第三次国土调查县级坡度图制作关键技术研究
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摘 要：针对安徽省分县坡度分级图生产过程中DEM坡度计算模型分析、分幅坡度栅格数据矢量化与图斑合并、分县数据拼接和裁切、分幅和分县坡度分级图小面融合、图斑边界平滑等关键技术进行研究。其中构面线拓扑构建和海量图斑融合到邻接非同值面的处理是最关键环节和技术难点。研究成果为类似坡度分级图生产技术处理方案提供参考，在坡耕地确定、地灾、地貌模拟、环保等有广泛应用，使用的内存过渡、分段循环、递归判断等技术处理手段对类似的海量数据处理提供借鉴。
关键词：第三次国土调查 坡度分级图 Horm拟合 构面线构建 融合
中图分类号：P208 文献标识碼：A 文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0038-02
作为全国国土调查的重要基础资料和成果，坡度分级图（简称坡度图）是查清耕地和基本农田的数量、质量和空间分布的重要指标，在林地规划利用管理、水文模型建立、土壤侵蚀分析、水土流失监测、滑坡等地质灾害预警监测、地貌形态模拟、生态环境研究等地学分析领域也有着广泛的应用。二调坡度图由于原始DEM数据生产时间距今太过久远、现势性不好;其测量手段落后、植被高扣除混乱等导致高程精度很差;生产坡度图方法不尽合理、图斑融合随意致使坡度准确性有欠缺。因此安徽省第三次国土调查考虑重新制作坡度图。
从生产流程顺序梳理需要解决的技术问题和重要环节如图1所示。
本文重点探讨微小图斑非同值融合到邻接面这一关键技术环节，研究基于ARCGIS进行数据处理，使用面向对象编程语言调用相关功能控件，进行相应图形对象获取、拓扑、更新等操作。
1 准备工作
1.1 DEM数据准备
本文选择安徽省机载LiDAR地表高程数据获取制作的DEM，该数据点间距2m，通过滤除噪声点、去除架空人工构筑物顶点、鉴别消除高程突变区域等技术手段，生产的DEM高程中误差为平地优于0.3m，丘陵地优于0.8m，山地优于1.7m。
1.2 不同DEM计算坡度模型比选
本文选择三阶反距离平方差分模型的Horm拟合曲面算法，计算的结果，不仅能够很好地反应坡度变化趋势，也可以较好地体现微型地貌和细部表达，是比较理想的计算坡度模型。
1.3 坡度级栅格矢量化
以图幅为单位，将生成的分幅坡度级栅格图进行矢量化，并对相同坡度值的相邻图斑进行合并，得到简化的折线构成的矢量图斑。由于各矢量图斑因原始栅格导致的等距特性，图斑边界点很多在同一直线上，我们以0为容值对其进行抽稀处理，简化图斑边界点。
2 微小图斑非同值融合到邻接面关键技术探讨
非同值融合是坡度图生产的重点和难点，目的是将微小图斑融合到邻接图斑，逐步扩大构成超过3000km2的面，核心是保持微型地貌和细部特征不变形，融合的原则是“逐渐就低”，融合次序（也是其难点）是每次都从该时刻的最小面积图斑（包括多个小面融合的面）入手进行判断，需要时刻保持所有原始的以及融合的面的动态排序和检索。
2.1 构面线拓扑构建
这是进行图斑邻接判断的前提，相邻面拓扑查询判断，是通过构面边界线节的“左侧面ID”和“右侧面ID”判断面的相邻关系的。
ARCGIS编程环境提供的面拓扑操作组件不尽完善，调用过程往往出现异常，甚至死机，所以，我们从底层直接读取、判断、建立构面线节（数组）。程序读取各面的边界线的各点坐标，记录点与对应的面ID，通过统计指向面次数进行判断：如果指向面次数只有1次，说明是外围面上点;超过2次判断为结点;其它正好2次的为线节中间点。结点之间的各点串起线节，线节指向左右两个面，记录线节以及对应的左右两面ID，得到构面线节数组。为提高查询效率，程序进行了分块处理，较大面对应多个分块。
程序对标准图号的文件名计算内图廓线，将边界线与之重合的面认定为外围边界面，赋予边界不容标志。
2.2 分段建立过渡数据
为了减少判断的范围和数目，提高效率，将生成的过渡数据进行分段管理，排序和融合处理只针对局部的某个特定数量段的数据进行，进行检索变得快捷。分段后可以大大减少排序和判断的数据对象数量，使处理海量数据成为可能。
2.3 坡度级不同的邻面融合处理
首先通过递归找出当前处理面（也可能是融合面）所拥有的所有最终叶子（原始面）;然后对所属的原始面逐个查找相交面（排除自己所属的原始面）;通过相交面的其他面，逐个进行判断，取属性值符合规定的面（按照“就低不就高”原则）ID纳入到融合数组中，供迭代判断使用（其个数按照需要动态调整）;最后将融合内容写入到涉及的相关面对象对应的数组中（原始面或融合面）;对融合结果中仍小于3000km2的再次作为待融面纳入待处理面进行重新排序和处理。
2.4 融合过程处理技巧
邻接面检索：由原始面，或者融合面的入口小面，通过构面线的左右面关系，遍历所有相邻原始面或融合面，对于初始入口为融合面的只判断融合去向为该融合面的这些面，得到三类信息：原始面、融合面、原始或融合面融去的大面。
融到某大面的各小面检索：从其中一个融到超过3000km2大面的小面入手，遍历去向为该大面且坡度级不同的各面，以及与大面坡度级相同但是不在过滤坡度级相同阶段得到的间接融合到大面的各面，一个大面可能包含有多个相离的小面集团。 2.5 “就低不就高”原则实际选择——“逐渐就低”
“逐渐就低”是《技术规定》有关邻接坡度面选择“就低不就高”原则的最优方案——以当前待融面的坡度级为判别标准——相同、较小、最小、较大、最大，按照如下公式计算，取最小的计算值为最佳融合邻接面：
Min（St * Sgn（St - Sc - 0.1））
式中，Sc为当前待融面坡度级，St为邻接面坡度级，Sgn为符号函数，减0.1体现的是“就低”的原则。例如：待融面坡度级为3，邻接面坡度级1到5，应用公式计算的对应值分别为：-1、-2、-3、4、5，优先次序为：3级、2级、1级、4级、5级。这样，《技术规定》的“就低不就高”原则在实际操作中成为“逐渐就低”。
我们以一个实例予以说明：比如说，一个常见的山区冲沟地形，沟底主要是1级（少量为2级）的平缓坡度，沟两侧的山坡坡度较大，如果有一个5级坡度的小面，其周围邻接面从1级到4级都有，此时该面是往4级面还是往1级面融合，是需要研究并决定选择规则的，从“就低不就高”原则的字面理解，在这里似乎应该往1级邻接面去融合，但是，从保持微型地貌和细部特征不变形这个核心精神来说，往4级邻接面融合才是合理的。
2.6 融合结果检查
从当前融合结果数组涉及的入手，逐个获取有效的面相交情况，即通过递归找出当前融合结果涉及的所有面，与前一步骤处理并写入操作文件的“相同的融合序列号以及融合结果代码”的所有面进行比对，对于只有去路没有回归的面，进行报错，提示“面融合有相离的情况”——只有一个面“独立融合”是相离的特殊情况——提请操作人员进行人工检查，以便人工干预处理。并且过滤所有小于“融合最小限定面积”的面，保证它们都经过了融合处理。
3 后期处理
3.1 分幅图拼合分县图并进行全部图斑融合
按照县级行政区域拼合分幅图并进行全部图斑的再次融合，完全消除小于3000km2的圖斑存在。
3.2 分县图抽稀和平滑处理
首先对复杂面进行拆分简化处理，然后按照半个像素作为容值，采用Bezier样条插值算法对图斑边界点进行抽稀和平滑，为了方便今后的使用，将抽稀后的各点更新为折线再构成新面。这样既保证偏离量远小于2个像素，也保证生成的坡度级图为简单图形。
4 结语
该研究对坡度分级图的全过程进行了富有成效的探索研究，在很多地方采用了非常好的技术处理和技术实现手段：三阶反距离平方差分模型的Horm拟合曲面算法的DEM计算坡度的模型;建立构面边界线节;在海量图斑邻接面融合过程处理技巧：边界不容处理、邻接面检索、融合面构成检索、融到某大面的各小面检索、过程融合面回收、融合结果面坡度级优选、邻接坡度面选择“就低不就高”原则的优化方案——“逐渐就低”、融合结果检查等等。在保证准确处理基础上，使运行快捷、高效;采用Bezier样条插值算法对图斑边界点进行抽稀和平滑。以舒城县分县坡度图为例，该县面积2100多km2，图斑数17万多，地形以山地为主，丘陵约占2/5，处理时间不到8min，处理的结果，经过我们检验，全部符合要求。
参考文献
[1] 胡绍永，王玉川，郑进军，等.基于DEM的四川省坡度图制作[J].测绘，2010，33（5）：199-203.
[2] 刘建华.如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分级图[J].测绘与空间地理信息，2011，34（1）：139-141.
[3] 李海燕，罗云丽.利用Arcgis和ENVI进行坡度计算及其分级图制作[J].低碳世界，2017（29）：297-298.
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