基于ArcGIS的三调耕地坡度分级图制作与耕地坡度级赋值

张永洪 席梦丹

(1.自然资源部第一航测遥感院 陕西西安 700054；2.西安航天宏图信息技术有限公司 陕西西安 710005)

坡度分级制图是第三次全国国土调查(简称三调)中的一项重要内容。耕地坡度级是耕地资源的重要属性，直接关系到耕地保护政策制定、耕地生产能力评价等工作[1]。目前，大范围DEM生产采用立体光学影像和合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术[2-5]。计算坡度主要利用DEM数据[6-7]，得到的坡度级用于构建坡度图数据库，并通过叠加分析将耕地坡度级赋值到耕地图斑中[8]，以此来测算耕地有效面积和耕地质量等级。在坡度级叠加赋值过程中，需要将栅格数据转换为矢量数据再进行叠加。由于坡度级栅格是随地貌地势而变化的，经过矢量化后会形成不规则破碎的海量冗余图斑，如一个县域坡度图图斑数就多达30万，这对于叠加计算和数据存储来说具有挑战性。本文针对三调专用软件MapLand在进行坡度级叠加赋值时存在软件卡顿、计算缓慢和步骤烦琐等问题，利用ArcGIS强大的地理信息数据操作功能和计算功能，设计完整的三调耕地坡度分级图制作和耕地坡度级赋值的技术流程，涉及定义投影、DEM栅格镶嵌、坡度计算、栅格矢量化、图斑综合、界线平滑、拓扑重建和数据栽切接边等处理步骤，最终完成区县级坡度分级图矢量数据图的制作。同时，还利用交集制表主成分分析法进行耕地坡度级赋值，经过试验得到了最佳的参数指标。

1 耕地坡度分级图制作方法

首先，收集相关资料，检查收集DEM数据坐标系和质量完好性，并对同源DEM数据进行坐标系转换和镶嵌等处理，生成覆盖区县域的DEM数据集。其次，逐网格计算坡度值，并分级计算生成栅格化坡度分级图。为方便与三调耕地地类图斑叠加并计算相应图斑的坡度级，将栅格化坡度分级图转化为矢量坡度分级图，进行剪裁处理后得到区县级坡度分级图。最后，根据区县级坡度分级图和耕地地类图斑确定耕地坡度级。其技术路线如图1所示。

图1 耕地坡度分级图制作技术路线

1.1 资料收集

本研究主要获取了某区DEM、三调地类图斑和县级行政界线数据。其中，1∶10 000 DEM作为主要数据源，对于1∶10 000 DEM数据没有覆盖的区域，采用1∶10 000精细化DEM和1∶50 000精细化DEM作为辅助数据。DEM数据情况如表1所示。

表1 DEM数据情况Tab.1 DEM Data数据类型分辨率/m图幅/幅现势性1∶10 000 DEM544十三五期间1∶10 000精细化DEM223十二五期间1∶50 000精细化DEM101

本研究区的基础建设及城乡建设发展较快，地表变化频繁，本次收集的DEM数据在局部区域存在偏差，因此，在具体使用时按照优先使用现势性较好的DEM和就高不就低的原则[9]。

1.2 DEM数据预处理

针对不同源DEM数据，检查其覆盖范围和数据质量，对满足规范要求的DEM数据进行坐标系转换，使同源DEM数据的数学基础与三调数据库成果保持一致。针对同源DEM数据，重叠区域像元采用平均值镶嵌处理。为了对DEM的取值进行归一化处理，在输出时将DEM数据转换为8位栅格数据集，最终生成覆盖区县域的DEM数据集。

1.3 坡度分级栅格图制作

坡度分级栅格图的制作分为坡度计算和坡度分级。坡度取决于表面从中心像元开始在水平方向和垂直方向上的变化率(增量)。在实际生产中，在ArcGIS平台基于DEM求取坡度的拟合曲面法是求解坡度的最佳方法[7]。在3×3像元滑动窗口(见图2)中，相邻的像元使用字母a至i表示，e表示计算坡度的像元。

图2 3×3像元滑动窗口

按照表2的要求，将拟合曲面法计算得到的坡度图进行坡度分级[9]。

表2 坡度级别代码Tab.2 Slope Grade Code坡度分级/(°)≤22～66～1515～25>25坡度级代码12345

1.4 坡度分级矢量化及处理

为了便于坡度分级图与三调耕地地类图斑进行叠加分析并计算坡度分级图斑面积，需要将坡度分级栅格图矢量化。在栅格转矢量过程中会形成零散破碎的不规则面，需要对图斑进一步进行图斑综合、界线平滑、拓扑重建和数据裁切等处理。

1.4.1 图斑综合

按照《利用DEM确定耕地坡度分级技术规定(试行)》的技术要求，将图上面积小于30 mm2的坡度分级图斑按坡度级就低不就高原则并入邻近图斑。在1∶10 000坡度图上，30 mm2等于实地面积3 000 m2，对于破碎零散的耕地区域图斑，按400 m2面积进行综合处理，对于其他区域图斑，按3 000 m2面积进行综合[10]。计算坡度分级矢量图的图斑面积时，面积小于阈值的图斑可使用ArcGIS软件提供的消除工具，通过删除公共边将面积小于阈值的图斑合并至相邻大图斑中。最后，利用融合工具以坡度级为融合字段处理不合理面分割。

1.4.2 界线平滑

由栅格转为矢量的坡度等级数据中，图斑边线大部分为锯齿状，需做平滑处理。平滑处理前需将面状地物分别转为线要素和内部点要素，点状要素用于保留属性。使用ArcGIS简化线工具在不破坏线要素或面边界基本形状的前提下，移除不合理的折弯和不影响面积计算的小的凹进、凸出[11]，其效果如图3所示。

图3 简化线示意图

1.4.3 拓扑重建与接边

使用ArcGIS要素转面工具将平滑处理的线要素通过拓扑重建重新构建面状坡度分级图，同时使用已转换的内部点，标注要素属性，进行面要素赋值。对不规则凹边形图斑和转换的内部点属性缺失造成的未赋值的面进行检查和修改。研究区坡度分级矢量数据分3个不同源区域进行处理，分区处理后对坡度分级矢量数据进行接边处理，最终形成完整覆盖行政调查区域的坡度分级矢量数据，然后按照区县级行政界线剪裁得到最终成果。矢量化坡度图与耕地图斑叠加效果如图4所示。

图4 矢量化坡度图与耕地图斑叠加

1.5 耕地地类图斑坡度级赋值

对于三调地类图斑的耕地坡度级别，通过叠加坡度分级矢量图逐图斑进行赋值，不仅工作量大，而且非一对一映射的叠加图斑赋值易出错。可以利用ArcGIS中交集制表工具的主成分分析法进行自动赋值，其技术流程如图5所示。

图5 耕地坡度级赋值技术流程

首先，从地类图斑中提取耕地数据，使用ArcGIS的交集制表工具计算耕地地类图斑和坡度分级矢量图的交集，并对相交要素的面积、数量进行交叉制表和汇总[12]。交集制表的具体参数如表3所示。

表3 交集制表的主要参数设置Tab.3 Parameter Settings of the Intersection Tabulation项 目参 数说 明输入区域要素GDDLTB筛选后的耕地图斑区域字段BSM耕地图斑的标识码输入类要素PDT坡度图数据类字段PDJB坡度级别求和字段MJ求和图斑内各级别坡度的面积

然后，采用计算字段工具，将图斑内最大坡度级别字段的属性赋值到地类图斑数据中的GDPDJB(耕地坡度级别)字段中，并进行遗漏检查，完成耕地坡度级别赋值，最终得到耕地坡度分级图。

2 制图方法比对分析

本文选取一幅1∶10 000 EDM作为试验数据，对本文基于ArcGIS制作耕地坡度分级图和耕地坡度级赋值与三调专用软件MapLand在操作步骤、计算时间、耕地赋值和成果质量方面进行比对，结果如表4所示。

由表4可知，在操作步骤方面，三调专用软件MapLand操作简单、易上手，但是需要提前设置分幅和跨带的数字高程模型数据的坐标；本文方法在ArcGIS中操作步骤较多，作业人员要具有一定的GIS软件操作基础。在计算时间方面，本文方法明显优于三调专用软件MapLand，是因为ArcGIS软件环境运行稳定，不易卡顿和闪退。在成果质量方面，本文方法的查全率低于三调专用软件MapLand，但查准率却比MapLand高出15%。在实际工作中，耕地赋值查准率表示该耕地图斑的坡度级别与坡度分级图坡度级别的差异率，值越大则说明赋值的有效率越高。三调专用软件MapLand虽然查全率为100%，但查准率却只有78%，表明有很多错误赋值，加大了排查的工作量。本文方法虽然查全率只有82%，但查准率却高达93%，而赋值遗漏排查相比正确赋值排查要简单、工作量小。

表4 研究方法比对分析Tab.4 Comparative Analysis of Research Methods比较项本文方法MapLand软件操作步骤步骤多一键式处理计算时间/min2872耕地赋值/min22成果质量查全率/%82100查准率/%9378

3 结 语

耕地坡度级是准确测算耕地净面积、评估耕地质量的重要基础数据。三调专用软件MapLand在面向大数据量的DEM时，在栅格计算、拓扑构建处理和叠加分析方面存在不足。本文基于ArcGIS软件设计制作三调耕地坡度分级图和耕地坡度级赋值的技术路线，通过与MapLand的对比，设计的技术流程和参数指标具有良好的可操作性，在计算运行时间和耕地坡度级别赋值方面具有明显优势，能在保证成果质量的同时节省数据处理时间，可供同类国土调查和土地变更调查项目参考。