坡度統計應用地理信息技術管理探討

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1、引言

根據國家退耕還林有關政策，積極治理現有坡耕地，對25度以上的坡耕地實行有計劃地退耕還林還草，不但有利于中西部的環境保護，而且對調整農業結構、提高農民收入有積極意義。因此能否為各地、市、縣準確提供轄區內各種坡度的土地分布以及土地坡向情況，是能否客觀制定該區域農業規劃和退耕還林還草計劃的關鍵；然而傳統的手工圈繪和主觀的''''估計''''水份太多，實地丈量不但勞民傷財而且精度低下。

我區廣大的測繪工作者多年來為廣西的國民經濟建設做了大量前期性、基礎性的工作，他們測制的1：25萬、1：5萬、1：1萬的基本地形圖為解決這一難題提供了物資基礎；特別是近年來GIS（地理信息系統）技術的發展，使得這些可貴的資料在數字化處理之后日見增值，為準確、快速、低成本地獲取地表的各種統計數據提供可靠的依據。

廣西基礎地理信息中心在為區黨委、區政府制作的《廣西綜合區情地理信息系統（9202工程）》之西部大開發專題中，使用美國ESRI公司生產的GIS軟件――ARC/INFO軟件為東蘭、樂業縣制作了數字地面模型，進行三維地形表面分析和坡度量算統計，取得了準確客觀的成果。

2、工作流程

在ARC/INFO中，管理、組織、存儲數據最基本的單位是圖層（coverage），一個圖層相當于一個專題圖，包含了地物的空間位置信息和屬性信息。利用ARC/INFO進行土地坡度坡向高程的分布統計的工作流程如下：

1、利用國土資源調查結果，提取耕地信息，在ARC/INFO中生成耕地圖層，給不同耕地分類賦予不同的屬性；

2、獲取該地區的DEM數據（DEM即數字高程模型，就是在一個地區范圍內，用規則格網點的平面坐標（x,y）及其高程（z）描述地貌形態的數據集）；

3、分別生成坡度分布圖層、坡向分布圖層和高程帶分布圖層；

4、將耕地圖層與坡度圖層、坡向圖層、高程帶圖層分別疊加分析，得到耕地的坡度、坡向、高程屬性；

5、進行面積統計，疊加河流、行政區劃、道路、居民點等基礎地理信息生成專題圖。

3、坡度、坡向和高層帶分布圖生成

坡度、坡向、高程帶圖層利用ARC/INFO的TIN模塊，由DEM（數字高程模型）數據生成。

3.1DEM數據獲取：

目前常用的獲取DEM數據的方法有兩種：

用航天、航空遙感影像立體像對提取DEM；

用現有地形圖掃描數字化等高線，獲取高程數據生成DEM。

用航天、航空遙感圖像立體像對生成DEM，最大的優點是數據更新快，但購買影像費用高；用高程數據生成DEM，精度高于立體像對生成的DEM，但更新慢，周期長，僅對高程變化不大的地區適用。目前區測繪局具有的南寧市1：1000DEM數據由航空遙感影像立體像對生成；全區1：25萬、1：5萬DEM和部分地區的1：1萬DEM數據則由高程數據生成。

用ARC/INFO生成DEM的方法是：數字化地形圖，獲取高程數據，包括高程點、等高線、軟斷線（如邊界線等）、硬斷線（如河流、山脊、陡崖線等），生成TIN（不規則空間三角網，一種描述地形表面的方法），再由TIN內插成DEM。ARC/INFO軟件生成的TIN對點、軟斷線、硬斷線有不同的插值處理方法。根據筆者對ARC/INFO和國產軟件GEOTIN的對比試驗，ARC/INFO軟件生成的TIN在更大程度上擬合實際的地型，不足之處是加特征點的過程較為繁雜，生產時間較長。

3.2坡度圖、坡向圖、高層帶圖生成：

在ARC/INFO中，坡度、坡向是這樣計算的：DEM上每個格網點的坡度由相鄰8個格網點計算而成（圖1）。高程的最大變化率即為該部分表面的坡度。坡向為用于計算坡度的那條線的方向。

圖1DEM格網點坡度的計算

運用TIN模塊的分析功能可計算坡度、坡向和高程帶，使用命令的關鍵是建立好坡度、坡向、高程帶的分級定義查找表（LOOKUP-TABLE）。以坡度查找表為例，根據坡度分類的要求定義如下：

DEGREE-SLOPESLOPE-CODE2162153254905對應的坡度分類：(0°~2°)（2°~6°）（6°~15°）（15°~25°）（25°以上）

圖2為利用DEM生成的圖形

4、圖層疊加：

GIS強大的分析任務之一是將獨立的特征類型合為一個新的特種類，代表了兩個輸入要素類的合并后的情況。圖層疊加，是將土地利用圖與坡度圖、坡向圖、高層分帶圖依次疊加，可研究它們之間的共同區域。運用OVERLAYEVENTS命令可進行疊加分析。

5、面積統計：

圖層疊加后，根據各種分類條件提取耕地，可得到耕地按坡度、坡向、高程帶的分布圖，利用ARC/INFO的面積計算功能進行面積統計。

精度情況：據清華大學人居環境研究中心黨安容等人研究，經國家測繪局驗收的1：25萬的數字地圖（高程精度為25米），在用于分縣土地坡度分級計算時，最小誤差是0.9%，最大誤差為4.9%[1]，適合省級農業部門制定宏觀規劃。如果利用即將完成的全區1：5萬DEM和已經完成的1：1萬DEM（西江流域），將得到更高的精度，適合縣一級及縣以下農業部門制定本縣、本鄉的部門農業規劃。

值得注意的是，在坡度較大的地區，平面面積與三維地形表面積相差較大，筆者利用1：25萬高程數據生成的DEM計算東蘭縣平面面積為2438平方公里（國土部門公布的數據：2434平方公里[2]），曲面面積為3437平方公里，平面面積與曲面面積相差較大。東蘭地處大石山區，山嶺綿延，河谷深切，地形起伏較大，利用ARC/INFO的表面積計算功能統計面積應該更為合理。

6、輸出專題圖：

對生成的各種分布圖按照需要疊加河流、行政區劃、道路、居民點等基礎地理信息生成專題圖輸出。筆者在《廣西綜合區情地理信息系統（9202工程）》之子系統建設中，利用WebGIS將退耕還林試點縣東蘭縣、樂業縣的坡度圖制成網絡電子地圖（圖3），可供局域網上瀏覽和查詢。

圖3東蘭縣1：25萬坡度類型圖

摘要耕地的坡度、坡向、高程是決定耕地質量的重要因素，及時準確地提供坡耕地的分布情況，對于退耕還林工作的規劃是很有必要的。本文以ARC/INFO軟件為例，著重就如何在地理信息技術條件下，通過建立數字地面模型，進行地形地表分析，解決土地坡度、坡向的分布統計進行討論。

關鍵詞ARC/INFODEM（數字地面模型）土地坡度面積統計

【參考文獻】

1、黨安容毛其智王曉棟.《遙感與地理信息系統在人居環境可持續發展研究中的應用》.ARC/INFO暨ERDAS中國用戶大會論文集（2000）

2、廣西壯族自治區土地管理局.《廣西土地資源》.廣西人民出版社.2000年5月出版

3、辜寄蓉苗放朱章森.《GIS在岷江流域坡耕地分布與可持續發展研究中的應用》.ARC/INFO暨ERDAS中國用戶大會論文集（2000）