基于Arc Map邊坡單元劃分及屬性賦值研究

黃佳璇 杜偉超 謝謨文

（1.北京科技大學土木與環境工程學院 北京100083；2.61206部隊 遼寧大連116023）

1 引言

邊坡的穩定性分析［1］具有十分重要的現實意義，與人民的生命財產安全息息相關。邊坡的形成與地形有著密切的聯系，通過分析邊坡地形的屬性對邊坡穩定性分析有著至關重要的作用。目前，GIS技術已成為邊坡穩定性分析的一個重要的空間數據工具［2］。數字高程模型（DEM）被廣泛應用于遙感技術中，是數字地形模型（DTM）的一個分支［3］。DEM是將連續的地表標高用均勻分布的微小柵格單元來表示，一個柵格代表一個標高值，即在柵格范圍內用一個正方形平面代表一塊地表面。當柵格單元足夠小時，這種柵格數據形式即可代表復雜的連續地表形變。然而這種均勻的網絡單元與實際的邊坡破壞單元及力學機制無任何聯系。因此，以邊坡單元為研究對象是合理的，更符合實際的破壞形式且與地形有著密切的關系［4］。如何準確的根據地形數據劃分出邊坡單元并對邊坡單元屬性進行有效賦值是至關重要。本文通過Arc Map軟件對邊坡單元進行了劃分［5］，且對邊坡單元屬性賦值采用了改進方法，使得邊坡單元各屬性值的精度有了很大的提升。

2 邊坡單元劃分步驟

邊坡單元定義為一塊與鄰近區域具有明顯不同地形特征的區域，而地形的形成本身反映了地質條件及水文地質條件的長期作用效果。因此，選取邊坡單元為分區單元是合理的，且符合實際的地質條件。從地形視覺上看，邊坡單元可以用特征地形線進行劃分。本文采用山脊線和匯水線來劃分，即一個匯水區的左右兩側各為一個邊坡單元。基于Arc Map軟件水文分析（Hydrology）模塊的具體劃分流程如圖1所示，并對每一步進行了詳細闡述。

（1）匯水線提取：對DEM柵格數據插值誤差引起的標高極低的孤立柵格單元進行標高填充處理。利用Arc Map軟件Hydrology模塊的fill sinks功能進行DEM的填洼處理。利用Flow direction功能，根據相鄰柵格單元地形標高的大小提取出水流的流向，水流總是從地形高處向地形低處流動。最后用Flow accumulation功能，通過設置不同精度的水流匯集量得到不同精度的匯水線。

（2）山脊線提取：為了得到谷底線，通過對DEM的反向處理得到一個與原地形相反的地形數據。在反向DEM中，原DEM的匯水線即為反向DEM的山脊線。該計算公式為：

R-DEM=DEM×（-1）+DEMmax

最后，采用與匯水線一樣的方式提取出山脊線。

（3）融合：通過對匯水線和山脊線數據集的聯合運算，便可得到邊坡單元數據集。但在此聯合運算過程中會得到很多面積很小的多邊形元素。本文運用Arc Map的Smoth功能，通過設置不同的參數大小，消除這些不合理的多邊形元素。最終得到與實際地形相吻合的邊坡單元。

本文以某邊坡為例，通過上述邊坡單元劃分方法得到該邊坡的邊坡單元劃分結果圖，如圖2所示。

3 邊坡單元屬性賦值

由于DEM是由柵格單元組成的，而邊坡單元是一個個不規則的多邊形。因此，在邊坡單元的邊緣柵格單元會被分解到兩個不同的邊坡單元中，這樣不利于邊坡單元的屬性提取與研究，大大的影響了邊坡單元屬性值的精度。以往的研究往往忽視和這些邊緣柵格單元劃分對邊坡單元的影響［6］。

對該邊坡利用Arc Map軟件的柵格轉點（raster to point）功能，輸入DEM 影像，就可將DEM中的柵格單元轉變成點單元，而每個點單元只會屬于某一個邊坡單元（如圖3）。將同一個邊坡單元內的點單元賦予同一ID，并提取出每個相同ID的坡度值，坡向值和標高等屬性。通過對一個邊坡單元內所有點單元屬性值的統計分析，得到該邊坡單元的屬性值。該方法可以提高邊坡單元屬性的計算精度，從而提高邊坡穩定性監測精度。

4 結論

本文詳細敘述了利用Arc Map軟件劃分邊坡單元的方法及過程，并以某邊坡為例對該方法進行了實際操作，得到了該邊坡的邊坡單元。同時，更大發揮了Arc Map軟件工具的功能，通過將DEM的柵格單元轉化成點單元的方法，有效降低了由于劃分柵格單元而引起的屬性值誤差。