陳建義 鄭云峰 盧衛(wèi)峰

（國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019）

森林資源二類調(diào)查小班坡度自動(dòng)求算方法的探討

陳建義 鄭云峰 盧衛(wèi)峰

（國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019）

在森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（以下簡稱二類調(diào)查）中小班坡度調(diào)查是地形調(diào)查的一項(xiàng)十分重要內(nèi)容。用傳統(tǒng)的坡度計(jì)算采用手工操作完成，計(jì)算小班坡度存在主觀隨意性強(qiáng)，誤差大，工作量大、時(shí)間周期長、效率低等缺點(diǎn)，難以滿足二類調(diào)查的要求。文章探討了基于ArcGIS軟件的空間分析功能由矢量等高線內(nèi)插生成數(shù)字高程模型（DEM），再以DEM為基礎(chǔ)獲取坡度柵格數(shù)據(jù)，最后將坡度自動(dòng)寫入小班屬性庫的方法和步驟。

ArcGIS；小班坡度；二類調(diào)查

坡度(Slope)是表示地表斜面對(duì)水平面的傾斜程度，它以其值的大小間接地表示地形的起伏形態(tài)，坡度作為地形的一個(gè)特征信息在林業(yè)、水利、土地規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)等方面有著極其重要的意義[1]。

小班平均坡度是森林資源二類調(diào)查中的一項(xiàng)重要因子, 它是反映小班的地表形態(tài)，小班立地質(zhì)量，生產(chǎn)作業(yè)條件及水土流失的重要指標(biāo)之一，也是林木采伐首先要考慮的因素之一?！陡＝ㄊ∩植煞ゼ夹g(shù)規(guī)范》規(guī)定：主伐皆伐面積大小要依地形地貌而定，小班坡度不大于5°時(shí)，皆伐面積不大于30hm；坡度6-15 °時(shí)，皆伐面積不大于20hm；坡度16-25°時(shí)，皆伐面積不大于10hm；坡度26-35°時(shí)，皆伐面積不大于5hm；超過35°的，不得進(jìn)行皆伐。

1 獲取小班坡度的傳統(tǒng)方法及其缺點(diǎn)

在以往二類調(diào)查中，獲取小班坡度的方法主要有兩種：一是小班坡度的獲取是通過紙質(zhì)地形圖量測(cè)得出的。在二類數(shù)據(jù)庫完成后，利用地形圖中的等高線要素與二類小班相結(jié)合，量測(cè)小班等高線的水平距離和高程差，然后利用反三角函數(shù)公式α(坡度)=arctan (高程差/水平距離) 計(jì)算出小班坡度；二是外業(yè)實(shí)地量測(cè)小班坡度。利用坡度儀或者手持羅盤儀實(shí)地量測(cè)小班的平均坡度。

利用傳統(tǒng)方法獲取二類小班坡度雖然很直觀，但由于獲取的小班坡度基本上用手工操作完成，工作效率低；由于依靠調(diào)查人員的水平與經(jīng)驗(yàn),，帶有一定的主觀性及隨意性，受人為因素影響大，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，難以滿足二類調(diào)查的要求。因此，突破傳統(tǒng)方法，尋找新技術(shù)、新方法求算二類小班坡度已經(jīng)迫在眉睫。

2 自動(dòng)獲取小班坡度的技術(shù)路線及方法

2.1 技術(shù)路線

收集試驗(yàn)區(qū)1∶10000矢量地形圖，在ArcGIS中應(yīng)用等高線內(nèi)插生成的DEM數(shù)據(jù)，用試驗(yàn)區(qū)界線對(duì)生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，除去區(qū)域以外的數(shù)據(jù)，用Slope函數(shù)生成坡度柵格圖，與二類矢量小班進(jìn)行分類區(qū)統(tǒng)計(jì)(Zonal Statistics)生成小班坡度表，最后通過建立屬性連接，將小班坡度寫入小班屬性庫中，完成小班坡度的自動(dòng)提取工作。作業(yè)流程如圖1。

圖1 二類小班坡度提取流程圖

2.2 坡度算法簡介及模型的選擇

地面某點(diǎn)的坡度(Slope)是過該點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角, 是高度的變化的最大值比率, 表示了地表面在該點(diǎn)的傾斜程度。地面坡度實(shí)質(zhì)是一個(gè)微分的概念, 地面每一點(diǎn)都有坡度, 而不是一個(gè)面上的概念[2]。坡度是通過計(jì)算中心格網(wǎng)點(diǎn)與8個(gè)鄰域格網(wǎng)點(diǎn)高程的最大變化率來得到的，坡度計(jì)算公式：

其中：57.29578 =180/3.1415926

圖2 DEM 3×3 局部移動(dòng)窗口

圖1中G表示DEM格網(wǎng)尺寸，ei（i=1，2，3，4，5，6，7，8）分別表示中心點(diǎn)e 周圍格網(wǎng)點(diǎn)的高程。坡度的計(jì)算一般使用3 × 3局部移動(dòng)窗口。坡度計(jì)算模型主要有二階差分、三階不帶權(quán)差分( Sharpnack算法) 、三階反距離平方權(quán)差分( Horn 算法) 、三階反距離權(quán)差分Frame差分和簡單差分等6種計(jì)算模型(見表1)。

表1 坡度計(jì)算模型

根據(jù)Skidmore用澳大利亞地形對(duì)6種算法做過比較, 認(rèn)為Horn算法、Sharpnack和Akin算法在估計(jì)坡度和坡向上精度最佳, 三階差分系列坡度算法精度高于二階差分算法[3]。三階反距離平方權(quán)差分對(duì)各種地區(qū)類型的數(shù)據(jù)計(jì)算坡度坡向都是適用的[4]。ArcGIS軟件中坡度算法采用三階反距離平方權(quán)差分，所以本次試驗(yàn)采用Horn算法作為坡度計(jì)算模型。

3 技術(shù)流程

3.1 試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)

所選試驗(yàn)區(qū)位于福建省將樂縣境內(nèi)。收集試驗(yàn)區(qū)1∶10000矢量地形圖，等高距為10m，空間參考為北京54坐標(biāo)系、1956年黃海高程基準(zhǔn)、高斯克-呂格投影、3°分帶、中央經(jīng)線為117°。高程值分布范圍為50-650m，地形以山地為主。把矢量地形圖轉(zhuǎn)換為Shapefile格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.2 等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)DEM是在ArcGIS軟件中利用等高線內(nèi)插生成的，再利用試驗(yàn)區(qū)的界線對(duì)其進(jìn)行裁剪。步驟：①用等高線內(nèi)插生成DEM數(shù)據(jù)。選擇ArcToolbox→“3D Analyst Tools”→“Raster Interpolation”（柵格插值）→“Topo to Raster”（地形轉(zhuǎn)柵格）工具，“Input feature data”（輸入圖層）選擇等高線圖層，創(chuàng)建高程字段選擇“ELEVATION” 字段（高程字段），類型選擇“Contour”。設(shè)置輸出象素大小，輸出路徑及名稱，最后點(diǎn)擊“OK”按鈕，完成試驗(yàn)區(qū)DEM的創(chuàng)建工作；②對(duì)DEM進(jìn)行進(jìn)行裁剪。利用ArcToolbox→“Spatial Analyst Tools”→“ Extraction” （提取分析）→“Extract by Mask”（按腌膜提?。┕ぞ? 選擇DEM為輸入柵格，要素掩膜數(shù)據(jù)選擇試驗(yàn)區(qū)的界線（面狀數(shù)據(jù)），設(shè)置輸出柵格路徑及名稱，最后點(diǎn)擊“OK”按鈕，完成研究區(qū)的DEM圖裁剪（見圖3）。

圖3 由等高線內(nèi)插生成的DEM數(shù)據(jù)

3.3 獲取坡度柵格數(shù)據(jù)

利用試驗(yàn)區(qū)DEM創(chuàng)建的坡度圖。創(chuàng)建坡度圖的步驟為：①打開arcmap，加載經(jīng)過裁剪的DEM柵格數(shù)據(jù)，選擇ArcToolbox→“3D Analyst Tools”→“Raster Surface”（柵格表面）→“Slope”（坡度）工具。在坡度對(duì)話框中，“Input raster”（輸入柵格）欄選擇DEM，設(shè)置輸出柵格的路徑及名稱， “Output measurement”（輸出測(cè)量單位）欄選擇“DEGREE”(度)，“Z factor”(z因子)欄設(shè)置為“1”，點(diǎn)擊“OK”按鈕，完成坡度柵格圖工作（見圖4），柵格中每一像素單元值（Pixel Value）即為該點(diǎn)的坡度值。

圖4 試驗(yàn)區(qū)域坡度柵格圖

3.4 提取小班平均坡度

利用二類調(diào)查矢量小班面與柵格坡度圖進(jìn)行分類區(qū)統(tǒng)計(jì)（Zonal Statistics）提取每個(gè)小班的平均坡度。步驟為：①打開arcmap，加載坡度柵格圖和二類小班面數(shù)據(jù)；②選擇ArcToolbox→“Spatial Analyst Tools”→“Zonal”（區(qū)域分析）→“Zonal Statistics as table”（以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)）工具，在對(duì)話框中，在“Input raster or feature zone data”（輸入柵格數(shù)據(jù)或要素區(qū)域數(shù)據(jù)）欄中選擇二類小班面，在“Zone field”（區(qū)域字段）欄中選擇小班屬性表中的小班關(guān)鍵字，在“Input value raster”（輸入賦值柵格）欄中輸入坡度柵格數(shù)據(jù)，在“Output table”（輸出表）欄指定統(tǒng)計(jì)表輸出路徑及名稱，在“Statistics type”（統(tǒng)計(jì)類型） 欄中選擇“MEAN”(平均數(shù))。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“OK”按鈕，生成小班平均坡度表（見圖5）；③分類區(qū)統(tǒng)計(jì)后形成的小班平均坡度表是一個(gè)獨(dú)立的表，需要建立基于公共字段（本例為”XBID”字段）一個(gè)屬性連接，將小班平均坡度表中的平均坡度賦值給二類小班面的屬性表中。步驟為：選擇ArcToolbox→“Data Management Tools”（數(shù)據(jù)管理工具）→“Joins”（連接）→“Join Field”（連接字段）工具,在“Input Table”（輸入表）欄中選擇二類小班面，在 “Input Join Field”（輸入連接字段）欄中選擇二類小班中小班關(guān)鍵字，在“Join Table”（連接表）欄中輸入小班平均坡度表，在“Output Join Field”（輸出連接字段）欄中選擇小班平均坡度表中小班關(guān)鍵字，“Join Fields”（連

4 結(jié)語

接字段）欄中選擇“MEAN”（平均坡度）字段，點(diǎn)擊“OK”按鈕，就可以把小班坡度表中的平均坡度自動(dòng)寫入二類小班面屬性數(shù)據(jù)庫中，完成二類小班平均坡度的提取。

與傳統(tǒng)方法相比，應(yīng)用ArcGIS軟件的空間分析功能進(jìn)行小班坡度自動(dòng)求算，極大地減少了二類調(diào)查內(nèi)業(yè)工作量、提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力；所產(chǎn)生的分析結(jié)果具有唯一性，避免了人為主觀因素對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響，提高了求算的精度。

圖5 生成的小班坡度表

[1] 黃培之.在微型計(jì)算機(jī)上自動(dòng)繪制坡度圖. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)[J],1992(1):32-36.

[2] 李娟;趙軍.基于DEM的西北干旱區(qū)典型地貌類型坡度提取分析.遙感技術(shù)與應(yīng)[J],2008(22):214-218.

[3] 陳楠;王欽敏;湯國安.自DEM由不同算法提取坡度的對(duì)比分析.測(cè)繪工程[J],2006(15):6-9.

[4] 陳艷麗;李少梅;劉岱岳,等.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的坡度坡向分析研究.測(cè)繪與空間地理信息[J],2009（32）：37-39.

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