3S技術(shù)在王家溝流域溝道侵蝕研究中的應(yīng)用

王錦志 劉 林 王小平

（山西省水土保持科學(xué)研究所）

囗試驗(yàn)研究

3S技術(shù)在王家溝流域溝道侵蝕研究中的應(yīng)用

王錦志 劉 林 王小平

（山西省水土保持科學(xué)研究所）

采用王家溝流域原有的等高線地形圖，運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件，對(duì)地形圖矢量化，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），轉(zhuǎn)柵格得到數(shù)字地形模型（DEM）。將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)使用該軟件進(jìn)行定義投影、地理配準(zhǔn)和掩膜提取等處理，進(jìn)而與數(shù)字地形模型（DEM）疊加，并利用ERDAS IMAGINE軟件對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯處理，獲得土地利用現(xiàn)狀圖和溝道分布圖。進(jìn)而使用ArcScene模塊的3D分析工具，建立主要影響溝道土壤侵蝕因子的矢量圖形庫(kù)。最終將影響因子疊加分析，揭示流域溝道土壤侵蝕情況與各影響因子之間的關(guān)聯(lián)，可為研究制定水土流失防治措施提供準(zhǔn)確依據(jù)。

溝道侵蝕 ArcGIS 3S技術(shù) 王家溝流域

近年來(lái)，在土壤侵蝕機(jī)理研究的過(guò)程中，經(jīng)常采用地理信息系統(tǒng)（GIS）的基礎(chǔ)理論及其方法進(jìn)行分析。隨著GIS技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，三維空間分析技術(shù)逐步走向成熟[1]。本項(xiàng)研究以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域—王家溝流域的等高線地形圖和衛(wèi)星遙感影像為信息源，通過(guò)ArcGIS10.2軟件提供的3D分析模塊及ERDAS IMAGINE軟件的輔助，進(jìn)行一系列空間分析和定義操作，制作構(gòu)建土地利用現(xiàn)狀圖、溝道分布圖和土壤侵蝕現(xiàn)狀圖等，并對(duì)生成的矢量圖件數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，深入探討了王家溝流域溝道侵蝕情況與各影響因子之間的關(guān)聯(lián)。

1 研究區(qū)概況

王家溝流域地處呂梁市離石區(qū)城北4 km處，是黃河一級(jí)支流三川河流域北川河支流左岸的一條支溝。流域總面積9.1 km2，海拔高程946-1 290 m，相對(duì)高差344 m。耕地面積373.3 hm2，占流域總面積的41%。流域氣候?qū)俚湫偷呐瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降水變率大，年際和年內(nèi)分配不均。地形支離破碎，溝坡陡峭，溝壑縱橫，梁峁交錯(cuò)，在黃土丘陵溝壑區(qū)具有代表性。以該流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為信息源，應(yīng)用3S技術(shù)，通過(guò)地形可視化的方式構(gòu)建直觀生動(dòng)的模型，全方位、立體化地進(jìn)行溝道土壤侵蝕研究分析。

2 軟件特點(diǎn)及應(yīng)用方法

本項(xiàng)研究主要應(yīng)用ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理與統(tǒng)計(jì)分析。該軟件是對(duì)地理信息進(jìn)行編輯、創(chuàng)建以及分析的GIS軟件，可提供包括制圖、地理分析、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理、可視化和空間處理等一系列的應(yīng)用工具，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、管理和分析。我們將主要應(yīng)用ArcScene模塊，它可以更加高效地管理三維數(shù)據(jù)、創(chuàng)建具有三維場(chǎng)景屬性的要素以及進(jìn)行三維分析[2]。

首先，使用ArcMap中的平面數(shù)據(jù)編輯工具，將王家溝流域高程地形圖矢量化，并保存為柵格（TIFF）格式；然后，將柵格載入ArcScene模塊，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再轉(zhuǎn)柵格得到數(shù)字地形模型（DEM）。通過(guò)DEM，在ArcGIS中建立王家溝流域土壤侵蝕主要影響因子的矢量圖形庫(kù)，每個(gè)影響因子附以屬性數(shù)據(jù)，并將每個(gè)因子進(jìn)行柵格化[3-4]，進(jìn)而對(duì)影響因子的柵格圖件進(jìn)行空間疊加、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)地形的可視化，從而具體了解溝道分布情況和水土流失現(xiàn)狀。

3 數(shù)據(jù)的來(lái)源及預(yù)處理

3.1 數(shù)字地形模型（DEM）的構(gòu)建

數(shù)字地形模型（DEM）是地理信息系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中最為重要的空間地理信息，也是進(jìn)行地形分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算的核心數(shù)據(jù)[5]。DEM構(gòu)建的精確與否，會(huì)直接影響到后續(xù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和空間分析。

將王家溝流域1:10 000地形圖用掃描儀掃描，以獲得數(shù)字化柵格底圖。應(yīng)注意的是，ArcGIS地理數(shù)據(jù)在創(chuàng)建時(shí)，均根據(jù)實(shí)際的空間位置唯一性確定了該數(shù)據(jù)集的地理坐標(biāo)系統(tǒng)或投影坐標(biāo)系統(tǒng)，即賦予了確定的空間參考屬性。而掃描后的數(shù)字化柵格底圖，沒(méi)有定義與其相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)，通過(guò)其生產(chǎn)的地理數(shù)據(jù)在應(yīng)用過(guò)程中是毫無(wú)意義的。所以，獲得數(shù)字化柵格底圖后，使用ArcMap模塊中的定義投影工具和地理配準(zhǔn)工具，對(duì)其進(jìn)行空間定義，以賦予其空間參考系統(tǒng)，并且進(jìn)行必要的糾正，以消除掃描時(shí)地形圖變形所帶來(lái)的誤差。

柵格底圖經(jīng)過(guò)上述處理完成后，對(duì)其進(jìn)行矢量化，以獲取構(gòu)建數(shù)字地形模型（DEM）所必須的高程。首先，使用ArcMap模塊中的數(shù)據(jù)編輯工具，對(duì)矯正后的柵格地形圖的等高線，進(jìn)行屏幕跟蹤矢量化和對(duì)離散高程點(diǎn)進(jìn)行屏幕矢量化，并且賦予矢量化后的等高線和離散高程點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的高程值。然后，使用拓?fù)涔ぞ邔?duì)矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查，消除重疊及結(jié)點(diǎn)等拓?fù)溴e(cuò)誤。通過(guò)拓?fù)潋?yàn)證工具檢查無(wú)誤后，生成拓?fù)潢P(guān)系完整的矢量圖。

矢量圖生成后，將其導(dǎo)入ArcScene模塊，利用柵格轉(zhuǎn)TIN工具生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），并對(duì)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）進(jìn)行內(nèi)插，為整個(gè)研究區(qū)域賦予高程值。再將內(nèi)插后的TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，獲得更為精確的Grid數(shù)據(jù)（lattice格式），最后將生成的Grid數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成DEM數(shù)據(jù)（USGS格式）[6-7]。至此，數(shù)字地形模型（DEM）構(gòu)建完成。

3.2 對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的處理

衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為2011年拍攝的多波段、分辨率為2 m的World View彩色影像資料。利用ArcMap模塊，使用定義投影工具和地理配準(zhǔn)工具對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間定義，以賦予其空間參考系統(tǒng)。然后運(yùn)用主成份分析法融合，并以線性內(nèi)插法重采樣，作為溝緣線的提取、植被覆蓋度的計(jì)算以及土地利用解譯的依據(jù)。

3.3 數(shù)字地形模型（DEM）與衛(wèi)星遙感影像疊加

ArcScene模塊同時(shí)加載數(shù)字地形模型（DEM）和校準(zhǔn)完成的衛(wèi)星遙感影像，并且通過(guò)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)框中的圖層屬性進(jìn)行設(shè)置，將基本高度選項(xiàng)定義為在數(shù)字地形模型（DEM）表面上浮動(dòng)，則二維的遙感影像轉(zhuǎn)換為三維立體顯示。

4 主要影響溝道侵蝕因子的三維可視化建模

4.1 坡度分布及各坡級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

在ArcScene模塊中對(duì)生成的數(shù)字地形模型（DEM）進(jìn)行渲染處理，并直接使用ArcScene中的3D分析模塊提供的三維轉(zhuǎn)換工具，將DEM根據(jù)特征轉(zhuǎn)換到三維空間中加以顯示。

（1）坡度圖的生成。使用ArcScene模塊加載數(shù)字地形模型（DEM），并在屬性中將基本高度選項(xiàng)設(shè)置為“表面上浮動(dòng)定義為其本身”，然后使用3D Analyst Tools下的表面三角化中的表面坡度工具，生成坡度圖。

（2）各坡度級(jí)面積統(tǒng)計(jì)。使用重分類(lèi)工具對(duì)生成的坡度圖進(jìn)行分級(jí)，依次點(diǎn)擊3D Analyst Tools—柵格重分類(lèi)—重分類(lèi)，將坡度圖設(shè)置為以10°相間分級(jí)，并且使用渲染工具，選擇不同顏色表示不同坡度級(jí)。進(jìn)一步通過(guò)屬性表中字段計(jì)算器，利用公式“count*2*2”計(jì)算出各坡度級(jí)面積。

4.2 土地利用現(xiàn)狀

使用ArcScene模塊加載衛(wèi)星遙感影像與數(shù)字地形模型（DEM）預(yù)先疊加好的數(shù)據(jù)，打開(kāi)編輯工具，在遙感影像屬性圖層的屬性表中創(chuàng)建土地利用現(xiàn)狀字段，對(duì)不同用途的地塊按其現(xiàn)狀填寫(xiě)不同的地類(lèi)編碼，同時(shí)為不同地類(lèi)編碼創(chuàng)建相應(yīng)土地用途的顏色集和符號(hào)。最后在屬性圖層的符號(hào)系統(tǒng)中統(tǒng)一設(shè)置，構(gòu)建土地利用現(xiàn)狀圖。

4.3 土壤侵蝕現(xiàn)狀

為了分析王家溝流域的土壤侵蝕狀況，依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190-2007），使用ArcScene模塊疊加分析工具，對(duì)王家溝流域坡度分布圖數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)和植被覆蓋度分布圖數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，從而得到二維的土壤侵蝕現(xiàn)狀模型。然后，在基本高度中將表面上浮動(dòng)定義為其本身，最終轉(zhuǎn)換為三維顯示，并通過(guò)設(shè)置場(chǎng)景屬性工具，加大垂直跨度，使三維立體化更強(qiáng)。同時(shí)，在圖層屬性的符號(hào)系統(tǒng)中，為不同的土壤侵蝕強(qiáng)度選擇不同顏色，用不同的顏色明暗程度表達(dá)流域土壤侵蝕強(qiáng)度的變化。

4.4 溝道的空間分布

使用ArcGIS桌面的ArcMap模塊，將校準(zhǔn)后的衛(wèi)星遙感影像加載，并對(duì)衛(wèi)星影像中長(zhǎng)度大于10 m的溝道進(jìn)行人工識(shí)別解譯，并根據(jù)這些溝道的形成條件、地形特征以及空間分布，將流域的所有溝道從小到大分為三級(jí)支溝（沖溝）、二級(jí)支溝（切溝）、一級(jí)支溝和流域主溝4類(lèi)，共有718條。

5 主要影響溝道侵蝕因子的疊加分析結(jié)果

充分發(fā)揮三維可視化的重要作用，結(jié)合水土流失防治科學(xué)研究的實(shí)際需求，進(jìn)一步使用ArcGIS桌面的ArcScene模塊，以3D分析為主要工具，對(duì)水土流失主要影響因子矢量圖進(jìn)行三維疊加分析和統(tǒng)計(jì)。

5.1 溝道空間分布特征分析

通過(guò)ArcScene模塊，對(duì)王家溝流域溝道分布圖與土地利用狀況圖疊加分析和統(tǒng)計(jì)，獲得三級(jí)支溝（沖溝）、二級(jí)支溝（切溝）、一級(jí)支溝和流域主溝4類(lèi)溝道在不同土地利用狀況下的分布情況（表1）。從中可以發(fā)現(xiàn)，在草地、旱地、經(jīng)濟(jì)林和裸地這四類(lèi)土地上，主要分布著三級(jí)支溝（沖溝）和二級(jí)支溝（切溝），這兩類(lèi)溝道的發(fā)育和分布特征極為相似；一級(jí)支溝在六類(lèi)土地上分布相對(duì)均勻；在旱地上則主要是流域主溝。

表1 不同土地利用類(lèi)型上溝道分布情況

在不同類(lèi)型土地上4類(lèi)溝道分布的差異性，主要是由于各類(lèi)土地的土壤理化性質(zhì)和所處谷坡坡度造成的。而且，適合于各類(lèi)草木生長(zhǎng)和發(fā)育的地塊，由于近年來(lái)修路、建廠、開(kāi)礦等人為建設(shè)生產(chǎn)活動(dòng)的干擾加劇，流域主溝土地被改造，使林草地面積不斷減少，造成該類(lèi)溝道內(nèi)土地利用以旱地為主。

5.2 四類(lèi)溝道侵蝕現(xiàn)狀差異分析

用王家溝流域土壤侵蝕現(xiàn)狀分布圖結(jié)合溝道分布圖進(jìn)行疊加分析，可以直觀發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布與各類(lèi)溝道空間分布之間存在密切聯(lián)系。進(jìn)而在ArcScene模塊中對(duì)二者進(jìn)行空間疊加分析和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2。

表2 王家溝流域土壤侵蝕溝道類(lèi)型的面積比重

從表2可以看出，在王家溝流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)弱程度在4類(lèi)溝道中表現(xiàn)出明顯差異，流域主溝以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，占其總面積的85.65%，土壤流失較少；一級(jí)支溝則主要集中表現(xiàn)為輕度侵蝕和中度侵蝕，占其總面積的74.35%；而溝道面積很小的三級(jí)支溝（沖溝）和二級(jí)支溝（切溝）則以中度及以上侵蝕程度為主，水土流失嚴(yán)重。

5.3 溝道侵蝕的坡度分異特征分析

使用ArcScene模塊將坡度圖、溝道分布圖和土壤侵蝕現(xiàn)狀圖分別進(jìn)行空間疊加分析，得到王家溝流域內(nèi)不同坡度的溝道分布情況和土壤侵蝕面積比重（圖1）。

圖1 王家溝流域不同坡度溝道與土壤侵蝕面積分布

從圖1中可以看出，在王家溝流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度和溝道分布之間存在密切的聯(lián)系。在低于40°的坡度區(qū)域內(nèi)，以一級(jí)支溝和三級(jí)支溝這兩類(lèi)溝道為主，土壤侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕和中度侵蝕為主；土壤侵蝕為強(qiáng)烈侵蝕級(jí)的面積在各坡度級(jí)內(nèi)所占比例與各坡度級(jí)內(nèi)的三級(jí)支溝、二級(jí)支溝數(shù)量分布非常相似，都表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，并且在坡度級(jí)為40°-50°范圍內(nèi)達(dá)到最大值；而對(duì)于極強(qiáng)烈土壤侵蝕，從折線圖中可以看到坡度越大其侵蝕面積所占比例越大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文借助ArcGIS桌面產(chǎn)品ArcScene和ArcMap等模塊，對(duì)王家溝流域影響溝道水土流失的相關(guān)因子進(jìn)行建模和可視化處理，并利用3D分析模塊深入細(xì)致的進(jìn)行相關(guān)疊加分析和統(tǒng)計(jì)，獲得了該流域溝道分布及其土壤侵蝕情況與各影響因子之間的關(guān)聯(lián)，可為水土流失防治措施的制定提供準(zhǔn)確依據(jù)。通過(guò)此次對(duì)ArcGIS軟件的應(yīng)用，了解到其具備強(qiáng)大的三維場(chǎng)景模擬和3D分析能力，非常適合表現(xiàn)宏觀地理區(qū)域內(nèi)的地形地貌，對(duì)水土流失防治的研究具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。

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P208.2；S157.1

A

1008-0120（2017）03-0009-04

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道和洞穴侵蝕機(jī)理與防治措施技術(shù)研究”（2013011036-1）

2017-04-30

王錦志（1990-）：男，助理工程師；通訊地址：太原市郝家溝街99號(hào)匯隆花園，030013