地理信息系统技术与土地坡度分析统计

地理信息系统技术与土地坡度分析统计

摘要:耕地的坡度、坡向、高程是决定耕地质量的重要因素,及时准确地提供坡耕地的分布情况,对于退耕还林工作的规划是很有必要的。本文以ARC/INFO 软件为例,着重就如何在地理信息技术条件下,通过建立数字地面模型,进行地形地表分析,解决土地坡度、坡向的分布统计进行讨论。

关键词:ARC/INFODEM(数字地面模型) 土地坡度面积统计

一、引言

根据国家退耕还林有关政策,积极治理现有坡耕地,对25度以上的坡耕地实行有计划地退耕还林还草,不但有利于中西部的环境保护,而且对调整农业结构、提高农民收入有积极意义。因此能否为各地、市、县准确提供辖区内各种坡度的土地分布以及土地坡向情况,是能否客观制定该区域农业规划和退耕还林还草计划的关键;然而传统的手工圈绘和主观的’估计’水份太多,实地丈量不但劳民伤财而且精度低下。

我市广大的测绘工作者多年来为铜仁的国民经济建设做了大量前期性、基础性的工作,他们测制的1:25万、1:5万、1:1万的基本地形图为解决这一难题提供了物资基础;特别是近年来GIS(地理信息系统)技术的发展,使得这些可贵的资料在数字化处理之后日见增值,为准确、快速、低成本地获取地表的各种统计数据提供可靠的依据。

铜仁市城北办事处为市政府制作的《铜仁综合市情地理信息系统(9202工程)》之西部大开发专题中,使用美国ESRI公司生产的GIS软件――ARC/INFO 软件为川硐、漾头,制作了数字地面模型,进行三维地形表面分析和坡度量算统计,取得了准确客观的成果。

二、工作流程

在ARC/INFO中,管理、组织、存储数据最基本的单位是图层(coverage),一个图层相当于一个专题图,包含了地物的空间位置信息和属性信息。利用ARC/INFO 进行土地坡度坡向高程的分布统计的工作流程如下:

1、利用国土资源调查结果,提取耕地信息,在ARC/INFO中生成耕地图层,给不同耕地分类赋予不同的属性;

2、获取该地区的DEM数据(DEM即数字高程模型,就是在一个地区范围内,用规则格网点的平面坐标(x,y)及其高程(z)描述地貌形态的数据集);

3、分别生成坡度分布图层、坡向分布图层和高程带分布图层;

4、将耕地图层与坡度图层、坡向图层、高程带图层分别叠加分析,得到耕地的坡度、坡向、高程属性;

5、进行面积统计,叠加河流、行政区划、道路、居民点等基础地理信息生成专题图。

6、坡度、坡向和高层带分布图生成

坡度、坡向、高程带图层利用ARC/INFO的TIN模块,由DEM(数字高程模型)数据生成。

(1)DEM数据获取

目前常用的获取DEM 数据的方法有两种:用航天、航空遥感影像立体像对提取DEM;用现有地形图扫描数字化等高线,获取高程数据生成DEM。

用航天、航空遥感图像立体像对生成DEM,最大的优点是数据更新快,但购买影像费用高;用高程数据生成DEM,精度高于立体像对生成的DEM,但更新慢,周期长,仅对高程变化不大的地区适用。目前区测绘局具有的南宁市1:1000 DEM数据由航空遥感影像立体像对生成;全区1:25万、1:5万DEM和部分地区的1:1万DEM数据则由高程数据生成。

用ARC/INFO 生成DEM的方法是:数字化地形图,获取高程数据,包括高程点、等高线、软断线(如边界线等)、硬断线(如河流、山脊、陡崖线等),生成TIN(不规则空间三角网,一种描述地形表面的方法),再由TIN内插成DEM。ARC/INFO 软件生成的TIN对点、软断线、硬断线有不同的插值处理方法。根据笔者对ARC/INFO和国产软件GEOTIN 的对比试验, ARC/INFO软件生成的TIN在更大程度上拟合实际的地型,不足之处是加特征点的过程较为繁杂,生产时间较长。

(2)坡度图、坡向图、高层带图生成

在ARC/INFO中,坡度、坡向是这样计算的:DEM上每个格网点的坡度由相邻8个格网点计算而成(图1)。高程的最大变化率即为该部分表面的坡度。坡向为用于计算坡度的那条线的方向。

DEM格网点坡度的计算

运用TIN模块的分析功能可计算坡度、坡向和高程带,使用命令的关键是建立好坡度、坡向、高程带的分级定义查找表(LOOKUP-TABLE)。以坡度查找表为例,根据坡度分类的要求定义如下:

DEGREE-SLOPE SLOPE-CODE 2 1 6 2 15 3 25 4 90 5 对应的坡度分类:(0°~2°)(2°~6°)(6°~15°)(15°~ 25°)(25°以上)

为利用DEM生成的图形坡度查找表字段要严格定义如下:

1、图层叠加:GIS强大的分析任务之一是将独立的特征类型合为一个新的特种类,代表了两个输入要素类的合并后的情况。图层叠加,是将土地利用图与坡度图、坡向图、高层分带图依次叠加,可研究它们之间的共同区域。运用OVERLAYEVENTS命令可进行叠加分析。

2、面积统计:图层叠加后,根据各种分类条件提取耕地,可得到耕地按坡度、

坡向、高程带的分布图,利用ARC/INFO的面积计算功能进行面积统计。

精度情况:据清华大学人居环境研究中心党安容等人研究,经国家测绘局验收的1:25万的数字地图(高程精度为25米),在用于分县土地坡度分级计算时,最小误差是0.9%,最大误差为4.9% [1] ,适合省级农业部门制定宏观规划。如果利用即将完成的全区1:5万DEM和已经完成的1:1万DEM(西江流域),将得到更高的精度,适合县一级及县以下农业部门制定本县、本乡的部门农业规划。

值得注意的是,在坡度较大的地区,平面面积与三维地形表面积相差较大,笔者利用1:25万高程数据生成的DEM计算东兰县平面面积为2438 平方公里(国土部门公布的数据:2434平方公里[2]),曲面面积为3437 平方公里,平面面积与曲面面积相差较大。东兰地处大石山区,山岭绵延,河谷深切,地形起伏较大,利用ARC/INFO的表面积计算功能统计面积应该更为合理。

3、输出专题图:对生成的各种分布图按照需要叠加河流、行政区划、道路、居民点等基础地理信息生成专题图输出。笔者在《铜仁综合区情地理信息系统(9202工程)》之子系统建设中,利用Web GIS将退耕还林试点川硐、漾头的坡度图制成网络电子地图,可供城区网上浏览和查询。