5萬(wàn)和1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，針對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度、現(xiàn)勢(shì)性、完整性等檢查和格式轉(zhuǎn)換，應(yīng)用ERDAS Imagine軟件進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)拼接，利用AcrGIS平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)的坡度計(jì)算功能進(jìn)行坡度計(jì)算。按照湖南省第二次土地調(diào)查所規(guī)定的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)。在坡度分級(jí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ArcGIS軟件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能生成矢量坡度分級(jí)圖，計(jì)算圖斑面積。應(yīng)用ArcGIS數(shù)據(jù)裁切功能，用標(biāo)準(zhǔn)分幅圖廓和縣級(jí)行政界線分別對(duì)該坡度分級(jí)圖進(jìn)行裁切，對(duì)裁切后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、整理，對(duì)矢量分級(jí)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯處理，生成1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅和縣域范圍的坡度分級(jí)圖。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 坡度圖制作流程

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3．1 DEM 選擇

精度要求較高的耕地坡度分析最好以1∶1萬(wàn)DEM為數(shù)據(jù)源，即使是用計(jì)曲線內(nèi)插的，其結(jié)果精度也高于以1∶5萬(wàn)DEM為數(shù)據(jù)源的結(jié)果精度。但以1∶5萬(wàn)DEM為數(shù)據(jù)源的耕地坡度分析效率(益)較高［2］。根據(jù)湖南省丘陵與山地分布較廣的地貌特點(diǎn)以及已有DEM數(shù)據(jù)情況，具備1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)采用1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，不具備1∶1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)則采用1∶5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

3．2 精度檢查

DEM存儲(chǔ)平面坐標(biāo)和高程兩種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度包括平面精度和高程精度。數(shù)據(jù)精度檢查主要判斷DEM是否達(dá)到國(guó)家測(cè)繪部門制定的相關(guān)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為1∶1萬(wàn)，1∶5萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)產(chǎn)品檢測(cè)與評(píng)價(jià)(見表1，表2)。

表1 1∶1萬(wàn)DEM精度指標(biāo)

表2 1∶5萬(wàn)DEM精度指標(biāo)

高程精度檢查:暈渲檢查:對(duì)DEM采用灰度、單彩色、彩色、等高距四種形式顯示，從顯示的圖像或圖形中檢查有無(wú)高程異常(灰度突變點(diǎn))，有則可能存在粗差。

3．3 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:采用ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能將坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)系。

格式轉(zhuǎn)換:現(xiàn)有DEM數(shù)據(jù)存在多種形式，主要有bil格式，grid格式。采用ArcGIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為grid格式。

4 DEM數(shù)據(jù)拼接

以DEM為數(shù)據(jù)源的耕地坡度圖制作，應(yīng)采用拼接成調(diào)查區(qū)全域的DEM［2］，湖南省第二次土地調(diào)查縣級(jí)行政區(qū)界線采用省第二次土地調(diào)查辦公室統(tǒng)一制作并下發(fā)的縣級(jí)行政區(qū)界線。采用ERDAS Imagine將縣級(jí)行政區(qū)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)分幅DEM數(shù)據(jù)拼接成全域的DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。

5 坡度計(jì)算

5．1 坡度模型

坡度計(jì)算公式:

圖2 拼接后的縣域DEM

圖3 DEM 3×3局部移動(dòng)窗口

表3 坡度計(jì)算模型

5．2 坡度計(jì)算模型功能開發(fā)

ArcGIS軟件自帶的坡度計(jì)算功能，其坡度計(jì)算模型為表3中的三階反距離平方權(quán)差分(Horn算法)，根據(jù)湖南省的地貌特點(diǎn)，湖南省第二次土地調(diào)查坡度計(jì)算模型采用三階反距離權(quán)差分模型。筆者根據(jù)要求，在ArcMap的VBA環(huán)境中編程，開發(fā)了相應(yīng)的坡度計(jì)算功能模塊，并開發(fā)了1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖廓生成以及DEM檢測(cè)功能模塊。

5．2．1 開發(fā)環(huán)境

ArcMap是ArcGIS家族的成員之一，它內(nèi)置了一種集成編程環(huán)境VBA(Visual Basic for Applications)。通過VBA編程，不但可以擴(kuò)展ArcMap的菜單、工具條等，而且可以完成大多數(shù)用戶的特定需求。ArcMap中VBA編程的方法有兩種，一種是寫VBA宏，另一種是創(chuàng)建UIControl并在其事件中寫入實(shí)現(xiàn)用戶需求的代碼。本次功能開發(fā)采用第二種編程方式，軟件版本為ArcGIS9．2。

5．2．2 主要步驟

1)啟動(dòng) ArcMap，切換到“Customize”對(duì)話框的“Commands”頁(yè)，選中“UIControls”后點(diǎn)擊 ＜New UIControl＞按鈕，進(jìn)入“New UIControl”對(duì)話框。2)在“New UIControl”對(duì)話框中，選擇 UIControl類型，創(chuàng)建UIControl并進(jìn)入VBA編輯器，在UIControl的事件中進(jìn)行VBA編程。3)UIControl事件編程完成后，在“Customize”對(duì)話框選中UIControl并將其拖置到任意工具條上，便可像使用系統(tǒng)已有的Control一樣使用所創(chuàng)建的UIControl。

6 坡度分級(jí)圖制作

6．1 坡度分級(jí)

通過DEM拼接成以縣為單元的全域DEM后，進(jìn)行坡度計(jì)算，生成柵格數(shù)據(jù)的縣域坡度圖，應(yīng)用ArcToolbox工具箱中的Reclass功能對(duì)柵格坡度數(shù)據(jù)按照《第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中所規(guī)定的耕地坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)，生成柵格形式的坡度分級(jí)數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)規(guī)程的要求，耕地坡度分5個(gè)坡度級(jí)(上含下不含)，坡度不大于2°的視為平地，其他分為梯田和坡地兩類。耕地坡度分級(jí)如表4所示。

表4 耕地坡度分級(jí)表

6．2 分級(jí)數(shù)據(jù)矢量化

采用ArcGISToolbox工具箱中的Raster to polygon工具將柵格坡度分級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，生成矢量坡度分級(jí)數(shù)據(jù)，再對(duì)矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行圖斑綜合、界線平滑、拓?fù)渲亟ā?shù)據(jù)裁切等處理，生成矢量坡度分級(jí)圖。

6．3 標(biāo)準(zhǔn)分幅坡度分級(jí)圖快速處理

為便于與1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅形式的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，提取耕地坡度等級(jí)數(shù)據(jù)，按照省第二次土地調(diào)查工作領(lǐng)導(dǎo)辦公室的要求，需要將縣域坡度分級(jí)數(shù)據(jù)裁切成1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅形式的坡度分級(jí)矢量數(shù)據(jù)。湖南省共有126個(gè)縣級(jí)行政單位，涉及1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅數(shù)據(jù)8 000多幅，若全部采用人工逐幅去裁切，不但費(fèi)時(shí)，而且精度難以保證。筆者經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ArcGIS的地理處理對(duì)象(Geoprocessing)與自帶腳本語(yǔ)言Python組合使用能夠快速進(jìn)行模型搭建，并進(jìn)行自動(dòng)化處理。Geoprocessing是ArcGIS自帶的一種非常方便實(shí)用的工具，它可以利用ArcToolbox中的各種工具為我們的地理空間工作流進(jìn)行框架建模，自動(dòng)執(zhí)行空間分析與處理。ArcGIS內(nèi)嵌的腳本語(yǔ)言Python，作為Geoprocessing的首選腳本編程語(yǔ)言，能夠方便地調(diào)用作為COM對(duì)象的GP(Georocessing的主對(duì)象)，將ArcGIS眾多分析工具集成到應(yīng)用中。

筆者通過自主開發(fā)的1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖廓程序批量生成縣域內(nèi)1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅圖廓，并進(jìn)行一定距離的外擴(kuò)。通過Python語(yǔ)言調(diào)用相應(yīng)的地理處理模塊，快速地構(gòu)建具有強(qiáng)大地理處理功能的批處理功能模塊。

圖4 縣域坡度分級(jí)圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)分幅坡度分級(jí)圖

7 處理效率及成果

利用開發(fā)出來(lái)的具有坡度計(jì)算、1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖廓生成、DEM數(shù)據(jù)檢測(cè)功能的模塊、Python腳本語(yǔ)言調(diào)用Geoprocessing地理處理對(duì)象搭建的批處理模型，筆者一人利用3臺(tái)機(jī)器，歷時(shí)一個(gè)月即完成了全省126個(gè)縣級(jí)單位的坡度分級(jí)圖以及全省8 000多幅1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅形式的坡度分級(jí)圖的制作。圖4為縣域坡度分級(jí)圖，圖5為1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅坡度分級(jí)圖。

8 結(jié)語(yǔ)

全國(guó)第一次土地調(diào)查工作從1984年5月開始，一直延續(xù)到1996年年底才結(jié)束，歷時(shí)12年之久，第二次土地調(diào)查從2007年7月1日起，到2009年上半年即全部完成，歷時(shí)不到兩年時(shí)間。兩次調(diào)查時(shí)間跨度的巨大差異，充分反映了計(jì)算機(jī)技術(shù)在土地管理工作中所發(fā)揮的巨大作用。本文以第二次土地調(diào)查中坡度分級(jí)圖的制作為例，介紹了一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合ArcGIS平臺(tái)，采用DEM進(jìn)行坡度計(jì)算，并生成坡度分級(jí)圖的方法。在制作過程中，充分利用ArcGIS平臺(tái)自帶的編程功能以及地理處理功能將大量復(fù)雜的坡度等級(jí)量算及裁切工作自動(dòng)化處理，不但提高了調(diào)查工作效率，節(jié)省了人力和物力，同時(shí)探索出了一種應(yīng)用DEM進(jìn)行大面積范圍內(nèi)坡度分級(jí)圖制作的解決方案。

［1］劉建華．如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分級(jí)圖［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2011(1):139-141．

［2］方劍強(qiáng)，來(lái)麗芳．應(yīng)用數(shù)字高程模型進(jìn)行耕地坡度分析方法研究［J］．地理空間信息，2007(6):15-17．

［3］TD/T 1014-2007，第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程［S］．

［4］李 娟，趙 軍．基于DEM的西北干旱區(qū)坡度提取分析［J］．北京測(cè)繪，2008(1):42-45．

［5］王永信，張成才，劉丹丹，等．基于ArcGIS9．0的 DEM的生成及坡度分析［J］．氣象與環(huán)境科學(xué)，2010(5):37-38．

［6］CH/T 9009．2-2010，基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000，1∶10 000，1∶25 000，1∶50 000，1∶100 000 數(shù)字高程模型［S］．

［7］李志林，朱 慶．?dāng)?shù)字高程模型［M］．武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2000．

［8］湯國(guó)安，張 勇，劉詠梅，等．不同比例尺DEM提取地面坡度研究［J］．水土保持通報(bào)，2001，21(1):53-56．

［9］劉學(xué)軍，張 平，朱 瑩．DEM坡度計(jì)算的適宜窗口分析［J］．測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009(6):264-270．

［10］ZHU Axing，JAMES E B，MICHAEL S，et al．The Impact of Neighbourhood Size on Terrain Derivatives and Digital Soil Mapping［C］．Advances in Digital Terrain Analysis［Sl］:Springer Press，2008:333-348．

［11］ROBERT H E，TIMOTHY R G，JORGE A R，et al．Digital Elevation Accuracy and Grid Cell Size:Effects on Estimated Terrain Attributes［J］．Soil Science Society of America，2007，71(4):1371-1380．