艾比湖階地三維反演研究

昝 梅，陳蜀江，吳成永

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054)

艾比湖階地三維反演研究

昝 梅，陳蜀江，吳成永

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054)

以ASTER、ETM、SPOT遙感影像為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用遙感軟件對影像增強處理，突出了艾比湖湖積堤信息。將實際采樣點、衛(wèi)星遙感影像和DEM數(shù)據(jù)疊加，確定了湖岸線和階地遺址。通過構(gòu)建水淹模型，方便準(zhǔn)確地獲得艾比湖階地的實地三維信息，制作高精度DEM數(shù)據(jù)，生成仿真的三維數(shù)字地形模型，實現(xiàn)了艾比湖的三維顯示以及三維水淹，可以從不同角度、視點和高度觀察地貌的整體和部分特征，借助地理信息系統(tǒng)工具還可以準(zhǔn)確地計算不同時期湖面面積、體積，確定水淹范圍，反演不同時期艾比湖湖面情況，對研究艾比湖難以到達區(qū)域的地貌形態(tài)和地貌演化具有十分重要的意義。

湖積堤信息提取;階地;DEM;艾比湖

0 引言

地貌形態(tài)的復(fù)雜性決定了地貌因子的復(fù)雜性，各因子在地質(zhì)和構(gòu)造運動所起的作用存在著諸多不確定性。到目前為止，地貌演化理論研究仍然處于百家爭鳴狀態(tài)，加之地表十分廣闊，還存著諸多人不能或不易到達的地區(qū)，這給地貌考察增加了困難，地貌數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，地貌信息系統(tǒng)的建設(shè)比較復(fù)雜［1］。綜上所述，地貌演化研究仍需要多種學(xué)科、技術(shù)方法進行多角度、全方位的進一步綜合研究。

本文借助遙感影像、DEM數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，提取高精度的湖泊階地數(shù)字信息模型，并利用ERDAS軟件反演艾比湖階地，對艾比湖的湖岸地貌有了一個更為全面的認(rèn)識。通過完成上述工作，可以完善該區(qū)域湖濱地貌的系統(tǒng)研究，這一方法也可以因地制宜地應(yīng)用于其他地區(qū)湖泊地貌的研究中。

圖2 艾比湖遙感影像圖Fig．2 Ebinur remote sensing image

1 研究區(qū)概況

艾比湖位于亞歐大陸中心的南側(cè)，準(zhǔn)噶爾盆地西南隅，介于 82°35'～83°11'E、44°44'～45°10'N 之間，其西北部為天山山系最北分支阿拉套山，北部是準(zhǔn)格爾西部山地中的瑪依力山，南側(cè)是北天山西段北坡［2－6］。艾比湖為一典型內(nèi)陸干旱區(qū)封閉型湖泊，是新疆第二大湖［2］，也是準(zhǔn)噶爾盆地西南環(huán)境變化的敏感區(qū)域。艾比湖流域氣候十分干燥，屬典型的溫帶干旱大陸氣候。日照充足，降水稀少，蒸發(fā)量大，空氣干燥，風(fēng)多風(fēng)大，鹽塵和浮塵活動頻繁。其地理位置見圖1，遙感影像見圖2。隨著自然因素的變化和人類活動的加劇，湖面開始縮小并出現(xiàn)了干涸湖底，遺留下很多湖泊變化的痕跡線。因此，對湖積堤、湖岸階地系統(tǒng)研究，將使湖面變化的過程和特點更加清晰，并可為區(qū)域環(huán)境氣候演變的研究提供依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)路線

首先進行信息采集，通過多種方法采集研究區(qū)的矢量、柵格、屬性等數(shù)據(jù)。然后進行數(shù)據(jù)處理，包括衛(wèi)星影像的精糾正、裁剪、拼接、融合、增強、線性拉伸等圖像處理;DEM數(shù)據(jù)裁剪、拼接的處理;矢量數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、制作研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底圖，包括土地分類圖、土壤分布圖等，并根據(jù)研究區(qū)的自然條件利用地理信息系統(tǒng)軟件SuperMap 2003制作地貌類型圖等;對屬性數(shù)據(jù)(土地資源、氣候資源、生物資源和人口等經(jīng)濟數(shù)據(jù))進行歸類、統(tǒng)計，結(jié)合研究區(qū)實際情況建立屬性數(shù)據(jù)庫。再進行相關(guān)信息的提取:遙感影像的艾比湖湖岸階地信息的提取，DEM數(shù)據(jù)的按高程分級、提取研究區(qū)坡度、等高線的提取，TIN數(shù)據(jù)插值及水系線的自動提取。最后，在充分獲得以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行艾比湖階地現(xiàn)狀的研究，并與其前人研究成果進行對比分析，得出結(jié)論。具體如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線Fig．3 Technology flow chart

3 艾比湖階地的確定

階地的確定主要通過野外實地勘測、室內(nèi)遙感影像判讀以及DEM數(shù)據(jù)分析而獲得。野外考察主要使用3S野外測量平臺(包括RTK、手持GPS、筆記本電腦、GIS、RS軟件、實時定位顯示軟件等)獲得。

圖4是艾比湖階地采樣范圍。樣區(qū)主要分布在艾比湖周圍距湖面約0．1～4．2 km的范圍內(nèi)。其中在艾比湖的西岸、西北岸以及北岸湖積堤保存比較完整，尤其在艾比湖西南 82°43'9．57″～82°44'24″，44°50'32″～44°51'6．91″范圍內(nèi)，即博河口管護站附近;83°01'11．28″～ 83°03'23．98″，44°40'52．18″～44°43'37．76″范圍內(nèi)，即精河火車站附近;82°34'41．82″～82°39'54．69″，44°57'36．84″～ 45°0'43．83″范圍內(nèi)，即博樂火車站附近;82°34'15．51″～83°11'0．69″，44°55'29．31″～45°9'51．82″范圍內(nèi)，即艾比湖北岸，這些湖積堤連續(xù)性好。而在湖周其他地段湖積堤往往受后期自然和人文因素的改造作用和影響，連續(xù)性差。

圖4 艾比湖階地采樣范圍Fig．4 Sam pling range of Ebinur terrace

對數(shù)據(jù)處理后，選擇湖積堤明顯、連續(xù)性好且具有代表性的E區(qū)進行分析。由分析可知，E區(qū)有20道湖積堤，分別記作 E1～E20，海拔分別位于194．5～368．5 m之間。圖5為艾比湖湖積痕跡分區(qū)，圖6為ASTER影像，痕跡線中都可以看到湖積堤的具體位置。

在這20道湖積堤中，E18～E20的高度相對較大，E1～E16延續(xù)性相對較好，伸展得較寬平，相互之間幾乎連成一片。湖區(qū)西南部和東南部因地形較緩，湖積物分布較廣，但由于人為改造使之連續(xù)性很差［7］。通過實測分析和利用遙感影像信息增強，確定的艾比湖有10級階地，分別用T1～T10表示，具體高程如表1所示。

此外艾比湖SPOT、ETM影像數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)均可以為以上結(jié)論提供充足的證據(jù)，如圖7中SPOT影像上條狀泛亮白色的痕跡線，圖8 ETM影像反映的痕跡線，通過信息提取等處理后最終確定均為艾比湖的湖積痕跡。而圖9是艾比湖DEM疊加遙感影像后的階地情況。

圖7 SPOT數(shù)據(jù)影像的痕跡線Fig．7 Vestiges of SPOT image data

圖8 ETM數(shù)據(jù)影像的痕跡線Fig．8 Vestiges of ASTER image data

圖9 DEM與遙感影像疊加的三維立體圖Fig．9 DEM Data reaction Ebinur terrace

表1 E區(qū)階地高程表Tab．1 E District terrace height table

4 艾比湖DEM數(shù)據(jù)的獲取

DEM是地形起伏的數(shù)字表達［7－11］，它是按照一定的測量方式和方法，在測區(qū)內(nèi)測定一定數(shù)量離散點的平面位置和高程值。

本文利用艾比湖1∶5萬地形圖和RTK實地測點，空間插值生成高分辨率DEM，如圖10所示。

圖10 艾比湖DEM數(shù)據(jù)Fig．10 Ebinur DEM data

5 艾比湖湖面的恢復(fù)

借助艾比湖DEM，在ERDAS軟件VirtualGIS模塊中實現(xiàn)三維立體恢復(fù)，把艾比湖水面恢復(fù)到相應(yīng)階地時代的湖面。

圖11是利用DEM疊加ETM數(shù)據(jù)，獲得的艾比湖不同高程的階地水面恢復(fù)后的三維立體效果景觀效果圖。階地高程大于400 m后，艾比湖就與境外的阿拉湖連通了。

艾比湖二維水面的恢復(fù)主要根據(jù)艾比湖階地空間位置在地形圖確定古湖面的范圍。圖12是艾比湖不同時期湖面二維情況下恢復(fù)的情況。

圖11 不同水位高程時的水淹狀況Fig．11 The flooded condition of different water level elevation

圖12 艾比湖水面恢復(fù)變化圖Fig．12 Ebinur water recovery variation

6 艾比湖湖面面積及容積量算

利用艾比湖的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS 9．1軟件中計算出艾比湖相應(yīng)階地的湖面面積和湖水體積。通過Valume命令計算艾比湖TIN數(shù)據(jù)在指定高程和湖底之間的體積，并以 info表的形式記錄［12、13］。通過Tinarc命令計算每個三角形面的表面積，結(jié)果儲存在多邊形屬性表的sarea屬性項中，然后通過疊加與統(tǒng)計分析得出所需高程下的表面積。通常利用DEM數(shù)據(jù)計算不同湖階地之間湖水體積之差，所以經(jīng)過計算后需要增加一個正常情況下的湖水體積。最終得到艾比湖湖面積和體積如表2所示。

表2 古艾比湖湖泊面積與水量數(shù)據(jù)Tab．2 Ancient Ebinur lake area and water storage capacity

由表2可知，古艾比湖體積和面積較大，主要由于現(xiàn)代人為的開采、利用，氣候環(huán)境的演變，此外沉積物的作用使現(xiàn)代的湖盆底部高于古代［5，6］，這都造成了現(xiàn)代湖面面積和體積小于古代湖面的面積和體積。

7 結(jié)論

通過搭建野外3S平臺，方便準(zhǔn)確的獲得艾比湖階地的實地三維信息，制作高精度DEM數(shù)據(jù)，生成仿真的三維數(shù)字地形模型，實現(xiàn)了艾比湖的三維顯示以及三維水淹，可以從不同角度、視點和高度觀察地貌的整體和部分特征。借助地理信息系統(tǒng)工具還可以準(zhǔn)確的計算不同時期湖面面積，體積、確定水淹范圍，對研究艾比湖難以到達區(qū)域的地貌形態(tài)和地貌演化具有十分重要的意義。

以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以遙感與地理信息系統(tǒng)為依托的地貌學(xué)研究方法才剛剛起步，具有很大的發(fā)展?jié)摿?新技術(shù)與傳統(tǒng)地貌學(xué)的結(jié)合，不但能夠解決傳統(tǒng)地貌學(xué)中難以定量和不客觀、不準(zhǔn)確等問題，而且能夠通過模擬來發(fā)現(xiàn)新的理論或驗證傳統(tǒng)理論的正確性，在未來地貌學(xué)和綜合自然地理及相關(guān)研究中一定會發(fā)揮更大的作用。

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［11］許寶榮．基于柵格DEM的河網(wǎng)自動提取研究［D］．蘭州:蘭州大學(xué)，2005．

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(責(zé)任編輯:李 瑜)

A Three－Dimensional Inversion Study of Ebinur Terrace

ZAN Mei，CHEN Shu－Jiang，WU Cheng－Yong

(School of Geographic Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China)

With ASTER，ETM and SPOT remote－sensing images as the data sources，the authors used remotesensing software to enhance the images so as to highlight the embankment information of the Ebinur Lake．By superimposition of the practical sampling points，satellite remote－sensing images and DEM data，the relic sites of lakeshore and terrace were determined．Through setting up the flooding model，the authors obtained the three －dimensional information of the Ebinur Lake terrace easily and accurately，formulated high－precision DEM data，created simulated three－dimensional land form model，and realized three－dimensional demonstration and three dimensional flooding．The overall and partial characteristics of the land form can be observed from different angles，different points of view and different attitudes．With the help of the GIS system tool，the lake surface areas，volumes and flooding ranges of different periods can be accurately calculated，and the surface situation of the Ebinur Lake can be understood through inversion．All these results are of great significance in the study of the morphologic shape and evolution of the Ebinur Lake．

Extraction of lake embankment information;Terrace;DEM;Ebinur Lake

昝 梅(1979－)，女，講師，主要從事遙感技術(shù)與應(yīng)用研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0126－06

2009－11－26;

2010－03－16

新疆師范大學(xué)優(yōu)秀青年教師科研啟動基金［編號:XJNU0735］。