楊 斌 張俊峰 高德政 何政偉 王 青

(1西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,綿陽621010)

(2成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護國家重點實驗室,成都610059)

(3武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢430079)

1 引言

溝壑密度是評價區(qū)域內(nèi)溝蝕程度的重要指標,具體反映出了研究區(qū)域的溝蝕輪廓,常作為侵蝕結(jié)果因子直接參與到地質(zhì)災(zāi)害、土壤侵蝕等方面的評價。溝壑密度同時還成為航天遙感獲取數(shù)字高程信息以后提取出來的最有分析價值的影響因子之一。目前,對于溝壑密度的提取方法,尚無統(tǒng)一規(guī)定,主要有傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查法、遙感圖像處理法和現(xiàn)代數(shù)字高程模型(DEM)法等[1]。傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查法需要借助于大量的野外調(diào)查數(shù)據(jù),相對來說誤差較大;遙感圖像處理方法借助于遙感技術(shù),使得以較低的投入獲得大面積的遙感影像數(shù)據(jù),最后通過人機交互方式對遙感數(shù)據(jù)進行解譯提取溝谷線等相關(guān)信息,從而獲取其溝壑密度。該方法需要借助于遙感數(shù)據(jù)和人機交互判讀,對于提取的效率不高。

而現(xiàn)代DEM方法則是采用數(shù)據(jù)高程模型(DEM)通過一組數(shù)學(xué)模型公式進行分析計算而得到。相對于傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查法和遙感圖像處理法而言,該方法具有較強的人機交互功能,同時可通過對地形數(shù)據(jù)進行模型分析從而得到河網(wǎng)信息,進而可以提取出研究區(qū)域的溝壑密度[2]。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用ArcGIS強大的空間模型分析功能,采用圖解建模方法建立一套提取研究區(qū)溝壑密度模型,該方法的實現(xiàn)為溝壑密度的提取分析提供了一種全新的解決方案。

2 圖解建模提取溝壑密度的思路

圖解建模思想實際上是源于地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析模型,它主要是用直觀的圖形語言將一個具體的過程用模型表達出來。在模型建立過程中,只需要用戶輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù),并以流程圖的形式進行重新組合便可實現(xiàn)GIS空間分析功能,為提取溝壑密度提供了一種全新的解決方案。在ArcGIS9.X系列軟件中,均提供了構(gòu)建模型的腳本語言,結(jié)合相關(guān)的編輯器即可實現(xiàn)溝壑密度提取的空間分析模型[3]。

結(jié)合基于現(xiàn)代DEM方法提取溝壑密度的模式,在圖解建模分析建立過程中,將其分為三個步驟:第一步,研究區(qū)河網(wǎng)的提取分析;第二步,斷線融合(根據(jù)指定字段融合相關(guān)要素);第三步,溝壑密度的計算分析。根據(jù)以上分析建立了溝壑密度提取流程圖(圖1)。

圖1 溝壑密度提取流程圖

3 溝壑密度提取過程分析

3.1 河網(wǎng)的提取分析

河流分布情況是反映溝壑密度信息的關(guān)鍵指標,一般在河流分布密集的地區(qū)往往是地形起伏劇烈、切割深度較深的地區(qū),因而對河網(wǎng)的提取與分析是提取溝壑密度的前提和基礎(chǔ)[4]。針對河網(wǎng)的提取,采用地表徑流漫流模型進行計算,該模型的主要思想是在無洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個柵格的水流方向,然后利用水流方向計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數(shù),即匯流累積量。由所得到的匯流累積量則代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經(jīng)此柵格。因而,假設(shè)每一個柵格處攜帶一份水流,那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量。當匯流量達到一定值(閾值)的時候,就會產(chǎn)生地表水流,那么所有那些匯流量大于那個臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑,由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。

將其河網(wǎng)提取的主要過程歸納為如下三個步驟:

1)水流方向計算:通過計算中心格網(wǎng)與領(lǐng)域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來確定水流離開單元格時的指向。其中距離權(quán)落差指中心格網(wǎng)與領(lǐng)域格網(wǎng)的高程差除以兩柵格間的距離(一般取1或21/2),而方向值是以2的冪值指定存在水流不確定的情況,最終將方向值相加。

2)水流匯集計算:基本思想是規(guī)定以規(guī)則格網(wǎng)表示的DEM每點處都有一個單位的水量,根據(jù)水流方向計算流過該點的水流總量。其中匯流累計(FlowAcc)是指區(qū)域地形每點的流水匯集量,該數(shù)據(jù)主要基于水流方向數(shù)據(jù)獲得。

3)河網(wǎng)的提取:利用所設(shè)定的閾值進行研究區(qū)域的分析并最終生成一個新的柵格圖層,在生成柵格數(shù)據(jù)中將那些匯流量大于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為1,而小于或等于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為無數(shù)據(jù),便可以提取出該研究區(qū)域的河網(wǎng)體系。

3.2 閾值的選取

閾值的選取在河網(wǎng)的提取過程是很重要的,它能直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果。在研究大范圍的區(qū)域中,以能突出重點流域河網(wǎng)分布情況為主要目的,有些地方出現(xiàn)的偽河流需要研究人員自己手工糾正[5]。在以四川省為例提取河網(wǎng)信息過程中,選取了甘孜州某山區(qū)作為閾值選取的研究區(qū),因為山區(qū)的溝壑相對比較清晰,適合閾值的選取。并將不同閾值下提取出來的河網(wǎng)圖層與研究區(qū)的山體陰影數(shù)據(jù)進行疊加,目的是清楚識別出不同閾值下反映的山地河網(wǎng)分布情況[6-7]。

在提取過程中,選擇閾值范圍在100～2 000之間,閾值間隔為100的數(shù)據(jù)進行分析(小于100的分級效果很不明顯),分別提取出了20組閾值數(shù)據(jù),并在這20組分析數(shù)據(jù)中選擇了 100、300、500、900、1 200、1 500、2 000這7組數(shù)據(jù)進行了分析比較,同時還加入了四川省河流分布數(shù)據(jù)進行綜合比較。從提取結(jié)果中分析可以看出,閾值選擇100、300和500時,河網(wǎng)的分級效果不好,將許多偽河谷都包含進去了;當閾值選擇為1 200、1 500和2 000時,只能提取出主河網(wǎng),許多支流河網(wǎng)信息都沒有包含進去[8]。從分析比較中能夠得出,閾值小于900時,對河網(wǎng)提取的結(jié)果中加入許多偽河流,并在一個較大的河谷中出現(xiàn)了河流的分叉現(xiàn)象;當閾值大于900時,河網(wǎng)提取的結(jié)果中忽略了很多次級河流,這些河流的分布情況對研究溝壑密度的提取也具有一定的價值。綜合以上實驗驗證與分析比較,得出選取閾值為900時最適合作為研究區(qū)的河網(wǎng)提取的閾值,圖2為閾值為900提取出來的河網(wǎng)體系分布數(shù)據(jù)。

圖2 河網(wǎng)提取中閾值選取分析圖

4 溝壑密度的提取分析

溝壑密度表征在一個特定區(qū)域內(nèi),地表單位面積內(nèi)溝壑的總長度[9]。溝壑密度的提取可以采用溝壑的總長度與其單位面積之比,其數(shù)學(xué)公式為:

式中 參數(shù)Ds為溝壑密度值;L為研究區(qū)域單位面積內(nèi)溝壑的長度;A為研究區(qū)域的面積。因而溝壑密度的單位表示為km/km2。結(jié)合四川省河網(wǎng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,溝壑密度提取的流程分為以下3個步驟:

1)線面求交:先根據(jù)提取的河網(wǎng)信息得到溝谷線數(shù)據(jù),并用區(qū)劃文件將其溝谷線進行打斷處理,分割出每個小區(qū)域內(nèi)的溝谷數(shù)據(jù)。

2)斷線融合:將分割出每個小區(qū)域內(nèi)的溝谷數(shù)據(jù),根據(jù)指定的字段進行融合要素,并計算出融合后線段中各個要素的長度以及分割區(qū)域的面積。

3)求取計算:若獲取的面積和周長不處于同一個圖層屬性表中,就需要將這兩個圖層通過一定的標識字段進行線面鏈接,從而可以在同一圖層中獲取長度和面積值,最終求出各分割區(qū)內(nèi)長度/面積的比值即為該區(qū)域內(nèi)的溝壑密度。

5 空間數(shù)據(jù)模型的建立及應(yīng)用

綜合以上的提取分析過程,根據(jù)圖解建模的思想,運用A rcGIS軟件中的空間分析模塊,在ArcToolBox中構(gòu)建了一套提取溝壑密度的空間數(shù)據(jù)分析模型。圖3表示利用ArcToolBox軟件進行空間數(shù)據(jù)建模的建立流程。在運用該空間數(shù)據(jù)分析模型過程中,首先需要航天遙感器獲取四川省1∶25萬DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)源;然后運用自構(gòu)建的溝壑密度空間提取模型,分別對四川省122個縣市進行單點溝壑密度提取最后通過反距離權(quán)重插值法(IDW,冪值設(shè)置為3)將所有結(jié)果進行插值提取,即可得到四川省溝壑密度分布圖。

從四川省溝壑密度空間分布圖(圖4)的顏色特征分析可以看出,四川省溝壑密度分布很不均勻,在川西南和川西地區(qū)求取出來的溝壑密度值較大,同時還可看出在成都平原地區(qū)的溝壑密度值很小,這和實際情況也相吻合。實踐表明,此模型提取溝壑密度簡單快捷,為提取較難用數(shù)字化表達的溝壑密度進行了方法嘗試,也為下一步空間分析奠定基礎(chǔ)。

圖4 四川省溝壑密度空間分布圖

6 結(jié)束語

溝壑密度作為描述地面被溝壑切割破碎程度的一個重要指標,又被認為是航天遙感器提取出來的重要地形特征分析因子,在一定程度上反映一個地區(qū)內(nèi)的地形起伏程度,同時溝壑密度還是氣候、地形、巖性、植被等因素綜合影響的反映。它在研究宏觀領(lǐng)域綜合等級評價分析過程中具有重要的地位。目前對于溝壑密度的提取分析缺乏統(tǒng)一的空間分析模型,論文在分析河網(wǎng)和溝壑密度提取流程的基礎(chǔ)上,運用A rcGIS的空間分析模塊,根據(jù)圖解建模的思想,在ArcToolBox軟件中建立了提取溝壑密度的空間數(shù)據(jù)模型,并運用該模型提取出四川省的溝壑密度空間分布圖。該方法的研究為相關(guān)領(lǐng)域人員提取溝壑密度奠定了一定的基礎(chǔ)。

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