基于DEM的坡度数据生产关键技术应用与实践_申亚斌.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：江苏省自然资源厅工作专项（）资助作者简介：申亚斌（），男，江苏姜堰人，高级工程师，本科学历，主要从事基础地理数据建设与集成、数字城市建设等工作。基于 的坡度数据生产关键技术应用与实践申亚斌，周 旋，邱程锦（江苏省基础地理信息中心，江苏 南京）摘要：坡度属性是反映地表单元平缓程度的一个重要指标，坡度调查是第三次全国国土调查的一项重要任务。针对基于 数据开展坡度数据生产现状及存在的主要问题，笔者首先推导了坡度计算的公式、数学模型，其次对坡度数据生产的技术路线进行了详细描述，为提高坡度数据生产效率，提出了解决方案，对采用的一些关键技术进行归纳、总结并进行剖析；最后结合具体案例特点对项目实施效果进行了简要介绍，对同类项目的生产有一定的示范性。关键词：；坡度；栅格；矢量；图斑综合中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引 言地表坡度信息是国土调查的重要内容，是土地政策的制定和耕地、园地、林地、草地等资源性能评定以及地质灾害调查的的重要依据。耕地坡度调查也是第三次全国国土调查（以下简称“三调”）的重要任务之一。目前，我国国土坡度信息调查，尤其是耕地的坡度调查，主要是利用数字高程模型（），采用一定的技术手段，逐格网计算坡度，进行坡度分级和相关数据处理，生成坡度分级图，将坡度分级图与耕地调查图斑叠加，确定耕地图斑的坡度级。传统的作业方法是按 标准分幅图进行生产，单幅图效率虽然很高，但对于省级范围的数据生产，由于涉及图幅太多，数据拼接、处理及接边工作量均很大，导致生产周期较长，现势性难以满足需求。本文重点围绕大范围内的坡度数据快速生产，提出了一些解决方案，对采用的一些关键技术进行了剖析，最后结合江苏省第三次国土调查坡度分级图制作项目，对应用效果进行分析说明。公式推导）坡度是地表单元陡缓的程度，是表示地表面该点在特定区域内倾斜程度的一个量，定义为水平面与局部地表面之间的夹角，如图 所示。基础计算公式如下：（）（单位为弧度）（）式中，为坡度值；为、两点的相对高差；为、两点的水平投影距离。图 坡度值计算示意图 坡度共分 个级别，分级情况见表。表 坡度分级表 坡度分级坡度范围 级坡度 级坡度 级坡度 级坡度 级坡度 三维立体环境计算公式如式（）：（）（）（）式中，、分别表示、方向的偏导数，为坡度值。根据 周围格网单元高程值计算每个格网坡度值，逐格网单元坡度计算如图 所示。图 格网单元坡度计算示意图 图 中 表示格网尺寸，、分别表示中心点 周围格网点的高程。）利用计算出周围每个格网的坡度值，选择三阶反距离平方权差分数学模型计算中心格网单元坡度值，计算公式为：（）（）（）（）（）（）窗口坡度值计算模型如图 所示。（）（）（）（）（）（）图 窗口坡度值计算模型示意图 （）。技术路线 技术流程对分幅 数据进行数据预处理，逐格网计算坡度值，完成坡度栅格数据及矢量数据的生产，作业流程如图 所示。图 工艺流程图 预处理）投影变换：利用脚本批量对分幅 数据统一投影参数，进行投影转换。）数据拼接：对不同时期的 分幅数据进行拼接、融合，形成覆盖测区范围的栅格数据库。）完整性检查：对拼接后的栅格数据库的质量及完整性进行检查，重点检查有无图幅缺漏，并完成局部水面区域的修补、完善。）数据重采样：结合测区特点、数据源精度情况，考虑项目要求、生产效率等因素，对 数据进行重采样，制作新的 数据。坡度栅格数据生产）坡度值计算。坡度值计算选择三阶反距离平方权差分数学模型计算 数据每个格网单元的坡度值。）坡度栅格分级。将坡度栅格数据按表 说明的坡度范围值进行重分类，制作分为 个坡度级的坡度栅格分级数据。）栅格数据输出。利用矢量调查单元范围界线设置一定的缓冲范围，对坡度栅格数据和坡度栅格分级数据第 期申亚斌等：基于 的坡度数据生产关键技术应用与实践进行裁切，制作调查单元坡度栅格数据和坡度栅格分级数据。坡度矢量数据生产）栅格矢量化：对栅格分级后的数据进行矢量化数据转换，形成坡度矢量分级数据。）图斑综合：按要求将面积小于规定值的图斑，遵循坡度级就低不就高的原则并入邻近图斑。）边线平滑：对坡度矢量数据图斑边线按统一的参数设置进行平滑处理，消除尖锐角。）拓扑重建：对综合、平滑、修改后的坡度矢量数据进行拓扑检查，重建相邻图斑的拓扑关系，消除重叠和缝隙。）数据裁切：对调查单元进行数据裁切，生成各调查单元坡度矢量数据。）数据接边：对坡度矢量数据在各调查单元接边处进行接边检查，保证分级图斑在不同调查单元分界处符合接边限差要求。关键技术基于 的坡度数据生产试验过程中，创造性地提出了系列关键技术，并逐一进行验证，主要体现在以下 个方面：）流程化作业技术：制定了规范有效的作业流程，从 预处理、坡度栅格数据生产到矢量数据裁切，基于 开发批量处理工具，基本实现批量化生产，流程化作业，较少进行人工干预，提高了数据处理能力和生产效率。）图斑综合技术：由于矢量坡度数据量很大，平均每个实施单元涉及矢量图斑为百万级数量，利用传统方法计算百万级的图斑矢量数据，即使在高性能工作站上运行也需要 以上。在数据生产过程中，首先进行栅格数据滤波处理，减少栅格噪点，提高图斑综合运行效率，数据处理时基于 构建器定制集成工具，减少人工干预，提高了作业效率和成果质量；应用 工具实现大数据量的数据处理工序流程化、自动化，显著提高了工作效率，解决了坡度分级矢量数据量大、处理效率低的问题。）接边处理技术：按传统标准分幅进行数据生产，分块太细，会导致接边工作量很大，将测区范围细分为面积均衡的不同工作单元，并设置一定的缓冲范围，进行裁切，缓存距离越大，接边工作量越小，但数据量随之增大，因此，经过多次试验，选择恰当的缓冲距离，裁切后再按统一的工序流程进行数据加工生产，保证了接边处绝大部分的成果无缝接边，局部很少的不接边部分再进行人工处理。）数据重采样策略：格网单元过小，生成很多的细小图斑，经图斑综合处理后的成果反而会掩盖实际地形特征，后期数据处理量也呈现几何级的增大；格网单元过大，局部小面积地形起伏又会过滤掉，不符合实际地形特征。所以在实际生产作业时需要根据测区地形特征、数据源情况，以及时间效益等多种因素，对原始 成果进行再加固。案例分析 项目介绍 年 月，江苏省 个地级市在已上报的“三调”初步成果中，存在耕地坡度数据信息缺失，基于自然资源部的工作部署，由江苏省第三次全国国土调查办公室（以下简称“省三调办”）统一组织江苏省第三次国土调查坡度分级图制作，并进一步完成全省耕地、园地、林地、草地的坡度调查工作。项目生产范围为江苏省内地及沿海滩涂、岛屿范围，共 万，项目共完成了 个调查单元坡度栅格数据及坡度栅格分级数据及坡度矢量分级数据的制作。项目特点）测区地形特点江苏省在全国地理分区中，跨华北平原与长江中下游两大地域，总体呈西高东低态势。地形以平原为主，平原洼地为江苏分布最广的地貌单元，分为徐淮平原、里下河平原、滨海平原、沿江平原和太湖平原五部分。平原面积约占省域面积的，比例之高，居全国各省区之首。另外有宁镇丘陵、天目山余脉和一些零星的丘陵地点缀其中，形成独特的地形特征。平地海拔大部分在。）数据源特点 数据源由 个部分组成：一部分为江苏陆地 成果数据，标准分幅，共 幅，格网单元为 ，为江苏省第一次地理国情普查数字高程模型精细化成果，是利用航空摄影 点云数据进行更新，内插生成；另一部分为江苏沿海滩涂、岛屿 成果数据，标准分幅，共 幅，格网单元为 。）项目完成周期特点该项目在江苏系首次开展，无成熟生产经验，且要求生产周期较短，自项目启动到全省坡度成果交付完成，要求在 个月内完成。实施效果基于以上特点，遵循质量第一、效率优先的原则，在项目实施过程中，经过反复试验、论证，最终选定采用 格网单元进行重采样，在此基础上开展进一步的坡度数据生产；江苏省工作单元划分也进行了调整，合并主城区面积较小的单元，全省工作单元减少为 个；各工作单元外扩 缓冲范围，对栅格分级数据进行裁切，实现矢量数据自动接边；定制了批量数据处理工具，特别是图斑综合，采用 定制工艺流程，提升数百万矢量图斑的空间运算能力。最终仅历时 ，提交成果。结束语利用 制作坡度数据，通过一系列技术手段，优化作业流程，提出的一些关键技术，实用性强，可实现快速自动化成图，极少进行人工干预，通过试验及具体项目（下转第 页）测绘与空间地理信息 年异分析成果数据、评价评估数据、监测预警数据、空间发展战略数据等编制一本规划，以便更有效利用。监测评估预警监测评估预警主要包括动态监测、及时预警和定期评估 个方面功能。动态监测实现在国土空间保护和开发利用的基础上，对国土空间规划“一张图”中的多源数据，如各类管控数据边界、不同类型用地数据等，进行长期动态监测，主要包括管控边界监控、约束指标监控、资源环境承载力边界监控以及不同类型用地转化和分布监控等；及时预警是根据国土空间规划实施中违反开发保护边界及保护要求，设置指标预警等级和阈值，当指标预警等级过高或者突破阈值时，系统及时预警并生成预警分析报告；定期评估是根据国土空间规划评估指标，系统定期在全省范围内获取相关数据，生成评估报告并汇交至国家级系统，为国土空间规划编制、审查管控提供依据。结束语本文综述了利用新一代的信息化技术，提出国土空间规划“一张图”实施监督系统建设方法，并阐述了国土空间规划全过程管理流程和系统实现的关键技术。系统建成后，一是集成现状底图、规划蓝图、管理用图等，构建国土空间规划“一张图”，支撑政府部门的共享应用；二是实现国土空间规划成果从上报、审查、监测到管理的全过程数字化审查；三是围绕国土空间管制、监测评估及预警反馈，建立不同层级的国土空间规划指标体系，辅助国土空间规划业务管理的智能化决策。参考文献：杜澍，连欣新时期国土空间规划的战略研究中国国土资源经济，（）：，王福生基于 的国土空间数据应用平台的设计与实现北京测绘，（）：薛晓娟，李英成，王恩泉，等大数据时代国土资源“一张图”的构建北京测绘，（）：林坚，宋萌，张安琪国土空间规划功能定位与实施分析中国土地，（）：何子张，吴宇翔，李佩娟厦门城市空间管控体系与“一张蓝图”建构规划师，（）：曾玉龙，曾亦罗县级市多规合一信息平台设计与实现中国建设信息化，（）：刘丽芳厦门市国土空间规划动态评估监督模式探析山西建筑，（）：亢孟军，刘珮玥，巩玥，等国土空间规划辅助决策平台关键技术研究地理信息世界，（）：王金岩空间规划体系与空间治理南京：东南大学出版社，编辑：姚正明（上接第 页）参考文献：钟嫣然，李晓龙多特征融合的遥感影像建成区提取研究地理空间信息，（）：孙珂融合超像元与峰值密度特征的遥感影像分类国土资源遥感，（）：唐凝，赵琛遥感技术与摄影测量融合的影像质量评价方法自动化技术与应用，（）：戴进，罗伦，张华基于 的北京 号遥感影像融合方法对比研究江西测绘，（）：赵子军北斗地基增强系统的标准化工作和国家标准建设：访中国兵器工业首席专家麦绿波中国标准化，（）：马锦山，姚永顺，韩尚林西宁市北斗地基增强系统建设及可 用 性 分 析 城 市 勘 测，（）：，黄祥，周蕊，王茜，等一种融合多波段信息的遥感影像纹理提取算法测绘与空间地理信息，（）：，黄首畅 基于 高光谱遥感数据的黄河源典型区植被分类北京：中国地质大学（北京），李英 基于空间信息增强的多光谱与全色图像融合方法研究重庆：重庆邮电大学，翁纪军基于高分遥感影像的土地利用研究：以重庆三峡库区为例测绘与空间地理信息，（）：，编辑：张 曦（上接第 页）验证，成果各项指标符合第三次全国国土调查耕地坡度调查成果国家级核查技术规定的要求，适合省、市级大范围项目生产。但也存在一些不足，主要表现在：）图斑综合时，不能很好地消除田埂等狭长地形带来的伪分级图斑；）受原始 数据影响，部分水面植物聚集区域，会错误产生坡度分级图斑，需人工进行修正处理。参考文献：中华人民共和国自然资源部国务院第三次全国国土调查领导小组办公室关于进一步核实第三次全国国土调查坡度数据的通知：国土调查办发 号北京：中华人民共和国自然资源部，国务院第二次全国