基于DEM的坡度提取與分析

劉 菊 鄭智禮 孫拖煥

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院)

高程、坡度和坡向等是土地資源小班中非常重要的地形因子，尤其是坡度的提取對(duì)林業(yè)生產(chǎn)力、水土流失、土地資源評(píng)價(jià)等的研究起著重要的作用［1，2］。傳統(tǒng)方法采用人工量取坡度級(jí)，逐個(gè)獲取小班的坡度，一是耗時(shí)長(zhǎng)，二是精度低，三是工作量過(guò)大，直接影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性和客觀性［3，4，5］，從而大大降低了工作效率。而數(shù)字高程模型(DEM)包含了大量的地形信息，是地形分析的主要數(shù)據(jù)源［6，7］。本研究擬用地理信息系統(tǒng)軟件，通過(guò)建立DEM數(shù)字高程模型進(jìn)行坡度組成的計(jì)算和分析，以期實(shí)現(xiàn)高效快速、客觀準(zhǔn)確地提取地形特征，方法簡(jiǎn)便，可滿足日常學(xué)習(xí)和工作的需要，為后續(xù)林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等涉及空間信息的研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)布置在呂梁市方山縣城關(guān)鎮(zhèn)溝不溝小流域，地理位置位于 N37°53'11″－ N37°53'44″、東經(jīng)111°14'36″－111°16'16″之間，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該流域溝壑縱橫，溝深坡陡，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，是山西省水土保持與生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。

基礎(chǔ)資料主要為研究區(qū)地形圖。此次研究采用的地形圖比例尺為1∶10 000，等高線間距為5 m。研究中首先掃描地形圖，得到光柵圖像，再進(jìn)行矢量化，得到等高線的矢量數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)方法

2.1 坡度的概念及表示方式

坡度指的是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距離的比叫做坡度或坡比。在實(shí)際應(yīng)用中，坡度有兩種表示方式:一是坡度(degree of slope)，即水平面與地形面之間的夾角;二是坡度百分比(percent slope)，即高程增量與水平增量之比的百分?jǐn)?shù)。

2.2 利用ArcGIS空間分析功能計(jì)算坡度

利用AreGIS軟件的3D功能模塊，先由等高線矢量數(shù)據(jù)生成DEM柵格，再由Slope函數(shù)提取出坡度，對(duì)坡度進(jìn)行重分類，然后對(duì)該數(shù)據(jù)層的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。具體操作流程如下。

打開Arcmap后:① 加載等高線數(shù)據(jù);② 等高線轉(zhuǎn)換為TIN。加載3D Analyst工具條，依次點(diǎn)擊3D Analyst/Create/Modify TIN(創(chuàng)建 TIN)/Create TIN from features，生成 TIN;③ 將 TIN 轉(zhuǎn)為 GRID。利用3D Analyst/Convert(轉(zhuǎn)換)/TIN to Raster，生成DEM數(shù)據(jù)(結(jié)果見(jiàn)圖1)。圖1為轉(zhuǎn)換成功后的DEM，并進(jìn)行了渲染;④ 提取坡度。運(yùn)行 Spatial Analyst/Surface Analysis(坡面分析)/Slope(坡度分析)，生成研究區(qū)的坡度柵格圖，柵格圖形中每一個(gè)點(diǎn)的像素單元值 (Pixel Value)即為該點(diǎn)的坡度值(結(jié)果見(jiàn)圖2);⑤ 坡度重分類。運(yùn)行Spatial Analyst/Reclassify(重分類)工具，生成坡度分級(jí)柵格數(shù)據(jù)圖(結(jié)果見(jiàn)圖3。④ ⑤ 過(guò)程也可以在3D Analyst工具條下完成);⑥ 坡度分類統(tǒng)計(jì)。將重分類后生成的柵格圖形屬性表導(dǎo)出為.dbf文件，通過(guò)Excel軟件進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出研究區(qū)坡度組成以及平均坡度(見(jiàn)表1)。

與傳統(tǒng)方法相比，利用ArcGIS的空間分析功能進(jìn)行研究區(qū)坡度組成情況和平均坡度的分析具有兩個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn):一是分析結(jié)果誤差較小，二是工 作效率大大提高。分析結(jié)果可滿足用戶對(duì)精度和尺度的雙重要求，減少了人為主觀因素的影響，且計(jì)算和分析的整個(gè)過(guò)程都由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，效率高、速度快、結(jié)論精確、適用性強(qiáng)。

圖1 研究區(qū)的DEM圖

圖2 研究區(qū)的坡度柵格圖

圖3 研究區(qū)的坡度重分類柵格圖

3 分析結(jié)果

將坡度按照2004年頒布實(shí)行的《國(guó)家森林資源連續(xù)清查主要技術(shù)規(guī)定》劃分標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的林地坡度分級(jí)要求，并結(jié)合各坡度級(jí)的宜林程度進(jìn)行重分類，坡度范圍分為≤5°、5°－15°、15°－25°、25°－35°、35°－45°、＞45°六個(gè)坡度級(jí) (上含下不含)，即平、緩、斜、陡、急、險(xiǎn)。研究區(qū)的平均坡度為22.86°，由此可見(jiàn)，坡度相對(duì)較大。加之黃土丘陵溝壑區(qū)特殊的黃土土質(zhì)條件，是水土流失的嚴(yán)重區(qū)域，因此，應(yīng)因地制宜，抓好退耕還林還草，植物措施與工程措施相結(jié)合，控制水土注失，改善生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

利用AreGIS軟件的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，可計(jì)算出研究區(qū)的最大、最小坡度和平均坡度，以及坡向、坡位等各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、圖形計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析、屬性和圖形數(shù)據(jù)輸出、模型應(yīng)用等功能，是地形空間環(huán)境認(rèn)知的一種重要手段。ArcGIS圖形空間疊加和分析功能，為水土保持、資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)林種植、城市規(guī)劃、災(zāi)害防治及地學(xué)研究工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值，宜于廣泛推廣。

表1 坡度組成及平均坡度計(jì)算

［1］王 勇，鄢鐵平，劉巖松.GIS在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水土保持，2005(10):35－36.

［2］杜朝正.基于ArcGIS的坡度分析［J］.資源開發(fā)與市場(chǎng)，2009，25(1):17.

［3］劉建華.如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分級(jí)圖［J］.測(cè)繪與空間地理信息.2011(1):139.

［4］韋金麗，王國(guó)波，凌子燕.基于高分辨率DEM的地形特征提取與分析［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2012(1):33.

［5］滕利強(qiáng)，王 亮.ArcGIS空間分析功能在流域坡度分析中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水土保持，2008(4):40－41.

［6］陳楠，湯國(guó)安，朱紅春.不同空間分辨率DEM提取坡度不確定性研究［J］.水土保持研究，2006，13(3):153－156.

［7］陳楠，王欽敏，湯國(guó)安.黃土丘陵溝壑區(qū)不同分辨率DEM提取坡度誤差研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，35(1):50 －53.