基于ArcGIS的三調(diào)耕地坡度分級(jí)圖制作與耕地坡度級(jí)賦值

張永洪 席夢(mèng)丹

(1.自然資源部第一航測(cè)遙感院 陜西西安 700054；2.西安航天宏圖信息技術(shù)有限公司 陜西西安 710005)

坡度分級(jí)制圖是第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查(簡(jiǎn)稱三調(diào))中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。耕地坡度級(jí)是耕地資源的重要屬性，直接關(guān)系到耕地保護(hù)政策制定、耕地生產(chǎn)能力評(píng)價(jià)等工作[1]。目前，大范圍DEM生產(chǎn)采用立體光學(xué)影像和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技術(shù)[2-5]。計(jì)算坡度主要利用DEM數(shù)據(jù)[6-7]，得到的坡度級(jí)用于構(gòu)建坡度圖數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)疊加分析將耕地坡度級(jí)賦值到耕地圖斑中[8]，以此來(lái)測(cè)算耕地有效面積和耕地質(zhì)量等級(jí)。在坡度級(jí)疊加賦值過(guò)程中，需要將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)再進(jìn)行疊加。由于坡度級(jí)柵格是隨地貌地勢(shì)而變化的，經(jīng)過(guò)矢量化后會(huì)形成不規(guī)則破碎的海量冗余圖斑，如一個(gè)縣域坡度圖圖斑數(shù)就多達(dá)30萬(wàn)，這對(duì)于疊加計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。本文針對(duì)三調(diào)專用軟件MapLand在進(jìn)行坡度級(jí)疊加賦值時(shí)存在軟件卡頓、計(jì)算緩慢和步驟煩瑣等問(wèn)題，利用ArcGIS強(qiáng)大的地理信息數(shù)據(jù)操作功能和計(jì)算功能，設(shè)計(jì)完整的三調(diào)耕地坡度分級(jí)圖制作和耕地坡度級(jí)賦值的技術(shù)流程，涉及定義投影、DEM柵格鑲嵌、坡度計(jì)算、柵格矢量化、圖斑綜合、界線平滑、拓?fù)渲亟ê蛿?shù)據(jù)栽切接邊等處理步驟，最終完成區(qū)縣級(jí)坡度分級(jí)圖矢量數(shù)據(jù)圖的制作。同時(shí)，還利用交集制表主成分分析法進(jìn)行耕地坡度級(jí)賦值，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到了最佳的參數(shù)指標(biāo)。

1 耕地坡度分級(jí)圖制作方法

首先，收集相關(guān)資料，檢查收集DEM數(shù)據(jù)坐標(biāo)系和質(zhì)量完好性，并對(duì)同源DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和鑲嵌等處理，生成覆蓋區(qū)縣域的DEM數(shù)據(jù)集。其次，逐網(wǎng)格計(jì)算坡度值，并分級(jí)計(jì)算生成柵格化坡度分級(jí)圖。為方便與三調(diào)耕地地類圖斑疊加并計(jì)算相應(yīng)圖斑的坡度級(jí)，將柵格化坡度分級(jí)圖轉(zhuǎn)化為矢量坡度分級(jí)圖，進(jìn)行剪裁處理后得到區(qū)縣級(jí)坡度分級(jí)圖。最后，根據(jù)區(qū)縣級(jí)坡度分級(jí)圖和耕地地類圖斑確定耕地坡度級(jí)。其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 耕地坡度分級(jí)圖制作技術(shù)路線

1.1 資料收集

本研究主要獲取了某區(qū)DEM、三調(diào)地類圖斑和縣級(jí)行政界線數(shù)據(jù)。其中，1∶10 000 DEM作為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)于1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)沒(méi)有覆蓋的區(qū)域，采用1∶10 000精細(xì)化DEM和1∶50 000精細(xì)化DEM作為輔助數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 DEM數(shù)據(jù)情況Tab.1 DEM Data數(shù)據(jù)類型分辨率/m圖幅/幅現(xiàn)勢(shì)性1∶10 000 DEM544十三五期間1∶10 000精細(xì)化DEM223十二五期間1∶50 000精細(xì)化DEM101

本研究區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)及城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展較快，地表變化頻繁，本次收集的DEM數(shù)據(jù)在局部區(qū)域存在偏差，因此，在具體使用時(shí)按照優(yōu)先使用現(xiàn)勢(shì)性較好的DEM和就高不就低的原則[9]。

1.2 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

針對(duì)不同源DEM數(shù)據(jù)，檢查其覆蓋范圍和數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)滿足規(guī)范要求的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使同源DEM數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與三調(diào)數(shù)據(jù)庫(kù)成果保持一致。針對(duì)同源DEM數(shù)據(jù)，重疊區(qū)域像元采用平均值鑲嵌處理。為了對(duì)DEM的取值進(jìn)行歸一化處理，在輸出時(shí)將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位柵格數(shù)據(jù)集，最終生成覆蓋區(qū)縣域的DEM數(shù)據(jù)集。

1.3 坡度分級(jí)柵格圖制作

坡度分級(jí)柵格圖的制作分為坡度計(jì)算和坡度分級(jí)。坡度取決于表面從中心像元開(kāi)始在水平方向和垂直方向上的變化率(增量)。在實(shí)際生產(chǎn)中，在ArcGIS平臺(tái)基于DEM求取坡度的擬合曲面法是求解坡度的最佳方法[7]。在3×3像元滑動(dòng)窗口(見(jiàn)圖2)中，相鄰的像元使用字母a至i表示，e表示計(jì)算坡度的像元。

圖2 3×3像元滑動(dòng)窗口

按照表2的要求，將擬合曲面法計(jì)算得到的坡度圖進(jìn)行坡度分級(jí)[9]。

表2 坡度級(jí)別代碼Tab.2 Slope Grade Code坡度分級(jí)/(°)≤22～66～1515～25>25坡度級(jí)代碼12345

1.4 坡度分級(jí)矢量化及處理

為了便于坡度分級(jí)圖與三調(diào)耕地地類圖斑進(jìn)行疊加分析并計(jì)算坡度分級(jí)圖斑面積，需要將坡度分級(jí)柵格圖矢量化。在柵格轉(zhuǎn)矢量過(guò)程中會(huì)形成零散破碎的不規(guī)則面，需要對(duì)圖斑進(jìn)一步進(jìn)行圖斑綜合、界線平滑、拓?fù)渲亟ê蛿?shù)據(jù)裁切等處理。

1.4.1 圖斑綜合

按照《利用DEM確定耕地坡度分級(jí)技術(shù)規(guī)定(試行)》的技術(shù)要求，將圖上面積小于30 mm2的坡度分級(jí)圖斑按坡度級(jí)就低不就高原則并入鄰近圖斑。在1∶10 000坡度圖上，30 mm2等于實(shí)地面積3 000 m2，對(duì)于破碎零散的耕地區(qū)域圖斑，按400 m2面積進(jìn)行綜合處理，對(duì)于其他區(qū)域圖斑，按3 000 m2面積進(jìn)行綜合[10]。計(jì)算坡度分級(jí)矢量圖的圖斑面積時(shí)，面積小于閾值的圖斑可使用ArcGIS軟件提供的消除工具，通過(guò)刪除公共邊將面積小于閾值的圖斑合并至相鄰大圖斑中。最后，利用融合工具以坡度級(jí)為融合字段處理不合理面分割。

1.4.2 界線平滑

由柵格轉(zhuǎn)為矢量的坡度等級(jí)數(shù)據(jù)中，圖斑邊線大部分為鋸齒狀，需做平滑處理。平滑處理前需將面狀地物分別轉(zhuǎn)為線要素和內(nèi)部點(diǎn)要素，點(diǎn)狀要素用于保留屬性。使用ArcGIS簡(jiǎn)化線工具在不破壞線要素或面邊界基本形狀的前提下，移除不合理的折彎和不影響面積計(jì)算的小的凹進(jìn)、凸出[11]，其效果如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化線示意圖

1.4.3 拓?fù)渲亟ㄅc接邊

使用ArcGIS要素轉(zhuǎn)面工具將平滑處理的線要素通過(guò)拓?fù)渲亟ㄖ匦聵?gòu)建面狀坡度分級(jí)圖，同時(shí)使用已轉(zhuǎn)換的內(nèi)部點(diǎn)，標(biāo)注要素屬性，進(jìn)行面要素賦值。對(duì)不規(guī)則凹邊形圖斑和轉(zhuǎn)換的內(nèi)部點(diǎn)屬性缺失造成的未賦值的面進(jìn)行檢查和修改。研究區(qū)坡度分級(jí)矢量數(shù)據(jù)分3個(gè)不同源區(qū)域進(jìn)行處理，分區(qū)處理后對(duì)坡度分級(jí)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊處理，最終形成完整覆蓋行政調(diào)查區(qū)域的坡度分級(jí)矢量數(shù)據(jù)，然后按照區(qū)縣級(jí)行政界線剪裁得到最終成果。矢量化坡度圖與耕地圖斑疊加效果如圖4所示。

圖4 矢量化坡度圖與耕地圖斑疊加

1.5 耕地地類圖斑坡度級(jí)賦值

對(duì)于三調(diào)地類圖斑的耕地坡度級(jí)別，通過(guò)疊加坡度分級(jí)矢量圖逐圖斑進(jìn)行賦值，不僅工作量大，而且非一對(duì)一映射的疊加圖斑賦值易出錯(cuò)。可以利用ArcGIS中交集制表工具的主成分分析法進(jìn)行自動(dòng)賦值，其技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 耕地坡度級(jí)賦值技術(shù)流程

首先，從地類圖斑中提取耕地?cái)?shù)據(jù)，使用ArcGIS的交集制表工具計(jì)算耕地地類圖斑和坡度分級(jí)矢量圖的交集，并對(duì)相交要素的面積、數(shù)量進(jìn)行交叉制表和匯總[12]。交集制表的具體參數(shù)如表3所示。

表3 交集制表的主要參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter Settings of the Intersection Tabulation項(xiàng) 目參 數(shù)說(shuō) 明輸入?yún)^(qū)域要素GDDLTB篩選后的耕地圖斑區(qū)域字段BSM耕地圖斑的標(biāo)識(shí)碼輸入類要素PDT坡度圖數(shù)據(jù)類字段PDJB坡度級(jí)別求和字段MJ求和圖斑內(nèi)各級(jí)別坡度的面積

然后，采用計(jì)算字段工具，將圖斑內(nèi)最大坡度級(jí)別字段的屬性賦值到地類圖斑數(shù)據(jù)中的GDPDJB(耕地坡度級(jí)別)字段中，并進(jìn)行遺漏檢查，完成耕地坡度級(jí)別賦值，最終得到耕地坡度分級(jí)圖。

2 制圖方法比對(duì)分析

本文選取一幅1∶10 000 EDM作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本文基于ArcGIS制作耕地坡度分級(jí)圖和耕地坡度級(jí)賦值與三調(diào)專用軟件MapLand在操作步驟、計(jì)算時(shí)間、耕地賦值和成果質(zhì)量方面進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在操作步驟方面，三調(diào)專用軟件MapLand操作簡(jiǎn)單、易上手，但是需要提前設(shè)置分幅和跨帶的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；本文方法在ArcGIS中操作步驟較多，作業(yè)人員要具有一定的GIS軟件操作基礎(chǔ)。在計(jì)算時(shí)間方面，本文方法明顯優(yōu)于三調(diào)專用軟件MapLand，是因?yàn)锳rcGIS軟件環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定，不易卡頓和閃退。在成果質(zhì)量方面，本文方法的查全率低于三調(diào)專用軟件MapLand，但查準(zhǔn)率卻比MapLand高出15%。在實(shí)際工作中，耕地賦值查準(zhǔn)率表示該耕地圖斑的坡度級(jí)別與坡度分級(jí)圖坡度級(jí)別的差異率，值越大則說(shuō)明賦值的有效率越高。三調(diào)專用軟件MapLand雖然查全率為100%，但查準(zhǔn)率卻只有78%，表明有很多錯(cuò)誤賦值，加大了排查的工作量。本文方法雖然查全率只有82%，但查準(zhǔn)率卻高達(dá)93%，而賦值遺漏排查相比正確賦值排查要簡(jiǎn)單、工作量小。

表4 研究方法比對(duì)分析Tab.4 Comparative Analysis of Research Methods比較項(xiàng)本文方法MapLand軟件操作步驟步驟多一鍵式處理計(jì)算時(shí)間/min2872耕地賦值/min22成果質(zhì)量查全率/%82100查準(zhǔn)率/%9378

3 結(jié) 語(yǔ)

耕地坡度級(jí)是準(zhǔn)確測(cè)算耕地凈面積、評(píng)估耕地質(zhì)量的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三調(diào)專用軟件MapLand在面向大數(shù)據(jù)量的DEM時(shí)，在柵格計(jì)算、拓?fù)錁?gòu)建處理和疊加分析方面存在不足。本文基于ArcGIS軟件設(shè)計(jì)制作三調(diào)耕地坡度分級(jí)圖和耕地坡度級(jí)賦值的技術(shù)路線，通過(guò)與MapLand的對(duì)比，設(shè)計(jì)的技術(shù)流程和參數(shù)指標(biāo)具有良好的可操作性，在計(jì)算運(yùn)行時(shí)間和耕地坡度級(jí)別賦值方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能在保證成果質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間，可供同類國(guó)土調(diào)查和土地變更調(diào)查項(xiàng)目參考。