主要DEM數(shù)據(jù)在陜西省水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的適宜性分析

張發(fā)民，楊 愷，李雄飛，劉政鴻，王傳明，王 蓉

(陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心)，710004，西安)

黨的“十八大”以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央站在戰(zhàn)略和全局的高度，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出一系列新思想新論斷新要求，為努力建設(shè)美麗中國(guó)，實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展，走向社會(huì)主義生態(tài)文明新時(shí)代，指明了前進(jìn)方向和實(shí)現(xiàn)路徑。水土保持是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是水土保持事業(yè)的重要組成部分，是貫徹落實(shí)中央生態(tài)文明建設(shè)決策部署的重要支撐，是貫徹落實(shí)新時(shí)期水利發(fā)展總基調(diào)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中占有重要地位[1]。2018年以來的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，已獲取3期(2018年、2019年與2020年)全國(guó)范圍內(nèi)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果，并公開發(fā)布，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)宏觀決策與科學(xué)、合理、系統(tǒng)地開展綜合治理工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

水蝕區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作主要分為2項(xiàng)：一是基于RS (remote sensing)、GIS[2](geographic information systems)技術(shù)，通過中國(guó)土壤流失通用方程[3](Chinese soil loss equation，CSLE)，獲取區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度，該方程基本形式為A=RKLSBET，式中包含因子為降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、地形因子[4](L、S)、生物措施因子(B)、工程措施因子(E)以及耕作措施因子(T)；二是通過坡度、蓋度、水土流失強(qiáng)度對(duì)區(qū)域內(nèi)多類信息進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。在工作實(shí)踐中，因受地形數(shù)據(jù)影響，陜西省省級(jí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)部分中間成果存在一定異常，主要體現(xiàn)在以下2方面：一是渭河河谷階地同一區(qū)域單一地類侵蝕等級(jí)存在零星異常；二是監(jiān)測(cè)區(qū)以坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)的各類信息存在異常，主要表現(xiàn)在水澆地存在零星高等級(jí)坡度柵格，上述異常存在不合理性，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整編造成不同程度影響。

因此，筆者從適宜性角度，基于1∶5萬地形圖的地形數(shù)據(jù)，對(duì)比分析3種公開版DEM數(shù)據(jù)，以期獲取適用于陜西省省級(jí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，從而客觀真實(shí)反映區(qū)域內(nèi)地形信息，保障中間計(jì)算成果的合理性，提升最終成果精度。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)安區(qū)隸屬陜西省西安市，位于E 108°38′～109°14′，N 33°47′～34°18′之間，地處關(guān)中平原腹地，南為秦嶺山地，北為渭河斷陷谷地沖積平原區(qū)(包括坮塬)。轄區(qū)面積1 594 km2(民政部面積)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨量適中，四季分明，氣候溫和，秋短春長(zhǎng)，境內(nèi)主要河流有灃河、浐河，均屬渭河水系。2020年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果顯示區(qū)內(nèi)土地利用以林地為主，耕地次之；水力侵蝕面積為163.63 km2，以輕度侵蝕為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源選取

目前應(yīng)用較多的公開版30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)主要有SRTM1、NASADEM和ASTER GDEM。

1)SRTM(shuttle radar topography mission，航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)量任務(wù))，由美國(guó)太空總署(National Aeronautics and Space Administration)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(National Imagery and Mapping Agency)聯(lián)合測(cè)量。2000年2月11日，美國(guó)發(fā)射的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上搭載SRTM系統(tǒng)，獲取N 60°至S 60°之間總面積超過1.19億km2的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面。此數(shù)據(jù)產(chǎn)品按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對(duì)應(yīng)的空間分辨率精度為30 m和90 m數(shù)據(jù)。筆者選取版本號(hào)為V4.1的30 m精度SRTM數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

2)NASADEM數(shù)據(jù)是NASA LP DAAC(陸地進(jìn)程分布式數(shù)據(jù)存檔中心)于2020年對(duì)外公開發(fā)布的，該產(chǎn)品基于SRTM數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行再處理，提高了高程精度，并利用ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)對(duì)缺失值進(jìn)行了細(xì)分，數(shù)據(jù)覆蓋面積范圍為從N60°到S56°，達(dá)地球陸地表面積的80%左右，水平分辨率約為30 m。

3)ASTER GDEM(先進(jìn)星載熱輻射和反射儀全球數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)由日本METI和美國(guó)NASA聯(lián)合研制并免費(fèi)面向公眾分發(fā)。數(shù)據(jù)覆蓋范圍為N83°至S83°之間的所有陸地區(qū)域，達(dá)到了地球陸地表面積的99%，其水平分辨率約為30 m。目前共有3版數(shù)據(jù)，2009年ASTER GDEM V1數(shù)據(jù)發(fā)布，其原始數(shù)據(jù)局部地區(qū)存在異常；ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)采用了優(yōu)化算法對(duì)V1數(shù)據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)，該算法重新處理了150萬幅影像，其中的25萬幅影像是在V1版數(shù)據(jù)發(fā)布后新獲取的影像；ASTER GDEM V3數(shù)據(jù)則是在V2數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，新增了36萬光學(xué)立體像對(duì)數(shù)據(jù)，主要用于減少高程值空白區(qū)域、水域數(shù)值異常。本文選取版本號(hào)為V3的ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

2.2 技術(shù)路線

首先將分幅原始數(shù)據(jù)進(jìn)行影像預(yù)處理，結(jié)合1∶5萬地形圖特征地物對(duì)其空間校準(zhǔn)，以3次卷積算法重新采樣為30 m水平分辨率DEM[5]數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行填洼分析并形成研究區(qū)內(nèi)坡度圖[6]，并按照<5°、≥5°～8°、≥8°～15°、≥15°～25°、≥25°～35°, ≥35°6個(gè)等級(jí)[7]對(duì)坡度圖重新分類，生成不同坡度等級(jí)專題圖，同時(shí)保證不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)像元對(duì)齊方式相匹配。最終，通過與1∶5萬地形圖生成的坡度圖[8]進(jìn)行各坡度等級(jí)偏差分析，得出結(jié)論。詳細(xì)技術(shù)路線見圖1。

本文涉及數(shù)據(jù)均采用CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，投影方式為Albers投影，中央經(jīng)線E 108°。The data involved in this article all use the CGCS2000 National Geodetic Coordinate System, the 1985 National Elevation Datum, the projection method is Albers projection, and the central meridian is E108°.圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

3 結(jié)果與分析

將3種數(shù)據(jù)源DEM制成的坡度分級(jí)圖以渭河斷陷谷地沖積平原區(qū)(平原區(qū))和秦嶺山地(山區(qū))2類地貌單元進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合1∶5萬地形圖分析各坡度等級(jí)比例情況(表1和圖2)，評(píng)價(jià)3種數(shù)據(jù)源生成的坡度分級(jí)精度和空間分布。

在山區(qū)，SRTM1地形數(shù)據(jù)在<5°、≥5°～8°、≥8°～15°、≥15°～25°、≥25°～35°, ≥35°6個(gè)坡度等級(jí)上的偏差分別為0.15%、0.19%、0.30%、3.26%、0.90%、-4.80%，均低于5%，較真實(shí)地反映出該區(qū)域坡度分布；NASADEM地形數(shù)據(jù)在≥15°～25°、≥25°～35°和≥35°3個(gè)坡度等級(jí)較1∶5萬地形圖的偏差分別為7.87%、5.97%和-16.16%，ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)在這個(gè)3個(gè)坡度等級(jí)上的偏差分別是7.62%、3.51%和-16.58%，2種DEM數(shù)據(jù)在高坡度等級(jí)面積均減少16%以上，空間分布準(zhǔn)確度上明顯低于SRTM1 DEM，不能真實(shí)反映實(shí)際坡度分布。筆者認(rèn)為，在計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)，由于高等級(jí)坡度范圍的減少，山區(qū)水土流失強(qiáng)度也存在降低的可能。

表1 研究區(qū)3套DEM數(shù)據(jù)源坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Three sets of DEM data source slope classification statistics in the study area %

圖2 研究區(qū)3套數(shù)據(jù)源坡度偏差區(qū)域分析結(jié)果Fig.2 Analysis results of slope deviation area of three sets of data sources in the study area

在平原區(qū)，SRTM1與NASADEM數(shù)據(jù)在各坡度分布于與1∶5萬地形圖基本一致(圖3a、b和c)，九成區(qū)域坡度為5°以下，除較明顯的溝壑外，未見高等級(jí)坡度柵格，同時(shí)各坡度等級(jí)與1∶5萬地形圖比較，偏差均小于2%；而ASTER GDEM數(shù)據(jù)在<5°、≥5°～8°、≥8°～15°坡度等級(jí)的偏差分別達(dá)到-24.60%、16.13%、8.01%，存在大幅偏差(圖3d)，特別是平原區(qū)域存在大量5°以上柵格。通過影像與坡度分級(jí)圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)平原區(qū)高等級(jí)坡度柵格普遍出現(xiàn)在地表覆被落差較大的區(qū)域，如建構(gòu)筑物、高大喬木以及橋梁等(圖4)。筆者認(rèn)為該DEM數(shù)據(jù)無法有效消除地表覆被對(duì)高程信息的影響[10]，導(dǎo)致平原區(qū)出現(xiàn)異常高等級(jí)坡度柵格，在其他5種因子一定的情況下，由于坡長(zhǎng)坡度因子存在異常(圖5)，勢(shì)必影響利用CLSE計(jì)算平原區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的結(jié)果， 使其出現(xiàn)零星的中度以上高等級(jí)侵蝕柵格，同時(shí)以坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)的各類信息，尤其是水澆地也會(huì)存在5°以上的坡度統(tǒng)計(jì)信息。這些異常明顯不符合實(shí)際的情況。

圖3 研究區(qū)不同數(shù)據(jù)源坡度分級(jí)圖Fig.3 Slope classification map of different data sources in the study area

圖4 遙感影像和坡度分級(jí)對(duì)比Fig.4 Comparison of remote sensing image and slope classification

圖5 局部區(qū)域ASTER GDEM與SRTM1地形數(shù)據(jù)LS因子對(duì)比Fig.5 Comparison of LS from ASTER GDEM and SRTM1 in partial region

圖6 ASTER GDEM、SRTM1數(shù)據(jù)土壤侵蝕等級(jí)對(duì)比Fig.6 Comparison of soil erosion level map between ASTER GDEM and SRTM1 data

4 結(jié)論與討論

通過3種不同數(shù)據(jù)源DEM與1∶5萬地形圖進(jìn)行坡度分級(jí)比較，發(fā)現(xiàn)SRTM1、NASADEM地形數(shù)據(jù)在渭河斷陷谷地沖積平原區(qū)各等級(jí)坡度分布符合實(shí)際，而ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)受地表覆被影響，在該區(qū)域出現(xiàn)大量5°以上柵格，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)單一地類土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)異常(圖6b)，同時(shí)影響以坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)的各類信息；在秦嶺山地區(qū)域，SRTM1地形數(shù)據(jù)各等級(jí)坡度分布符合實(shí)際，NASADEM、ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)在高等級(jí)坡度出現(xiàn)一定偏差，尤其集中在高等級(jí)坡度區(qū)域，不能真實(shí)反映實(shí)際坡度分布。

以研究區(qū)為例，SRTM1地形數(shù)據(jù)無論在坡度精度以及空間分布與實(shí)際地形特征的契合度均優(yōu)于NASADEM與ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)，較為真實(shí)反映區(qū)域內(nèi)地形信息，不但有效的消除了同區(qū)域單一地類土壤侵蝕強(qiáng)度異常數(shù)據(jù)(圖6c)，同時(shí)使坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)信息更加合理。從獲取數(shù)據(jù)便捷性和數(shù)據(jù)精度等方面綜合考慮，可以將SRTM1 DEM作為陜西省省級(jí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)參與計(jì)算與統(tǒng)計(jì)。

筆者認(rèn)為，在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，地形數(shù)據(jù)作為土壤侵蝕主導(dǎo)因子發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，不僅直接參與土壤流失通用方程計(jì)算，亦是分坡度統(tǒng)計(jì)各類信息的重要參照和依據(jù)。SRTM1、NASADEM與ASTER GDEM等數(shù)字高程模型作為全球公開數(shù)據(jù)，可快速獲取，同時(shí)水平分辨率也滿足水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作需要，可作為地形因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加以應(yīng)用；但由于各類DEM數(shù)據(jù)垂直精度存在一定區(qū)域適宜性，為保障水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果真實(shí)可靠，如何確定不同地貌單元下最優(yōu)DEM數(shù)據(jù)將成為水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中必不可少的一部分。