基于DEM的区域地形坡度分级图制作

高一平

（太原理工大学 测绘科学与技术系，山西 太原 030024）

基于DEM的区域地形坡度分级图制作

高一平

（太原理工大学 测绘科学与技术系，山西 太原 030024）

地形坡度分级是土地管理、地理信息服务的重要内容。基于DEM数据，按照设定的坡度分级标准，探讨了地形坡度分级的数据内插、坡度分级生成分级多边形合并方法。利用SRTM数据、GIS平台，以太原市为实验样区，通过内插得到（30m×30m）数字高程模型。基于数字高程模型，提取不同分辨率的太原市地形坡度信息，以90m分辨率的坡度分级图为例，合并小图斑到相邻图斑中，完成地形坡度分级图。

SRTM；坡度分级；图斑；合并

经过半个多世纪的发展，DEM在GIS中得到广泛应用，成为地理信息系统中重要组成部分。DEM的应用主要有可视化地形图制作、数字地形分析、以及DEM与其他地理要素的数据叠加分析。DEM是地球表面地形地貌的模拟数字表达，其中地形分析是以地形数字图像资料、以及详细野外地质调查等为研究基础，进行地形地貌分析研究，主要包括高程剖面分析、坡度、坡向分析流域分析等，其实质是进行数值计算的过程。

1 试验区概况及资料

1）数据来源：本次研究的栅格高程来自于SRTM3[1]数据，该高程数据覆盖中国全境。其水平分辨率为90 m，高程基准是EGM-96的大地水准面，平面基准是WGS-84，标准绝对高程精度±16 m，绝对平面精度±20m。经太原市市区界线切割出太原市数字高程数据。

2）实验区地理位置：太原市位于山西省境中央，全市整体地形北高南低、呈簸箕形。地理坐标为东经111°30′～113°09′，北纬37°27′～38°25′，市内最高海拔为2670m，最低点为760m。太原盆地的的北端，位于华北地区黄河流域中部，西、北、东三面环山；中、南部为河谷平原区域，轮廓呈蝙蝠形东区。

2 主要的技术流程

2.1 实验区高程专题图

SRTM的原始数据即高程数据，是DEM最基本的信息，可按实验区实际，将高程分为5个级别。实验数据以原始SRTM(90 m×90 m)和通过最邻近内插方法得到(30 m×30 m)数据为例，图1和图2为高程分级结果图，其高程分级按照自然间断点分级法取整分级。

2.2 坡度计算

地面某点坡度(slope)是过该点的切平面与水平地面的夹角，是高度变化的最大值比率，是对地面倾斜程度的定量描述，它是重要的地形因子之一。常见的坡度计算方法有：空间矢量分析法、拟合平面法、曲面拟合法、直接解法等，其中为最佳的方法为曲面拟合法[2,3](窗口微分分析法)见图3，其原理是通过在3×3的DEM栅格窗口，中心像元及其相邻的八个像元的值确定水平增量(dz/dx)和垂直增量(dz/dy)。这些相邻的像元使用字母a至i标识，其中e表示当前正在计算坡向的像元。计算坡度的基本算法是:tan(p)=√（dz/dx）2+（dz/dy）2.像元e在x方向上的变化率使用以下算法计算：[dz/dx]=((c+2f+i)-（a+2d+g）/（8 *x_cellsize）.像元e在y方向上的变化率使用以下算法计算:

图1 太原市高程图(90 m×90 m)

图2 太原市高程图(30 m×30 m)

其中，dz/dx、dz/dy分别表示x，y方向的偏导数，P为坡度。坡度值越小，地形越平坦；坡度值越大，地形越陡。

图3 DEM3×3移动窗口

2.3 坡度分级方法的选择

根据不同的目的，完成坡度信息提取的基础上，进行合理的坡度分级，是完成最终的坡度专题图的又一关键。汤国安[4]对各种分级方法比较后归纳为三种：主管分级法、临界分级法、模式分级法；其中主管分析法有较强的主观性和随机性；临界分级法需要大量的实验数据基础；模式分级法中常见的有手动分类、等间距、分位数、等面积、标准差、自然断裂点等分级方法。

本次实验是以坡耕地坡度分级标准[5]为依据，将坡度范围分为五级，即小于等于2。为1级，大于2。小于等于6°为2级，大于6。小于等于15°的为3级，大于15°小于等于25°为4级，大于25°的为5级。见图4和图5。

由图4和图5看出，通过最邻近内插方法插值后生成的坡度图，其图斑的破碎程度大大增加，坡度变化的相对连续性也下降。

这是因为曲面拟合法(窗口微分分析法)是利用中心像元与周围八个像元的高程来计算坡度。分辨率高的DEM可以反映地表坡度的细微变化，分辨率低的主要是反映整体的坡度变化。

图4 坡度分级图(90m×90m)

图5 坡度分级图(30m×30m)

表1 不同分辨率的DEM生成的平均坡度

对坡度进行分级后，不可避免会出现一些破碎图斑，需对其进行处理。根据不同应用要求，设置不同阈值，只有面积达到一定阈值时才被单独提取。此次试验以90m分辨率的坡度图为例，按实地面积不小于75000m2的要求进行综合取舍，将图斑单元小于9个的图斑并入临近图斑。具体实现方法为：基于以上坡度分级图借助ArcGIS中栅格计算功能，对连通性分析后面积仍小于75 000 m2（约9个栅格像元数）融合到周围大图斑中。见图6。

图6 图斑合并后的坡度图

2.4 地形坡度分级图

ArcGIS中，完成栅格转矢量的操作后，还有可能出现碎小图斑，计算图斑面积，将小于阈值的图斑提取，利用ArcGIS中Eliminate命令，将小于75 000 m2小图斑合并在相邻面积最大的图斑中。

自动生成矢量图的过程中，图斑边界一般均存在非圆滑的折线，对制图而言，为了使区域表现更加细腻，需对图斑边界进行平滑处理。ArcGIS中基于paek算法、200 m容差限值平滑之后，平滑前后的对比图见图7。

图7 平滑前后的对比图

3 结束语

（1）利用SRTM-DEM（90 m）对太原区域地形坡度进行提取，坡度相对集中在25。以下，通过设定阈值合并碎小图斑，有效减少图斑的数量；但此次试验的基础数据为SRTM-DEM数据，其原始数据分辨率较大，存在一定的数据精度问题；若能采用数据精度较高的高程数据进行地形坡度分级，会得到更客观的成果。（2）地形坡度信息是影响地表物质流动与能量转换的规模和强度重要因素，也是制约生产力空间布局的重要因素。地形坡度信息与其他专题图进行叠加，对不同领域进行应用研究及定量化分析均有重要意义。

[1] 汪凌.美国航天飞机雷达地形测绘使命简介[J].测绘通报,2000,12(3).38-40.

[2]陈楠,王钦敏,汤国安.基于DEM的坡向提取算法对比分析[J].遥感应用,2007(1):70-75.

[3]陈楠，王钦敏，汤国安.自DEM由不同算法提取坡度的对比分析[J].测绘工程，2006，15(1)：6-9.

[4]汤国安，宋佳.基于DEM坡度图制图中坡度分级方法的比较研究[J].水土保持学报，2006，20(2)：157-192.

[5]TDT1014--2007第二次全国土地调查技术规程[S].

Regional Terrain Slope Grading Map based on the DEMData

GAO Yi-ping
(Department of Surveying and Mapping,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Terrain slope grading is essential for land management and geographic information service. Based on the DEMdata and given slope grading criteria,the paper discusses interpolation,slope grading generation,and polygons merging method.With SRTMdata and GIS platform,taking Taiyuan area as a sample,Digital Elevation Model(30m*30m)is achieved through the interpolation.On the Digital Elevation Model,terrain slope information of Taiyuan with different resolutions is extracted.Taking the slope grading map (resolution is90m)as an example,small polygons are merged with adjacent polygons so that the grading map is accomplished.

SRTM;slope grading;polygons;merge

P285

A

1672-5050（2012）09-0044-03

2012-05-20

高一平（1985—），女，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，从事空间数据采集方法和数据处理的研究工作。

刘新光