基于CORS-RTK結(jié)合GIS的崩崗侵蝕調(diào)查方法及應(yīng)用

張鐵洋，陳峰云，鄧羽松，杜 赟，丁樹文，王天巍

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.漢口學(xué)院，湖北 武漢 430070)

崩崗是指在水力和重力作用下山坡土體或巖體風(fēng)化殼受破壞而崩塌和堆積的侵蝕現(xiàn)象，其毀壞農(nóng)田和基礎(chǔ)設(shè)施，對生態(tài)環(huán)境破壞巨大[1]。崩崗侵蝕調(diào)查的目的，是為制定合理的預(yù)防措施和治理規(guī)劃提供必要的科學(xué)依據(jù)，其主要內(nèi)容是查明崩崗的分布、范圍、類型及影響崩崗發(fā)育的諸多因素[2]。崩崗的崩壁高差和傾角較大，給崩崗侵蝕的調(diào)查造成了很大困難[3-4]。傳統(tǒng)的崩崗侵蝕調(diào)查方法主要是人工調(diào)查法，多采用1∶10 000地形圖作為底圖，現(xiàn)場勾繪崩崗的位置與形態(tài)，往往需要投入較多的人力、財力、時間，且受主觀影響較大[5-6]；使用全站儀測量需要測量點(diǎn)與儀器的通視，影響了測量點(diǎn)的選取和測量效果；三維激光掃描技術(shù)通過掃描物體表面獲得高精度的數(shù)字地面模型，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢，但易受植被遮擋影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]；航片解譯方法中多數(shù)航片比例尺偏小，分辨率達(dá)不到要求，需與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證校準(zhǔn)，而高分辨率影像價格昂貴、成本高。

RTK(Real-Time Kinematic，實(shí)時動態(tài))技術(shù)是一種使用載波相位差分技術(shù)，通過移動站與參考站之間觀測誤差的空間相關(guān)性，采取差分方式除去移動站觀測數(shù)據(jù)中存在的誤差，最終實(shí)現(xiàn)高精度定位的技術(shù)，可在作業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行精度為厘米級的精確測量[8-9]。在測量條件上，RTK技術(shù)需要電磁波通視，相比傳統(tǒng)測量需要保證兩點(diǎn)之間做到光學(xué)通視，氣候、能見度及環(huán)境對RTK技術(shù)的限制作用較小[10]。多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)的基礎(chǔ)是建立多個GPS基準(zhǔn)站連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)(Continuously Operating Ref-erence Stations，CORS)，在移動站附近幾米到幾十米建立一個虛擬參考站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位，從而獲得高精度的定位結(jié)果[11]。與常規(guī)RTK相比，CORS-RTK的覆蓋面廣，定位精度高，可靠性更強(qiáng)。目前CORS-RTK技術(shù)主要應(yīng)用于城市建設(shè)、地形測量，將其與GIS空間分析方法相結(jié)合的研究成果較為少見。本研究以湖北省通城縣楊壟小流域崩崗為研究對象，應(yīng)用CORS-RTK開展野外測量獲得崩崗數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取崩崗的各要素并獲得楊壟小流域崩崗分布情況。

1 研究對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

通城縣位于湖北省東南部，湘、贛、鄂三省交界的幕阜山北麓，地跨113°36′～114°04′E、29°02′～29°24′N，全縣土地面積1 172 km2，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光照適中，雨量充沛，多年平均溫度在19 ℃左右。通城縣水土流失嚴(yán)重，崩崗分布廣泛，楊壟小流域就位于崩崗發(fā)育密集的通城縣，流域內(nèi)多低山丘陵，植被以人工林為主，土壤類型為棕紅壤，母質(zhì)為花崗巖，結(jié)構(gòu)松散[12-13]。

1.2 測量方法

本研究采用南方測繪公司生產(chǎn)的靈銳S82T進(jìn)行測量，該儀器是基于CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK，性能優(yōu)越，適宜開展高精度野外作業(yè)。為避免后期坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的麻煩，在RTK上設(shè)置固定用北京54坐標(biāo)系統(tǒng)測量。

(1)崩崗測量。測量時，應(yīng)根據(jù)崩崗的地形特征在崩壁、溝道、內(nèi)壁、外壁等主要位置采集能反映其形態(tài)的特征點(diǎn)信息，同時需注意采集崩崗體邊界線及主溝等地形特征線信息，進(jìn)而建立能反映其地形變化特征的DEM，方便提取崩崗要素。在測量順序方面，應(yīng)先從崩崗的溝頭開始，沿著崩壁和集水區(qū)邊界采集數(shù)據(jù)，再在崩崗內(nèi)側(cè)和崩壁間選取特征點(diǎn)進(jìn)行測量，這樣可以避免遺漏某些位置。對于可以反映崩壁高度、主溝長度、溝口寬度的測量點(diǎn)，需特殊標(biāo)記，方便后期數(shù)據(jù)處理。崩崗測量的范圍應(yīng)超過崩崗邊界以增大DEM的精確度。在測量密度上，根據(jù)地勢的起伏布設(shè)不同密度的采樣點(diǎn)，在崩崗地勢起伏較大的地方增加測量密度，以更好地反映地形的細(xì)微變化；在地形變化平緩的地方可以減小測量密度[14-15]，以減少數(shù)據(jù)冗余，提高測量效率。

(2)流域范圍測量。該項(xiàng)工作的目的在于獲知流域內(nèi)崩崗的分布情況，使崩崗調(diào)查結(jié)果更加形象化。沿流域邊緣每隔一段距離布設(shè)1個測量點(diǎn)，利用RTK獲得點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，布設(shè)時應(yīng)盡量選取能反映流域地形、范圍變化的點(diǎn)，同時根據(jù)地形情況適當(dāng)增加或減小測量點(diǎn)的間距和密度，最終得到流域范圍。

1.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel。本研究所用的數(shù)據(jù)均為RTK測量所得。打開Excel，選擇導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)，選定需要導(dǎo)入的測量成果坐標(biāo)文件(*.dat)，分隔符選擇逗號。

(2)剔除誤差較大點(diǎn)。保留固定解，單點(diǎn)解和差分解(點(diǎn)存儲狀態(tài)為5、6)剔除，浮點(diǎn)解(點(diǎn)存儲狀態(tài)8)平面精度大于1 的剔除。

(3)生成Shipfile文件。在ArcMap中打開Excel表格，選擇Display XY Data，選擇X、Y字段數(shù)據(jù)，選定坐標(biāo)系統(tǒng)Beijing 1954 GK Zone 19N.prj，在生成的臨時圖層中選擇Export Data輸出數(shù)據(jù)，生成Shapefile文件。

1.4 生成崩崗DEM

(1)圖形編輯。在ArcCatalog中新建線圖層，選擇與點(diǎn)圖層相同的坐標(biāo)系統(tǒng)。打開編輯器工具，對線圖層進(jìn)行編輯，連接相應(yīng)的點(diǎn)即可得到外壁線、內(nèi)壁線等要素的形狀。在編輯前，可以用Snapping工具對點(diǎn)跟蹤，這樣得到的圖形會有更高的精確度。面圖層的編輯方法相同。

(2)空間插值。空間插值是將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面的方法?？死锝鸩逯祵儆诳臻g局部插值法，是在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏估計的一種方法。本研究根據(jù)RTK測量所得點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布情況，以及對多種插值方法結(jié)果進(jìn)行比較，最終選用了克里金插值法。在ArcToolbox中打開3D Analyst模塊，選擇Interpolate to Raster，利用克里金插值方法對點(diǎn)數(shù)據(jù)插值，即可生成一幅矩形DEM圖，其中柵格單元大小保留一位小數(shù)點(diǎn)，便于后面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(3)裁剪。由于空間插值得到的是以點(diǎn)數(shù)據(jù)分布為邊界的矩形柵格數(shù)據(jù)，為展現(xiàn)崩崗輪廓，需對插值得到的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。在ArcToolbox中選擇Data Mana-gement Tools，在下拉列表中點(diǎn)擊Raster，選擇Raster Processing中的clip工具裁剪插值出的崩崗柵格數(shù)據(jù)，其中裁剪模板為之前建立的矢量面圖層。

(4)建立等高線。等高線可以形象地展現(xiàn)出崩崗表面地勢的起伏變化。打開3D Analyst模塊，選擇Surface Analysis，點(diǎn)擊Contour，輸入裁剪好的柵格數(shù)據(jù)，即可生成等高線。要注意選取合適的間距以控制等高線的疏密。

(5)排版整飾。為形象地展現(xiàn)崩崗的結(jié)構(gòu)，對得到的崩崗柵格數(shù)據(jù)排版整飾，生成崩崗DEM圖。點(diǎn)擊顯示區(qū)域左下角的頁面按鈕，切換到版面視圖(layout view)下，通過Insert菜單添加標(biāo)題、圖例、指北針、比例尺等地圖元素，適當(dāng)調(diào)整大小、位置，再選擇恰當(dāng)?shù)念伾@示崩崗高程的變化。添加好這些地圖元素并輸出，即可完成一幅DEM圖。

1.5 崩崗參數(shù)的提取

(1)崩崗面積。崩崗面積是指發(fā)生坍塌的垂直投影面積。打開編輯器工具，按外壁線將面圖層裁剪，在崩崗面圖層的屬性表中將裁剪后得到的崩崗侵蝕部分的圖斑字段命名為area，注意設(shè)置字段屬性為浮點(diǎn)型。選擇該字段右擊，選擇Calculate Geometry，在property下拉菜單中選擇area字段 ，即可得到崩崗面積。

(2)崩壁高度。先加載外壁線與內(nèi)壁線的點(diǎn)圖層，再在外壁線和內(nèi)壁線上選取測量時作為崩壁高度的測量點(diǎn)，計算兩點(diǎn)之間的高程差即可得到崩壁的高度。

(3)主溝長度和溝口寬度。使用工具條中的測量工具，連接測量時作為主溝長度的測量點(diǎn)即可得到主溝長度，溝口寬度測量也按此方法。

(4)主溝坡降。根據(jù)主溝高程差和長度的比值，通過反正切計算坡降。

(5)崩崗的坡度、坡向。根據(jù)崩崗的DEM圖所表達(dá)的信息，分別選取崩壁上的最高點(diǎn)和崩崗口的最低點(diǎn)，將兩點(diǎn)連成一條線，該直線與水平方向的夾角為崩崗的坡度，直線的投影與正北方向的夾角為崩崗的坡向。

2 調(diào)查結(jié)果

從崩崗調(diào)查結(jié)果可以看出，利用ArcGIS軟件生成崩崗DEM，并結(jié)合GIS空間分析，可以定量地得到崩崗各要素，包括崩壁高度、主溝長度、坡度、坡向等，同時各要素精度可達(dá)厘米級，滿足崩崗測量數(shù)據(jù)精度的要求。利用該技術(shù)調(diào)查崩崗，建立的DEM質(zhì)量是整個研究的關(guān)鍵。由于DEM質(zhì)量主要受選取的測量點(diǎn)影響，因此在測量之前要對崩崗有一定了解，依據(jù)實(shí)際情況選取諸如能反映崩壁高度、主溝長度等要素的特征點(diǎn)，根據(jù)地形控制好測量點(diǎn)密度，才能得到高精度的調(diào)查結(jié)果。

研究區(qū)崩崗調(diào)查結(jié)果見表1、圖1。楊壟小流域東西兩側(cè)共分布著16個崩崗，崩崗總面積為8 905.32 m2；流域北部崩崗分布較為密集，南部稀疏；不同崩崗有其獨(dú)特的形態(tài)特征，發(fā)育程度各不相同。

表1 楊壟小流域崩崗調(diào)查結(jié)果

圖1 楊壟小流域崩崗分布

3 結(jié) 語

本研究以湖北省通城縣楊壟小流域作為調(diào)查對象，利用CORS-RTK技術(shù)野外測量獲取該流域內(nèi)崩崗的地形數(shù)據(jù)，再用ArcGIS軟件生成崩崗的DEM，結(jié)合GIS空間分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了崩崗的要素數(shù)據(jù)和流域內(nèi)崩崗分布圖，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)。相比其他崩崗調(diào)查方法，本研究結(jié)果具有直觀、形象、精度高的特點(diǎn)?？梢姡珻ORS-RTK測量技術(shù)有利于查明崩崗發(fā)生的位置、范圍及類型等，對崩崗侵蝕的調(diào)查具有重要意義。