圖解建模方法在提取溝壑密度中的分析研究

楊 斌 張俊峰 高德政 何政偉 王 青

(1西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,綿陽(yáng)621010)

(2成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059)

(3武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢430079)

1 引言

溝壑密度是評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)溝蝕程度的重要指標(biāo),具體反映出了研究區(qū)域的溝蝕輪廓,常作為侵蝕結(jié)果因子直接參與到地質(zhì)災(zāi)害、土壤侵蝕等方面的評(píng)價(jià)。溝壑密度同時(shí)還成為航天遙感獲取數(shù)字高程信息以后提取出來(lái)的最有分析價(jià)值的影響因子之一。目前,對(duì)于溝壑密度的提取方法,尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定,主要有傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查法、遙感圖像處理法和現(xiàn)代數(shù)字高程模型(DEM)法等[1]。傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查法需要借助于大量的野外調(diào)查數(shù)據(jù),相對(duì)來(lái)說(shuō)誤差較大;遙感圖像處理方法借助于遙感技術(shù),使得以較低的投入獲得大面積的遙感影像數(shù)據(jù),最后通過(guò)人機(jī)交互方式對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯提取溝谷線等相關(guān)信息,從而獲取其溝壑密度。該方法需要借助于遙感數(shù)據(jù)和人機(jī)交互判讀,對(duì)于提取的效率不高。

而現(xiàn)代DEM方法則是采用數(shù)據(jù)高程模型(DEM)通過(guò)一組數(shù)學(xué)模型公式進(jìn)行分析計(jì)算而得到。相對(duì)于傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查法和遙感圖像處理法而言,該方法具有較強(qiáng)的人機(jī)交互功能,同時(shí)可通過(guò)對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析從而得到河網(wǎng)信息,進(jìn)而可以提取出研究區(qū)域的溝壑密度[2]。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用ArcGIS強(qiáng)大的空間模型分析功能,采用圖解建模方法建立一套提取研究區(qū)溝壑密度模型,該方法的實(shí)現(xiàn)為溝壑密度的提取分析提供了一種全新的解決方案。

2 圖解建模提取溝壑密度的思路

圖解建模思想實(shí)際上是源于地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析模型,它主要是用直觀的圖形語(yǔ)言將一個(gè)具體的過(guò)程用模型表達(dá)出來(lái)。在模型建立過(guò)程中,只需要用戶(hù)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù),并以流程圖的形式進(jìn)行重新組合便可實(shí)現(xiàn)GIS空間分析功能,為提取溝壑密度提供了一種全新的解決方案。在ArcGIS9.X系列軟件中,均提供了構(gòu)建模型的腳本語(yǔ)言,結(jié)合相關(guān)的編輯器即可實(shí)現(xiàn)溝壑密度提取的空間分析模型[3]。

結(jié)合基于現(xiàn)代DEM方法提取溝壑密度的模式,在圖解建模分析建立過(guò)程中,將其分為三個(gè)步驟:第一步,研究區(qū)河網(wǎng)的提取分析;第二步,斷線融合(根據(jù)指定字段融合相關(guān)要素);第三步,溝壑密度的計(jì)算分析。根據(jù)以上分析建立了溝壑密度提取流程圖(圖1)。

圖1 溝壑密度提取流程圖

3 溝壑密度提取過(guò)程分析

3.1 河網(wǎng)的提取分析

河流分布情況是反映溝壑密度信息的關(guān)鍵指標(biāo),一般在河流分布密集的地區(qū)往往是地形起伏劇烈、切割深度較深的地區(qū),因而對(duì)河網(wǎng)的提取與分析是提取溝壑密度的前提和基礎(chǔ)[4]。針對(duì)河網(wǎng)的提取,采用地表徑流漫流模型進(jìn)行計(jì)算,該模型的主要思想是在無(wú)洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個(gè)柵格的水流方向,然后利用水流方向計(jì)算出每一個(gè)柵格在水流方向上累積的柵格數(shù),即匯流累積量。由所得到的匯流累積量則代表在一個(gè)柵格位置上有多少個(gè)柵格的水流方向流經(jīng)此柵格。因而,假設(shè)每一個(gè)柵格處攜帶一份水流,那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量。當(dāng)匯流量達(dá)到一定值(閾值)的時(shí)候,就會(huì)產(chǎn)生地表水流,那么所有那些匯流量大于那個(gè)臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑,由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。

將其河網(wǎng)提取的主要過(guò)程歸納為如下三個(gè)步驟:

1)水流方向計(jì)算:通過(guò)計(jì)算中心格網(wǎng)與領(lǐng)域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來(lái)確定水流離開(kāi)單元格時(shí)的指向。其中距離權(quán)落差指中心格網(wǎng)與領(lǐng)域格網(wǎng)的高程差除以?xún)蓶鸥耖g的距離(一般取1或21/2),而方向值是以2的冪值指定存在水流不確定的情況,最終將方向值相加。

2)水流匯集計(jì)算:基本思想是規(guī)定以規(guī)則格網(wǎng)表示的DEM每點(diǎn)處都有一個(gè)單位的水量,根據(jù)水流方向計(jì)算流過(guò)該點(diǎn)的水流總量。其中匯流累計(jì)(FlowAcc)是指區(qū)域地形每點(diǎn)的流水匯集量,該數(shù)據(jù)主要基于水流方向數(shù)據(jù)獲得。

3)河網(wǎng)的提取:利用所設(shè)定的閾值進(jìn)行研究區(qū)域的分析并最終生成一個(gè)新的柵格圖層,在生成柵格數(shù)據(jù)中將那些匯流量大于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為1,而小于或等于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為無(wú)數(shù)據(jù),便可以提取出該研究區(qū)域的河網(wǎng)體系。

3.2 閾值的選取

閾值的選取在河網(wǎng)的提取過(guò)程是很重要的,它能直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果。在研究大范圍的區(qū)域中,以能突出重點(diǎn)流域河網(wǎng)分布情況為主要目的,有些地方出現(xiàn)的偽河流需要研究人員自己手工糾正[5]。在以四川省為例提取河網(wǎng)信息過(guò)程中,選取了甘孜州某山區(qū)作為閾值選取的研究區(qū),因?yàn)樯絽^(qū)的溝壑相對(duì)比較清晰,適合閾值的選取。并將不同閾值下提取出來(lái)的河網(wǎng)圖層與研究區(qū)的山體陰影數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,目的是清楚識(shí)別出不同閾值下反映的山地河網(wǎng)分布情況[6-7]。

在提取過(guò)程中,選擇閾值范圍在100～2 000之間,閾值間隔為100的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(小于100的分級(jí)效果很不明顯),分別提取出了20組閾值數(shù)據(jù),并在這20組分析數(shù)據(jù)中選擇了 100、300、500、900、1 200、1 500、2 000這7組數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較,同時(shí)還加入了四川省河流分布數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較。從提取結(jié)果中分析可以看出,閾值選擇100、300和500時(shí),河網(wǎng)的分級(jí)效果不好,將許多偽河谷都包含進(jìn)去了;當(dāng)閾值選擇為1 200、1 500和2 000時(shí),只能提取出主河網(wǎng),許多支流河網(wǎng)信息都沒(méi)有包含進(jìn)去[8]。從分析比較中能夠得出,閾值小于900時(shí),對(duì)河網(wǎng)提取的結(jié)果中加入許多偽河流,并在一個(gè)較大的河谷中出現(xiàn)了河流的分叉現(xiàn)象;當(dāng)閾值大于900時(shí),河網(wǎng)提取的結(jié)果中忽略了很多次級(jí)河流,這些河流的分布情況對(duì)研究溝壑密度的提取也具有一定的價(jià)值。綜合以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析比較,得出選取閾值為900時(shí)最適合作為研究區(qū)的河網(wǎng)提取的閾值,圖2為閾值為900提取出來(lái)的河網(wǎng)體系分布數(shù)據(jù)。

圖2 河網(wǎng)提取中閾值選取分析圖

4 溝壑密度的提取分析

溝壑密度表征在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi),地表單位面積內(nèi)溝壑的總長(zhǎng)度[9]。溝壑密度的提取可以采用溝壑的總長(zhǎng)度與其單位面積之比,其數(shù)學(xué)公式為:

式中 參數(shù)Ds為溝壑密度值;L為研究區(qū)域單位面積內(nèi)溝壑的長(zhǎng)度;A為研究區(qū)域的面積。因而溝壑密度的單位表示為km/km2。結(jié)合四川省河網(wǎng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,溝壑密度提取的流程分為以下3個(gè)步驟:

1)線面求交:先根據(jù)提取的河網(wǎng)信息得到溝谷線數(shù)據(jù),并用區(qū)劃文件將其溝谷線進(jìn)行打斷處理,分割出每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的溝谷數(shù)據(jù)。

2)斷線融合:將分割出每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的溝谷數(shù)據(jù),根據(jù)指定的字段進(jìn)行融合要素,并計(jì)算出融合后線段中各個(gè)要素的長(zhǎng)度以及分割區(qū)域的面積。

3)求取計(jì)算:若獲取的面積和周長(zhǎng)不處于同一個(gè)圖層屬性表中,就需要將這兩個(gè)圖層通過(guò)一定的標(biāo)識(shí)字段進(jìn)行線面鏈接,從而可以在同一圖層中獲取長(zhǎng)度和面積值,最終求出各分割區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度/面積的比值即為該區(qū)域內(nèi)的溝壑密度。

5 空間數(shù)據(jù)模型的建立及應(yīng)用

綜合以上的提取分析過(guò)程,根據(jù)圖解建模的思想,運(yùn)用A rcGIS軟件中的空間分析模塊,在ArcToolBox中構(gòu)建了一套提取溝壑密度的空間數(shù)據(jù)分析模型。圖3表示利用ArcToolBox軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)建模的建立流程。在運(yùn)用該空間數(shù)據(jù)分析模型過(guò)程中,首先需要航天遙感器獲取四川省1∶25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)源;然后運(yùn)用自構(gòu)建的溝壑密度空間提取模型,分別對(duì)四川省122個(gè)縣市進(jìn)行單點(diǎn)溝壑密度提取最后通過(guò)反距離權(quán)重插值法(IDW,冪值設(shè)置為3)將所有結(jié)果進(jìn)行插值提取,即可得到四川省溝壑密度分布圖。

從四川省溝壑密度空間分布圖(圖4)的顏色特征分析可以看出,四川省溝壑密度分布很不均勻,在川西南和川西地區(qū)求取出來(lái)的溝壑密度值較大,同時(shí)還可看出在成都平原地區(qū)的溝壑密度值很小,這和實(shí)際情況也相吻合。實(shí)踐表明,此模型提取溝壑密度簡(jiǎn)單快捷,為提取較難用數(shù)字化表達(dá)的溝壑密度進(jìn)行了方法嘗試,也為下一步空間分析奠定基礎(chǔ)。

圖4 四川省溝壑密度空間分布圖

6 結(jié)束語(yǔ)

溝壑密度作為描述地面被溝壑切割破碎程度的一個(gè)重要指標(biāo),又被認(rèn)為是航天遙感器提取出來(lái)的重要地形特征分析因子,在一定程度上反映一個(gè)地區(qū)內(nèi)的地形起伏程度,同時(shí)溝壑密度還是氣候、地形、巖性、植被等因素綜合影響的反映。它在研究宏觀領(lǐng)域綜合等級(jí)評(píng)價(jià)分析過(guò)程中具有重要的地位。目前對(duì)于溝壑密度的提取分析缺乏統(tǒng)一的空間分析模型,論文在分析河網(wǎng)和溝壑密度提取流程的基礎(chǔ)上,運(yùn)用A rcGIS的空間分析模塊,根據(jù)圖解建模的思想,在ArcToolBox軟件中建立了提取溝壑密度的空間數(shù)據(jù)模型,并運(yùn)用該模型提取出四川省的溝壑密度空間分布圖。該方法的研究為相關(guān)領(lǐng)域人員提取溝壑密度奠定了一定的基礎(chǔ)。

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