基于ZY-3立體像對數據的水土流失地形因子分析

文小鎖

(銅陵南部城區建設管理委員會，安徽 銅陵 244000)

隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，傳統的測繪技術已不適應現代科學的要求，立體測繪技術不斷進步，立體測量設備越來越先進，提取的數字高程模型精度越來越高，本文利用資源三號遙感衛星提取出的DEM數據，對金塔縣地形要素經行解譯，并對其生態系統結構進行分析評價，為金塔縣環境生態保護提供有力的支持。

1 研究區概況

金塔縣隸屬于甘肅省酒泉市，總面積為18 800 km2。金塔縣屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候，溫差較大，但日照量充足，蒸發量大[1]。金塔縣東南部和北部三面臨山，中部地勢相對低平，地勢稍有傾斜。根據甘肅省主要地貌單元劃分，屬第七單元走廊北山，平均海拔1 275 m，相對高度500～1 000 m[2]。南部為嘉善褶皺帶，海拔1 340～1 488 m；北部為馬駒山臺地東南部低山區，地勢南高北低，西南高東北低，地下水由西南流向東北。金塔縣境內最高的是四道紅山主峰，海拔1 924 m；最低的是金塔盆地北部，海拔921 m。

2 數據來源

本研究數據來源于我國發射的第一顆高分辨率光傳輸測繪衛星資源3號。衛星于2012年1月9日發射升空，它主要搭載4臺光學相機，包括1臺2.1 m分辨率的全彩相機、2臺3.6 m分辨率的正、反相機。它能夠以長期、連續和穩定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數據。中國有效面積約750萬 km2，全球數據覆蓋3 000萬 km2[3-4](見表1)。

表1 技術參數

3 研究方法

通過立體圖像對獲取數字高程模型的原理可以簡單理解為：在太空中兩個不同方向的傳感器拍攝同一個地點時，形成一個夾角。夾角越小，接地點就越低[5]。反過來，夾角越大，物體距離地面越高。可以計算得出地面上所有控制點的高程值，獲得DEM數據[6]。如圖1所示。

圖1 立體像對獲取DEM原理示意圖

(1)相對取向；立體圖像對的相對方位是通過計算衛星圖像的像對的方位元素在成像時，立體圖像對傳感器的姿態參數之間的相對位置關系。目前，相對方位元素是通過分析方法利用共面條件方程進行方位計算的：

(2)核線圖像生成；由攝影基線和任何物體方點確定的平面稱為穿過該點的核平面，穿過圖像主點的核平面稱為主核平面，核平面和圖像平面的交點稱為核線。核線的一個重要特征是，一個核線上的任何點必須與另一個圖像的核線同名。輸入同名點與控制點，可以將左右照片轉換成核線圖像：

式中：為像元主距,(xi,yi)為物方坐標，(x,y)為傾斜影像上拍攝的坐標，對于水平像片yi為常數。

(3)選擇連接點；通常，自動選擇連接點是基于圖像的灰度級進行匹配的。如果兩個圖像之間有著較大的光譜差異性，自動匹配連接點往往不完全準確，某些區域的圖像細節和紋理往往不清晰。因此，首先采用連接點的自動選擇，人工刪除精準度較低的點。

(4)DEM提取。提取后數字高程模型并不完美。數字高程模型上可能有孔洞或明顯的高程異常區域，如平坦區域或水域上明顯的凸起。這種現象的主要原因是傳感器本身的物理特性或立體圖像中云的存在。此時，需要對提取的數字高程模型進行編輯，以消除高異常區域。常用的數字高程模型編輯主要包括數字高程模型插值、數字高程模型濾波和數字高程模型平滑。

4 結果分析

4.1 坡向與坡度變量率

利用DEM數據分析坡向和坡度。坡向變化率是反映水平方向地形變化特征的關鍵指標之一。DEM中應用最廣泛的變化率是斜率的概念，即一階偏導數。縱橫比的計算是用縱橫比矩陣代替仰角矩陣來計算鄰域表面上某一點的縱橫比。基于高程矩陣從數字高程模型數據中提取高程變化率的算法很多。其中，由于三階逆距離平方權差分算法相對合理、準確，因此在研究中得到廣泛應用。在邊坡高寬比的計算過程中，借鑒這種方法，可以得到邊坡高寬比的計算公式。

各坡度分級梯度區間的土地面積分布均勻；坡向上東坡、東北坡以及北坡分別占總面積的13.49%、8.37%和11.23%，這是研究區地勢南高北低的總體反映；而坡度主要集中在0°～5°與5°～10°，較為平緩(見圖2和圖3)。

圖2 坡向分析圖

圖3 坡度分析圖

4.2 面積—高程積分

在這項研究中，地貌學家斯特拉勒于1952年提出了面積—高程分析法來分析金塔縣地貌的發展階段。具體操作：首先將整個研究區面積設定為A，在研究區等高線地形圖上測量各等高線或以上控制的面積a，然后測量各等高線與研究區高程最低點之間的高差H，研究區最高點與最低點之間的高差為h，設x=a/A，y=h/H分別為橫坐標和縱坐標，然后在y坐標上畫出高程—面積積分曲線：

y=f(x)

積分為：

也就是說，由曲線和沿y軸的X軸形成的塊的面積與整個塊的面積之比。當S≤0.6時時，表示地表層物質已被侵蝕量不到40%，此時曲線形狀向上凸起，地貌發育階段處于初期。當0.35≤S≤0.6時，表面侵蝕超過40%但小于65%時，曲線接近于直線，這時達到成熟期。當0.6≤S時，表明60%以上的物質已經被侵蝕，曲線形狀是凹的，這是老年期。如圖4。

圖4 不同發育期高程曲線

通過大量的野外觀測調查與室內嚴密的分析，利用GIS軟件中的Arcgis將金塔縣范圍內的等高線以等高距15 m的標準進行重分類，然后統計等高距為15 m的各條等高線上所控制的面積，最后在Excel里進行相關處理，得出一系列的坐標對(xi，yi)，根據這些坐標對繪制出流域的面積—高程曲線(見圖5)。

圖5 金塔縣面積—高程積分

將所繪制的流域面積～高程曲線在spss軟件上進行趨勢擬合，得出最佳擬合方程如下：

y=1.260 9x4-3.989 5x3+3.33x2-1.544 6x+0.979 1

R2=0.998 1

表2 金塔縣地貌發育階段劃分標準

4.3 生態系統服務價值

生態系統服務價值是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接獲得的支持生命的產品和服務。生態系統服務價值評估是生態環境保護、生態功能區劃、環境經濟核算和生態補償決策的重要依據和基礎[10]。金塔縣植被類型豐富，主要包括草甸、草地、沙漠、灌木和高山植被，與高原的植被類型基本相似。因此，根據謝高地等人對中國整體生態系統服務價值的評價[11]，青藏高原地區不同土地類型生態系統服務價值的評價標準，結合金塔縣的實際情況和中國的整體價格水平和消費水平，以2010年為基準貨幣年計算過去20年的當地生態系統服務價值。

ESV=∑(Ak×VCk)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

式中：ESV為生態系統服務價值(元)，Ak為土地面積(hm2)。VCk-為生態系統價值系數(元/hm2)，ESVf為第f項服務功能的生態系統服務價值(元)，VCfk-k種土地利用類型的第f項服務功能價值系數，(元/hm2)。

從1991年到2011年，金塔縣生態系統服務的總價值增加。20年來，生態系統服務總價值增長緩慢，在2001年水體與草地出現退化的現象，占2011年總價值的4.77%。從歷年生態系統構成來看，聚落提供的生態系統服務價值最大，占總價值的46.19%～51.21%。農田提供的生態系統服務價值最小，占總價值的4.16%～5.31%。森林、沼澤、濕地、湖泊和沙漠提供的生態系統服務的總價值約占總價值的一半(見圖6)。

圖6 金塔縣生態服務類型

5 結語

應用資源三號立體像對數據提取的DEM數據，對金塔縣的地形展開分析。結果顯示，坡向上東坡、東北坡以及北坡分別占總面積的13.49%、8.37%和11.23%，坡度主要集中于0°～5°之間，地形較為平緩。從面積—高程積分曲線可以得出，金塔縣的地貌發育處于壯年偏老時期。從不同生態系統類型提供的價值來看，20年間生態系統服務總價值增加較為緩慢。從單個生態系統服務功能的價值來看，研究區的生態系統服務價值主要來自氣候調節、水土保持、廢物處理、生物多樣性等功能。水體變化是生態系統服務價值變化的重要影響因素。通過生態服務評價系統分析，為水土流失生態治理提供依據。