基于DEM的坡度提取与分析

刘 菊 郑智礼 孙拖焕

(山西省林业科学研究院)

高程、坡度和坡向等是土地资源小班中非常重要的地形因子，尤其是坡度的提取对林业生产力、水土流失、土地资源评价等的研究起着重要的作用［1，2］。传统方法采用人工量取坡度级，逐个获取小班的坡度，一是耗时长，二是精度低，三是工作量过大，直接影响数据的真实性和客观性［3，4，5］，从而大大降低了工作效率。而数字高程模型(DEM)包含了大量的地形信息，是地形分析的主要数据源［6，7］。本研究拟用地理信息系统软件，通过建立DEM数字高程模型进行坡度组成的计算和分析，以期实现高效快速、客观准确地提取地形特征，方法简便，可满足日常学习和工作的需要，为后续林业、农业、环保等涉及空间信息的研究奠定基础。

1 研究区域与数据

试验区布置在吕梁市方山县城关镇沟不沟小流域，地理位置位于 N37°53'11″－ N37°53'44″、东经111°14'36″－111°16'16″之间，属典型的黄土丘陵沟壑区。该流域沟壑纵横，沟深坡陡，植被稀疏，水土流失严重，是山西省水土保持与生态建设的重点区域。

基础资料主要为研究区地形图。此次研究采用的地形图比例尺为1∶10 000，等高线间距为5 m。研究中首先扫描地形图，得到光栅图像，再进行矢量化，得到等高线的矢量数据。

2 技术方法

2.1 坡度的概念及表示方式

坡度指的是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离的比叫做坡度或坡比。在实际应用中，坡度有两种表示方式:一是坡度(degree of slope)，即水平面与地形面之间的夹角;二是坡度百分比(percent slope)，即高程增量与水平增量之比的百分数。

2.2 利用ArcGIS空间分析功能计算坡度

利用AreGIS软件的3D功能模块，先由等高线矢量数据生成DEM栅格，再由Slope函数提取出坡度，对坡度进行重分类，然后对该数据层的属性数据进行统计和分析。具体操作流程如下。

打开Arcmap后:① 加载等高线数据;② 等高线转换为TIN。加载3D Analyst工具条，依次点击3D Analyst/Create/Modify TIN(创建 TIN)/Create TIN from features，生成 TIN;③ 将 TIN 转为 GRID。利用3D Analyst/Convert(转换)/TIN to Raster，生成DEM数据(结果见图1)。图1为转换成功后的DEM，并进行了渲染;④ 提取坡度。运行 Spatial Analyst/Surface Analysis(坡面分析)/Slope(坡度分析)，生成研究区的坡度栅格图，栅格图形中每一个点的像素单元值 (Pixel Value)即为该点的坡度值(结果见图2);⑤ 坡度重分类。运行Spatial Analyst/Reclassify(重分类)工具，生成坡度分级栅格数据图(结果见图3。④ ⑤ 过程也可以在3D Analyst工具条下完成);⑥ 坡度分类统计。将重分类后生成的栅格图形属性表导出为.dbf文件，通过Excel软件进行汇总和统计，计算出研究区坡度组成以及平均坡度(见表1)。

与传统方法相比，利用ArcGIS的空间分析功能进行研究区坡度组成情况和平均坡度的分析具有两个明显优点:一是分析结果误差较小，二是工 作效率大大提高。分析结果可满足用户对精度和尺度的双重要求，减少了人为主观因素的影响，且计算和分析的整个过程都由计算机来处理，效率高、速度快、结论精确、适用性强。

图1 研究区的DEM图

图2 研究区的坡度栅格图

图3 研究区的坡度重分类栅格图

3 分析结果

将坡度按照2004年颁布实行的《国家森林资源连续清查主要技术规定》划分标准中规定的林地坡度分级要求，并结合各坡度级的宜林程度进行重分类，坡度范围分为≤5°、5°－15°、15°－25°、25°－35°、35°－45°、＞45°六个坡度级 (上含下不含)，即平、缓、斜、陡、急、险。研究区的平均坡度为22.86°，由此可见，坡度相对较大。加之黄土丘陵沟壑区特殊的黄土土质条件，是水土流失的严重区域，因此，应因地制宜，抓好退耕还林还草，植物措施与工程措施相结合，控制水土注失，改善生态环境。

4 结语

利用AreGIS软件的数据处理和空间分析功能，可计算出研究区的最大、最小坡度和平均坡度，以及坡向、坡位等各项属性数据。该项技术具有数据存储、查询、图形计算、统计分析、属性和图形数据输出、模型应用等功能，是地形空间环境认知的一种重要手段。ArcGIS图形空间叠加和分析功能，为水土保持、资源调查、环境保护、农林种植、城市规划、灾害防治及地学研究工作提供了基础数据，具有重要的应用研究价值，宜于广泛推广。

表1 坡度组成及平均坡度计算

［1］王 勇，鄢铁平，刘岩松.GIS在水土保持规划设计中的应用［J］.中国水土保持，2005(10):35－36.

［2］杜朝正.基于ArcGIS的坡度分析［J］.资源开发与市场，2009，25(1):17.

［3］刘建华.如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分级图［J］.测绘与空间地理信息.2011(1):139.

［4］韦金丽，王国波，凌子燕.基于高分辨率DEM的地形特征提取与分析［J］.测绘与空间地理信息，2012(1):33.

［5］滕利强，王 亮.ArcGIS空间分析功能在流域坡度分析中的应用［J］.中国水土保持，2008(4):40－41.

［6］陈楠，汤国安，朱红春.不同空间分辨率DEM提取坡度不确定性研究［J］.水土保持研究，2006，13(3):153－156.

［7］陈楠，王钦敏，汤国安.黄土丘陵沟壑区不同分辨率DEM提取坡度误差研究［J］.福州大学学报(自然科学版)，2007，35(1):50 －53.