西南高山峽谷區(qū)水土保持典型對象標(biāo)準(zhǔn)樣本構(gòu)建方法研究與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：水土保持對象;標(biāo)準(zhǔn)樣本庫;構(gòu)建方法;多源-多尺度-多等級;西南高山峽谷區(qū)

中圖分類號：：S157文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.07.017

引用格式：趙院，金平偉，李浩，等.西南高山峽谷區(qū)水土保持典型對象標(biāo)準(zhǔn)樣本構(gòu)建方法研究與應(yīng)用[J].中國水土保持，2025（7） ：55-59.

黨的十九大報告中明確指出，至2035年，我國生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國目標(biāo)基本實現(xiàn)；到21世紀(jì)中葉，生態(tài)文明將全面提升[1-2]。水土保持遙感監(jiān)測是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的關(guān)鍵手段，而水土保持遙感數(shù)據(jù)樣本庫的建設(shè)是水土保持研究工作的基石，對提高水土保持工作的科學(xué)性、有效性和可持續(xù)性具有重要意義，同時對加速生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程具有不可替代的支撐與保障作用[3-4] O

西南高山峽谷區(qū)受地形、天氣等原因影響，其影像采集困難，水土保持對象的樣本庫數(shù)據(jù)嚴(yán)重短缺，導(dǎo)致典型水土保持對象識別難、信息提取精度低，仍需大量人力、物力等資源開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等工作，難以滿足新時代水土保持新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展要求，阻礙了西南高山峽谷區(qū)智慧水土保持監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建進(jìn)程。廖瑞恩等[5]根據(jù)水力侵蝕的柵格數(shù)據(jù)，利用Sen趨勢分析和Mann-Kendall顯著性檢驗法對西南高山峽谷區(qū)水力侵蝕的時空演變特征及驅(qū)動力進(jìn)行了分析，并認(rèn)為柵格數(shù)據(jù)精度需進(jìn)一步提高；丁琳等利用全國水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用土壤侵蝕量計算模型與凍融侵蝕評估體系，探究了西南高山峽谷區(qū)水力侵蝕與凍融侵蝕強(qiáng)度的地形地質(zhì)差異及土地利用模式間的分布特性，認(rèn)為水土流失數(shù)據(jù)受地形影響較大;賴金林等選用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的月度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集，運(yùn)用多種技術(shù)手段，深入剖析了西南高山峽谷區(qū)歸一化植被指數(shù)（NDVI）的時空演變趨勢及其穩(wěn)定性特征，并探討了導(dǎo)致NDVI空間差異性的多種影響因素；ZHANGetal.[8]依據(jù)整合與搜集的數(shù)據(jù)，研究人工林的土攘侵蝕特征，研究結(jié)果只反映了一般的侵蝕狀況，缺乏高精度的數(shù)據(jù)樣本以反映高標(biāo)準(zhǔn)的侵蝕特征；ZHANGet al.[9依據(jù)柵格數(shù)據(jù)集，針對水土流失嚴(yán)重的干旱地區(qū)，剖析了不同坡向和坡度下生物結(jié)皮蓋度的變化，以及由此導(dǎo)致的理化性質(zhì)波動，但其研究結(jié)果在精度上有待提升。

目前，大多學(xué)者對水土流失數(shù)據(jù)的運(yùn)用方式較為直接、簡單，缺少對數(shù)據(jù)樣本的精確化處理和系統(tǒng)性制作。本研究聚焦西南高山峽谷區(qū)水土保持典型對象樣本庫制作，系統(tǒng)、全面地介紹科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉颖編熘谱鞣椒?，通過精細(xì)化地優(yōu)化數(shù)據(jù)收集流程、精細(xì)處理數(shù)據(jù)、精確標(biāo)注數(shù)據(jù)及實施高效的數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，顯著提高模型的訓(xùn)練效率與質(zhì)量，大幅度提升模型訓(xùn)練與測試階段的表現(xiàn)水平，從而助力研究人員與相關(guān)工作者構(gòu)建出具備高準(zhǔn)確性、高標(biāo)準(zhǔn)、廣泛多樣性的樣本庫，旨在為西南高山峽谷區(qū)智慧水土保持監(jiān)測提供大樣本數(shù)據(jù)支撐

1 研究區(qū)基本概況

1）研究范圍及地形地貌。西南高山峽谷區(qū)是指以高山、峽谷地形為主的區(qū)域，位于四川省、西藏自治區(qū)與云南省的交界之處（見圖1）。該區(qū)域山地丘陵與高原占據(jù)主導(dǎo)地位，地形高峻陡峭，地勢起伏急劇多變，且海拔相差懸殊，從最低的 60m 到高聳的 7404m 不等，有 35.5% 的區(qū)域具備巖溶地質(zhì)特征。

2）氣候特征。西南高山峽谷區(qū)坐落于東亞與南亞季風(fēng)交會的過渡區(qū)域，受熱帶與亞熱帶季風(fēng)氣候交替影響，氣候呈現(xiàn)出顯著的空間差異性。不同地點多年平均降水量在 300～2300mm 之間變動，展現(xiàn)出南部多雨而北部較少、東部濕潤而西部相對干燥的分布特點；多年平均氣溫在 -3～22°C 之間波動。

3）遙感監(jiān)測存在的問題。天氣多變，云層覆蓋率高，在夏季多雨季節(jié)，光學(xué)遙感影像中云遮擋問題嚴(yán)重，影響影像質(zhì)量和數(shù)據(jù)的連續(xù)性；高山峽谷地區(qū)常常有茂密的植被覆蓋，會增加地面真實景況的提取難度，特別是利用光學(xué)遙感影像進(jìn)行植被類型識別和變化監(jiān)測時，需要更加精細(xì)的分類算法和地面驗證數(shù)據(jù)；由于地形的高度變化，普通的幾何校正方法存在效果不佳的問題，因此需采用高級的數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行精確的幾何校正，同時通過影像融合、多源數(shù)據(jù)結(jié)合等方法來提升成像效果和信息提取的準(zhǔn)確性。

2數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)是制作樣本的基礎(chǔ)，本研究為提高樣本自身精度，采集 2m 及優(yōu)于 2m 的多源遙感影像，以高分系類為主，以利于影像接邊與融合。選取最新全覆蓋高分辨遙感影像，部分典型區(qū)域用無人機(jī)正射影像補(bǔ)充，主要針對影像難以獲取或質(zhì)量達(dá)不到要求的云雪覆蓋區(qū)域或大規(guī)模高山梯田區(qū)域；同時，結(jié)合2023年度開展的水土流失動態(tài)監(jiān)測及信息化監(jiān)管相關(guān)工作，收集其土地利用及擾動圖斑等矢量數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)來源選擇與獲取

2.1. 1 遙感影像收集

研究區(qū)面積達(dá)61.5萬 km² ，為保證典型樣本具有一定代表性，本研究收集了能覆蓋研究區(qū)的高分遙感影像，以高分系類（ （GF-6，GF-2，GF-7） 為主、部分區(qū)域用資源系類ZY01B補(bǔ)充，遙感影像時相為2023年下半年（云雪覆蓋較少時段），具體情況見表1。

2.1.2 矢量數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)涉及川西高原高山峽谷生態(tài)維護(hù)水源涵養(yǎng)區(qū)、川西南高山峽谷生態(tài)保土減災(zāi)區(qū)、滇西北中高山生態(tài)維護(hù)區(qū)、藏東高山峽谷生態(tài)維護(hù)水源涵養(yǎng)區(qū)、滇北中低山蓄水?dāng)r沙區(qū)、藏東南高山峽谷生態(tài)維護(hù)區(qū)6個水土保持三級區(qū)。主要收集梯田（水平梯田、坡式梯田）、擾動圖斑等典型對象矢量數(shù)據(jù)，保證各分區(qū)均有典型研究對象作為樣本圖斑。樣本圖斑分布情況和典型對象示例分別見圖2、圖3。

2.2 數(shù)據(jù)修正與編碼

2.2.1 數(shù)據(jù)修正

通過對大圖斑拆分與切割、小圖斑邊界調(diào)整與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)整體質(zhì)量；同時對遙感影像色澤度局部調(diào)整，消除不同數(shù)據(jù)源或不同時間點收集的數(shù)據(jù)之間的矛盾和不一致，提高模型的預(yù)測準(zhǔn)確性和泛化能力。

2.2.2 數(shù)據(jù)編碼

大量樣本數(shù)據(jù)需通過編碼的方式來分類，以便于檢索和管理，同時更易于計算機(jī)批處理，提高運(yùn)算速度。構(gòu)建多區(qū)域、多類型的樣本庫，即大數(shù)據(jù)庫，可提高查詢效率和索引性能，有助于機(jī)器的識別。西南高山峽谷區(qū)典型水土保持對象編碼方式參考表2，同一地類加小標(biāo)依次遞增，例如SF_1、EG_1等

3典型對象樣本標(biāo)注與制作

本研究主要采用“人工自由維度”和“固定漁網(wǎng)”兩種模式開展項目區(qū)典型對象樣本與混淆地類樣本的制作，選取梯田（水平梯田、坡式梯田）擾動圖斑（生產(chǎn)建設(shè)項目）為典型對象樣本，道路、水體、建設(shè)用地（完工不再擾動）、林地為混淆對象樣本。

高質(zhì)量的數(shù)據(jù)標(biāo)注是樣本庫制作的核心，直接影響模型的訓(xùn)練效果。樣本庫要滿足清晰度和地物特征基本標(biāo)準(zhǔn)，確保能清楚判斷出地物類型與邊界，以此為樣本標(biāo)準(zhǔn)制作模型訓(xùn)練樣本庫，一定程度上能夠提高模型訓(xùn)練的精度。

3.1 標(biāo)注方法

3.1.1“人工自由維度”標(biāo)注

“人工自由維度”標(biāo)注即人工采用不同尺度對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，獲取不同維度的典型對象樣本集。由圖4可知，“人工自由維度”標(biāo)注樣本集的制作流程可概述如下：首先，依據(jù)邊界矢量文件和土地利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，以整合不同數(shù)據(jù)源的信息，更全面地理解與判斷每個區(qū)域的土地利用類型；其次，通過Classvalue進(jìn)行分類字段標(biāo)記，字段標(biāo)記為1對應(yīng)梯田，字段標(biāo)記為2對應(yīng)擾動圖斑，字段標(biāo)記為3則對應(yīng)其他地類；然后，基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取裁剪，得到梯田柵格數(shù)據(jù)、擾動圖斑柵格數(shù)據(jù)和混淆地類柵格數(shù)據(jù)；最終，所有經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)被整合成完整的樣本集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于后續(xù)的土地利用分析、規(guī)劃或監(jiān)測等工作。整個流程從數(shù)據(jù)收集（邊界矢量文件、土地利用矢量數(shù)據(jù)）開始，經(jīng)過空間疊加分析、土地利用類型判斷、分類標(biāo)記等步驟，最終生成完整的樣本集數(shù)據(jù)，為構(gòu)建水土保持典型樣本庫的深入研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)

3.1.2 “固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注

“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注即固定網(wǎng)格尺寸（ 256pt× 256pt.512pt×512pt， ，基于地理信息處理軟件平臺，對研究區(qū)域典型對象進(jìn)行自動裁切，再通過人工復(fù)核優(yōu)化，形成典型水土保持對象樣本集。由圖5可知，“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注樣本集的制作流程可總結(jié)如下：首先，根據(jù)生成漁網(wǎng)后的矢量文件和土地利用矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間位置疊加分析；其次，判斷漁網(wǎng)單元格與擾動圖斑空間位置重疊率是否大于 50% ，若重疊率大于 50% ，則判斷土地利用類型，梯田Classvalue字段標(biāo)記為1、擾動圖斑Classvalue字段標(biāo)記為2、其他地類Classvalue字段標(biāo)記為3，批量提取各類型矢量數(shù)據(jù)與遙感影像并進(jìn)行疊加分析，掩膜提取裁剪（ 256pt×256 pt、512pt×512pt）形成對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)，得到擾動樣本矢量數(shù)據(jù)，并整合成完整的樣本集數(shù)據(jù)；反之，若重疊率小于或等于 50% ，則跳過該漁網(wǎng)，

3.2 樣本集

本研究制作典型對象樣本共6.8萬個、混淆對象樣本4.0萬個，完成了樣本編號與數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建工作。其中： ① “人工自由維度”勾繪構(gòu)建典型對象樣本擾動圖斑（生產(chǎn)建設(shè)項目）1.7萬個、梯田1.7萬個，勾繪混淆對象樣本2.0萬個； ② “固定漁網(wǎng)”裁切擾動圖斑（生產(chǎn)建設(shè)項目）1.7萬個、梯田1.7萬個，裁切混淆對象樣本2.0萬個。圖6為西南高山峽谷區(qū)部分樣本集。

4樣本庫構(gòu)建與擴(kuò)充

以梯田為例，數(shù)據(jù)增強(qiáng)通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、擴(kuò)展，提升樣本庫的多樣性和模型的泛化能力。

1）幾何變換。包括旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、縮放（見圖7）。

2）顏色變換。包括亮度、對比度、飽和度、噪聲、模糊調(diào)整（見圖8）。

5樣本訓(xùn)練結(jié)果測試與對比

本測試主要選取梯田（水平梯田、坡式梯田）、擾動圖斑樣本集，用于模型訓(xùn)練與模型驗證數(shù)據(jù)。樣本集統(tǒng)計及應(yīng)用效果檢驗情況分別見表3、表4。

注：F1得分值為機(jī)器學(xué)習(xí)評估指標(biāo)，用于衡量模型的準(zhǔn)確性，較高的F1分?jǐn)?shù)表示更好的分類器質(zhì)量。

由表3、表4可以看出，整體而言，西南高山峽谷區(qū)典型水土保持樣本應(yīng)用效果較好，可為構(gòu)建具有區(qū)域特點的水土保持對象自動識別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提供標(biāo)準(zhǔn)、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，且具有良好的泛化能力

6 結(jié)果與討論

1）通過科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄖ谱鳂颖編?，能夠顯著提升模型的訓(xùn)練效果和訓(xùn)練測試應(yīng)用精度。本研究構(gòu)建了西南高山峽谷區(qū)梯田（水平梯田和坡式梯田）、擾動圖斑（生產(chǎn)建設(shè)項目）標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)集，進(jìn)行了統(tǒng)一編碼，形成了樣本數(shù)據(jù)庫（查詢庫），為水土保持對象的自動識別及提取方法的研究與應(yīng)用提供了算據(jù)支撐。

2）采用“人工自由維度”標(biāo)注與“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注兩種方式開展樣本標(biāo)注，制作出大量樣本數(shù)據(jù)集。通過對比分析，“人工自由維度”標(biāo)注獲取的樣本質(zhì)量明顯優(yōu)于“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注，“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注形成的樣本存在大量無用樣本（TIFF圖像中所需的地物不存在或者占比較小等），還需人工進(jìn)一步挑選，但“固定漁網(wǎng)”自動標(biāo)注獲取樣本效率遠(yuǎn)高于“人工自由維度”標(biāo)注。應(yīng)進(jìn)一步研究兩種方法的融合技術(shù)，為樣本制作提供全面技術(shù)支持。

3）未來的研究可以聚焦高質(zhì)量樣本標(biāo)注、少樣本學(xué)習(xí)等方向，針對地域及場景化（季節(jié)變化等特點）補(bǔ)充與更新本研究區(qū)域典型水土保持對象樣本庫，為高山峽谷區(qū)水土保持關(guān)鍵要素快速監(jiān)測提供有效、精準(zhǔn)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1］莫沫.水土保持遙感應(yīng)用成效與展望[J].中國水利，2024（11） ：21-25.

[2]王詩綺，劉焱序，李，等.近20年黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2023，43（1）：26-37.

[3］王曉峰，賈子續(xù)，馮曉明，等.黃土高原土壤保持服務(wù)供需平衡及其驅(qū)動因素[J].生態(tài)學(xué)報，2023，43（7）：2722-2733.

[4］袁和第，信忠保，侯健，等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型小流域水土流失治理模式[J].生態(tài)學(xué)報，2021，41（16）：6398-6416.

[5]廖瑞恩，齊實，賴金林，等.西南高山峽谷區(qū)水力侵蝕時空變化及其驅(qū)動力[J].水土保持研究，2024，31（5）：139-147.

[6]丁琳，黃婷婷，秦偉，等.西南高山峽谷區(qū)土壤侵蝕空間分異特征[J].泥沙研究，2023，48（6）：51-58，66.

[7]賴金林，齊實，崔冉冉，等.西南高山峽谷區(qū)植被變化及影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)，2023，44（12）：6833-6846.

[8]ZHANGLin，WUQinzhan，HUANGKangting，etal. Impacts ofdifferent slash disposals on soil and water erosion ofhigh-in-tensitymanagement Eucalyptus grandis × urophyllaplantation[J].Heliyon，2024，10（9） ：e30550-e30550.

[9]ZHANG Jing，LIU Yixuan，HOU Fujiang. Changes in vegeta-tion and soil coupling induced by biocrusts：New thinking onthesegmented control of soil and waterlossin the Loess Plat-eau，China[J]. Ecological Indicators，2024，161：111953.

（責(zé)任編輯 徐素霞）