QuickBird影像目视解译法提取切沟形态参数的精度分析

为了研究QuickBird影像提取切沟形态参数的精度,该文选取陕北黄土区吴起县合沟与绥德县桥沟小流域,分别利用同时相的三维激光扫描全站仪和QuickBird影像数据源提取切沟形态参数,分析QuickBird影像提取切沟形态参数的精度,探究误差产生原因。研究结果表明:与三维激光扫描全站仪相比,QuickBird影像目视解译合沟和桥沟小流域切沟面积、周长的平均相对误差都在5%左右;沟缘线边界偏差大于0.6 m(相当于QuickBird影像的一个像元值)的面积百分比的均值都能控制在4%以内;2个小流域中沟长的平均相对误差分别在2%和5%左右,沟长的平均绝对误差分别在0.5和0.75 m左右;目视解译面积、沟长的平均相对误差、最大相对误差、不同解译人员的最大误差与参数值之间都具有显著地负相关,即切沟越大,误差越小;沟缘线附近的植被类型影响目视解译精度,与灌草植被覆盖的小流域相比,草本覆盖的小流域中切沟参数的解译精度更高。总体上来看,QuickBird影像为小流域尺度上监测切沟发育提供了便捷、可靠地数据源。     

洛川塬区晚中更新世以来沟谷发育与土壤侵蚀量变化初探

洛川塬区土壤侵蚀变化表现出不同的侵蚀期,土壤侵蚀过程就是沟谷的发育过程。通过分析洛川塬区晚中更新世以来洛河阶地和沟谷黄土、古土壤记录的古地貌形态得出,560～460kaB.P.的第一侵蚀期洛河一级支流开始广泛形成;洛河较大的二级支流形成于250～200kaB.P.的第二侵蚀期;140～95kaB.P.的第三侵蚀期洛河形成了三级支流;洛川塬区众多的冲沟主要是全新世(10～0kaB.P.)以来形成的。分析了洛川塬区不同侵蚀期形成的沟谷地貌形态。以黑木沟为例,具体分析了黑木沟的发育过程和土壤侵蚀量变化。     

黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀沟数量及形态特征

为分析黄土高原不同类型侵蚀沟形态特征及其区域差异,以黄土高原第一副区和第五副区小流域为例,基于无人机影像(0.15 m)及DEM(1 m),分析沟谷网络特征和各类型侵蚀沟的数量特征,并对比冲沟和切沟的二维、三维形态参数。结果表明：丘一区小流域主沟支沟比为1∶35.6,远小于丘五区小流域主沟支沟比(1∶22.0),且各级沟谷密度多高于丘五区,表明丘一区支沟数量多,发育程度较高,地表更破碎,沟谷系统形态更复杂。丘一区和丘五区侵蚀沟类型都以切沟为主,密度分别为9.72,14.22 km/km²,冲沟密度分别为4.27,4.23 km/km²,冲沟数量虽少,但沟谷面积较大。切沟在沟谷网络分级中主要集中在1级,冲沟主要分布于1～3级,干沟多为3～5级。丘一区切沟除纵比降较大外,其他形态参数均明显小于丘五区,说明丘五区切沟规模更大,但两区冲沟形态差异较小。切沟、冲沟的体积和面积之间都具有显著的幂函数关系,但丘一区冲沟和切沟的判定系数更高,表明其同类侵蚀沟在形态上更具有相似性。研究结果为黄土高原侵蚀沟准确统计和小流域水土保持综合治理提供参考。     

水土流失治理背景下小流域泥沙来源初探——以皇甫川流域西五色浪沟小流域为例

以皇甫川流域西五色浪沟小流域为研究区,以高分辨率遥感影像为信息源,通过GIS技术,提取小流域沟缘线,将小流域分为沟谷地、沟间地2大地貌类型。基于沟蚀和面蚀及其影响因子切割裂度、水土保持措施及土地利用方式、坡度、植被覆盖度等数量和分布以及通过项目布设的雨量站、把口站和径流场观测资料2种方法对在水土流失治理背景下小流域泥沙来源进行比较。结果表明,2种方法均显示,西五色浪沟小流域泥沙主要来源于沟谷地,沟谷地土壤侵蚀量约占流域侵蚀量的73%,是沟间地侵蚀量的2.73倍。     

DEM网格尺寸与沟谷提取精度研究

基于DEM的沟谷提取涉及到DEM网格尺寸和汇流累积阈值这两个重要因素的选择问题。以北京市八达岭小流域1∶1万地形图为数据基础,运用Region Manager 5.0软件、MATLAB 6.0软件和Excel统计功能模块,完成该小流域的沟谷提取工作和数据处理工作。分析得出:随着DEM网格尺寸和汇流累积阈值的增加,所提取的沟壑密度呈现幂函数趋势减小;比较这两个因素,DEM网格尺寸对沟谷提取的精度影响更大。试验发现,以汇流累积矩阵平均值作为依据选择汇流累积阈值较合适。     

黄土塬区DEM水文分析中消除地面伪沟谷的方法

当前基于DEM的沟谷网络提取方法,往往造成平原、台地地区有大量的伪沟谷出现。以位于陕北的黄土塬区为实验样区,以5 m分辨率的DEM及相应的DOM为信息源,研究伪沟谷的成因与消除方法,结果显示:在初始所提取的沟谷网络中,塬面上一般存在大量的伪沟谷;实验中通过增加权重矩阵来计算水流路径汇流累积量值,从而使得平坦区域的汇流累积量值减小,最终可有效地消除伪沟谷,得到理想的实验结果。     

晋西黄土区小流域泥沙来源分析

以晋西黄土区小流域为研究对象,选择了7个典型小流域,根据14 a的定位观测结果,对流域泥沙来源进行了分析.结果表明,按小流域泥沙来源的地貌部位划分,沟谷地(沟头、沟道和沟坡)产沙量＞沟间地(坡面、梁峁坡)产沙量,沟谷地产沙量占流域总产沙量的60%以上,沟谷地侵蚀模数是沟间地的1.28～2.48倍,坡耕地、裸露地是主要产沙地类.     

电力工程中遥感提取侵蚀沟参数的方法探讨

侵蚀沟勘测一直是电力工程水文勘测的难点。在分析不同类型侵蚀沟对电力工程影响的基础上,提出电力工程需要提取的侵蚀沟类型,结合目前遥感数据可能达到的精度,提出遥感图像解译技术和DEM技术相结合的侵蚀沟参数提取方法。将该方法应用于某750 kV变电站的水文勘测,实现了侵蚀沟稳定性判读、沟壑参数提取等。应用结果表明,该方法可弥补常规水文勘测方法的不足,能提高水文勘测的精度。     

基于DEM的黄土高原沟谷节点分形特征研究

以ASTER GDEM为主要数据源,在黄河中游多沙粗沙区提取22个小流域的沟谷节点(channel junctions,CJs),采用计盒、关联维2种方法对比研究CJs分形特征,并讨论其分形的内涵与影响因素;基于CJs分形特征的聚类分析,探讨样区的侵蚀程度差异。结果表明:(1)黄土高原CJs分形特征明显,不同分形方法度量的几何维数变化相同,盒维数大的样区关联维数也大;(2)CJs分形特征与黄土地貌的发育相关,不同地貌类型呈现出不同的分形维数;但2种分形方法度量出的分维值差异均能与地貌类型保持对应,分形维数排序为:黄土梁峁状丘陵沟壑黄土破碎塬黄土梁状丘陵沟壑黄土塬黄土山地黄土峁梁状丘陵沟壑黄土风蚀沙丘;(3)依据CJs盒维数、关联维数对样区进行聚类分析,结果表明22个样区划分为4种类型,大致对应剧烈侵蚀区、强烈侵蚀区、中度侵蚀区、轻度侵蚀区。研究表明分形方法能较好的刻画黄土高原不同地貌沟谷节点特征,并能在一定程度上反映沟谷侵蚀状况。     

基于面向对象的SPOT卫星影像梯田信息提取研究

梯田信息准确和快速提取是区域水土保持动态监测和评价的核心技术之一,运用遥感技术进行地物信息提取是一种有效手段。该研究以燕沟流域为研究区,采用高分辨率的SPOT5遥感影像数据,基于面向对象分类技术,通过影像分割构建影像对象,在分析影像对象的光谱特征、纹理特征和空间特征的基础上,建立了梯田信息的遥感提取规则,实现了梯田的自动提取。最后用手工勾绘结果对梯田的遥感提取结果进行精度评价,从田块边界的吻合度评价位置精度,并通过比较该结果与人工目视解译结果进行面积精度评价。结果表明,基于面向对象分类的遥感方法可以较好地从原始影像中提取复杂地貌区梯田的位置信息,面积提取正确率达到78.38%,该方法可为黄土高原地区梯田信息遥感提取提供借鉴。     

基于机器学习的沟谷地貌识别模型对比——以黄土高原典型流域为例

探索沟谷地貌空间分布与环境控制特征之间的联系并构建沟谷地貌准确提取模型,对大尺度范围沟谷提取具有重要意义。基于人工提取黄土高原典型流域沟谷地貌样本,结合不同时期的Landsat8 OLI影像数据和DEM数据,建立随机森林模型确定黄土高原沟谷地貌提取最佳影像时期和最佳组合特征,基于最优模型参数,对比其与支持向量机和人工神经网络沟谷提取模型效果,验证模型泛化能力。结果表明:(1)黄土高原沟谷提取的最佳影像时期为12月,最佳组合特征集为Red、Blue、H、SWIR1、PNT、Coastal、GLCM4和NIR;(2)3种方法提取测试区域的沟谷空间分布一致,从定性和定量角度进行比较,随机森林模型提取效果最好,验证样区平均总体精度为80.48％,相较于支持向量机模型和人工神经网络模型分别提高4.00和8.63个百分比;(3)测试区域中,沟谷地貌面积约占总面积的56.91％,且呈现西北至东南方向逐渐集中的特点。研究表明随机森林模型在黄土高原地区高精度沟谷地貌识别研究中综合表现最佳,可大范围推广。     

黄土高原典型小流域侵蚀沟形态和稳定性监测初探

[目的]在黄土高原地区选择6条典型小流域,开展侵蚀沟形状特征、发育程度、形态变化等监测,对侵蚀沟稳定性进行分析,初步构建侵蚀沟稳定性评价指标体系。[方法]在雨季前后2次对6条典型小流域主沟道代表性断面、支毛沟代表性断面、支毛沟的沟头进行亚米级精度测量。[结果]获得了6条典型小流域各等级侵蚀沟数量和各流域沟道主断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头变化数据,并对其进行了分析。初步构建了侵蚀沟稳定性评价指标体系。[结论]影响沟道形态变化的因素基本总结为:降水因素、水保措施、植被覆盖因素、汇水面积、坡度、地表组成物质等。     

利用高分立体影像构建东北黑土山地丘陵区切沟体积估算模型

分析侵蚀沟形态特征并构建体积估算模型,对大空间尺度探究切沟侵蚀具有重要意义。该研究选取位于东北黑土山地丘陵区穆棱市的典型样区,基于WorldView-2高分立体像对影像(0.5m分辨率),利用ENVI5.3提取同分辨率DEM,选择45条切沟,在ArcGIS10.3中提取并计算切沟顶宽(TW)、底宽(BW)、沟深(D)、断面面积(CSA)、沟长(L)、面积(A)及体积(V)等参数,分析形态特征及相互关系,构建切沟体积估算模型。结果表明:1)切沟TW、BW、D、CSA、L、A及V均值分别为5.63 m、2.82 m、1.05 m、4.94 m~2、81.90 m、470.54 m~2、428.53 m~3。断面BW/TW均值为0.48,切沟以V～U型为主。TW/D全部大于1,均值为5.95,表明沟道横向侵蚀较下切侵蚀速率更快;2)切沟体积与沟长(V-L)、面积(V-A)间均有极显著幂函数关系,相比V-L关系模型,V-A关系模型具有更小的平均相对误差和更大的纳什系数,可更准确有效预测切沟体积,建议将其作为东北山地丘陵区切沟体积估算模型;3)与黄土高原及干热河谷地区相比,东北黑土区切沟体积与面积幂函数关系的指数更小,而区内山地丘陵区较漫川漫岗区更大,反映出山地丘陵区更加强烈的切沟发育状况;切沟形态特征影响V-A模型构建的精度,建议将狭长度(L/TW)作为切沟分类指标构建切沟体估算模型。研究结果可为东北黑土山地丘陵区大空间尺度切沟侵蚀的定量模拟提供方法和依据。     

黄土残塬沟壑区范围界定及近21年来NDVI时空变化特征

为探究黄土残塬沟壑区退耕还林（草）工程等林业生态工程实施后林业资源恢复情况，以黄土高原DEM数据及2000—2020年归一化植被指数NDVI数据为基础，采用地形因子计算、水文分析、空间叠加分析等方法，划分了较为完整的黄土残塬沟壑区的范围，并利用趋势分析法、变异系数的相关理论与方法，分析了近21年来黄土残塬沟壑区NDVI时空变化特征。结果表明：（1）黄土残塬沟壑区横跨山西、陕西和甘肃3省，面积约为2.99万km²，沟壑密度为1.91~3.21 km/km²；（2）黄土残塬沟壑区NDVI从时序变化上看，全区21年总平均NDVI值为0.711，2000—2020年该区植被NDVI变化趋势呈快—慢—较快增长；从空间分布来看，植被覆盖度NDVI值总体为0.6~0.9，研究区中部地区植被覆盖度较其他地区高；（3）在时空趋势特征方面，研究区西部和东部部分地区植被覆盖改善程度明显，中部地区植被覆盖情况较为稳定；在时空波动特征方面，该区植被NDVI时序波动稳定，空间波动差异性较大，低波动区域面积占比为48.06%。整体而言，黄土残塬沟壑区主要分布在山西、陕西和甘肃3省，该区2000—2020年间植被NDVI整体呈上升态势，植被覆盖水平整体较高且波动较低，并呈持续改善趋势。研究结果可为黄土残塬沟壑区水土保持工作提供理论基础和科学依据。     

基于历史卫星影像估算黄土丘陵区冲沟发育速率

沟谷侵蚀是黄土高原河流泥沙的主要来源,对土地资源的破坏性极大.为评估黄土高原丘陵沟壑区冲沟的中长期发育速率,该研究选取黄土高原丘陵区第一副区绥德县枣林坪流域为研究区,使用1968年的KH-4B卫星影像、2021年高分7号卫星影像及立体像对,估算近53年来冲沟的发育速率,探究冲沟体积-面积关系.结果表明:1)在35条调查...     

Ephemeral gully recognition and accuracy evaluation using deep learning in the hilly and gully region of the Loess Plateau in China

Ephemeral gullies are widely distributed in the hilly and gully region of the Loess Plateau and play a unique role in the slope gully erosion system. Rapid and accurate identification of ephemeral gullies impacts the distribution law and development trend of soil erosion on the Loess Plateau. Deep learning algorithms can quickly and accurately process large data samples that recognize ephemeral gullies from remote sensing images. Here, we investigated ephemeral gullies in the Zhoutungou watershed in the hilly and gully region of the Loess Plateau in China using satellite and unmanned aerial vehicle images and combined a deep learning image semantic segmentation model to realize automatic recognition and feature extraction. Using Accuracy, Precision, Recall, F1value, and AUC, we compared the ephemeral gully recognition results and accuracy evaluation of U-Net, R2U-Net, and SegNet image semantic segmentation models. The SegNet model was ranked first, followed by the R2U-Net and U-Net models, for ephemeral gully recognition in the hilly and gully region of the Loess Plateau. The ephemeral gully length and width between predicted and measured values had RMSE values of 6.78 m and 0.50 m, respectively, indicating that the model has an excellent recognition effect. This study identified a fast and accurate method for ephemeral gully recognition in the hilly and gully region of the Loess Plateau based on remote sensing images to provide an academic reference and practical guidance for soil erosion monitoring and slope and gully management in the Loess Plateau region.     

黄土高原丘陵沟壑区小流域浅沟和切沟侵蚀区的界定

验证了国外发生浅沟侵蚀和切沟侵蚀判定式在黄土丘陵区的适用性。通过GPS实测数据并结合GIS空间分析与统计回归方法,建立了适用于黄土高原丘陵区的发生浅沟侵蚀和切沟侵蚀判定式。研究结果表明,在黄土高原丘陵沟壑区,随着坡度的增大,发生浅沟侵蚀和切沟侵蚀的临界值a增大,高强度降雨致使判定式中汇水面积（A）的指数b值减小,从而降低了汇水面积的影响作用。在假定其它因素相同时,浅沟形成只需较小的汇水面积,而切沟形成则需要相对较大的汇水面积;当单位汇水面积相同时,发生切沟侵蚀比浅沟侵蚀需要更大的坡度。利用国外研究结果预测提取的浅沟侵蚀和切沟侵蚀发生区,明显夸大了研究区的沟蚀发生区;而用作者所建立的判定式提取的浅沟和切沟侵蚀分布区与野外实际相当吻合。即浅沟侵蚀主要发生在15°～35°的沟间地上,其分布面积占整个沟间地面积的60％,切沟侵蚀主要发生在大于35°的沟坡地上,其分布面积占整个沟坡面积的93％。     

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明：(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2～16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2～16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%～106.98%),56.68%(30.26%～75.49%)和56.28%(33.37%～73.28%),与实测数据显著相关(R²>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%～190.4...     

基于QuickBird影像估算晋西黄土区切沟发育速率

切沟的发育不仅破坏土地资源,也是河流泥沙的主要来源之一。为了研究高分辨率遥感影像监测黄土区切沟发育速率的有效性,该文选择晋西黄土区4个小流域,使用GIS技术和2003、2010年同时相QuickBird全色和多光谱影像提取沟谷区面积、周长和支沟沟头前进距离,估算切沟发育速率,并从植被覆盖度、土地利用类型等方面分析了4个小流域切沟发育速率差异的原因。结果显示:2003-2010年,4个小流域沟谷区面积、周长增加比例分别在0.25%～0.48%和1.56%～2.61%;切沟发育主要发生在小流域两侧支沟沟头,支沟沟头大约以0.36～0.44m/a的速率前进;林草地覆盖率越高,小流域切沟发育速率越慢;小流域内沟间地覆盖度大于60%的植被对切沟发育遏制作用明显。研究表明高分辨率遥感能够比较快速、准确地确定切沟发育速率,可为中小流域切沟发育监测提供参考。