劉海飛 楊敏華 周 軍 鐘耀武

(1．湖南省第三測繪院，湖南長沙 410007;2．中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083)

0 引言

坡度作為重要的地形定量指標，是土地利用分析的主要技術指標，耕地坡度更是實施耕地保護、退耕還林的重要依據(jù)。在第一次全國土地調(diào)查中，耕地坡度采用人工量取，逐個圖斑獲取的方式進行，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，直接影響數(shù)據(jù)的真實性和客觀性，工作效率低下［1］。根據(jù)全國第二次土地調(diào)查有關文件精神和湖南省第二次土地調(diào)查工作的統(tǒng)一部署，坡度分級圖制作被列為全省第二次土地調(diào)查工作任務之一。坡度分級圖制作采用數(shù)字高程模型(DEM)作為數(shù)據(jù)源，計算坡度數(shù)據(jù)，再將坡度數(shù)據(jù)進行分級，制作坡度分級圖。在此基礎上，疊加土地利用現(xiàn)狀圖，采用自動量算方法確定耕地的坡度等級。湖南省第三測繪院受省第二次土地調(diào)查工作領導小組辦公室的委托，承擔湖南省第二次土地調(diào)查坡度分級圖制作工作。筆者作為該項目主要技術負責人，承擔了該項目的具體實施。該項目采用ESRI公司的ArcGIS9．2為平臺，依托平臺便捷的開發(fā)功能以及快速的處理功能，以1∶1萬以及1∶5萬DEM為數(shù)據(jù)源，制作坡度分級圖，為第二次土地調(diào)查耕地坡度賦值提供坡度分級數(shù)據(jù)。

1 項目內(nèi)容

將全省范圍內(nèi)DEM數(shù)據(jù)進行精度、現(xiàn)勢性、完整性等檢查修改和格式轉(zhuǎn)換，通過分析計算得到坡度信息，在坡度計算的基礎上按照湖南省第二次土地調(diào)查所規(guī)定的坡度分級標準進行坡度分級，最終提供給建庫單位以行政區(qū)域為單元和1∶1萬標準分幅形式的坡度分級圖。

2 技術線路

收集和分析全省范圍內(nèi)的1∶5萬和1∶1萬DEM數(shù)據(jù)，針對DEM數(shù)據(jù)進行精度、現(xiàn)勢性、完整性等檢查和格式轉(zhuǎn)換，應用ERDAS Imagine軟件進行DEM數(shù)據(jù)拼接，利用AcrGIS平臺開發(fā)相應的坡度計算功能進行坡度計算。按照湖南省第二次土地調(diào)查所規(guī)定的坡度分級標準進行坡度分級。在坡度分級的基礎上，應用ArcGIS軟件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能生成矢量坡度分級圖，計算圖斑面積。應用ArcGIS數(shù)據(jù)裁切功能，用標準分幅圖廓和縣級行政界線分別對該坡度分級圖進行裁切，對裁切后的數(shù)據(jù)進行檢查、整理，對矢量分級圖進行數(shù)據(jù)編輯處理，生成1∶1萬標準分幅和縣域范圍的坡度分級圖。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DEM為數(shù)據(jù)源，即使是用計曲線內(nèi)插的，其結果精度也高于以1∶5萬DEM為數(shù)據(jù)源的結果精度。但以1∶5萬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以及已有DEM數(shù)據(jù)情況，具備1∶1萬DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)采用1∶1萬DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，不具備1∶1萬DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)則采用1∶5萬DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

3．2 精度檢查

DEM存儲平面坐標和高程兩種數(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是否達到國家測繪部門制定的相關測繪標準和規(guī)范。主要評價標準為1∶1萬，1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)產(chǎn)品檢測與評價(見表1，表2)。

表1 1∶1萬DEM精度指標

表2 1∶5萬DEM精度指標

高程精度檢查:暈渲檢查:對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高程異常(灰度突變點)，有則可能存在粗差。

3．3 DEM數(shù)據(jù)預處理

坐標轉(zhuǎn)換:采用ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換功能將坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1980西安坐標系。

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)的縣級行政區(qū)界線。采用ERDAS Imagine將縣級行政區(qū)域內(nèi)的標準分幅DEM數(shù)據(jù)拼接成全域的DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。

5 坡度計算

5．1 坡度模型

坡度計算公式:

圖2 拼接后的縣域DEM

圖3 DEM 3×3局部移動窗口

表3 坡度計算模型

5．2 坡度計算模型功能開發(fā)

ArcGIS軟件自帶的坡度計算功能，其坡度計算模型為表3中的三階反距離平方權差分(Horn算法)，根據(jù)湖南省的地貌特點，湖南省第二次土地調(diào)查坡度計算模型采用三階反距離權差分模型。筆者根據(jù)要求，在ArcMap的VBA環(huán)境中編程，開發(fā)了相應的坡度計算功能模塊，并開發(fā)了1∶1萬標準圖廓生成以及DEM檢測功能模塊。

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 ArcMap，切換到“Customize”對話框的“Commands”頁，選中“UIControls”后點擊 ＜New UIControl＞按鈕，進入“New UIControl”對話框。2)在“New UIControl”對話框中，選擇 UIControl類型，創(chuàng)建UIControl并進入VBA編輯器，在UIControl的事件中進行VBA編程。3)UIControl事件編程完成后，在“Customize”對話框選中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 坡度分級圖制作

6．1 坡度分級

通過DEM拼接成以縣為單元的全域DEM后，進行坡度計算，生成柵格數(shù)據(jù)的縣域坡度圖，應用ArcToolbox工具箱中的Reclass功能對柵格坡度數(shù)據(jù)按照《第二次全國土地調(diào)查技術規(guī)程》中所規(guī)定的耕地坡度分級標準進行坡度分級，生成柵格形式的坡度分級數(shù)據(jù)。根據(jù)技術規(guī)程的要求，耕地坡度分5個坡度級(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。耕地坡度分級如表4所示。

表4 耕地坡度分級表

6．2 分級數(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數(shù)據(jù)進行矢量化，生成矢量坡度分級數(shù)據(jù)，再對矢量化數(shù)據(jù)進行圖斑綜合、界線平滑、拓撲重建、數(shù)據(jù)裁切等處理，生成矢量坡度分級圖。

6．3 標準分幅坡度分級圖快速處理

為便于與1∶1萬標準分幅形式的土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析，提取耕地坡度等級數(shù)據(jù)，按照省第二次土地調(diào)查工作領導辦公室的要求，需要將縣域坡度分級數(shù)據(jù)裁切成1∶1萬標準分幅形式的坡度分級矢量數(shù)據(jù)。湖南省共有126個縣級行政單位，涉及1∶1萬標準分幅數(shù)據(jù)8 000多幅，若全部采用人工逐幅去裁切，不但費時，而且精度難以保證。筆者經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，ArcGIS的地理處理對象(Geoprocessing)與自帶腳本語言Python組合使用能夠快速進行模型搭建，并進行自動化處理。Geoprocessing是ArcGIS自帶的一種非常方便實用的工具，它可以利用ArcToolbox中的各種工具為我們的地理空間工作流進行框架建模，自動執(zhí)行空間分析與處理。ArcGIS內(nèi)嵌的腳本語言Python，作為Geoprocessing的首選腳本編程語言，能夠方便地調(diào)用作為COM對象的GP(Georocessing的主對象)，將ArcGIS眾多分析工具集成到應用中。

筆者通過自主開發(fā)的1∶1萬標準圖廓程序批量生成縣域內(nèi)1∶1萬標準分幅圖廓，并進行一定距離的外擴。通過Python語言調(diào)用相應的地理處理模塊，快速地構建具有強大地理處理功能的批處理功能模塊。

圖4 縣域坡度分級圖

圖5 標準分幅坡度分級圖

7 處理效率及成果

利用開發(fā)出來的具有坡度計算、1∶1萬標準圖廓生成、DEM數(shù)據(jù)檢測功能的模塊、Python腳本語言調(diào)用Geoprocessing地理處理對象搭建的批處理模型，筆者一人利用3臺機器，歷時一個月即完成了全省126個縣級單位的坡度分級圖以及全省8 000多幅1∶1萬標準分幅形式的坡度分級圖的制作。圖4為縣域坡度分級圖，圖5為1∶1萬標準分幅坡度分級圖。

8 結語

全國第一次土地調(diào)查工作從1984年5月開始，一直延續(xù)到1996年年底才結束，歷時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，歷時不到兩年時間。兩次調(diào)查時間跨度的巨大差異，充分反映了計算機技術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)查中坡度分級圖的制作為例，介紹了一種利用計算機技術結合ArcGIS平臺，采用DEM進行坡度計算，并生成坡度分級圖的方法。在制作過程中，充分利用ArcGIS平臺自帶的編程功能以及地理處理功能將大量復雜的坡度等級量算及裁切工作自動化處理，不但提高了調(diào)查工作效率，節(jié)省了人力和物力，同時探索出了一種應用DEM進行大面積范圍內(nèi)坡度分級圖制作的解決方案。

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