浅谈基于Arc GIS软件的坡度图制作

2020-07-27周春峰

经纬天地 2020年2期

周春峰

（辽宁省自然资源事务服务中心-辽宁省基础测绘院,辽宁锦州 121003）

0.引言

地表面任一点的坡度（Slope）是指过该点的切平面与水平地面的夹角，表示了地表面在该点的倾斜程度[1]。坡度值的高低反映了地面的地势起伏情况，坡度值低表示地势较平坦，坡度值高则表示地势较陡峭。

耕地坡度调查是第三次国土调查的重要任务，它将在耕地保护、土地利用、耕地后备资源评价等相关管理中发挥重要作用。在耕地坡度调查中，坡度图是基础数据，然而由于本次任务时间紧，利用传统的坡度图方法已经不能满足要求，因此需要研究快速、高效的坡度图制作方法。

1.技术路线

图1 坡度图制作总体流程图

根据国家要求，本次坡度图制作任务是利用最新的1∶10000比例尺DEM数据作为基础数据源来生产坡度图数据。整体技术路线是：首先进行资料收集整理，并对收集到的DEM数据进行坐标系、完整性等检查和处理；其次以县级行政区为单位，将DEM拼接在一起，并进行坡度计算，形成坡度栅格图；然后按照规定的分级标准进行坡度分级，形成坡度分级栅格数据；在坡度分级栅格数据的基础上，进行数据矢量化生成坡度分级矢量图；然后对坡度分级矢量数据用县级界线进行裁切；最后对县级矢量坡度数据进行检查、修改，形成县级坡度分级图。（如图1所示）：

2.生产平台

本次坡度图制作时间紧、任务重，我们选择成熟的ArcGIS软件进行坡度图制作。ArcGIS是美国环境系统研究所开发的GIS软件产品，是世界上应用最广泛的GIS软件之一[2]。作为地理信息系统的领军软件，ArcGIS软件的空间分析功能非常强大，可以在ArcGIS软件中利用已有的工具对DEM数据进行处理，制作坡度图成果。

3.基于ArcGIS软件的坡度图制作

3.1 数据预处理

数据预处理主要包括对分幅DEM数据基本信息和完整性等进行检查，满足坡度图制作的完整性、统一性。

3.1.1 数据基本信息检查

包括DEM坐标系、格网大小、数据格式等基础信息。

DEM数据源坐标信息检查，对无坐标信息的DEM数据重新赋予坐标属性。

DEM数据源的格网大小检查，对格网大小不是5m的DEM数据及时汇总，重新收集。

DEM数据格式检查，对不是Grid格式的DEM数据进行转换，保持DEM数据格式一致。

3.1.2 数据完整性检查

数据完整性检查主要是检查任务区内DEM数据是否完全覆盖和DEM数据图幅间的接边检查。检查方法为：

利用ArcGIS软件将DEM数据进行合并拼接，与任务区范围对比检查DEM数据是否完整覆盖。

收集到DEM数据是分幅形式的栅格数据，通过检查镶嵌影像是否存在黑边或白边现象，判断DEM数据图幅间是否完全接边。

3.2 DEM拼接

按照县级行政区界线，筛选DEM数据并进行镶嵌拼接得到完整的县级DEM数据。根据高斯－克吕格投影划分，在辽宁省内1∶10000比例尺DEM数据共划分为三个投影带，分别是40、41、42投影带，中央经线分别为120°、123°、126°。辽宁省涉及跨带的县区，将中央经线转换成该县区制作第三次全国国土调查数据库的投影带。

3.2.1 县级DEM数据组织

按照县域范围将DEM数据分别组织存储。涉及跨带的DEM数据，以该县区制作第三次全国国土调查数据库的坐标系为参考进行转换，得到以县区为单位的统一坐标投影的DEM数据。

3.2.2 县级DEM数据拼接

在ArcGIS软件下，依次点击“数据管理工具”—“镶嵌至新栅格”，（如图2所示）。在工具里面，添加县区所有DEM数据，坐标系选择该县区制作第三次全国国土调查数据库的坐标投影。

图2 ArcGIS软件中DEM拼接

3.3 坡度计算

坡度是反映地形的重要因子，是地形描述中常用的参数，是一个具有方向与大小的矢量[3]。其坡度计算模型的选择要依据区域地形地貌因素。

根据坡度计算公式来计算每个格网的坡度值，采用拟合曲面法提取地面坡度，生成坡度栅格数据。拟合曲面法采用二次曲面，即3×3的窗口，每个栅格中心有一个高程值，在分析窗口的DEM数据矩阵中连续移动完成整个区域的计算工作[4]。（如图3所示）：

图3 DEM3×3局部移动

坡度计算模型主要有二阶差分、三阶不带权差分、三阶反距离平方权差分等[5]。DEM拼接成以县区为单元的DEM数据后，采用ArcGIS软件下计算坡度工具进行坡度（以度为单位）计算，生成坡度栅格数据图。计算模型选择三阶反距离平方权差分（Horn算法），可以满足本项目的要求，若在作业过程中出现特殊情况，根据不同区域特点用不同模型进行计算。（如表1所示）：

表1 坡度计算模型

在ArcGIS软件下：依次点击“3D Analyst工具”—“栅格表面”—“坡度”（如图4所示）：

3.4 坡度分级

坡度分级是利用ArcGIS软件对坡度栅格数据按照分级标准进行坡度分级，坡度级分为≤2°、2°－6°、6°－15°、15°－25°、＞25°（上含下不含）5个坡度级。[6]当县区所用的DEM数据包括多种数据源时，按照DEM数据源的不同分别进行坡度分级。坡度级划分（如表2所示）：

表2 坡度级划分

对生成的坡度图进行分级，用到重分类工具。具体步骤如下：

在ArcGIS软件中，在“3D Analyst”中找到“重分类”工具，进行坡度栅格数据重分类。（如图4所示）：

图4 坡度计算

图5 栅格重分类

在“重分类”工具中，根据《利用DEM确定耕地坡度分级技术规定》要求的分类级别和方法，生成1、2、3、4、5共五类坡度级别的县级坡度分级栅格数据。（如图6所示）：

3.5 坡度分级数据矢量化

利用ArcGIS软件对坡度分级栅格数据进行矢量化处理，生成坡度分级矢量数据。主要是利用ArcGIS“栅格转面”工具将坡度数据转为矢量。（如图7所示）：

图6 坡度值设置

图7 坡度栅格转矢量

3.6 坡度分级矢量数据后处理

此项处理主要是坡度矢量数据进行图斑综合、拓扑重建、数据裁切等操作。

3.6.1 图斑综合

将图上面积小于30mm2的坡度分级图斑按坡度级就低不就高原则并入邻近图斑。

（1）消除图上面积小于30mm2的所有图斑；

（2）小面积图斑合并时首先与坡度级低的邻近图斑逐级合并，如果邻近图斑的坡度级没有小于本图斑的，与坡度级高的邻近图斑逐级合并，以保证消除小面积图斑；

（3）如果小面积图斑位于界线接边处则不予处理。

3.6.2 线状图斑合并

线状坡度图斑如果宽度小于或等于1个格网，则按将其与相邻图斑合并。

3.6.3 矢量数据裁剪

利用县级界线对坡度分级矢量数据进行裁剪，生成以县为基本单位的坡度分级矢量数据。

利用ArcGIS软件的“裁剪工具”对坡度分级矢量数据进行裁剪。（如图8所示）：

图8 矢量数据裁剪

3.7 元数据制作

元数据是关于坡度图生产过程的说明，是坡度图制作不可分离的一部分，贯穿任务下发、资料收集整理、坡度图生产制作、数据检查验收和成果汇交等各个环节。

（1）元数据反映数据生产全过程，由作业员及检查员分别填写；

（2）元数据根据DEM数据源的不同进行区分；

（3）元数据中的图名、行政辖区本次内容填写空值，同时增加县级行政区划名称、县级行政区划代码字段，全面反映坡度图生产的过程。

3.8 数据接边

县级坡度矢量数据之间必须经过接边处理，包括图形接边和属性接边，接边限差不超过2个格网。接边之后坡度分级矢量数据县区之间应保证图形数据连续、光滑，不得进行硬接边，避免出现尖角现象；同时接边处应进行属性接边，确保属性信息的一致性。

3.9 数据整理

对数据进行格式转换、拓扑检查等处理，检查要素代码、数据层属性结构等是否符合要求。

坡度分级矢量数据应进行拓扑检查，避免出现图斑重叠、图斑空隙，避免出现有洞的多边形内环和外环之间共点或共线或者同一多边形多个局部顶角相交的情况。检查坡度分级矢量数据是否有多余、缺失字段；检查数据字段结构是否正确（是否为空，字段长度等）。

4.数据检查

主要采用人工检查和人机交互方式检查。利用ArcGIS软件，人工检查图上面积小于30mm2的坡度分级图斑是否按照规定的原则并入邻近图斑；人工检查线状坡度图斑宽度小于或等于1个网格尺寸的是否合并至相邻图斑中；人工检查坡度分级数据与坡度分级栅格数据空间位置偏移是否满足规定要求；检查县区间坡度分级矢量数据是否进行接边处理，接边处限差是否符合技术规定和设计要求。