基于ArcGIS平台的坡度分级图快速制作

刘海飞 杨敏华 周 军 钟耀武

(1．湖南省第三测绘院，湖南长沙 410007;2．中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)

0 引言

坡度作为重要的地形定量指标，是土地利用分析的主要技术指标，耕地坡度更是实施耕地保护、退耕还林的重要依据。在第一次全国土地调查中，耕地坡度采用人工量取，逐个图斑获取的方式进行，这种方法获取坡度数据工作量巨大，而且数据不准，直接影响数据的真实性和客观性，工作效率低下［1］。根据全国第二次土地调查有关文件精神和湖南省第二次土地调查工作的统一部署，坡度分级图制作被列为全省第二次土地调查工作任务之一。坡度分级图制作采用数字高程模型(DEM)作为数据源，计算坡度数据，再将坡度数据进行分级，制作坡度分级图。在此基础上，叠加土地利用现状图，采用自动量算方法确定耕地的坡度等级。湖南省第三测绘院受省第二次土地调查工作领导小组办公室的委托，承担湖南省第二次土地调查坡度分级图制作工作。笔者作为该项目主要技术负责人，承担了该项目的具体实施。该项目采用ESRI公司的ArcGIS9．2为平台，依托平台便捷的开发功能以及快速的处理功能，以1∶1万以及1∶5万DEM为数据源，制作坡度分级图，为第二次土地调查耕地坡度赋值提供坡度分级数据。

1 项目内容

将全省范围内DEM数据进行精度、现势性、完整性等检查修改和格式转换，通过分析计算得到坡度信息，在坡度计算的基础上按照湖南省第二次土地调查所规定的坡度分级标准进行坡度分级，最终提供给建库单位以行政区域为单元和1∶1万标准分幅形式的坡度分级图。

2 技术线路

收集和分析全省范围内的1∶5万和1∶1万DEM数据，针对DEM数据进行精度、现势性、完整性等检查和格式转换，应用ERDAS Imagine软件进行DEM数据拼接，利用AcrGIS平台开发相应的坡度计算功能进行坡度计算。按照湖南省第二次土地调查所规定的坡度分级标准进行坡度分级。在坡度分级的基础上，应用ArcGIS软件数据格式转换功能生成矢量坡度分级图，计算图斑面积。应用ArcGIS数据裁切功能，用标准分幅图廓和县级行政界线分别对该坡度分级图进行裁切，对裁切后的数据进行检查、整理，对矢量分级图进行数据编辑处理，生成1∶1万标准分幅和县域范围的坡度分级图。作业流程如图1所示。

图1 坡度图制作流程

3 数据预处理

3．1 DEM 选择

精度要求较高的耕地坡度分析最好以1∶1万DEM为数据源，即使是用计曲线内插的，其结果精度也高于以1∶5万DEM为数据源的结果精度。但以1∶5万DEM为数据源的耕地坡度分析效率(益)较高［2］。根据湖南省丘陵与山地分布较广的地貌特点以及已有DEM数据情况，具备1∶1万DEM数据的地区采用1∶1万DEM数据作为数据源，不具备1∶1万DEM数据的地区则采用1∶5万DEM数据作为数据源。

3．2 精度检查

DEM存储平面坐标和高程两种数据，数据精度包括平面精度和高程精度。数据精度检查主要判断DEM是否达到国家测绘部门制定的相关测绘标准和规范。主要评价标准为1∶1万，1∶5万数字高程模型(DEM)产品检测与评价(见表1，表2)。

表1 1∶1万DEM精度指标

表2 1∶5万DEM精度指标

高程精度检查:晕渲检查:对DEM采用灰度、单彩色、彩色、等高距四种形式显示，从显示的图像或图形中检查有无高程异常(灰度突变点)，有则可能存在粗差。

3．3 DEM数据预处理

坐标转换:采用ArcGIS坐标转换功能将坐标统一转换为1980西安坐标系。

格式转换:现有DEM数据存在多种形式，主要有bil格式，grid格式。采用ArcGIS数据格式转换功能统一转换为grid格式。

4 DEM数据拼接

以DEM为数据源的耕地坡度图制作，应采用拼接成调查区全域的DEM［2］，湖南省第二次土地调查县级行政区界线采用省第二次土地调查办公室统一制作并下发的县级行政区界线。采用ERDAS Imagine将县级行政区域内的标准分幅DEM数据拼接成全域的DEM数据，如图2所示。

5 坡度计算

5．1 坡度模型

坡度计算公式:

图2 拼接后的县域DEM

图3 DEM 3×3局部移动窗口

表3 坡度计算模型

5．2 坡度计算模型功能开发

ArcGIS软件自带的坡度计算功能，其坡度计算模型为表3中的三阶反距离平方权差分(Horn算法)，根据湖南省的地貌特点，湖南省第二次土地调查坡度计算模型采用三阶反距离权差分模型。笔者根据要求，在ArcMap的VBA环境中编程，开发了相应的坡度计算功能模块，并开发了1∶1万标准图廓生成以及DEM检测功能模块。

5．2．1 开发环境

ArcMap是ArcGIS家族的成员之一，它内置了一种集成编程环境VBA(Visual Basic for Applications)。通过VBA编程，不但可以扩展ArcMap的菜单、工具条等，而且可以完成大多数用户的特定需求。ArcMap中VBA编程的方法有两种，一种是写VBA宏，另一种是创建UIControl并在其事件中写入实现用户需求的代码。本次功能开发采用第二种编程方式，软件版本为ArcGIS9．2。

5．2．2 主要步骤

1)启动 ArcMap，切换到“Customize”对话框的“Commands”页，选中“UIControls”后点击 ＜New UIControl＞按钮，进入“New UIControl”对话框。2)在“New UIControl”对话框中，选择 UIControl类型，创建UIControl并进入VBA编辑器，在UIControl的事件中进行VBA编程。3)UIControl事件编程完成后，在“Customize”对话框选中UIControl并将其拖置到任意工具条上，便可像使用系统已有的Control一样使用所创建的UIControl。

6 坡度分级图制作

6．1 坡度分级

通过DEM拼接成以县为单元的全域DEM后，进行坡度计算，生成栅格数据的县域坡度图，应用ArcToolbox工具箱中的Reclass功能对栅格坡度数据按照《第二次全国土地调查技术规程》中所规定的耕地坡度分级标准进行坡度分级，生成栅格形式的坡度分级数据。根据技术规程的要求，耕地坡度分5个坡度级(上含下不含)，坡度不大于2°的视为平地，其他分为梯田和坡地两类。耕地坡度分级如表4所示。

表4 耕地坡度分级表

6．2 分级数据矢量化

采用ArcGISToolbox工具箱中的Raster to polygon工具将栅格坡度分级数据进行矢量化，生成矢量坡度分级数据，再对矢量化数据进行图斑综合、界线平滑、拓扑重建、数据裁切等处理，生成矢量坡度分级图。

6．3 标准分幅坡度分级图快速处理

为便于与1∶1万标准分幅形式的土地利用数据进行叠加分析，提取耕地坡度等级数据，按照省第二次土地调查工作领导办公室的要求，需要将县域坡度分级数据裁切成1∶1万标准分幅形式的坡度分级矢量数据。湖南省共有126个县级行政单位，涉及1∶1万标准分幅数据8 000多幅，若全部采用人工逐幅去裁切，不但费时，而且精度难以保证。笔者经过试验发现，ArcGIS的地理处理对象(Geoprocessing)与自带脚本语言Python组合使用能够快速进行模型搭建，并进行自动化处理。Geoprocessing是ArcGIS自带的一种非常方便实用的工具，它可以利用ArcToolbox中的各种工具为我们的地理空间工作流进行框架建模，自动执行空间分析与处理。ArcGIS内嵌的脚本语言Python，作为Geoprocessing的首选脚本编程语言，能够方便地调用作为COM对象的GP(Georocessing的主对象)，将ArcGIS众多分析工具集成到应用中。

笔者通过自主开发的1∶1万标准图廓程序批量生成县域内1∶1万标准分幅图廓，并进行一定距离的外扩。通过Python语言调用相应的地理处理模块，快速地构建具有强大地理处理功能的批处理功能模块。

图4 县域坡度分级图

图5 标准分幅坡度分级图

7 处理效率及成果

利用开发出来的具有坡度计算、1∶1万标准图廓生成、DEM数据检测功能的模块、Python脚本语言调用Geoprocessing地理处理对象搭建的批处理模型，笔者一人利用3台机器，历时一个月即完成了全省126个县级单位的坡度分级图以及全省8 000多幅1∶1万标准分幅形式的坡度分级图的制作。图4为县域坡度分级图，图5为1∶1万标准分幅坡度分级图。

8 结语

全国第一次土地调查工作从1984年5月开始，一直延续到1996年年底才结束，历时12年之久，第二次土地调查从2007年7月1日起，到2009年上半年即全部完成，历时不到两年时间。两次调查时间跨度的巨大差异，充分反映了计算机技术在土地管理工作中所发挥的巨大作用。本文以第二次土地调查中坡度分级图的制作为例，介绍了一种利用计算机技术结合ArcGIS平台，采用DEM进行坡度计算，并生成坡度分级图的方法。在制作过程中，充分利用ArcGIS平台自带的编程功能以及地理处理功能将大量复杂的坡度等级量算及裁切工作自动化处理，不但提高了调查工作效率，节省了人力和物力，同时探索出了一种应用DEM进行大面积范围内坡度分级图制作的解决方案。

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