基于Arc Map边坡单元划分及属性赋值研究

黄佳璇 杜伟超 谢谟文

（1.北京科技大学土木与环境工程学院 北京100083；2.61206部队 辽宁大连116023）

1 引言

边坡的稳定性分析［1］具有十分重要的现实意义，与人民的生命财产安全息息相关。边坡的形成与地形有着密切的联系，通过分析边坡地形的属性对边坡稳定性分析有着至关重要的作用。目前，GIS技术已成为边坡稳定性分析的一个重要的空间数据工具［2］。数字高程模型（DEM）被广泛应用于遥感技术中，是数字地形模型（DTM）的一个分支［3］。DEM是将连续的地表标高用均匀分布的微小栅格单元来表示，一个栅格代表一个标高值，即在栅格范围内用一个正方形平面代表一块地表面。当栅格单元足够小时，这种栅格数据形式即可代表复杂的连续地表形变。然而这种均匀的网络单元与实际的边坡破坏单元及力学机制无任何联系。因此，以边坡单元为研究对象是合理的，更符合实际的破坏形式且与地形有着密切的关系［4］。如何准确的根据地形数据划分出边坡单元并对边坡单元属性进行有效赋值是至关重要。本文通过Arc Map软件对边坡单元进行了划分［5］，且对边坡单元属性赋值采用了改进方法，使得边坡单元各属性值的精度有了很大的提升。

2 边坡单元划分步骤

边坡单元定义为一块与邻近区域具有明显不同地形特征的区域，而地形的形成本身反映了地质条件及水文地质条件的长期作用效果。因此，选取边坡单元为分区单元是合理的，且符合实际的地质条件。从地形视觉上看，边坡单元可以用特征地形线进行划分。本文采用山脊线和汇水线来划分，即一个汇水区的左右两侧各为一个边坡单元。基于Arc Map软件水文分析（Hydrology）模块的具体划分流程如图1所示，并对每一步进行了详细阐述。

（1）汇水线提取：对DEM栅格数据插值误差引起的标高极低的孤立栅格单元进行标高填充处理。利用Arc Map软件Hydrology模块的fill sinks功能进行DEM的填洼处理。利用Flow direction功能，根据相邻栅格单元地形标高的大小提取出水流的流向，水流总是从地形高处向地形低处流动。最后用Flow accumulation功能，通过设置不同精度的水流汇集量得到不同精度的汇水线。

（2）山脊线提取：为了得到谷底线，通过对DEM的反向处理得到一个与原地形相反的地形数据。在反向DEM中，原DEM的汇水线即为反向DEM的山脊线。该计算公式为：

R-DEM=DEM×（-1）+DEMmax

最后，采用与汇水线一样的方式提取出山脊线。

（3）融合：通过对汇水线和山脊线数据集的联合运算，便可得到边坡单元数据集。但在此联合运算过程中会得到很多面积很小的多边形元素。本文运用Arc Map的Smoth功能，通过设置不同的参数大小，消除这些不合理的多边形元素。最终得到与实际地形相吻合的边坡单元。

本文以某边坡为例，通过上述边坡单元划分方法得到该边坡的边坡单元划分结果图，如图2所示。

3 边坡单元属性赋值

由于DEM是由栅格单元组成的，而边坡单元是一个个不规则的多边形。因此，在边坡单元的边缘栅格单元会被分解到两个不同的边坡单元中，这样不利于边坡单元的属性提取与研究，大大的影响了边坡单元属性值的精度。以往的研究往往忽视和这些边缘栅格单元划分对边坡单元的影响［6］。

对该边坡利用Arc Map软件的栅格转点（raster to point）功能，输入DEM 影像，就可将DEM中的栅格单元转变成点单元，而每个点单元只会属于某一个边坡单元（如图3）。将同一个边坡单元内的点单元赋予同一ID，并提取出每个相同ID的坡度值，坡向值和标高等属性。通过对一个边坡单元内所有点单元属性值的统计分析，得到该边坡单元的属性值。该方法可以提高边坡单元属性的计算精度，从而提高边坡稳定性监测精度。

4 结论

本文详细叙述了利用Arc Map软件划分边坡单元的方法及过程，并以某边坡为例对该方法进行了实际操作，得到了该边坡的边坡单元。同时，更大发挥了Arc Map软件工具的功能，通过将DEM的栅格单元转化成点单元的方法，有效降低了由于划分栅格单元而引起的属性值误差。