森林资源二类调查小班坡度自动求算方法的探讨

陈建义 郑云峰 卢卫峰

（国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310019）

森林资源二类调查小班坡度自动求算方法的探讨

陈建义 郑云峰 卢卫峰

（国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310019）

在森林资源规划设计调查（以下简称二类调查）中小班坡度调查是地形调查的一项十分重要内容。用传统的坡度计算采用手工操作完成，计算小班坡度存在主观随意性强，误差大，工作量大、时间周期长、效率低等缺点，难以满足二类调查的要求。文章探讨了基于ArcGIS软件的空间分析功能由矢量等高线内插生成数字高程模型（DEM），再以DEM为基础获取坡度栅格数据，最后将坡度自动写入小班属性库的方法和步骤。

ArcGIS；小班坡度；二类调查

坡度(Slope)是表示地表斜面对水平面的倾斜程度，它以其值的大小间接地表示地形的起伏形态，坡度作为地形的一个特征信息在林业、水利、土地规划和工程设计等方面有着极其重要的意义[1]。

小班平均坡度是森林资源二类调查中的一项重要因子, 它是反映小班的地表形态，小班立地质量，生产作业条件及水土流失的重要指标之一，也是林木采伐首先要考虑的因素之一。《福建省森林采伐技术规范》规定：主伐皆伐面积大小要依地形地貌而定，小班坡度不大于5°时，皆伐面积不大于30hm；坡度6-15 °时，皆伐面积不大于20hm；坡度16-25°时，皆伐面积不大于10hm；坡度26-35°时，皆伐面积不大于5hm；超过35°的，不得进行皆伐。

1 获取小班坡度的传统方法及其缺点

在以往二类调查中，获取小班坡度的方法主要有两种：一是小班坡度的获取是通过纸质地形图量测得出的。在二类数据库完成后，利用地形图中的等高线要素与二类小班相结合，量测小班等高线的水平距离和高程差，然后利用反三角函数公式α(坡度)=arctan (高程差/水平距离) 计算出小班坡度；二是外业实地量测小班坡度。利用坡度仪或者手持罗盘仪实地量测小班的平均坡度。

利用传统方法获取二类小班坡度虽然很直观，但由于获取的小班坡度基本上用手工操作完成，工作效率低；由于依靠调查人员的水平与经验,，带有一定的主观性及随意性，受人为因素影响大，数据不准确，难以满足二类调查的要求。因此，突破传统方法，寻找新技术、新方法求算二类小班坡度已经迫在眉睫。

2 自动获取小班坡度的技术路线及方法

2.1 技术路线

收集试验区1∶10000矢量地形图，在ArcGIS中应用等高线内插生成的DEM数据，用试验区界线对生成的DEM数据进行裁剪，除去区域以外的数据，用Slope函数生成坡度栅格图，与二类矢量小班进行分类区统计(Zonal Statistics)生成小班坡度表，最后通过建立属性连接，将小班坡度写入小班属性库中，完成小班坡度的自动提取工作。作业流程如图1。

图1 二类小班坡度提取流程图

2.2 坡度算法简介及模型的选择

地面某点的坡度(Slope)是过该点的切平面与水平地面的夹角, 是高度的变化的最大值比率, 表示了地表面在该点的倾斜程度。地面坡度实质是一个微分的概念, 地面每一点都有坡度, 而不是一个面上的概念[2]。坡度是通过计算中心格网点与8个邻域格网点高程的最大变化率来得到的，坡度计算公式：

其中：57.29578 =180/3.1415926

图2 DEM 3×3 局部移动窗口

图1中G表示DEM格网尺寸，ei（i=1，2，3，4，5，6，7，8）分别表示中心点e 周围格网点的高程。坡度的计算一般使用3 × 3局部移动窗口。坡度计算模型主要有二阶差分、三阶不带权差分( Sharpnack算法) 、三阶反距离平方权差分( Horn 算法) 、三阶反距离权差分Frame差分和简单差分等6种计算模型(见表1)。

表1 坡度计算模型

根据Skidmore用澳大利亚地形对6种算法做过比较, 认为Horn算法、Sharpnack和Akin算法在估计坡度和坡向上精度最佳, 三阶差分系列坡度算法精度高于二阶差分算法[3]。三阶反距离平方权差分对各种地区类型的数据计算坡度坡向都是适用的[4]。ArcGIS软件中坡度算法采用三阶反距离平方权差分，所以本次试验采用Horn算法作为坡度计算模型。

3 技术流程

3.1 试验区数据

所选试验区位于福建省将乐县境内。收集试验区1∶10000矢量地形图，等高距为10m，空间参考为北京54坐标系、1956年黄海高程基准、高斯克-吕格投影、3°分带、中央经线为117°。高程值分布范围为50-650m，地形以山地为主。把矢量地形图转换为Shapefile格式进行存储。

3.2 等高线转成格网DEM数据

试验区DEM是在ArcGIS软件中利用等高线内插生成的，再利用试验区的界线对其进行裁剪。步骤：①用等高线内插生成DEM数据。选择ArcToolbox→“3D Analyst Tools”→“Raster Interpolation”（栅格插值）→“Topo to Raster”（地形转栅格）工具，“Input feature data”（输入图层）选择等高线图层，创建高程字段选择“ELEVATION” 字段（高程字段），类型选择“Contour”。设置输出象素大小，输出路径及名称，最后点击“OK”按钮，完成试验区DEM的创建工作；②对DEM进行进行裁剪。利用ArcToolbox→“Spatial Analyst Tools”→“ Extraction” （提取分析）→“Extract by Mask”（按腌膜提取）工具, 选择DEM为输入栅格，要素掩膜数据选择试验区的界线（面状数据），设置输出栅格路径及名称，最后点击“OK”按钮，完成研究区的DEM图裁剪（见图3）。

图3 由等高线内插生成的DEM数据

3.3 获取坡度栅格数据

利用试验区DEM创建的坡度图。创建坡度图的步骤为：①打开arcmap，加载经过裁剪的DEM栅格数据，选择ArcToolbox→“3D Analyst Tools”→“Raster Surface”（栅格表面）→“Slope”（坡度）工具。在坡度对话框中，“Input raster”（输入栅格）栏选择DEM，设置输出栅格的路径及名称， “Output measurement”（输出测量单位）栏选择“DEGREE”(度)，“Z factor”(z因子)栏设置为“1”，点击“OK”按钮，完成坡度栅格图工作（见图4），栅格中每一像素单元值（Pixel Value）即为该点的坡度值。

图4 试验区域坡度栅格图

3.4 提取小班平均坡度

利用二类调查矢量小班面与栅格坡度图进行分类区统计（Zonal Statistics）提取每个小班的平均坡度。步骤为：①打开arcmap，加载坡度栅格图和二类小班面数据；②选择ArcToolbox→“Spatial Analyst Tools”→“Zonal”（区域分析）→“Zonal Statistics as table”（以表格显示分区统计）工具，在对话框中，在“Input raster or feature zone data”（输入栅格数据或要素区域数据）栏中选择二类小班面，在“Zone field”（区域字段）栏中选择小班属性表中的小班关键字，在“Input value raster”（输入赋值栅格）栏中输入坡度栅格数据，在“Output table”（输出表）栏指定统计表输出路径及名称，在“Statistics type”（统计类型） 栏中选择“MEAN”(平均数)。设置完成后，点击“OK”按钮，生成小班平均坡度表（见图5）；③分类区统计后形成的小班平均坡度表是一个独立的表，需要建立基于公共字段（本例为”XBID”字段）一个属性连接，将小班平均坡度表中的平均坡度赋值给二类小班面的属性表中。步骤为：选择ArcToolbox→“Data Management Tools”（数据管理工具）→“Joins”（连接）→“Join Field”（连接字段）工具,在“Input Table”（输入表）栏中选择二类小班面，在 “Input Join Field”（输入连接字段）栏中选择二类小班中小班关键字，在“Join Table”（连接表）栏中输入小班平均坡度表，在“Output Join Field”（输出连接字段）栏中选择小班平均坡度表中小班关键字，“Join Fields”（连

4 结语

接字段）栏中选择“MEAN”（平均坡度）字段，点击“OK”按钮，就可以把小班坡度表中的平均坡度自动写入二类小班面属性数据库中，完成二类小班平均坡度的提取。

与传统方法相比，应用ArcGIS软件的空间分析功能进行小班坡度自动求算，极大地减少了二类调查内业工作量、提高了工作效率，节省了大量的人力物力；所产生的分析结果具有唯一性，避免了人为主观因素对数据造成的影响，提高了求算的精度。

图5 生成的小班坡度表

[1] 黄培之.在微型计算机上自动绘制坡度图. 西南交通大学学报[J],1992(1):32-36.

[2] 李娟;赵军.基于DEM的西北干旱区典型地貌类型坡度提取分析.遥感技术与应[J],2008(22):214-218.

[3] 陈楠;王钦敏;汤国安.自DEM由不同算法提取坡度的对比分析.测绘工程[J],2006(15):6-9.

[4] 陈艳丽;李少梅;刘岱岳,等.基于规则格网DEM的坡度坡向分析研究.测绘与空间地理信息[J],2009（32）：37-39.

S757.2+7

B

1004-7743（2013）04-0039-03

2013-10-08