使用高分遥感立体影像提取黄土丘陵区切沟参数的精度分析

为了研究高分立体像对测量黄土丘陵区切沟参数的适用性,选取陕北黄土区合沟小流域,以三维激光扫描全站仪获取的数据为参照值,分析使用GeoEye-1高分遥感立体像对测量切沟参数的精度,得到如下研究结果.1)刃沟面积、周长、沟长和沟宽等线状和面状参数平均测量误差分别为3.58 m2,0.55 m,0.13m和-0.10 m,其中面积、周长和沟长的百分误差主要集中在5％以内,沟宽百分误差主要分布在10％以内.2)切沟三维参数沟底宽、最大沟深、平均沟深的平均测量误差分别为-0.67、0.14和-0.46 m.截面积和体积的平均误差分别为-6.30 m2和-54.01 m3.最大沟深的百分误差主要集中在30％以内,沟底宽、平均沟深、截面积和体积的百分误差则主要分布在50％以内;相较于三维激光扫描的切沟,立体像对提取的切沟沟底形态误差较大,主要是沟底宽和平均沟深偏小.3)切沟规模越大,切沟体积、截面积和沟底宽的测量值偏小的幅度越大.但是,切沟体积测量误差与切沟体积之间可以建立较好的线性回归模型,在缺少其他测量手段时,可以使用该模型对测量误差进行校正.总体上看,高分立体遥感为切沟线状和面状参数测量以及切沟体积测量提供了新的方法,为黄土丘陵区沟蚀监测提供了便捷、且相对可靠的数据源.     

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。     

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。     

晋西黄土区切沟断面特征及体积估算模型

断面特征不仅能反映切沟发育环境因子,亦有助于揭示切沟侵蚀规律;体积是表征切沟侵蚀量的关键参数,建立体积估算模型对大空间尺度切沟侵蚀定量研究有重要意义。该文选取晋西黄土区蔡家川流域为研究区,利用三维激光扫描全站仪获取31条切沟地形数据,构建切沟高精度地面高程模型(DEM),分析切沟断面特征,建立体积估算模型。研究结果表明:(1)切沟顶宽、底宽、沟深和断面面积的均值分别为9.0 m、3.8 m、6.2 m和41.8 m2,切沟断面参数值从沟头、沟中到沟口均逐渐增大,仅沟深差异不显著;断面顶宽与沟深之比的均值为1.55,说明切沟横向侵蚀速率大于沟底下切速率;与沟中、沟口相比,沟头宽深比最小。(2)回归分析显示,晋西黄土区切沟体积(V)与沟长(L)及面积(A)之间均具有显著的幂函数关系,方程的决定系数分别为0.68和0.85;平均相对误差和纳什系数显示,与V–L模型相比,V–A在预测切沟体积上更具优势。因此,建议将回归方程V=1.7097A1.1356作为晋西黄土区切沟体积估算的模型。该研究结果可为大空间尺度切沟侵蚀定量模拟、空间分布制图等提供方法和依据。     

DEM分辨率对产流产沙模拟影响研究

地形状况决定流域基本特征,因此在进行流域水文过程模拟时,DEM分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响模拟结果。在研究流域模拟过程中DEM分辨率对流域参数提取及产流产沙模拟的影响,选择黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区,采用Resizecell技术对1:25万DEM图进行单元栅格处理,分别生成100m×100m、200m×200m、300m×300m和400m×400m四种不同分辨率的DEM图;分别模拟四种情况下1997～1999年流域的产流量与产沙量,进而分析DEM分辨率对模拟结果的影响。研究表明:DEM分辨率对亚流域的面积或个数的提取影响不大,但对坡度值的提取影响较大。其中,400m×400m的DEM与100m×100m的DEM相比,1997～1999年产流模拟结果分别相差9.12%、9.71%、19.52%,产沙量模拟结果分别相差42.25%、43.56%、49.70%。因此,在进行流域产流、产沙模拟时,应进行坡度订正。     

DEM提取地面平均坡度误差的量化模拟

研究选取陕北黄土丘陵沟壑区、黄土梁峁丘陵区、黄土低丘区以及黄土破碎塬区 4种地貌地区作为试验样区 ,采用高精度 1∶ 1万比例尺 5 m分辨率的 DEM为基准数据 ,应用比较分析、回归分析和相关分析等方法研究黄土高原不同分辨率 DEM提取地面平均坡度精度的量化估算方法 ,所得到的精度计算数模表达式经验证具有很好的应用前景 ,也为建立全国范围的通用表达式提供了重要的方法依据     

基于DEM提取黄土丘陵区沟沿线

黄土丘陵区的沟沿线，是反映该区地形地貌特征的重要的地形结构线。以陕北绥德县韭园沟流域为实验样区，探讨利用数字高程模型(DEM)实现自动提取沟沿线的原理方法，并以航片及地形图等高线为依据，对所提取沟沿线的精度进行了对比分析。实验结果证明，利用DEM自动提取沟沿线是一种快速、有效的技术方法。     

考虑坡度变换的中低分辨率地形湿度指数提取

基于中低分辨率的DEM提取地形湿度指数,对于区域土壤侵蚀因子和区域土壤侵蚀模型等研究有着重要的意义.但随着DEM分辨率的降低,坡度趋于平缓,单元栅格高程信息的改变也会影响单元汇流面积的计算,基于中低分辨率提取地形湿度指数必须考虑这两方面的影响.以1:5万数字地形图分别构TIN得到分辨率为10,20,40和60 m的DEM,进行频率和累计频率统计,以10 m分辨率DEM为参考对其它分辨率DEM做坡度变换,提出根据高分辨率DEM若干栅格的单元汇流面积的均值作为低分辨率DEM的单元汇流面积,根据这两方面对地形湿度指数进行了改正.     

基于面向对象技术的黄土丘陵沟壑区切沟遥感提取方法研究

基于高分辨率遥感影像,提出了结合高分辨率影像的光谱、地形、几何形态和GLCM纹理信息等特征的切沟半自动面向对象提取方法,建立了一组沿径流方向计算纹理特征空间对比度和相关性的公式。以黄土丘陵沟壑第三副区甘肃天水桥子沟小流域World View-2影像数据为例,分别建立了耕地（山坡地、梯田）、果园、林地、农路、切沟的分类规则和算法,以影像的目视解译结果结合实地调查进行精度评价,分类结果显示,总体分类精度为75.17%,总Kappa系数为0.64,切沟的生产者精度为80%,用户精度为70.59%,取得了令人满意的结果。     

SfM摄影测量法测定切沟的精度评价

选取河北省滦平县两间房村的一条典型切沟,以实时动态差分(Real-time Kinematic,RTK)GPS的测量结果为基准,评估了断面测量法与SfM方法对该切沟的测量精度,并在此基础上探讨不同地面控制点(Ground Control Point,GCP)布设方案对SfM测量精度的影响。结果表明:SfM测量法可作为一种高精度的方法运用于切沟测量,与RTK GPS相比,断面测量法的体积测量误差高达37.28%;而SfM方法的误差仅为2.40%,且相对RTK GPS所测切沟DEM的差值主要集中于-0.2～0.2 m。此外,轻便、小巧的激光测距仪可有效替代RTK GPS用于GCP坐标的测量,在此基础上得到的切沟体积误差仅为0.23%。将切沟沟缘与沟底共18个GCP抽稀至4～16个,并利用SfM方法重建该切沟的三维形态。各方案所得切沟DEM相比未抽稀结果的差值主要集中于-0.05～0.05 m,且体积差值百分比均低于5%。研究结果证实,SfM摄影测量法在切沟测量中具有较高的精度,可应用于野外切沟的快速、精确测量,对于切沟定量监测与切沟侵蚀规律研究具有重要的实践意义。     

切沟形态特征无人机倾斜摄影测量

切沟是坡面土壤侵蚀最剧烈表现形式，其形态特征刻画的精确性与适用性，对切沟的调查、研究与防治具有重大意义。该研究选取黄土丘陵区小流域4个地点10条切沟共82个断面，利用地面测量验证携带多频全球导航卫星系统且内置实时差分定位技术（Global Navigation Satellite System and Real-Time Kinematic，GNSS RTK）的无人机倾斜摄影测量提取的沟长、沟宽、沟深指标的精确性并建立体积估算模型探讨沟长的测定方法。结果表明：1）与地面测量相比，沟长、沟宽的偏离度（Deviation Extent，DE）均值不大于3.70%，精度较高；沟深的DE均值不小于25.49%，误差较高。2）切沟体积与沟长之间有显著的幂函数关系，沟长选取沟头至沟口的最大汇水线长度时拟合效果最好，沟道中心线长度次之，直线长度拟合效果最差。因此，在黄土高原丘陵沟壑区，运用无人机倾斜摄影测量方法测量切沟沟长、沟宽指标具有高度可行性，在精度要求较高的沟深测量方面的应用还有一定的局限性。此外，由于野外测量的局限性，直线长度较最大汇水线长度的测量更简单便捷，当坡度小于18.2°时，测量直线距离作为切沟沟长可行。     

天山北坡典型小流域侵蚀沟形态特征及其成因

[目的]揭示天山北坡典型小流域侵蚀沟发育规律,为侵蚀沟的预警及防治提供科学依据。[方法]选取天山北坡典型小流域10条侵蚀沟进行分析,采用野外实地调查与地理信息技术相结合的方法,对研究区侵蚀沟形态发育特征及其成因进行分析。[结果](1)研究区侵蚀沟特征值之间存在着一定的相关关系:横截面积与平均沟宽、平均沟深呈极显著正相关;沟壑面积与沟长呈显著正相关;沟壑体积与横截面积、沟壑面积呈极显著正相关关系,与平均沟宽、平均沟深呈显著正相关关系;沟长、平均沟宽、平均沟深相互之间无明显的相关关系,汇水面积与特征值之间也无明显的相关关系。(2)研究区侵蚀沟均是开析型侵蚀沟和弱度割裂型侵蚀沟。(3)研究区侵蚀沟密度与坡度呈正相关关系,坡度越大,密度越大;侵蚀沟密度与沟长无相关关系,侵蚀沟密度随沟长的增加呈先增加后减小的趋势;研究区典型侵蚀沟密度在南坡最大,西坡和西南坡的密度相对较小。[结论]坡度和坡向是影响小流域尺度侵蚀沟发育的重要地形因素。     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

利用GPS进行切沟侵蚀监测研究

切沟侵蚀在土壤侵蚀中占据重要位置,切沟侵蚀监测研究是切沟侵蚀研究的重要方面。目前进行切沟侵蚀监测研究主要利用摄影测量的方法,该方法存在一定的局限性。对利用GPS进行切沟侵蚀监测研究进行了探讨,对切沟在不同时间进行测量,获得多个时相的DEM,通过对比不同时相的DEM来获取该时间段的切沟侵蚀变化。最后以位于黑龙江省漫川漫岗黑土区的丰产电流域的一条切沟为研究实例,建立了2002,2003年10月两个时段分辨率为0.4 m的DEM,对比这两个时段的数据表明,该切沟沟头后退达13.78 m,侵蚀面积增大了711m~2,切沟的土壤侵蚀量增加了2377 m~3,展示了GPS在切沟侵蚀研究中精度高、速度快等优越性,可为切沟侵蚀监测研究提供参考。     

DEM水平分辨率对流域特征提取的影响分析

在基于数字高程模型（DEM）的流域地形分析中,栅格DEM的分辨率对分析结果具有很大的影响。以舒城县内面积为7.9 km²的龙潭小流域作为研究区域,分别对分辨率为5 m×;5 m～50 m×;50 m的10幅DEM数据进行流域特征提取和分析,计算地形指数并分析其分布特征。研究表明:在小流域尺度上,DEM分辨率的变化对流域面积、最长河道长度等参数影响不大,对河道总长度、河网密度及平均坡度等参数有较大影响,对流域特征的提取影响规律为DEM分辨率越低,提取的流域特征越粗糙;且分辨率低于15 m的DEM计算出的地形指数值较为离散、概率分布曲线形状较之5 m分辨率DEM的地形指数概率分布曲线有明显不同,表明分辨率低于15 m的DEM对小流域水文地形信息的反映较差,为小流域尺度水文模型DEM数据适宜分辨率选取提供一定的理论依据。     

基于汇流累积计算的沟壑密度分析方法

沟壑密度是评价地表侵蚀影响,水土流失情况,进行地貌类型分析等的重要指标。文章基于研究区填洼后的DEM,利用地表汇流累积分析原理和栅格重分类方法,通过研究沟道覆盖区栅格数与汇流累积栅格二值化阈值间的关系,选择合适的阈值用于提取地表沟道。然后结合自然地表高程,分析合理的高程和相对高程栅格重分类阈值并进行高程栅格二值化,将二值化结果作为乘积模板并配合栅格细化算法优化沟道提取结果。最终利用1 km²单位面积规则格网对沟道提取结果进行目标栅格数统计计算,得到地表沟壑密度值。结果显示,该方法基于30 m分辨率DEM提取的西安市地表沟壑密度均值为1.29 km/km²。除雁塔区,其余各行政区统计均值与前人研究结果基本吻合。试验结果证明,基于本方法可以高效较精确地计算该市地表沟壑密度,分析结果可以量化研究区沟壑密度特征值以及通过栅格像元灰度变化体现沟壑密度变化趋势。     

特大暴雨下不同土地利用类型坡面切沟发育特征

切沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区水土流失的重要形式之一，然而极端暴雨条件下不同土地利用类型坡面切沟侵蚀研究还鲜见报道。该研究以陕北2017年"7·26"特大暴雨为例，研究了岔巴沟流域3种土地利用类型（农地、休闲地和撂荒地）坡面切沟发育形态特征及体积估算模型。结果表明：1）农地、休闲地和撂荒地切沟长度分布在20 m内的占比分别为55.6%、34.8%和44.8%；农地切沟平均深度为110 cm，分别比休闲地和撂荒地高18.3%、19.2%；农地和休闲地切沟平均宽深比分别为0.87和0.84，横断面呈"宽-浅型"，而撂荒地切沟呈"方型"（宽深比1.01）。2）撂荒地切沟侵蚀体积分别比农地和休闲地减少47.8%和28.3%，表明植被恢复有效地削弱了极端暴雨作用下的切沟侵蚀。3）农地切沟不同坡段侵蚀体积由高到低为下坡、上坡、中坡，而休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积沿坡长方向呈递增趋势；3种土地利用类型切沟在上坡段的沟岸拓宽速率大于下切速率，中下坡则相反。4）农地、休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积均与切沟长度、横断面面积呈极显著幂函数关系（P<0.001），横断面面积是切沟体积估算更为有效的参数。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用类型坡面切沟侵蚀体积估算及其防治提供重要依据。