运用ArcGis进行小班坡度计算的思考
陆理通??
摘要：文章以福建省松溪县渭田镇吴村村为例，探讨运用ArcGis软件的空间分析功能，将矢量地形图转换成数字高程模型（DEM），再以DEM为基础获得林业区划小班的平均坡度并与林业小班数据库相关联的方法与步骤，同时重点分析了具体应用过程中矢量地形图的提取方法以及地形转栅格中DEM分辨率对坡度计算精度的影响。
关键词：ArcGis；小班平均坡度
中图分类号：S758.8文献标识码：A文章编号：1004-3020（2017）02-0056-03
1应用背景
坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离比值的反tan值称为坡度。在森林资源连续清查的小班调查中，小班坡度是重要的调查因子，也是办理森林采伐中面积控制的重要依据。根据《福建省森林采伐技术规范》第二章第十一条：人工起源用材林可实施小班经营法，坡度不大于5度时皆伐面积不大于30 hm2，坡度在30度以下（含30度）的，皆伐面积不大于20 hm2，坡度31～35度时皆伐面积不大于5 hm2，超过35度的不得进行皆伐[1]。
在以往的一、二类调查中，小班坡度主要是通过人工计算的方法进行确定。具体的步骤是通过利用测量地形图上小班内坡面的垂直高度与水平距离，计算它们的比值后求其反tan值，再综合各个量测点在小班范围内的权重得出小班的平均坡度。人工方法计算小班的坡度受人为因素、主观性成分的影响，其结果的客观性与权威性变化较大。
自2002年以来，随着数字林业工作的推广，地理信息软件在福建省各县市林业部门得到了广泛的应用。2014年以来，在福建省林业厅的推广下，松溪县林业局将原先使用的ViewGis地理信息软件换成了功能更强大ArcGis软件，从而利用数字化的地形图对小班坡度的计算机自动求算提供了可能。
2步骤流程
考虑到普通办公电脑的运算能力，建议按行政村为单位进行小班坡度分析。以松溪县渭田镇吴村村为例，准备好吴村村所在图幅G5010（46）与G5010（54）合并后的矢量化地形图。
2.1用等高线生成DEM（数字高程）
运行ArcMap，选择ArcToolbox→“3D分析工具” →“栅格插值”→“地形转栅格”工具，生成吴村村所在图幅的DEM（数字高程）（见图2）。
2.2对DEM进行裁剪
选择ArcToolbox→“空间分析工具” →“提取分析”→“按掩膜提取”工具，以吴村村二类调查建档小班矢量图为要素掩膜数据，完成吴村村的DEM图裁剪（见图3）。
2.3创建吴村村的坡度图
选择ArcToolbox→“3D分析工具” →“栅格表面”→“坡度”工具，以吴村村DEM为输入栅格，生成吴村村的坡度图（见图4）。
2.4提取吴村村小班平均坡度
利用吴村村二类调查建档小班矢量图与坡度栅格图进行分类区统计，提取每个小班的平均坡度。选择ArcToolbox→“空间分析工具” →“区域分析”→“以表格显示分区统计”工具，以吴村村二类调查建档小班矢量图为要素区域数据，以小班矢量图的关键字段“XBNO”为区域字段，统计类型选择“MEAN”，输出吴村村二类小班的平均坡度表。在此坡度表的基础上，可以连接吴村村二类调查建档小班矢量图的数据库，导出生成含有自动计算平均坡度的小班数据库。
3技术要点
3.1项目区矢量地形图的准备
运用ArcGis软件可以对扫描地形图进行矢量化的方法来获得矢量地形图。但是，为了提高工作效率和准确性，通过购买与二类建档小班图相同坐标系的DWG格式地形图，可以运用ArcGis软件将DWG格式的地形图进行转换成shp格式的矢量地形图。
转换步骤：运行ArcMap软件，添加DWG格式地形图（见图5），只选择Polyline图层为可见（见图6），选择该图层的“图层属性”→“绘制图层”→只勾选“首曲线”和“计曲线”（见图7），从而剔除等高线以外的信息，将该图层导出shp格式文件，即得到含有高程数据的该图幅的矢量地形图（见图8）。
通过上述方法，转换生成松溪县境内各图幅的矢量地形图。根据各行政村的接图表，将多张图幅的矢量地形图通过复制粘贴方法合并成一个图层，为后续地形转栅格生成DEM做好准备。
3.2地形转栅格中像元大小的选择对坡度计算精度的影响
在地形转栅格操作中，需要对输出像元大小进行选择（见图9）。为了检验输出像元大小的不同选择对坡度计算结果的影响，以吴村村为例，分别选择“1”、“2”、“5”、“10”、“15”等五种情况进行比对分析。结果表明，输出像元的值越小，同一小班范围内取样越多，坡度计算结果越精确。特别是对于小班平均坡度大于35度的小班不得进行皆伐这一技术规定的情况下，输出像元大小的选择对于小班平均坡度计算结果具有很现实的意义。具体可以参见吴村村小班平均坡度在35度以上时，不同输出像元大小的小班坡度计算结果变化情况（见图10）。
输出像元值越大，生成的DEM的分辨率越小，从而生成的坡度图越粗略。随着DEM分辨率粗略化，许多地形细节被舍去，而客观的地形起伏特征相对保留较多，平均坡度值会减小[2]。在低坡度地区，坡度随分辨率降低变化不大，而在中高坡度上，坡度随分辨率降低成衰减趋势，且隨坡度等级的提高，衰减趋势越明显[3]。从图10中可以看出，在输出像元值在大于“5”的情况下，小班平均坡度计算结果偏小很显著，因此在实际工作应用中，为了保证对计算结果的客观公正，对于输出像元值一律选择为“1”。
4结语
采用ArcGis软件进行小班平均坡度计算具有提高工作效率、保证计算结果公正准确等优点，该方法有着在林业行业进行推广的必要性与迫切性。
参考文献
[1]福建省森林采伐技术规范[M].福建省林业厅，2006.
[2]陈楠.DEM分辨率与平均坡度的关系分析[J].地球信息科学学报，2014，16（04）：524530.
[3]牛亮.坡度与分辨率关系研究[D].西安：西北大学，2010.
（责任编辑：唐 岚）
摘要：文章以福建省松溪县渭田镇吴村村为例，探讨运用ArcGis软件的空间分析功能，将矢量地形图转换成数字高程模型（DEM），再以DEM为基础获得林业区划小班的平均坡度并与林业小班数据库相关联的方法与步骤，同时重点分析了具体应用过程中矢量地形图的提取方法以及地形转栅格中DEM分辨率对坡度计算精度的影响。
关键词：ArcGis；小班平均坡度
中图分类号：S758.8文献标识码：A文章编号：1004-3020（2017）02-0056-03
1应用背景
坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离比值的反tan值称为坡度。在森林资源连续清查的小班调查中，小班坡度是重要的调查因子，也是办理森林采伐中面积控制的重要依据。根据《福建省森林采伐技术规范》第二章第十一条：人工起源用材林可实施小班经营法，坡度不大于5度时皆伐面积不大于30 hm2，坡度在30度以下（含30度）的，皆伐面积不大于20 hm2，坡度31～35度时皆伐面积不大于5 hm2，超过35度的不得进行皆伐[1]。
在以往的一、二类调查中，小班坡度主要是通过人工计算的方法进行确定。具体的步骤是通过利用测量地形图上小班内坡面的垂直高度与水平距离，计算它们的比值后求其反tan值，再综合各个量测点在小班范围内的权重得出小班的平均坡度。人工方法计算小班的坡度受人为因素、主观性成分的影响，其结果的客观性与权威性变化较大。
自2002年以来，随着数字林业工作的推广，地理信息软件在福建省各县市林业部门得到了广泛的应用。2014年以来，在福建省林业厅的推广下，松溪县林业局将原先使用的ViewGis地理信息软件换成了功能更强大ArcGis软件，从而利用数字化的地形图对小班坡度的计算机自动求算提供了可能。
2步骤流程
考虑到普通办公电脑的运算能力，建议按行政村为单位进行小班坡度分析。以松溪县渭田镇吴村村为例，准备好吴村村所在图幅G5010（46）与G5010（54）合并后的矢量化地形图。
2.1用等高线生成DEM（数字高程）
运行ArcMap，选择ArcToolbox→“3D分析工具” →“栅格插值”→“地形转栅格”工具，生成吴村村所在图幅的DEM（数字高程）（见图2）。
2.2对DEM进行裁剪
选择ArcToolbox→“空间分析工具” →“提取分析”→“按掩膜提取”工具，以吴村村二类调查建档小班矢量图为要素掩膜数据，完成吴村村的DEM图裁剪（见图3）。
2.3创建吴村村的坡度图
选择ArcToolbox→“3D分析工具” →“栅格表面”→“坡度”工具，以吴村村DEM为输入栅格，生成吴村村的坡度图（见图4）。
2.4提取吴村村小班平均坡度
利用吴村村二类调查建档小班矢量图与坡度栅格图进行分类区统计，提取每个小班的平均坡度。选择ArcToolbox→“空间分析工具” →“区域分析”→“以表格显示分区统计”工具，以吴村村二类调查建档小班矢量图为要素区域数据，以小班矢量图的关键字段“XBNO”为区域字段，统计类型选择“MEAN”，输出吴村村二类小班的平均坡度表。在此坡度表的基础上，可以连接吴村村二类调查建档小班矢量图的数据库，导出生成含有自动计算平均坡度的小班数据库。
3技术要点
3.1项目区矢量地形图的准备
运用ArcGis软件可以对扫描地形图进行矢量化的方法来获得矢量地形图。但是，为了提高工作效率和准确性，通过购买与二类建档小班图相同坐标系的DWG格式地形图，可以运用ArcGis软件将DWG格式的地形图进行转换成shp格式的矢量地形图。
转换步骤：运行ArcMap软件，添加DWG格式地形图（见图5），只选择Polyline图层为可见（见图6），选择该图层的“图层属性”→“绘制图层”→只勾选“首曲线”和“计曲线”（见图7），从而剔除等高线以外的信息，将该图层导出shp格式文件，即得到含有高程数据的该图幅的矢量地形图（见图8）。
通过上述方法，转换生成松溪县境内各图幅的矢量地形图。根据各行政村的接图表，将多张图幅的矢量地形图通过复制粘贴方法合并成一个图层，为后续地形转栅格生成DEM做好准备。
3.2地形转栅格中像元大小的选择对坡度计算精度的影响
在地形转栅格操作中，需要对输出像元大小进行选择（见图9）。为了检验输出像元大小的不同选择对坡度计算结果的影响，以吴村村为例，分别选择“1”、“2”、“5”、“10”、“15”等五种情况进行比对分析。结果表明，输出像元的值越小，同一小班范围内取样越多，坡度计算结果越精确。特别是对于小班平均坡度大于35度的小班不得进行皆伐这一技术规定的情况下，输出像元大小的选择对于小班平均坡度计算结果具有很现实的意义。具体可以参见吴村村小班平均坡度在35度以上时，不同输出像元大小的小班坡度计算结果变化情况（见图10）。
输出像元值越大，生成的DEM的分辨率越小，从而生成的坡度图越粗略。随着DEM分辨率粗略化，许多地形细节被舍去，而客观的地形起伏特征相对保留较多，平均坡度值会减小[2]。在低坡度地区，坡度随分辨率降低变化不大，而在中高坡度上，坡度随分辨率降低成衰减趋势，且隨坡度等级的提高，衰减趋势越明显[3]。从图10中可以看出，在输出像元值在大于“5”的情况下，小班平均坡度计算结果偏小很显著，因此在实际工作应用中，为了保证对计算结果的客观公正，对于输出像元值一律选择为“1”。
4结语
采用ArcGis软件进行小班平均坡度计算具有提高工作效率、保证计算结果公正准确等优点，该方法有着在林业行业进行推广的必要性与迫切性。
参考文献
[1]福建省森林采伐技术规范[M].福建省林业厅，2006.
[2]陈楠.DEM分辨率与平均坡度的关系分析[J].地球信息科学学报，2014，16（04）：524530.
[3]牛亮.坡度与分辨率关系研究[D].西安：西北大学，2010.
（责任编辑：唐 岚）
