黃土高原切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法探討

徐 智，曹 喆，孫棟元，王 強，楊 俊，王 苗，王興繁，武蘭珍

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

切溝是黃土高原常見的一種溝谷形態(tài)，通過溝頭溯源侵蝕、溝底下切、溝坡沖淘、崩塌、瀉溜、陷穴等作用形式不斷加劇土壤侵蝕，同時也是坡面集中徑流主導(dǎo)下縱向、橫向和垂向三維空間侵蝕的結(jié)果[1-2]。切溝侵蝕是黃土丘陵溝壑區(qū)最重要的侵蝕方式之一，對流域侵蝕產(chǎn)沙有重要影響和貢獻[3]。切溝斷面形態(tài)和長度變化是切溝發(fā)育過程的重要特征，而切溝的形態(tài)特征也對應(yīng)著特定的發(fā)育階段，是決定切溝輸水輸沙能力和穩(wěn)定程度的重要因素[3-4]。切溝的不同形態(tài)特征、關(guān)鍵參數(shù)可以定量刻畫切溝演變特征、侵蝕特征，而探討切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法，對深入研究切溝侵蝕機理和防治切溝侵蝕提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有重要意義。不同學(xué)者針對切溝，從不同方面、不同角度開展了一系列相關(guān)研究，取得了大量成果。比如，何濤等[5]對切溝侵蝕測量方法研究進展進行了歸納整理；陳明玉等[6]對黃土高原典型切溝土壤水分時空分布特征及其影響因素進行了分析研究；張文杰等[7]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)紙坊溝流域切溝侵蝕與地形的關(guān)系；杜國明等[8]研究了東北典型黑土漫崗區(qū)切溝侵蝕空間格局；范昊明等[9]針對東北黑土區(qū)典型流域融雪期切溝發(fā)育特征進行了研究；陳一先等[10]對陜北黃土區(qū)退耕前坡面切溝發(fā)育特征進行了研究。但是目前針對黃土高原切溝形態(tài)特征、關(guān)鍵參數(shù)的提取方法還有待進一步梳理、歸納、研究和整理。因此，本研究在綜合分析切溝形態(tài)特征、影響因子等基礎(chǔ)上，介紹了基于無人機攝影測量、QuickBird影像目視解譯法、SFM攝影測量法、最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計優(yōu)化、高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法，希望能為黃土高原切溝綜合研究和水土流失綜合治理提供科技支撐。

1 切溝形態(tài)特征

切溝具有一定的形態(tài)特征。形態(tài)特征是表征切溝的量化參數(shù)，也是判斷切溝的重要指標，對于判斷切溝具有決定性作用[11]。切溝長度和斷面形狀等是切溝形態(tài)的基本特征，能在一定程度上反映切溝的發(fā)育過程和程度，常用切溝長度、周長、面積、表面寬度、溝底寬度、深度、寬深比、斷面形狀、斷面面積、體積等指標定量表征[11-12]。切溝不同形態(tài)特征間存在著一定的相關(guān)性，且切溝關(guān)鍵參數(shù)的提取與形態(tài)特征密切相關(guān)，建立切溝形態(tài)特征間準確、可靠的相關(guān)關(guān)系，對于區(qū)域切溝侵蝕調(diào)查具有重要的實踐價值。

2 切溝影響因子

切溝是氣候、降水、土壤、巖性、植被、地形等因子綜合作用的結(jié)果。但在不同時間和空間尺度上，各因子對切溝侵蝕影響的相對大小存在明顯差異，因而需要加強不同時空尺度切溝侵蝕主控因子研究，明確主控因子的時空變化規(guī)律[11]。研究表明，上方來水會對切溝侵蝕產(chǎn)生一定影響，引發(fā)重力侵蝕，加劇切溝侵蝕，降雨還會影響切溝侵蝕產(chǎn)沙量[12]；以坡度和坡向為主的地形因子是影響坡面上地表徑流和土壤侵蝕的主要因子，也是影響切溝侵蝕的環(huán)境因素之一；地表植被是切溝形態(tài)特征參數(shù)的重要影響因子之一[13]，可以有效削弱雨水的下切力，減少雨水對切溝的擊打力量，一定程度上增強了土壤的抗沖性，從而大大減少了切溝侵蝕的發(fā)生[12]。

3 切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

3.1 基于無人機攝影測量的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于無人機攝影測量的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理、無人機高分辨率影像獲取與處理、切溝參數(shù)的提取和精度評價等過程[14]。采用三維激光掃描全站儀，結(jié)合影像和GPS精確定點，以及對切溝的實地測量，完成數(shù)據(jù)采集、檢驗、補測，并提取切溝的地貌參數(shù)[15]；根據(jù)無人機設(shè)備特點，設(shè)置掃描區(qū)域、圖像重疊、飛行高度、落點等相關(guān)飛行參數(shù)，確定飛行計劃，并對無人機進行實時監(jiān)測和控制，確定飛行高度、范圍等要素，完成飛行任務(wù)，采用相關(guān)影像處理軟件，獲得滿足空間分辨率的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)；使用ArcGIS軟件相關(guān)模塊，以無人機攝影測量技術(shù)獲取影像為基準[16]，對三維激光掃描數(shù)據(jù)進行配準，通過目視解譯完成切溝二維邊界勾繪和二維形態(tài)參數(shù)計算，進一步通過三維激光掃描數(shù)據(jù)和DEM確定切溝體積、平均溝深與橫截面積等參數(shù)，完成切溝三維模型構(gòu)建；在上述基礎(chǔ)上，完成基于無人機攝影測量的切溝參數(shù)的精度評價。

3.2 基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取與處理、QuickBird 影像獲取及處理、切溝邊界區(qū)域確定和誤差評價等過程[2]。利用三維激光掃描全站儀，選擇一定數(shù)量典型切溝進行實地測量，獲取具有地理坐標和高程的點數(shù)據(jù)，基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型構(gòu)建DEM，并確定切溝的面積、周長、溝長等形態(tài)參數(shù)值；基于研究區(qū)QuickBird遙感影像，通過不同分辨率多光譜數(shù)據(jù)和不同波段數(shù)據(jù)融合、重采樣、正射校正和真彩色圖像等過程，完成切溝溝沿線提取，以及面積、周長、溝長等形態(tài)參數(shù)值的確定；基于QuickBird影像和三維激光掃描全站儀數(shù)據(jù)，完成切溝溝沿線圖層建立、圖層疊加功能和溝沿線邊界面積確定；在上述基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的評價方法和指標，完成基于QuickBird影像目視解譯法的切溝關(guān)鍵參數(shù)誤差評價。

3.3 基于SFM攝影測量法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于SFM攝影測量法的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括切溝照片獲取與處理、SFM數(shù)據(jù)處理、GCP布設(shè)與坐標計算和GCP布設(shè)方案比較等過程[17]。在滿足重疊率的基礎(chǔ)上，利用相機獲取切溝照片，并導(dǎo)入SFM專業(yè)軟件，通過清晰度處理，確定有效照片，滿足切溝三維重建目標；通過尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法、隨機采樣一致性算法、光束法平差、多視圖立體視覺算法，完成特征點的提取與描述、非線性優(yōu)化、目標切溝的稀疏點云建立和DEM生成，并提取與計算切溝相關(guān)參數(shù)[17-18]；根據(jù)GCP布設(shè)原則，利用RTK GPS測量各GCP大地坐標，完成坐標轉(zhuǎn)換和計算；進一步根據(jù)切溝特點和GCP特點，將不同GCP布設(shè)方案相關(guān)信息輸入SFM專業(yè)軟件，重建目標切溝三維形態(tài)，比較各方案的重建效果，完成對切溝關(guān)鍵參數(shù)的提取。

3.4 基于最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計優(yōu)化的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計優(yōu)化的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括地物的粗分割、最優(yōu)尺度分割、確定切溝候選對象和假陽性切溝對象的去除等過程[19]。根據(jù)最優(yōu)分割尺度原則，結(jié)合不同波段多光譜影像，利用地物的光譜、光滑度、緊致度等特征，考慮一定函數(shù)關(guān)系，完成光譜異質(zhì)性和形狀異質(zhì)性參量，得到地物的粗分割結(jié)果；將光譜異質(zhì)性和空間異質(zhì)性標準結(jié)合使用，通過對象內(nèi)部同質(zhì)性和空間異質(zhì)性目標函數(shù)，確定最優(yōu)分割尺度，進行對象實際分割；根據(jù)影像的光譜、地形信息、幾何形態(tài)和紋理信息等特征，通過相應(yīng)的分類方法和統(tǒng)計分析方法，確定切溝候選對象的提取閾值；通過光譜亮度值，結(jié)合紋理，確定假陽性對象和切溝的不同提取閾值，進一步進行切溝關(guān)鍵參數(shù)的實際分類和提取。

3.5 基于高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法

基于高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法包括三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理、高分立體像對提取DEM、提取切溝參數(shù)和精度評價等過程[20]。利用三維激光掃描全站儀對研究區(qū)切溝進行實地測量，獲取相應(yīng)點云數(shù)據(jù)，通過對切溝數(shù)據(jù)去噪處理，生成柵格單元的DEM，滿足立體像對提取切溝參數(shù)的精度；利用Erdas軟件對立體像對進行裁剪，用ENVI相關(guān)模塊自動提取一定分辨率的DEM，進一步使用 ArcGIS模塊，采用最鄰近法對立體像對DEM重采樣，生成與三維激光掃描數(shù)據(jù)一致更高分辨率的DEM，從而降低切溝邊界及DEM誤差；通過對三維激光掃描儀獲取切溝進行配準處理、目視解譯并勾繪切溝二維邊界，計算面積、周長、溝寬和溝長等二維參數(shù)；利用切溝邊界分別裁剪三維激光掃描數(shù)據(jù)生成的DEM和高分立體像對生成的DEM，分別得到切溝DEM、點圖層高程值、原始侵蝕基準面等，基于上述構(gòu)建切溝三維模型，實現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的提取和處理，以及對比分析，并進一步檢驗使用立體像對提取黃土區(qū)切溝參數(shù)的可靠性。

4 結(jié) 語

切溝參數(shù)的有效提取和準確量化能為切溝研究提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。本研究分析了基于無人機攝影測量、QuickBird影像目視解譯法、SFM攝影測量法、最優(yōu)尺度分割和閾值統(tǒng)計優(yōu)化、高分遙感立體影像的切溝關(guān)鍵參數(shù)提取方法。然而切溝參數(shù)的多樣化和影響因素的多樣性，使得切溝參數(shù)的定量刻畫具有一定復(fù)雜性，加之各個方法的精度和優(yōu)缺點各異，因此在切溝參數(shù)提取過程中應(yīng)根據(jù)具體地形特點和影響因素選取適宜研究區(qū)域，同時在研究過程中綜合考慮區(qū)域特點，多要素和多方法綜合利用，加強對切溝全面監(jiān)測、全面分析，建立長期切溝多因子數(shù)據(jù)庫，加強切溝由點到面的轉(zhuǎn)化研究，建立多要素大尺度切溝侵蝕模型，進一步加強切溝侵蝕特征研究。