黃土高原切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法探討

徐 智，曹 喆，孫棟元，王 強(qiáng)，楊 俊，王 苗，王興繁，武蘭珍

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

切溝是黃土高原常見的一種溝谷形態(tài)，通過(guò)溝頭溯源侵蝕、溝底下切、溝坡沖淘、崩塌、瀉溜、陷穴等作用形式不斷加劇土壤侵蝕，同時(shí)也是坡面集中徑流主導(dǎo)下縱向、橫向和垂向三維空間侵蝕的結(jié)果[1-2]。切溝侵蝕是黃土丘陵溝壑區(qū)最重要的侵蝕方式之一，對(duì)流域侵蝕產(chǎn)沙有重要影響和貢獻(xiàn)[3]。切溝斷面形態(tài)和長(zhǎng)度變化是切溝發(fā)育過(guò)程的重要特征，而切溝的形態(tài)特征也對(duì)應(yīng)著特定的發(fā)育階段，是決定切溝輸水輸沙能力和穩(wěn)定程度的重要因素[3-4]。切溝的不同形態(tài)特征、關(guān)鍵參數(shù)可以定量刻畫切溝演變特征、侵蝕特征，而探討切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法，對(duì)深入研究切溝侵蝕機(jī)理和防治切溝侵蝕提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有重要意義。不同學(xué)者針對(duì)切溝，從不同方面、不同角度開展了一系列相關(guān)研究，取得了大量成果。比如，何濤等[5]對(duì)切溝侵蝕測(cè)量方法研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納整理；陳明玉等[6]對(duì)黃土高原典型切溝土壤水分時(shí)空分布特征及其影響因素進(jìn)行了分析研究；張文杰等[7]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)紙坊溝流域切溝侵蝕與地形的關(guān)系；杜國(guó)明等[8]研究了東北典型黑土漫崗區(qū)切溝侵蝕空間格局；范昊明等[9]針對(duì)東北黑土區(qū)典型流域融雪期切溝發(fā)育特征進(jìn)行了研究；陳一先等[10]對(duì)陜北黃土區(qū)退耕前坡面切溝發(fā)育特征進(jìn)行了研究。但是目前針對(duì)黃土高原切溝形態(tài)特征、關(guān)鍵參數(shù)的提取方法還有待進(jìn)一步梳理、歸納、研究和整理。因此，本研究在綜合分析切溝形態(tài)特征、影響因子等基礎(chǔ)上，介紹了基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、QuickBird影像目視解譯法、SFM攝影測(cè)量法、最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計(jì)優(yōu)化、高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法，希望能為黃土高原切溝綜合研究和水土流失綜合治理提供科技支撐。

1 切溝形態(tài)特征

切溝具有一定的形態(tài)特征。形態(tài)特征是表征切溝的量化參數(shù)，也是判斷切溝的重要指標(biāo)，對(duì)于判斷切溝具有決定性作用[11]。切溝長(zhǎng)度和斷面形狀等是切溝形態(tài)的基本特征，能在一定程度上反映切溝的發(fā)育過(guò)程和程度，常用切溝長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、面積、表面寬度、溝底寬度、深度、寬深比、斷面形狀、斷面面積、體積等指標(biāo)定量表征[11-12]。切溝不同形態(tài)特征間存在著一定的相關(guān)性，且切溝關(guān)鍵參數(shù)的提取與形態(tài)特征密切相關(guān)，建立切溝形態(tài)特征間準(zhǔn)確、可靠的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于區(qū)域切溝侵蝕調(diào)查具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

2 切溝影響因子

切溝是氣候、降水、土壤、巖性、植被、地形等因子綜合作用的結(jié)果。但在不同時(shí)間和空間尺度上，各因子對(duì)切溝侵蝕影響的相對(duì)大小存在明顯差異，因而需要加強(qiáng)不同時(shí)空尺度切溝侵蝕主控因子研究，明確主控因子的時(shí)空變化規(guī)律[11]。研究表明，上方來(lái)水會(huì)對(duì)切溝侵蝕產(chǎn)生一定影響，引發(fā)重力侵蝕，加劇切溝侵蝕，降雨還會(huì)影響切溝侵蝕產(chǎn)沙量[12]；以坡度和坡向?yàn)橹鞯牡匦我蜃邮怯绊懫旅嫔系乇韽搅骱屯寥狼治g的主要因子，也是影響切溝侵蝕的環(huán)境因素之一；地表植被是切溝形態(tài)特征參數(shù)的重要影響因子之一[13]，可以有效削弱雨水的下切力，減少雨水對(duì)切溝的擊打力量，一定程度上增強(qiáng)了土壤的抗沖性，從而大大減少了切溝侵蝕的發(fā)生[12]。

3 切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

3.1 基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理、無(wú)人機(jī)高分辨率影像獲取與處理、切溝參數(shù)的提取和精度評(píng)價(jià)等過(guò)程[14]。采用三維激光掃描全站儀，結(jié)合影像和GPS精確定點(diǎn)，以及對(duì)切溝的實(shí)地測(cè)量，完成數(shù)據(jù)采集、檢驗(yàn)、補(bǔ)測(cè)，并提取切溝的地貌參數(shù)[15]；根據(jù)無(wú)人機(jī)設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)置掃描區(qū)域、圖像重疊、飛行高度、落點(diǎn)等相關(guān)飛行參數(shù)，確定飛行計(jì)劃，并對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，確定飛行高度、范圍等要素，完成飛行任務(wù)，采用相關(guān)影像處理軟件，獲得滿足空間分辨率的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)；使用ArcGIS軟件相關(guān)模塊，以無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取影像為基準(zhǔn)[16]，對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，通過(guò)目視解譯完成切溝二維邊界勾繪和二維形態(tài)參數(shù)計(jì)算，進(jìn)一步通過(guò)三維激光掃描數(shù)據(jù)和DEM確定切溝體積、平均溝深與橫截面積等參數(shù)，完成切溝三維模型構(gòu)建；在上述基礎(chǔ)上，完成基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的切溝參數(shù)的精度評(píng)價(jià)。

3.2 基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取與處理、QuickBird 影像獲取及處理、切溝邊界區(qū)域確定和誤差評(píng)價(jià)等過(guò)程[2]。利用三維激光掃描全站儀，選擇一定數(shù)量典型切溝進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲取具有地理坐標(biāo)和高程的點(diǎn)數(shù)據(jù)，基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型構(gòu)建DEM，并確定切溝的面積、周長(zhǎng)、溝長(zhǎng)等形態(tài)參數(shù)值；基于研究區(qū)QuickBird遙感影像，通過(guò)不同分辨率多光譜數(shù)據(jù)和不同波段數(shù)據(jù)融合、重采樣、正射校正和真彩色圖像等過(guò)程，完成切溝溝沿線提取，以及面積、周長(zhǎng)、溝長(zhǎng)等形態(tài)參數(shù)值的確定；基于QuickBird影像和三維激光掃描全站儀數(shù)據(jù)，完成切溝溝沿線圖層建立、圖層疊加功能和溝沿線邊界面積確定；在上述基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，完成基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)誤差評(píng)價(jià)。

3.3 基于SFM攝影測(cè)量法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于SFM攝影測(cè)量法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括切溝照片獲取與處理、SFM數(shù)據(jù)處理、GCP布設(shè)與坐標(biāo)計(jì)算和GCP布設(shè)方案比較等過(guò)程[17]。在滿足重疊率的基礎(chǔ)上，利用相機(jī)獲取切溝照片，并導(dǎo)入SFM專業(yè)軟件，通過(guò)清晰度處理，確定有效照片，滿足切溝三維重建目標(biāo)；通過(guò)尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法、隨機(jī)采樣一致性算法、光束法平差、多視圖立體視覺(jué)算法，完成特征點(diǎn)的提取與描述、非線性優(yōu)化、目標(biāo)切溝的稀疏點(diǎn)云建立和DEM生成，并提取與計(jì)算切溝相關(guān)參數(shù)[17-18]；根據(jù)GCP布設(shè)原則，利用RTK GPS測(cè)量各GCP大地坐標(biāo)，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和計(jì)算；進(jìn)一步根據(jù)切溝特點(diǎn)和GCP特點(diǎn)，將不同GCP布設(shè)方案相關(guān)信息輸入SFM專業(yè)軟件，重建目標(biāo)切溝三維形態(tài)，比較各方案的重建效果，完成對(duì)切溝關(guān)鍵參數(shù)的提取。

3.4 基于最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計(jì)優(yōu)化的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計(jì)優(yōu)化的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括地物的粗分割、最優(yōu)尺度分割、確定切溝候選對(duì)象和假陽(yáng)性切溝對(duì)象的去除等過(guò)程[19]。根據(jù)最優(yōu)分割尺度原則，結(jié)合不同波段多光譜影像，利用地物的光譜、光滑度、緊致度等特征，考慮一定函數(shù)關(guān)系，完成光譜異質(zhì)性和形狀異質(zhì)性參量，得到地物的粗分割結(jié)果；將光譜異質(zhì)性和空間異質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合使用，通過(guò)對(duì)象內(nèi)部同質(zhì)性和空間異質(zhì)性目標(biāo)函數(shù)，確定最優(yōu)分割尺度，進(jìn)行對(duì)象實(shí)際分割；根據(jù)影像的光譜、地形信息、幾何形態(tài)和紋理信息等特征，通過(guò)相應(yīng)的分類方法和統(tǒng)計(jì)分析方法，確定切溝候選對(duì)象的提取閾值；通過(guò)光譜亮度值，結(jié)合紋理，確定假陽(yáng)性對(duì)象和切溝的不同提取閾值，進(jìn)一步進(jìn)行切溝關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)際分類和提取。

3.5 基于高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理、高分立體像對(duì)提取DEM、提取切溝參數(shù)和精度評(píng)價(jià)等過(guò)程[20]。利用三維激光掃描全站儀對(duì)研究區(qū)切溝進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲取相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)切溝數(shù)據(jù)去噪處理，生成柵格單元的DEM，滿足立體像對(duì)提取切溝參數(shù)的精度；利用Erdas軟件對(duì)立體像對(duì)進(jìn)行裁剪，用ENVI相關(guān)模塊自動(dòng)提取一定分辨率的DEM，進(jìn)一步使用 ArcGIS模塊，采用最鄰近法對(duì)立體像對(duì)DEM重采樣，生成與三維激光掃描數(shù)據(jù)一致更高分辨率的DEM，從而降低切溝邊界及DEM誤差；通過(guò)對(duì)三維激光掃描儀獲取切溝進(jìn)行配準(zhǔn)處理、目視解譯并勾繪切溝二維邊界，計(jì)算面積、周長(zhǎng)、溝寬和溝長(zhǎng)等二維參數(shù)；利用切溝邊界分別裁剪三維激光掃描數(shù)據(jù)生成的DEM和高分立體像對(duì)生成的DEM，分別得到切溝DEM、點(diǎn)圖層高程值、原始侵蝕基準(zhǔn)面等，基于上述構(gòu)建切溝三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的提取和處理，以及對(duì)比分析，并進(jìn)一步檢驗(yàn)使用立體像對(duì)提取黃土區(qū)切溝參數(shù)的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

切溝參數(shù)的有效提取和準(zhǔn)確量化能為切溝研究提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。本研究分析了基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、QuickBird影像目視解譯法、SFM攝影測(cè)量法、最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計(jì)優(yōu)化、高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法。然而切溝參數(shù)的多樣化和影響因素的多樣性，使得切溝參數(shù)的定量刻畫具有一定復(fù)雜性，加之各個(gè)方法的精度和優(yōu)缺點(diǎn)各異，因此在切溝參數(shù)提取過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體地形特點(diǎn)和影響因素選取適宜研究區(qū)域，同時(shí)在研究過(guò)程中綜合考慮區(qū)域特點(diǎn)，多要素和多方法綜合利用，加強(qiáng)對(duì)切溝全面監(jiān)測(cè)、全面分析，建立長(zhǎng)期切溝多因子數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)切溝由點(diǎn)到面的轉(zhuǎn)化研究，建立多要素大尺度切溝侵蝕模型，進(jìn)一步加強(qiáng)切溝侵蝕特征研究。