基于Google Earth的DEM数据获取及坡度分析应用*

(四川省水利科学研究院，成都，610072)

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和高程属性特征的数字描述。流域的DEM包含了丰富的地形、地貌和水文信息等，是流域地形划分、水文分析的重要基础资料，无论是在水利行业的防汛抗旱、水土保持、水资源管理、水质监测还是农田水利、城市水务等方面都具有广泛的应用价值，众多专业精细的水利水文模型实现更是离不开地表、坡度、坡向等地理空间位置因素。因此，研究DEM的相关技术及应用在水利行业具有非常重要的意义。

1 DEM数据常用的获取方式

DEM作为地形地貌数字化表达方式，以其多形式的显示方式、不易损失的精度、自动化的更新方式等诸多优点，逐步取代了传统的存储介质，成为与空间地理信息相关研究的必然基础。DEM作为GIS空间数据库的主要内容之一，在国家地理信息基础、地表三维显示、景观设计、地形特征提取、流域水文分析等诸多领域具有广泛的应用空间。目前，虽然还没有一套可以免费使用的高精度覆盖全球的数字高程数据，但是，还是可以通过以下常用方式和途径找到一套可以使用的数据。

1.1 通过测量或者地图矢量化获取

自己通过实验手段测量获取，或者通过地图矢量化处理获得。这种获取方式需要消耗大量的时间和精力，测量工具的价格、地图矢量化人员的投入成本也最终将影响到这个途径实现的可能性；此外，做过相关工作的人可以提供一些实用的数据。然而，进行流域或者区域尺度的研究时，大中比例尺地形图获取困难，且实验测量和地图扫描并矢量化费时费力。因此，这种途径获得的数据的量和质量有限，所得数据具有较大的局限性，往往获取的只是一时一地的静态数据，无法满足动态更新的需要。遇上大范围、大尺度以及动态数据分析的项目就很难有所作为。

1.2 通过网络渠道获取

通过网络途径获取数据源是大部分研究人员最常用的方式。许多大学和科研机构如马里兰大学、美国国家航空航天局(NASA)、中国科学院计算机网络信息中心等在网络上免费提供大量可以使用的数据，这些数据大多可以支持较大的项目；其次，在许多个人博客上也会有一些热心网友提供下载链接。在国外的资源重点是以NASA(NASA数据搜索界面：https://search.earthdata.nasa.gov/search)和马里兰大学对外提供的开放数据库为主，这里的数据非常丰富，涵盖了大量地球科学相关的数据，拥有众多的数据库，不过要下载NASA的数据还是比较困难的，登陆获取的下载信息需要有特定的下载工具才能下载，具体可参考NASA提供的数据教程以及下载数据时系统提供的提示。在国内，可以在中国科学院计算机网络信息中心的地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)上下载SRTM数据。SRTMDEM数据是由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量，每经纬度方格提供一个文件，精度有SRTM1和SRTM3两种，称作30M和90M数据。目前中国境内能够免费获取的SRTM1和SRTM3文件，经过后期的加工处理，能够满足不同行业的基本应用需求。

1.3 通过商业渠道获取

在商业项目上，或者是研究经费充足的课题中，可以耗费一些资金来寻求与专业数据制作公司的合作，通过一些特定的工具或软件从专业数据服务商的服务器中获取指定区域的数据。典型的工具有水经注地图下载器、稻歌、91卫图助手、BIGEMAP地图下载器等，通过这些工具和软件，可以高效快速地获得相关数据资源。通过商业渠道这种获取方式，要么采取商业合作直接由数据商制作满足要求的数据，要么购买数据服务商提供的数据获取渠道和工具软件自己加工处理，其最明显的特点就是需要投入较大资金，但其优越性是数据服务的各个方面都非常优秀。专业的数据公司会为数据获取投入人力和资源，对于数据的处理和更新，数据使用这些方面还会提供全程支持，可以实现上述其他方式无法完成的所有工作。

2 基于Google Earth的高程数据获取与DEM生成技术

2.1 Google Earth数据概况

谷歌地球(Google Earth，GE)是一款谷歌公司开发的虚拟地球软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。

Google Earth的卫星影像，并非单一数据来源，而是卫星影像与航拍的数据整合。数据主要来源于DigitalGlobe、EarthSat、BlueSky、Sanborn等以卫星、航拍、GIS/GPS地理数据、空中勘测等相关业务为主的国际商业公司。其中，卫星影像部分来自于美国DigitalGlobe公司的QuickBird(快鸟)商业卫星与EarthSat公司的陆地卫星(影像来源以LANDSAT-7卫星居多)；航拍部分的来源有英国BlueSky公司(以航拍、GIS/GPS相关业务为主)、美国Sanborn公司(以GIS、地理数据、空中勘测等业务为主)、美国IKONOS及法国SPOT5。

Google Earth的影像可以说是全球最佳影像数据，数据完整，是目前全球提供的最权威、最全面、最清晰的卫星影像资料；它3～6个月就会更新一次，更新及时，是目前全球更新最及时的公开卫星影像资料，最重要的一点，没有偏移。Google Earth不仅提供了高分辨率的卫星影像、街道、地形图、历史影像，还提供了另一项重要数据：海拔高程，这对涉及地理空间信息的行业来说是一项非常有价值的数据信息。

2.2 Google Earth高程数据的获取步骤与DEM生成

获取Google Earth高程数据的途径较多，本文主要介绍在BIGEMAP地图下载器平台上获取研究区Google Earth高程数据的步骤及利用Global Mapper14.1汉化版生成DEM的方法。

2.2.1 使用的工具及软件

(1)BIGEMPA地图下载器：是一款专业的地图数据下载工具，BIGEMAP平台集合了50多种国内外优质的地图资源，主要包括卫星影像、电子地图、地形图等。能够根据需要快速高效地下载谷歌地球无偏移影像、历史影像和高程数据。本文用到的BIGEMPA地图下载器为已授权的全能版。

(2)Global Mapper14.1汉化版。

(3)ArcGIS软件。

2.2.2 Google Earth高程数据下载

通过电脑上的BIGEMPA地图下载器客户端软件，免费浏览全球各地的高清晰度卫星图片，然后根据需要选择下载所需要的数据，步骤如下：

(1)选择地图源：打开软件鼠标移到左上角【选择地图】，即可展开地图源列表，之后选择“谷歌地球(等高线)”就可以下载高程数据；

(2)定位到目的地：在右上角区域，选择【选择行政区域】或是【地名查找】，定位到目的地；

(3)确定下载边界：若要下载某个行政区域地图则使用【选择行政区域】功能来确定下载边界；若是要下载指定区域地图则使用顶部菜单【矩形】或者【多边形】工具来确定下载边界；

(4)下载设置：双击选定的边界内部弹出下载对话框，选择【下载级别】，级别越高地图越清晰同时数据也越大，其他参数如无特别需求可默认不修改。

本项目研究川中丘陵区乐至县，下载界面如图1所示。下载之后的数据为tiff格式，实际为DEM高程数据。

图1 Google Earth高程数据的下载界面

2.2.3 高程数据投影设置与DEM输出

(1)加载数据：启动安装好的Global Mapper软件，将下载好的高程数据(下载目录下的后缀为tiff格式)拖入到Global Mapper中；

(2)设置投影：下载的高程数据默认的是经纬度坐标，需要将投影转换成大地坐标系。如果要用WGS84，则直接选择UTM，再选择对应的分度带，即变成X、Y坐标，单位为米。Global Mapper中操作步骤为：选择【工具】→【设置】，在弹出对话框选择里面的【投影】，修改下载的高程数据的投影为【UTM】，然后另存为【DEM】格式保存，设置和输出界面如图2所示。这样设置完整的DEM高程数据就可以进行分析和应用了(见图3)。

图2 高程数据投影设置与DEM输出界面

图3 研究区DEM展示

3 DEM坡度分析应用

DEM的应用包括：坡度(Slope)、坡向(Aspect)、提取等高线、算地形表面的阴影图、可视性分析、地形剖面、水文分析等。高程、坡度和坡向是地形中非常重要的定量因子，是土地利用和水土流失分析的主要技术指标，更是实施耕地保护、退耕还林的重要依据。坡度对水土保持规划设计具有决定性的作用，是土地利用规划和治理措施配置首先要考虑的因素。

3.1 坡度分析步骤

(1)加载数据：打开ArcMap软件，选择添加按钮，将上述保存的DEM文件打开；

(2)分析模块加载：在ArcMap中，选择【自定义】→【扩展模块】，勾选“3D Analyst”和“Spatial Analyst”，加载3D分析和空间分析扩展模块；

(3)执行坡度分析：在【ArcToolbox】中，执行命令【3D Analyst工具】→【栅格表面】→【坡度】，指定各参数，其中输入栅格为加载的DEM。需要特别注意的是z因子的设置至关重要，①当输入的DEM坐标系是地理坐标系，那么，水平坐标(x，y)单位为度，而高程坐标是米，二者单位不一致，需要使用z因子来转换，z因子具体填写什么数值，跟具体纬度位置有关，如果z因子填写不正确，那么坡度分析结果是错误的；②当输入的DEM坐标系是投影坐标系，那么，水平坐标(x，y)单位和高程坐标单位都为米，二者单位一致，此时，z因子默认为1即可；③当输入的DEM坐标系是投影坐标系，水平坐标(x，y)单位为米，而高程坐标单位都为英尺，二者单位不一致，此时，z因子应填写为0.3048，将z单位从英尺转换为米。参数指定完成后，执行后即可得到坡度栅格图，栅格单元的值在0～90°间变化。用【ArcToolbox】中的【Spatial Analyst工具】也可以进行坡度分析，步骤为【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【坡度】；

(4)坡度分级：对生成的坡度图进行分级，这里就会用到重分类工具：依次点击【ArcToolbox】中的【3D Analyst工具】→【栅格重分类】→【重分类】。在打开的【重分类】工具框中，可以根据自己的需要设置分类的级别和方法。本研究按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)水力侵蚀强度分级标准对应的坡度等级进行坡度分级。点【分类】按钮，即可打开一个分类级别设置框，用手动分级法，将类别调整为6，将中断值调整为：5，8，15，25，35，90，设置完后点击“确定”，完成坡度分级；

(5)面积统计：对于生成的坡度分级结果，打开其属性表，新建一个字段“面积”，把它设置为浮点型。在“面积”字段上右击，可以打开一个下拉框，打开“字段计算器”，在其中输入以下公式“count×30×30”。这里的count是每一级别的栅格数量，而“30”则是栅格的大小，单位是米。此处需要特别注意的是不同级别的DEM数据，其栅格大小也不相同，可以在DEM“属性”中查看象元大小，本研究采用的是16级Google Earth高程数据，栅格大小为26.656352×26.656352。

研究区坡度分析分级和面积统计成果详见下表1。

表1 研究区地形坡度分级及坡度组成情况

3.2 坡度分析应用

地形坡度分级信息结合植被覆盖、土地利用等信息可以进行区域土壤侵蚀风险度评价。根据《水土流失危险程度分级标准》(SL 718-2015)，水力侵蚀危险程度等级划分为微度、轻度、中度、重度、极度5级；水力侵蚀危险程度等级应采用抗蚀年限，或植被自然恢复年限和地面坡度因子进行划分。采用植被自然恢复年限和地面坡度判别水力侵蚀危险程度等级的划分标准应按照SL718-2015表4.1.3的规定执行。

研究区地处西南土石山区，属亚热带季风气候。气候温和、四季分明、雨量充沛，年均降水量900mm，为湿润区，有利于植物生长，植被自然恢复年限1～3年。因此，根据SL 718-2015表4.1.3，区域水土流失危险程度等级主要为微度和轻度，所占比重达到78%(详见下表2)。地面坡度的不同级别，对水土流失和土地利用的影响不同，≤5°一般无水土流失现象；5°～8°可发生轻度土壤侵蚀，需注意水土保持；8°～15°可发生中度水土流失，应采取修筑梯田、等高种植等措施，加强水土保持；15°～25°水土流失严重，必须采取工程、生物等综合措施防治水土流失；>25°为《水土保持法》规定的开荒限制坡度，即不准开荒种植农作物，已经开垦为耕地的，要逐步退耕还林还草。

表2 研究区水土流失危险程度等级评价

4 结语

本文以川中丘陵区乐至县为例，介绍了基于Google Earth的高程数据获取方法和DEM生成技术，并对DEM坡度分析应用进行了研究，以期能为DEM在水利行业深入广泛应用提供参考。水利行业是地理应用的传统行业，空间信息几乎贯穿了整个水利业务线。作为一组实地模型，DEM的主要表现形式就是数值列阵，是对地形地貌的一种离散的数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径，能够将坡度变化率、坡度以及坡向等相关的地貌特征派生出来，在水利行业具有广阔的应用空间，可遍及水利行业的各个业务领域。随着不断发展起来的三维、移动和云技术以及遥感应用的深入，以及水利行业由传统水利向“智慧水利”发展的当下，其对遥感和地理信息等技术的应用需求越发强烈和迫切，DEM技术在水利应用上的深度和广度将会不断拓展延伸。