對(duì)象視角下的黃土坡地自動(dòng)分類及應(yīng)用研究

那嘉明

南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037

論文以坡地廣泛分布的黃土高原地區(qū)為切入,對(duì)坡地相關(guān)問題展開研究。首先,深入探討了坡地的概念內(nèi)涵和組成機(jī)制,明確了坡面單元、坡地系統(tǒng)和坡地資源的基本屬性;然后,采用面向?qū)ο笥跋穹治?object-based image analysis,OBIA)框架,在厘清坡面單元“坡度、坡向、坡型”等基本屬性的基礎(chǔ)上,提出了面向?qū)ο笠暯窍?基于DEM的地形特征組合優(yōu)化尺度自適應(yīng)黃土坡面單元自動(dòng)劃分方法;其次,基于坡面單元自動(dòng)劃分結(jié)果,根據(jù)坡地系統(tǒng)“坡位、坡形、坡用”等基本屬性,設(shè)計(jì)了坡地對(duì)象層級(jí)的對(duì)應(yīng)屬性信息提取方法;然后,提出了基于空間-屬性雙重聚類的坡地系統(tǒng)自動(dòng)分類方法;最后,參考前人在資源調(diào)查評(píng)價(jià)方面取得的研究成果,在小流域和區(qū)域尺度下分別選取典型樣區(qū)和黃土水土重點(diǎn)流失區(qū)進(jìn)行了實(shí)例研究,在坡地對(duì)象視角下分別對(duì)比了坡地系統(tǒng)坡形陡緩分類與傳統(tǒng)坡度分級(jí)方法的差異,分析了坡地資源在不同區(qū)域的空間分布的差異,評(píng)價(jià)了坡地資源的水土保持效應(yīng),以及分析了水土重點(diǎn)流失區(qū)坡地資源坡形、坡用條件與區(qū)域貧困縣分布的關(guān)系。研究主要內(nèi)容與結(jié)論如下。

(1) 坡地相關(guān)研究認(rèn)識(shí)論上,基于地理實(shí)體對(duì)象視角系統(tǒng)地梳理了“坡面單元-坡地系統(tǒng)-坡地資源”的基本概念、基本組成、基本特征和核心屬性。從地理實(shí)體角度歸納總結(jié)了坡面單元層級(jí)的“坡度、坡向、坡型”、坡地系統(tǒng)層級(jí)的“坡位、坡形、坡用”及坡地資源的“坡質(zhì)”等核心屬性。在此基礎(chǔ)上參考前人地貌分類方案,依據(jù)坡地系統(tǒng)的核心屬性提出了不同研究尺度下的坡地系統(tǒng)分類方案。針對(duì)當(dāng)前坡地相關(guān)研究中多“定性”而少“定量”,多“像元”而少“對(duì)象”的研究現(xiàn)狀,對(duì)傳統(tǒng)基于柵格像元的數(shù)字地形分析研究范式進(jìn)行了解析重構(gòu),提出了基于面向?qū)ο髷?shù)字地形分析的坡地研究范式?？偨Y(jié)歸納了數(shù)字坡地模型的基本概念,明確了其表達(dá)方式、基本屬性和基本應(yīng)用,并對(duì)今后的可擴(kuò)展方向進(jìn)行了一定的展望,深化了坡地相關(guān)理論問題的認(rèn)識(shí)。

(2) 坡面單元?jiǎng)澐址椒ㄕ撋?鑒于OBIA目前在坡地這一地理實(shí)體的提取分類任務(wù)中鮮有前人探索,論文在繼承前人在黃土高原其他地貌實(shí)體提取的研究成果基礎(chǔ)上,針對(duì)目前OBIA中廣泛使用的多尺度分割(multi-resolution segmentation,MRS)算法存在的不足,考慮融合DEM原生高程、坡面單元“坡度、坡向、坡型”核心屬性及地形紋理特征,提出了基于地形特征優(yōu)選的尺度自適應(yīng)坡面單元自動(dòng)劃分T-MRS(topographic-aided multi-resolution segmentation)分割策略,實(shí)現(xiàn)了黃土坡面單元的自動(dòng)劃分。在T-MRS分割特征優(yōu)選、分割參數(shù)優(yōu)化及分割結(jié)果評(píng)價(jià)等方面做出了相應(yīng)的思考和改進(jìn),克服了傳統(tǒng)MRS分割方法需要大量迭代調(diào)參、算法可解釋性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,論文設(shè)計(jì)方法可以很好地在兩個(gè)研究尺度上實(shí)現(xiàn)坡面單元的自動(dòng)劃分。不同尺度的分割最優(yōu)組合和分割最優(yōu)參數(shù)存在一定的差異,印證了對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)空間尺度與實(shí)際地學(xué)問題分析尺度需一一對(duì)應(yīng)。分割評(píng)價(jià)結(jié)果再次證明了融合原生高程、基本地形因子及地形紋理特征的方法可有效提升基于DEM的OBIA分割任務(wù)精度。

(3) 坡地系統(tǒng)分類方法論上,在明晰坡地資源“坡位、坡形、坡用”3大基本屬性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了基于坡面單元分割結(jié)果的坡地系統(tǒng)自動(dòng)分類方法。坡地對(duì)象的坡位信息主要通過正負(fù)地形劃分得到;對(duì)于坡形信息,重新設(shè)計(jì)了對(duì)象層級(jí)的基于擬合平面法向量的總坡度和總坡向計(jì)算方法;針對(duì)坡用信息,區(qū)域尺度基于土地利用公開數(shù)據(jù)集得到,小流域尺度設(shè)計(jì)了基于隨機(jī)森林的土地覆蓋分類方法,并討論了隨機(jī)森林分類特征重要性對(duì)分類結(jié)果的影響。考慮到由坡面單元到坡地系統(tǒng)的自動(dòng)聚類過程中需同時(shí)顧及空間鄰接和屬性一致的雙重要求,設(shè)計(jì)了一種空間-屬性雙重聚類算法實(shí)現(xiàn)了坡地系統(tǒng)的自動(dòng)分類。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)坡地系統(tǒng)的自動(dòng)分類,進(jìn)而服務(wù)于坡地資源調(diào)查工作。

(4) 坡地資源評(píng)價(jià)方法論上,在區(qū)域尺度和小流域尺度以樣區(qū)實(shí)例對(duì)坡地資源調(diào)查和評(píng)價(jià)工作做出了一定探索。對(duì)坡地資源坡形陡緩分類與傳統(tǒng)坡度分級(jí)方案對(duì)比分析表明,傳統(tǒng)坡度分級(jí)方案雖存在“一刀切”問題,但在中尺度對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中具有一定的合理性。然而對(duì)于近年來(lái)由于技術(shù)革新而出現(xiàn)的米級(jí)、亞米級(jí)乃至厘米級(jí)高分辨率DEM,傳統(tǒng)坡度分級(jí)方案存在較大偏差,逐像元窗口分析得到的坡度計(jì)算結(jié)果往往過多地表征了地表微地形起伏,不宜用于宏觀分析和分區(qū)任務(wù)。對(duì)坡地資源面積結(jié)構(gòu)及坡度坡長(zhǎng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,坡地資源的空間分布及水土保持效應(yīng)在不同研究尺度、不同黃土地貌子類型、水土重點(diǎn)流失區(qū)貧困縣與非貧困縣內(nèi)表現(xiàn)出一定的空間差異。

論文立足黃土高原,提出了對(duì)象視角下黃土坡地研究的完整理論范式與方法框架,探索了面向?qū)ο髷?shù)字地形分析在坡地相關(guān)研究中的應(yīng)用前景,實(shí)現(xiàn)了不同尺度的坡面單元有效分割,坡地系統(tǒng)自動(dòng)分類以及坡地資源調(diào)查評(píng)價(jià),希望對(duì)數(shù)字地形分析和坡地相關(guān)研究有所貢獻(xiàn)。