基于DEM的區(qū)域地形坡度分級(jí)圖制作

高一平

（太原理工大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系，山西 太原 030024）

基于DEM的區(qū)域地形坡度分級(jí)圖制作

高一平

（太原理工大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系，山西 太原 030024）

地形坡度分級(jí)是土地管理、地理信息服務(wù)的重要內(nèi)容。基于DEM數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，探討了地形坡度分級(jí)的數(shù)據(jù)內(nèi)插、坡度分級(jí)生成分級(jí)多邊形合并方法。利用SRTM數(shù)據(jù)、GIS平臺(tái)，以太原市為實(shí)驗(yàn)樣區(qū)，通過內(nèi)插得到（30m×30m）數(shù)字高程模型。基于數(shù)字高程模型，提取不同分辨率的太原市地形坡度信息，以90m分辨率的坡度分級(jí)圖為例，合并小圖斑到相鄰圖斑中，完成地形坡度分級(jí)圖。

SRTM；坡度分級(jí)；圖斑；合并

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，DEM在GIS中得到廣泛應(yīng)用，成為地理信息系統(tǒng)中重要組成部分。DEM的應(yīng)用主要有可視化地形圖制作、數(shù)字地形分析、以及DEM與其他地理要素的數(shù)據(jù)疊加分析。DEM是地球表面地形地貌的模擬數(shù)字表達(dá)，其中地形分析是以地形數(shù)字圖像資料、以及詳細(xì)野外地質(zhì)調(diào)查等為研究基礎(chǔ)，進(jìn)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，其實(shí)質(zhì)是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的過程。

1 試驗(yàn)區(qū)概況及資料

1）數(shù)據(jù)來源：本次研究的柵格高程來自于SRTM3[1]數(shù)據(jù)，該高程數(shù)據(jù)覆蓋中國全境。其水平分辨率為90 m，高程基準(zhǔn)是EGM-96的大地水準(zhǔn)面，平面基準(zhǔn)是WGS-84，標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)高程精度±16 m，絕對(duì)平面精度±20m。經(jīng)太原市市區(qū)界線切割出太原市數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

2）實(shí)驗(yàn)區(qū)地理位置：太原市位于山西省境中央，全市整體地形北高南低、呈簸箕形。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′，市內(nèi)最高海拔為2670m，最低點(diǎn)為760m。太原盆地的的北端，位于華北地區(qū)黃河流域中部，西、北、東三面環(huán)山；中、南部為河谷平原區(qū)域，輪廓呈蝙蝠形東區(qū)。

2 主要的技術(shù)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)高程專題圖

SRTM的原始數(shù)據(jù)即高程數(shù)據(jù)，是DEM最基本的信息，可按實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)際，將高程分為5個(gè)級(jí)別。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以原始SRTM(90 m×90 m)和通過最鄰近內(nèi)插方法得到(30 m×30 m)數(shù)據(jù)為例，圖1和圖2為高程分級(jí)結(jié)果圖，其高程分級(jí)按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法取整分級(jí)。

2.2 坡度計(jì)算

地面某點(diǎn)坡度(slope)是過該點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角，是高度變化的最大值比率，是對(duì)地面傾斜程度的定量描述，它是重要的地形因子之一。常見的坡度計(jì)算方法有：空間矢量分析法、擬合平面法、曲面擬合法、直接解法等，其中為最佳的方法為曲面擬合法[2,3](窗口微分分析法)見圖3，其原理是通過在3×3的DEM柵格窗口，中心像元及其相鄰的八個(gè)像元的值確定水平增量(dz/dx)和垂直增量(dz/dy)。這些相鄰的像元使用字母a至i標(biāo)識(shí)，其中e表示當(dāng)前正在計(jì)算坡向的像元。計(jì)算坡度的基本算法是:tan(p)=√（dz/dx）2+（dz/dy）2.像元e在x方向上的變化率使用以下算法計(jì)算：[dz/dx]=((c+2f+i)-（a+2d+g）/（8 *x_cellsize）.像元e在y方向上的變化率使用以下算法計(jì)算:

圖1 太原市高程圖(90 m×90 m)

圖2 太原市高程圖(30 m×30 m)

其中，dz/dx、dz/dy分別表示x，y方向的偏導(dǎo)數(shù)，P為坡度。坡度值越小，地形越平坦；坡度值越大，地形越陡。

圖3 DEM3×3移動(dòng)窗口

2.3 坡度分級(jí)方法的選擇

根據(jù)不同的目的，完成坡度信息提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的坡度分級(jí)，是完成最終的坡度專題圖的又一關(guān)鍵。湯國安[4]對(duì)各種分級(jí)方法比較后歸納為三種：主管分級(jí)法、臨界分級(jí)法、模式分級(jí)法；其中主管分析法有較強(qiáng)的主觀性和隨機(jī)性；臨界分級(jí)法需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；模式分級(jí)法中常見的有手動(dòng)分類、等間距、分位數(shù)、等面積、標(biāo)準(zhǔn)差、自然斷裂點(diǎn)等分級(jí)方法。

本次實(shí)驗(yàn)是以坡耕地坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]為依據(jù)，將坡度范圍分為五級(jí)，即小于等于2。為1級(jí)，大于2。小于等于6°為2級(jí)，大于6。小于等于15°的為3級(jí)，大于15°小于等于25°為4級(jí)，大于25°的為5級(jí)。見圖4和圖5。

由圖4和圖5看出，通過最鄰近內(nèi)插方法插值后生成的坡度圖，其圖斑的破碎程度大大增加，坡度變化的相對(duì)連續(xù)性也下降。

這是因?yàn)榍鏀M合法(窗口微分分析法)是利用中心像元與周圍八個(gè)像元的高程來計(jì)算坡度。分辨率高的DEM可以反映地表坡度的細(xì)微變化，分辨率低的主要是反映整體的坡度變化。

圖4 坡度分級(jí)圖(90m×90m)

圖5 坡度分級(jí)圖(30m×30m)

表1 不同分辨率的DEM生成的平均坡度

對(duì)坡度進(jìn)行分級(jí)后，不可避免會(huì)出現(xiàn)一些破碎圖斑，需對(duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)不同應(yīng)用要求，設(shè)置不同閾值，只有面積達(dá)到一定閾值時(shí)才被單獨(dú)提取。此次試驗(yàn)以90m分辨率的坡度圖為例，按實(shí)地面積不小于75000m2的要求進(jìn)行綜合取舍，將圖斑單元小于9個(gè)的圖斑并入臨近圖斑。具體實(shí)現(xiàn)方法為：基于以上坡度分級(jí)圖借助ArcGIS中柵格計(jì)算功能，對(duì)連通性分析后面積仍小于75 000 m2（約9個(gè)柵格像元數(shù)）融合到周圍大圖斑中。見圖6。

圖6 圖斑合并后的坡度圖

2.4 地形坡度分級(jí)圖

ArcGIS中，完成柵格轉(zhuǎn)矢量的操作后，還有可能出現(xiàn)碎小圖斑，計(jì)算圖斑面積，將小于閾值的圖斑提取，利用ArcGIS中Eliminate命令，將小于75 000 m2小圖斑合并在相鄰面積最大的圖斑中。

自動(dòng)生成矢量圖的過程中，圖斑邊界一般均存在非圓滑的折線，對(duì)制圖而言，為了使區(qū)域表現(xiàn)更加細(xì)膩，需對(duì)圖斑邊界進(jìn)行平滑處理。ArcGIS中基于paek算法、200 m容差限值平滑之后，平滑前后的對(duì)比圖見圖7。

圖7 平滑前后的對(duì)比圖

3 結(jié)束語

（1）利用SRTM-DEM（90 m）對(duì)太原區(qū)域地形坡度進(jìn)行提取，坡度相對(duì)集中在25。以下，通過設(shè)定閾值合并碎小圖斑，有效減少圖斑的數(shù)量；但此次試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為SRTM-DEM數(shù)據(jù)，其原始數(shù)據(jù)分辨率較大，存在一定的數(shù)據(jù)精度問題；若能采用數(shù)據(jù)精度較高的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行地形坡度分級(jí)，會(huì)得到更客觀的成果。（2）地形坡度信息是影響地表物質(zhì)流動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模和強(qiáng)度重要因素，也是制約生產(chǎn)力空間布局的重要因素。地形坡度信息與其他專題圖進(jìn)行疊加，對(duì)不同領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究及定量化分析均有重要意義。

[1] 汪凌.美國航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命簡(jiǎn)介[J].測(cè)繪通報(bào),2000,12(3).38-40.

[2]陳楠,王欽敏,湯國安.基于DEM的坡向提取算法對(duì)比分析[J].遙感應(yīng)用,2007(1):70-75.

[3]陳楠，王欽敏，湯國安.自DEM由不同算法提取坡度的對(duì)比分析[J].測(cè)繪工程，2006，15(1)：6-9.

[4]湯國安，宋佳.基于DEM坡度圖制圖中坡度分級(jí)方法的比較研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(2)：157-192.

[5]TDT1014--2007第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)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，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生，從事空間數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理的研究工作。

劉新光