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(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 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(zhǔn)，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(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(chǔ)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(lǐng)導(dǎo)小組辦公室的委托，承擔(dān)湖南省第二次土地調(diào)查坡度分級圖制作工作。筆者作為該項目主要技術(shù)負責(zé)人，承擔(dān)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(chǔ)上按照湖南省第二次土地調(diào)查所規(guī)定的坡度分級標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)分幅形式的坡度分級圖。

2 技術(shù)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(yīng)用ERDAS Imagine軟件進行DEM數(shù)據(jù)拼接，利用AcrGIS平臺開發(fā)相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)進行坡度分級。在坡度分級的基礎(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圖，計算圖斑面積。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(biāo)準(zhǔn)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(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DEM為數(shù)據(jù)源，即使是用計曲線內(nèi)插的，其結(jié)果精度也高于以1∶5萬DEM為數(shù)據(jù)源的結(jié)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(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是否達到國家測繪部門制定的相關(guān)測繪標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。主要評價標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)

表2 1∶5萬DEM精度指標(biāo)

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(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(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(quán)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(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)的坡度計算功能模塊，并開發(fā)了1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shù)規(guī)程》中所規(guī)定的耕地坡度分級標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)分幅坡度分級圖快速處理

為便于與1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(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(yīng)用中。

筆者通過自主開發(fā)的1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)圖廓程序批量生成縣域內(nèi)1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)分幅圖廓，并進行一定距離的外擴。通過Python語言調(diào)用相應(yīng)的地理處理模塊，快速地構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)分幅坡度分級圖。

8 結(jié)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(jié)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(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)查中坡度分級圖的制作為例，介紹了一種利用計算機技術(shù)結(jié)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(fù)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(yīng)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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