第三次國(guó)土調(diào)查縣級(jí)坡度圖制作關(guān)鍵技術(shù)研究

李寶

摘? ?要：針對(duì)安徽省分縣坡度分級(jí)圖生產(chǎn)過程中DEM坡度計(jì)算模型分析、分幅坡度柵格數(shù)據(jù)矢量化與圖斑合并、分縣數(shù)據(jù)拼接和裁切、分幅和分縣坡度分級(jí)圖小面融合、圖斑邊界平滑等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。其中構(gòu)面線拓?fù)錁?gòu)建和海量圖斑融合到鄰接非同值面的處理是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)。研究成果為類似坡度分級(jí)圖生產(chǎn)技術(shù)處理方案提供參考，在坡耕地確定、地災(zāi)、地貌模擬、環(huán)保等有廣泛應(yīng)用，使用的內(nèi)存過渡、分段循環(huán)、遞歸判斷等技術(shù)處理手段對(duì)類似的海量數(shù)據(jù)處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：第三次國(guó)土調(diào)查? 坡度分級(jí)圖? Horm擬合? 構(gòu)面線構(gòu)建? 融合

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0038-02

作為全國(guó)國(guó)土調(diào)查的重要基礎(chǔ)資料和成果，坡度分級(jí)圖（簡(jiǎn)稱坡度圖）是查清耕地和基本農(nóng)田的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布的重要指標(biāo)，在林地規(guī)劃利用管理、水文模型建立、土壤侵蝕分析、水土流失監(jiān)測(cè)、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)、地貌形態(tài)模擬、生態(tài)環(huán)境研究等地學(xué)分析領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。二調(diào)坡度圖由于原始DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)間距今太過久遠(yuǎn)、現(xiàn)勢(shì)性不好;其測(cè)量手段落后、植被高扣除混亂等導(dǎo)致高程精度很差;生產(chǎn)坡度圖方法不盡合理、圖斑融合隨意致使坡度準(zhǔn)確性有欠缺。因此安徽省第三次國(guó)土調(diào)查考慮重新制作坡度圖。

從生產(chǎn)流程順序梳理需要解決的技術(shù)問題和重要環(huán)節(jié)如圖1所示。

本文重點(diǎn)探討微小圖斑非同值融合到鄰接面這一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，研究基于ARCGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言調(diào)用相關(guān)功能控件，進(jìn)行相應(yīng)圖形對(duì)象獲取、拓?fù)洹⒏碌炔僮鳌?/p>

1? 準(zhǔn)備工作

1.1 DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文選擇安徽省機(jī)載LiDAR地表高程數(shù)據(jù)獲取制作的DEM，該數(shù)據(jù)點(diǎn)間距2m，通過濾除噪聲點(diǎn)、去除架空人工構(gòu)筑物頂點(diǎn)、鑒別消除高程突變區(qū)域等技術(shù)手段，生產(chǎn)的DEM高程中誤差為平地優(yōu)于0.3m，丘陵地優(yōu)于0.8m，山地優(yōu)于1.7m。

1.2 不同DEM計(jì)算坡度模型比選

本文選擇三階反距離平方差分模型的Horm擬合曲面算法，計(jì)算的結(jié)果，不僅能夠很好地反應(yīng)坡度變化趨勢(shì)，也可以較好地體現(xiàn)微型地貌和細(xì)部表達(dá)，是比較理想的計(jì)算坡度模型。

1.3 坡度級(jí)柵格矢量化

以圖幅為單位，將生成的分幅坡度級(jí)柵格圖進(jìn)行矢量化，并對(duì)相同坡度值的相鄰圖斑進(jìn)行合并，得到簡(jiǎn)化的折線構(gòu)成的矢量圖斑。由于各矢量圖斑因原始柵格導(dǎo)致的等距特性，圖斑邊界點(diǎn)很多在同一直線上，我們以0為容值對(duì)其進(jìn)行抽稀處理，簡(jiǎn)化圖斑邊界點(diǎn)。

2? 微小圖斑非同值融合到鄰接面關(guān)鍵技術(shù)探討

非同值融合是坡度圖生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目的是將微小圖斑融合到鄰接圖斑，逐步擴(kuò)大構(gòu)成超過3000km2的面，核心是保持微型地貌和細(xì)部特征不變形，融合的原則是“逐漸就低”，融合次序（也是其難點(diǎn)）是每次都從該時(shí)刻的最小面積圖斑（包括多個(gè)小面融合的面）入手進(jìn)行判斷，需要時(shí)刻保持所有原始的以及融合的面的動(dòng)態(tài)排序和檢索。

2.1 構(gòu)面線拓?fù)錁?gòu)建

這是進(jìn)行圖斑鄰接判斷的前提，相鄰面拓?fù)洳樵兣袛啵峭ㄟ^構(gòu)面邊界線節(jié)的“左側(cè)面ID”和“右側(cè)面ID”判斷面的相鄰關(guān)系的。

ARCGIS編程環(huán)境提供的面拓?fù)洳僮鹘M件不盡完善，調(diào)用過程往往出現(xiàn)異常，甚至死機(jī)，所以，我們從底層直接讀取、判斷、建立構(gòu)面線節(jié)（數(shù)組）。程序讀取各面的邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)，記錄點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的面ID，通過統(tǒng)計(jì)指向面次數(shù)進(jìn)行判斷：如果指向面次數(shù)只有1次，說明是外圍面上點(diǎn);超過2次判斷為結(jié)點(diǎn);其它正好2次的為線節(jié)中間點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)之間的各點(diǎn)串起線節(jié)，線節(jié)指向左右兩個(gè)面，記錄線節(jié)以及對(duì)應(yīng)的左右兩面ID，得到構(gòu)面線節(jié)數(shù)組。為提高查詢效率，程序進(jìn)行了分塊處理，較大面對(duì)應(yīng)多個(gè)分塊。

程序?qū)?biāo)準(zhǔn)圖號(hào)的文件名計(jì)算內(nèi)圖廓線，將邊界線與之重合的面認(rèn)定為外圍邊界面，賦予邊界不容標(biāo)志。

2.2 分段建立過渡數(shù)據(jù)

為了減少判斷的范圍和數(shù)目，提高效率，將生成的過渡數(shù)據(jù)進(jìn)行分段管理，排序和融合處理只針對(duì)局部的某個(gè)特定數(shù)量段的數(shù)據(jù)進(jìn)行，進(jìn)行檢索變得快捷。分段后可以大大減少排序和判斷的數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)量，使處理海量數(shù)據(jù)成為可能。

2.3 坡度級(jí)不同的鄰面融合處理

首先通過遞歸找出當(dāng)前處理面（也可能是融合面）所擁有的所有最終葉子（原始面）;然后對(duì)所屬的原始面逐個(gè)查找相交面（排除自己所屬的原始面）;通過相交面的其他面，逐個(gè)進(jìn)行判斷，取屬性值符合規(guī)定的面（按照“就低不就高”原則）ID納入到融合數(shù)組中，供迭代判斷使用（其個(gè)數(shù)按照需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整）;最后將融合內(nèi)容寫入到涉及的相關(guān)面對(duì)象對(duì)應(yīng)的數(shù)組中（原始面或融合面）;對(duì)融合結(jié)果中仍小于3000km2的再次作為待融面納入待處理面進(jìn)行重新排序和處理。

2.4 融合過程處理技巧

鄰接面檢索：由原始面，或者融合面的入口小面，通過構(gòu)面線的左右面關(guān)系，遍歷所有相鄰原始面或融合面，對(duì)于初始入口為融合面的只判斷融合去向?yàn)樵撊诤厦娴倪@些面，得到三類信息：原始面、融合面、原始或融合面融去的大面。

融到某大面的各小面檢索：從其中一個(gè)融到超過3000km2大面的小面入手，遍歷去向?yàn)樵摯竺媲移露燃?jí)不同的各面，以及與大面坡度級(jí)相同但是不在過濾坡度級(jí)相同階段得到的間接融合到大面的各面，一個(gè)大面可能包含有多個(gè)相離的小面集團(tuán)。

2.5 “就低不就高”原則實(shí)際選擇——“逐漸就低”

“逐漸就低”是《技術(shù)規(guī)定》有關(guān)鄰接坡度面選擇“就低不就高”原則的最優(yōu)方案——以當(dāng)前待融面的坡度級(jí)為判別標(biāo)準(zhǔn)——相同、較小、最小、較大、最大，按照如下公式計(jì)算，取最小的計(jì)算值為最佳融合鄰接面：

Min（St * Sgn（St - Sc - 0.1））

式中，Sc為當(dāng)前待融面坡度級(jí)，St為鄰接面坡度級(jí)，Sgn為符號(hào)函數(shù)，減0.1體現(xiàn)的是“就低”的原則。例如：待融面坡度級(jí)為3，鄰接面坡度級(jí)1到5，應(yīng)用公式計(jì)算的對(duì)應(yīng)值分別為：-1、-2、-3、4、5，優(yōu)先次序?yàn)椋?級(jí)、2級(jí)、1級(jí)、4級(jí)、5級(jí)。這樣，《技術(shù)規(guī)定》的“就低不就高”原則在實(shí)際操作中成為“逐漸就低”。

我們以一個(gè)實(shí)例予以說明：比如說，一個(gè)常見的山區(qū)沖溝地形，溝底主要是1級(jí)（少量為2級(jí)）的平緩坡度，溝兩側(cè)的山坡坡度較大，如果有一個(gè)5級(jí)坡度的小面，其周圍鄰接面從1級(jí)到4級(jí)都有，此時(shí)該面是往4級(jí)面還是往1級(jí)面融合，是需要研究并決定選擇規(guī)則的，從“就低不就高”原則的字面理解，在這里似乎應(yīng)該往1級(jí)鄰接面去融合，但是，從保持微型地貌和細(xì)部特征不變形這個(gè)核心精神來說，往4級(jí)鄰接面融合才是合理的。

2.6 融合結(jié)果檢查

從當(dāng)前融合結(jié)果數(shù)組涉及的入手，逐個(gè)獲取有效的面相交情況，即通過遞歸找出當(dāng)前融合結(jié)果涉及的所有面，與前一步驟處理并寫入操作文件的“相同的融合序列號(hào)以及融合結(jié)果代碼”的所有面進(jìn)行比對(duì)，對(duì)于只有去路沒有回歸的面，進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，提示“面融合有相離的情況”——只有一個(gè)面“獨(dú)立融合”是相離的特殊情況——提請(qǐng)操作人員進(jìn)行人工檢查，以便人工干預(yù)處理。并且過濾所有小于“融合最小限定面積”的面，保證它們都經(jīng)過了融合處理。

3? 后期處理

3.1 分幅圖拼合分縣圖并進(jìn)行全部圖斑融合

按照縣級(jí)行政區(qū)域拼合分幅圖并進(jìn)行全部圖斑的再次融合，完全消除小于3000km2的圖斑存在。

3.2 分縣圖抽稀和平滑處理

首先對(duì)復(fù)雜面進(jìn)行拆分簡(jiǎn)化處理，然后按照半個(gè)像素作為容值，采用Bezier樣條插值算法對(duì)圖斑邊界點(diǎn)進(jìn)行抽稀和平滑，為了方便今后的使用，將抽稀后的各點(diǎn)更新為折線再構(gòu)成新面。這樣既保證偏離量遠(yuǎn)小于2個(gè)像素，也保證生成的坡度級(jí)圖為簡(jiǎn)單圖形。

4? 結(jié)語(yǔ)

該研究對(duì)坡度分級(jí)圖的全過程進(jìn)行了富有成效的探索研究，在很多地方采用了非常好的技術(shù)處理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段：三階反距離平方差分模型的Horm擬合曲面算法的DEM計(jì)算坡度的模型;建立構(gòu)面邊界線節(jié);在海量圖斑鄰接面融合過程處理技巧：邊界不容處理、鄰接面檢索、融合面構(gòu)成檢索、融到某大面的各小面檢索、過程融合面回收、融合結(jié)果面坡度級(jí)優(yōu)選、鄰接坡度面選擇“就低不就高”原則的優(yōu)化方案——“逐漸就低”、融合結(jié)果檢查等等。在保證準(zhǔn)確處理基礎(chǔ)上，使運(yùn)行快捷、高效;采用Bezier樣條插值算法對(duì)圖斑邊界點(diǎn)進(jìn)行抽稀和平滑。以舒城縣分縣坡度圖為例，該縣面積2100多km2，圖斑數(shù)17萬(wàn)多，地形以山地為主，丘陵約占2/5，處理時(shí)間不到8min，處理的結(jié)果，經(jīng)過我們檢驗(yàn)，全部符合要求。

參考文獻(xiàn)

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