多源遙感影像的侵蝕溝信息提取分析

蒲 羅 曼，張 樹 文，王 讓 虎，常 麗 萍， 楊 久 春

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102)

多源遙感影像的侵蝕溝信息提取分析

蒲 羅 曼1,2，張 樹 文2，王 讓 虎1,2，常 麗 萍2， 楊 久 春2

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102)

以多源遙感影像為基礎(chǔ)，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，運用定性方法全面分析各遙感影像中提取的侵蝕溝的信息特征，并在研究區(qū)選取兩個調(diào)查單元進行野外驗證，對所得結(jié)果與遙感影像目視解譯結(jié)果進行定量比較分析，得出以下結(jié)論：1)雖然空間分辨率最高的Pleiades遙感影像與DMC航片影像表現(xiàn)侵蝕溝的信息最為清晰，但空間分辨率過高會使侵蝕溝的內(nèi)部細節(jié)過于詳細，對信息提取增加噪聲信息。2)不同遙感影像所能提取的侵蝕溝的類型不同。與Pleiades和Alos遙感影像相比，資源三號衛(wèi)星影像能夠呈現(xiàn)穩(wěn)定溝、切溝和沖溝的信息，且成本低廉，是侵蝕溝信息提取最為理想的遙感影像。3)資源三號與高分一號衛(wèi)星影像在提取重點調(diào)查的沖溝與切溝的數(shù)量與長度和寬度信息時，所得結(jié)果與實地驗證結(jié)果十分接近，是比較合適的遙感影像。

多源遙感影像；侵蝕溝；信息提?。灰巴怛炞C

0 引言

遙感技術(shù)是目前快速獲取地面信息最為重要的手段之一。而隨著衛(wèi)星遙感和航空遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感影像的空間分辨率和時間分辨率在不斷提高，遙感影像的處理方法也越為先進[1]。但在對地物信息提取的實際操作中，有時并不需要利用所有可獲取的遙感影像資源，如何選取合適的遙感影像成為一個亟須解決的問題。

侵蝕溝為線形伸展的槽形凹地，是暫時性流水形成的侵蝕地貌，會使地形遭受強烈的分割，蠶食耕地，破壞道路，造成大量的水土流失，在吉林省黑土區(qū)發(fā)育較為嚴重。目前，針對侵蝕溝的研究多側(cè)重于侵蝕溝的形成機理分析[2-6]、侵蝕溝的動態(tài)變化[7-9]和侵蝕溝的治理對策[10-13]等，對于何種遙感影像最有利于侵蝕溝信息提取的研究相對較少。

基于以上認識，本文選取吉林省九臺市沐石河流域為研究區(qū)，通過對已獲取的6種不同的遙感影像所能表現(xiàn)出的侵蝕溝的特征和類型進行定性分析，以及在兩個野外調(diào)查單元內(nèi)將各遙感影像所能提取的侵蝕溝數(shù)量及長度、寬度信息與野外驗證相比較進行定量分析，探索侵蝕溝信息提取中最為合適的遙感影像。研究結(jié)果不僅可以為研究區(qū)域侵蝕溝發(fā)育情況與綜合治理提供信息支持，還可以為以后的地物信息提取方法提供參考依據(jù)，避免造成不必要的人力與資源浪費。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

本文選取九臺沐石河流域為研究區(qū)，地理坐標為126°1′39″～126°17′14″E，44°9′18″～44°22′20″N，位于吉林省長春市境內(nèi)。研究區(qū)面積為404 km2,總?cè)丝诩s為63 900人，屬于半山區(qū)，氣候為中溫帶大陸性氣候，四季分明，年均溫50℃，年降水量624 mm，全年無霜期140 d[14]。沐石河流域土質(zhì)肥沃，但近些年來，隨著人口增長和耕地開墾強度增加，水土流失現(xiàn)象十分嚴重，且以溝蝕最為突出。

(1)數(shù)據(jù)的選取。本次研究選取距今十年以內(nèi)的6種遙感影像進行試驗研究，不同類型的高分辨率影像的特征如表1所示。由于本研究只需探明不同類型的遙感影像對侵蝕溝信息提取的差異性，并不需要了解不同年份下侵蝕溝的動態(tài)變化信息，因此微小的時間差距對本研究的影響不大。本文選取九臺沐石河流域1∶1萬比例尺的DEM數(shù)據(jù)作為侵蝕溝解譯的輔助數(shù)據(jù)，其柵格分辨率為5 m。

表1 不同類型的高分辨率影像

Table 1 Different types of high-resolution images

影像名稱影像類型影像時間生產(chǎn)國家衛(wèi)星發(fā)射時間Spot5衛(wèi)星影像2007年法國2001年Alos衛(wèi)星影像2009年日本2005年DMC航空影像航空影像2010年中國2010年P(guān)leiades衛(wèi)星影像2013年法國2011年資源三號衛(wèi)星影像2013年中國2012年高分一號衛(wèi)星影像2014年中國2013年

(2)數(shù)據(jù)處理。研究中所使用的影像均經(jīng)過了融合、輻射校正、幾何糾正及增強等處理，以便于上述影像在空間上能夠完全對應(yīng)和增加信息提取的精確性[1]。具體操作時，對上述影像旋轉(zhuǎn)180°以消除反立體效果，然后以0.5 m分辨率的航片影像為依據(jù)分別對其他5種影像進行幾何糾正和配準，使其地物空間位置能夠完全對應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遙感影像下侵蝕溝信息提取的定性分析

本文首先從不同類型的遙感影像對侵蝕溝的表現(xiàn)特征和所能提取出的侵蝕溝的類型方面作定性分析。在影像不清晰難以識別時，可適當(dāng)根據(jù)侵蝕溝地形向下凹陷的特征，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進行辨認。

2.1.1 不同遙感影像中侵蝕溝的表現(xiàn)特征 遙感影像中地物的特征表現(xiàn)與遙感影像的空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率等因素息息相關(guān)。空間分辨率決定了肉眼能識別出的地物的清晰程度，是指影像像素所代表的地面范圍的大小[15]。上述6種遙感影像的空間分辨率差別很大，比較高的為0.5 m分辨率的DMC航空影像和0.7 m分辨率的Pleiades影像，相對較低的為2.5 m分辨率的Spot5影像和Alos影像。同一條侵蝕溝在6種不同空間分辨率的遙感影像上的表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 同一侵蝕溝在不同遙感影像上的表現(xiàn)

Fig.1 The performance of the same erosion gully on different remote sensing images

從圖1可知，遙感影像的空間分辨率越高，同一侵蝕溝在影像上出現(xiàn)純凈像元的概率就越大，侵蝕溝的輪廓、形狀和內(nèi)部細節(jié)就越清晰、獨立，如DMC航片影像和Pleiades影像中侵蝕溝的輪廓和形狀清晰可見；反之則以混合像元的形式出現(xiàn)，侵蝕溝的輪廓特征就會模糊、復(fù)雜，如Spot5 影像和Alos 影像中侵蝕溝顯得極其模糊，只能對其簡單識別。

但是“遙感影像的空間分辨率越高越合適”這一說法還有待商酌。空間分辨率的提高也會使得侵蝕溝的內(nèi)部細節(jié)過于詳細，同物異譜和同譜異物的現(xiàn)象也會大大增加，從而會對侵蝕溝的遙感識別和信息提取工作增加噪聲信息[15]。例如,在空間分辨率較高的DMC航片影像和Pleiades影像中，解譯穩(wěn)定性侵蝕溝時由于溝中長有植被，太陽照射形成的陰影在圖像中表現(xiàn)得極為清晰，會掩蓋侵蝕溝的輪廓，從而在勾畫時相對困難，而在資源三號與高分一號衛(wèi)星影像中陰影相對模糊，不會掩蓋侵蝕溝的輪廓。此外，田間小路和切溝的差別首先在于侵蝕溝的邊界參差不齊而小路的邊界比較圓滑，其次還在于田間小路一般比切溝的深度要淺。但是，在高分辨率的遙感影像中，由于田間小路可以清晰地呈現(xiàn)，使其與切溝并不容易區(qū)分出來。在分辨率較低的其他遙感影像中，田間小路幾乎不會呈現(xiàn)出來，不會對侵蝕溝的解譯造成干擾。

除了遙感影像的空間分辨率，光譜分辨率和時間分辨率也是影響遙感影像中地物表現(xiàn)特征的極為重要的因素。光譜分辨率是指遙感器所選用的波段數(shù)量的多少、各波段的波長位置及波段間隔的大小。通常情況下，光譜分辨率越高，對物體的識別精度越高，信息提取分析的效果也就越好。而時間分辨率是指遙感探測器重復(fù)采集數(shù)據(jù)的時間周期。6種遙感圖像的光譜分辨率與時間分辨率如表2所示。除上述因素以外，遙感影像中地物的清晰度還與影像時相、融合及增強效果等因素有關(guān)。

表2 各遙感影像的光譜分辨率和時間分辨率Table 2 Spectral and temporal resolution of each remote sensing image

2.1.2 不同遙感影像所能提取的侵蝕溝的類型分析 不同的遙感影像中提取的侵蝕溝除了特征不同，類型也不盡相同。在本次研究中，根據(jù)侵蝕溝的發(fā)育階段將其劃分為穩(wěn)定溝和發(fā)展溝兩類，其中發(fā)展溝又劃分為淺溝、沖溝和切溝3類(表3)。淺溝由于寬度較窄，深度較淺，不妨礙一般耕作，甚至?xí)蚋N而消失，常在相同位置重復(fù)出現(xiàn)，因此，淺溝對于研究的實際意義不大。而沖溝和切溝切割土地、蠶食耕地已十分嚴重，能夠清晰地反映水土流失程度，通常是研究的重點。穩(wěn)定溝由沖溝進一步發(fā)展形成，形成時間較長，且溝中一般長有植被，不再繼續(xù)發(fā)展。這里以Pleiades遙感影像、資源三號衛(wèi)星影像和Alos影像為例說明。

表3 侵蝕溝分類及形成機理

Table 3 Classification and formation mechanism of erosion gully

類型亞類形成機理發(fā)展溝淺溝水流在斜坡上匯集成細小的股流形成的細溝切溝細溝進一步下切加深形成切溝沖溝切溝進一步下蝕形成沖溝穩(wěn)定溝沖溝溝坡由于崩塌變得平緩,溝底填充碎屑物,形成穩(wěn)定溝,一般不再下切發(fā)展

在0.7 m分辨率的Pleiades遙感影像(圖2)中，能夠清晰地辨認出各種類型的侵蝕溝的形狀及輪廓，河流、鄉(xiāng)村道路也十分清晰，從而在放大比例尺后很容易勾畫出穩(wěn)定溝、沖溝和切溝的形狀，對于淺溝也可以畫出其延伸方向。

圖2 沐石河鎮(zhèn)地區(qū)(局部)Pleiades影像

Fig.2 Pleiades image of Mushihe Town area(section)

在2 m分辨率的資源三號衛(wèi)星影像(圖3)中，能夠辨別出穩(wěn)定溝、沖溝和切溝的大致形狀和輪廓，但對于淺溝只能看到比較模糊的痕跡。放大比例尺后，穩(wěn)定溝和發(fā)育時期較長的沖溝的輪廓可以被勾畫出來，發(fā)育時期較短的切溝可以大致勾畫走向，而淺溝在比例尺放大之后幾乎與耕地融為一體，很難勾畫出來。這主要是由于穩(wěn)定溝的形成時期較長，溝相對較寬，且溝中長有植被，較容易勾畫；沖溝是由河流或雨水沖擊而成，相對較寬；切溝由淺溝進一步下切而成，也可以在圖像中勾畫大致方向；淺溝發(fā)育時間較短，不容易辨識和勾畫。

圖3 沐石河鎮(zhèn)地區(qū)(局部)資源三號衛(wèi)星影像

Fig.3 Resources satellite three(ZY-3)image of Mushihe Town area(section)

在2.5 m分辨率的Alos 遙感影像(圖4)中， 基本上只能分辨出穩(wěn)定溝和沖溝，切溝有模糊的痕跡，而淺溝幾乎無法辨認。但當(dāng)放大比例尺后，雖然能勾畫出穩(wěn)定溝和沖溝的輪廓，但切溝的溝頭和溝尾幾乎無法辨認，精度十分差。

由此可知，Pleiades遙感影像雖然能夠辨別侵蝕溝的類型最多，侵蝕溝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)也表現(xiàn)得最為清晰，但在實際研究工作中，有時并不需要了解所有類型的侵蝕溝的特征，提取全部信息會耗費大量的時間和精力;同時考慮到Pleiades影像的成本相對較高,因此Pleiades遙感影像在用于侵蝕溝信息提取時并不是最為理想的。Alos 遙感影像能夠提取出的侵蝕溝信息相對較少，只能用于簡單的信息識別，一般不能滿足相關(guān)專業(yè)人員的要求。相對比而言，資源三號衛(wèi)星影像最為理想。

圖4 沐石河鎮(zhèn)地區(qū)(局部)Alos影像

Fig.4 Alos image of Mushihe Town area(section)

2.2 不同遙感影像下侵蝕溝信息提取的定量分析

為使研究結(jié)果更具說服力，采用定量分析的方法，在研究區(qū)域內(nèi)選取調(diào)查單元進行野外驗證，將侵蝕溝的數(shù)量和具體長度、寬度信息的實地驗證結(jié)果與6種遙感影像中的提取結(jié)果進行比較。根據(jù)第一次全國水利普查、水土保持情況普查、土壤水蝕普查所規(guī)定的野外調(diào)查單元規(guī)則選擇調(diào)查單元。沐石河研究區(qū)覆蓋了4個調(diào)查單元，但研究區(qū)西北部的調(diào)查單元位于平坦的耕作區(qū)，基本無侵蝕溝分布；西南部的調(diào)查單元位于山地林區(qū)，基本被林木覆蓋，因此這兩個調(diào)查單元被排除，保留研究區(qū)北部與中部兩個調(diào)查單元作為調(diào)查樣區(qū)[1]，分別命名為樣區(qū)A和樣區(qū)B，各樣區(qū)情況如表4。

表4 調(diào)查樣區(qū)情況

Table 4 Survey sample area circumstances

樣區(qū)編號經(jīng)緯度范圍面積(km2)位置A126°9'9″～126°9'53″E,44°21'18″～44°21'40″N0.35沐石河鎮(zhèn)北部B126°9'1″～126°9'53″E,44°15'25″～44°15'55″N0.43沐石河鎮(zhèn)中部

統(tǒng)計出6種遙感影像提取的每個樣區(qū)內(nèi)每種侵蝕溝類型的數(shù)量情況，并對比野外考察實際驗證的侵蝕溝的數(shù)量，制成直方圖(圖5、圖6),可以看出，兩樣區(qū)內(nèi)穩(wěn)定溝均分布較少，而淺溝和切溝分布較多。對比各遙感影像中提取的侵蝕溝的數(shù)量情況可知，無論在樣區(qū)A還是樣區(qū)B中，穩(wěn)定溝在各遙感影像中均有相同的數(shù)目，且都和實地驗證數(shù)目相吻合，說明穩(wěn)定溝在各遙感影像中均能很明顯地呈現(xiàn)出來；淺溝在DMC航片影像與Pleiades影像中較多，且都接近實地驗證情況，而在資源三號衛(wèi)星與高分一號衛(wèi)星中只能呈現(xiàn)實際數(shù)目的一部分，在Spot5和Alos遙感影像中的數(shù)目與實際數(shù)目相差較大；沖溝在各遙感影像中的數(shù)目差別不大，總體與實際數(shù)目接近；切溝在DMC航片影像和Pleiades影像中數(shù)目最多，且接近實際驗證數(shù)目，在資源三號與高分一號影像中數(shù)目略有減少，在Spot5和Alos影像中數(shù)目很少，遠遠不及實地驗證數(shù)目。

圖5 樣區(qū)A內(nèi)各遙感影像提取的各類型侵蝕溝數(shù)目

Fig.5 The number of each type of erosion gully extracted in each remote sensing in sample A

圖6 樣區(qū)B內(nèi)各遙感影像提取的各類型侵蝕溝數(shù)目

Fig.6 The number of each type of erosion gully extracted in each remote sensing in sample B

分別在兩樣區(qū)中抽樣選取一條沖溝和切溝，測量其平均寬度與總長度，并與資源三號和高分一號解譯結(jié)果相比較(表5),可以看出，資源三號與高分一號衛(wèi)星影像在提取沖溝與切溝的基本信息方面，所得結(jié)果與實地驗證結(jié)果十分接近，由此說明資源三號與高分一號衛(wèi)星影像可以將重點調(diào)查的沖溝與切溝的信息充分體現(xiàn)出來。

表5 抽樣調(diào)查的侵蝕溝的基本測量指標

Table 5 The basic measurements of erosion gully with sampling investigation

遙感影像與實地驗證基本測量指標樣區(qū)A樣區(qū)B沖溝1切溝1沖溝2切溝2資源三號衛(wèi)星高分一號衛(wèi)星實地驗證長度(m)726547101平均寬度(m)10.90.822.1長度(m)716547103平均寬度(m)1.10.80.82長度(m)756749105平均寬度(m)1.150.920.872.3

總之，Spot5和Alos影像不能精確地反映侵蝕溝信息，一般不能滿足項目工作的需求；DMC和Pleiades影像雖然表現(xiàn)侵蝕溝信息的能力最強，各種類型的侵蝕溝信息都可清晰地呈現(xiàn)出來，但由于淺溝對于研究的實際意義不大，因此選擇DMC和Pleiades影像過于浪費，考慮人力物力和成本等方面，這兩種影像并不是最合適的；資源三號和高分一號衛(wèi)星影像已足夠?qū)⒅攸c調(diào)查的切溝和沖溝的基本信息精確地表現(xiàn)出來，且成本相對低廉，是比較理想的影像。

3 結(jié)語

通過本文的研究可知：1)遙感影像的空間分辨率越高，侵蝕溝信息表現(xiàn)就越清晰、獨立。但空間分辨率的提高會對侵蝕溝的信息提取增加噪聲信息。遙感影像的光譜分辨率和時間分辨率等因素也會對侵蝕溝的信息提取造成影響。2)不同遙感影像所能提取的侵蝕溝類型不同。資源三號衛(wèi)星影像能清晰呈現(xiàn)穩(wěn)定溝、沖溝和切溝的信息，淺溝比較模糊甚至無法辨認，但淺溝是非重點研究對象，且考慮節(jié)約成本和人力物力方面，資源三號衛(wèi)星是比較理想的影像。3)雖然DMC和Pleiades影像提取侵蝕溝信息的能力最強，但資源三號與高分一號衛(wèi)星影像已可以將需要重點調(diào)查的沖溝和切溝的基本信息表現(xiàn)出來，且成本低廉，節(jié)約人力物力資源，避免不必要的浪費，比較理想。

本研究默認為每種遙感影像均經(jīng)過最為理想的處理,然而在實際遙感影像處理的操作中，很難達到最為理想的狀態(tài)。由于影像的處理方式也會對侵蝕溝的信息提取造成影響，對此類問題還需進一步研究和探討。

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Analysis of Erosion Gully Information Extraction Based on Multi-resource Remote Sensing Images

PU Luo-man1,2,ZHANG Shu-wen2,WANG Rang-hu1,2,CHANG Li-ping2,YANG Jiu-chun2

(1.College of Earth Science,Jilin University,Changchun 130061;2.Northeast Institute of Geography and Agroecolopy,Chinese Academy of Science,Changchun 130102,China)

In this study,based on multi-resource remote sensing images,combined with DEM data,using qualitative method,characteristics of erosion gully extracted from each remote sensing image are analyzed comprehensively,and two investigation units are selected in survey area for field verification.The results obtained are compared with the results of visual interpretation of remote sensing images.The results show that:1)Although Pleiades remote sensing image with the highest spatial resolution and DMC image can express the information of gully erosion clearly,the increasing of spatial resolution of remote sensing images will increase internal details of erosion gully,which can cause interference for extracting information.2)Different types of erosion gully can be extracted from different remote sensing images.Compared with Pleiades remote sensing image and Alos remote GF-1 satellite images,as the ideal images,can express the information of dissected gully and gulch that need to be researched mainly.3)When resources satellite three(ZY-3)and GF-1 images extract the information of quantity,length and width of dissected gully and gulch,which need to be investigated mainly,the results close to the field verification results,so they are more appropriate images.

multi-resource remote sensing images;erosion gully;information extraction;field verification

2015-07-21；

2015-09-08

國家自然科學(xué)青年基金項目(41301467)；國家科技基礎(chǔ)性工作專項(2013FY112800);吉林省測繪地理信息局國情監(jiān)測科技創(chuàng)新項目

蒲羅曼(1993-)，女，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。E-mail：puluoman@sina.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.017

TP75

A

1672-0504(2016)01-0090-05