第22卷第1期干旱地区农业研究V o l.22N o .12004年3月Agr icultura l Research i n the Ar id Area s M ar .2004陕北黄土高原丘陵沟壑区耕地三维分析①李登科,刘安麟,邓凤东,张京红,卓　静(陕西省农业遥感信息中心,陕西西安　710015)摘　要:以延安市宝塔区为例,利用遥感土地利用分类图和数字地形图,在地理信息系统A RC I N FO 和遥感图像处理系统ERDA S I M A G I N E 的支持下,进行坡度计算,通过对土地利用类型图和坡度图的复合分析,编制坡耕地专题图,统计不同坡度的耕地面积。

该方法可为其它地区坡耕地调查分析提供借鉴。

关键词:坡度;耕地;黄土高原;地理信息系统中图分类号:P 285.2+3 文献标识码:A 文章编号:100027601(2004)0120176203 陕北黄土高原丘陵沟壑区是黄河中游水土流失严重、农业垦殖过度和生态环境恶化的典型地区,该地区生态环境建设工程的一项重要内容是恢复植被,退耕还林(草)。

政府提出大于25°坡耕地必须退耕还林(草),15～25°坡耕地要视情况退一部分。

符合退耕条件的耕地有多少,它们分布情况如何?成为实施生态环境建设工程的首要问题。

为此,我们依据土地利用类型的遥感调查结果、数字高程模型(D E M )和基础地理信息数据,通过坡度计算、土地利用类型图与坡度图复合分析,编制了这一地区坡耕地专题图,统计了各种坡度的面积。

1　基础数据1.1　土地利用类型图土地利用类型图为本底调查结果(1997年)[1],图像像素点大小为30m ×30m ,投影系统采用GK (中央经线为东经108°)。

1.2　基础地理信息基础地理信息采用全国1∶250000基础地理信息数据图,主要利用边界层、居民层和水系层。

先将各个层面进行拼接,再进行投影变换,投影格式与土地利用类型图的投影格式保持一致。

1.3　D E MD E M 采用1∶50000数字高程模型数据[2]。

利用数字化现有地形图的方式生产,采用1980年西安坐标系、1985年国家高程基准、GK 投影,等高距为25m 。

D E M 为栅格数据,像素尺寸为25m ×25m 。

为了便于与TM 分类结果复合分析,在标准分幅拼接时,利用双线性插值方法,使D E M 的像素点大小转换为30m ×30m 。

2　坡度计算坡度是坡地斜平面与地平面之间夹角,反映一定距离上高程的变化值[3]。

计算每个像素点的坡度时采用3×3窗口,在高程为e 的点(X ,Y )处,其周围的高程均用于计算坡度,如图1所示。

图中a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 为各像素点的高程值。

图1　用3×3窗口计算每一像素点的坡度F ig .1　Calcu lati on of the slope at each p ixel w ith 3×3w indow在X 和Y 方向上单位距离高程变化的平均值△x 、△y 计算方法如下:△x 1=c -a △y 1=a -g △x 2=f -d △y 2=b -h△x 3=i -g △y 3=c -i△x =(△x 1+△x 2+△x 3) (3×X s )△y =(△y 1+△y 2+△y 3) (3×Y s )其中X s 为像素点(X ,Y )在X 方向上的尺寸,Y s 为像素点(X ,Y )在Y 方向上的尺寸,则像素点(X ,Y )的坡度Η为:Η=arctg [(△x 2+△y 2)1 22]×180 Π①收稿日期:2003206219基金项目:陕西省生态办资助项目:陕西省生态环境遥感本底调查(19992002)作者简介:李登科(1963-),男,陕西眉县人,高级工程师,主要从事3S 技术应用研究。

以图1为例,假设X s =30m ,Y s =30m ,于是:　△x 1=25-10=15(m ) △y 1=10-20=-10(m )　△x 2=25-22=3(m )△y 2=20-24=-4(m )　△x 3=18-20=-2(m )△y 3=25-18=7(m )　△x =(15+3-2) (30×3)=0.177　△y =(-10-4+7) (30×3)=-0.078则像素点(X ,Y )的坡度Η为:Η=arctg [(△x 2+△y 2)1 22]×180 Π=arctg (0.0967)×180 Π=5.54按照上述计算方法,利用数字高程模型数据(D E M )计算每个像素点的坡度值,生成坡度图。

图2　坡耕地提取示意图F ig .2　D iagram of ab stracting slop ing cu ltivated land3　空间模型和坡耕地提取用Sp atialM odeler (空间模型)编制的坡耕地提取空间模型[4]见图2。

在模型中加入土地利用分类图数据文件和坡度图数据文件,编写运算规则,运行该模型,即可得到一幅坡耕地图。

4　坡耕地图制作4.1　坡度图按照上文所述的计算方法制作坡度图(图3)。

4.2　坡耕地提取运算规则和面积统计制作坡耕地图就是提取不同等级坡度的耕地。

坡耕地提取运算规则见表1。

表1的含义是在土地利用图上为非耕地的像素点,无论其坡度为多少,在输出的坡耕地图上用“1”表示;在土地利用图上是耕地的像素点,按其坡度分级,在输出的坡耕地图上用不同数字表示。

把这些条件加入空间模型,运行后得到坡耕地图(图4)。

对坡耕地图按照行政区域进行不同坡度等级面积统计,可得到各坡度等级的耕地面积(表2)。

表1　坡耕地提取运算规则T ab le 1　C riteria of ab stracting slop ing cu ltivated land土地利用类型L and use class坡度(Η,°)Slope 坡耕地代码Code 非耕地U ncultivated land 0≤Η≤901耕　地Cultivated land Η<22耕　地Cultivated land2≤Η<63耕　地Cultivated land 6≤Η<154耕　地Cultivated land 15≤Η<255耕　地Cultivated land 25≤Η<356耕　地Cultivated landΗ>357图3　延安市宝塔区坡度图(局部)F ig .3　M ap of slope in Bao ta districtin Yan’an (part )图4　延安市宝塔区坡耕地图(局部)F ig .4　M ap of slop ing cu ltivated land in bao ta district in Yan’an (part )771第1期李登科等:陕北黄土高原丘陵沟壑区耕地三维分析表2　陕北地区坡耕地面积统计(hm 2,1997年)T ab le 2　A rea of slop ing cu ltivated land in N o rth Shaanx i坡度(°)Slope 榆　林Yulin 延　安Yan’an 铜　川Tongchuan 合　计Sum 占耕地面积比例(%)R ati o <2337557.659845.6814140.74411544.010.12～6245036.3112406.331359.16388801.89.56～15604389.9275377.030425.82910192.722.315～25746731.0509388.725693.64128181331.525～35401458.2463557.210663.37875678.721.5>3582354.03123606.02097.101208057.15.1耕地面积Cultivated land24175271544181114379.84076088100.04.3　坡耕地三维图用Im age D rap e 模块的功能实现坡耕地图与D E M 的复合,并生成三维场景。

此时要设定一系列参数,包括:观察方位角、观察高度、观察视角、观察点与目标点的位置、太阳高度角、高度夸张倍数、清晰度等等,为了实现地貌分析的目的,必须不断调整这些参数,以便生成多方位的场景(图5,图例同图4)。

图5　延安市宝塔区坡耕地三维图(局部)F ig .5　32di m en si on m ap of slop ing cu ltivatedland in bao ta district in Yan’an (part )5　坡耕地图的应用1∶50000的D E M 能比较好的模拟黄土高原丘陵沟壑区的地形地貌。

通过对由此制作的披度图和TM 影像解译的土地利用分类图的复合分析,提取制作的坡耕地图可直接为当地的退耕还林(草)、生态环境建设工程的规划和管理提供依据。

参考文献:[1]　李登科.延安市宝塔区植被、土地利用类型遥感调查[M ].北京:地震出版社,2000.[2]　王东华,刘建军,商瑶玲,等.国家1∶50000数字高程模型建库质量控制的方法和实施[J ].遥感信息,2001,(2):13-16.[3]　张祖勋.数字测量学[M ].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1997.[4]　张永红.用SpatialM odeler 和E M L 语言开发影像融合应用程序[M ].北京:地震出版社,2000.Three -d i m en siona l ana lysis on cultiva ted land i n theL oess h illy and gully area s i n North Shaanx iL I D eng 2ke ,L I U A n 2lin ,D EN G Feng 2dong ,ZHAN G J ing 2hong ,ZHU O J ing(S haanx i R e m ote S ensing Inf or m a tion Cen ter f or A g ricu ltu re ,X i ’an 710015,Ch ina )Abstract :In th is p ap er ,by u sing TM i m age and digital relief m ap ,the in terp retati on of land u se clas 2sificati on and the calcu lati on of slop e are m ade fo r B ao ta district in Yan’an ,w ith the softw are of A RC I N 2FO and ERDA S I M A G I N E .A nd m o reover ,the slop ing cu ltivated land is m app ed ,based on the com po site analysis of land u se m ap and slop e m ap .Key words :Slop e ;cu ltivated ;land ;geograp h ic info rm ati on system ;L oess P lateau871 干旱地区农业研究 第22卷。