賈宇飛，高 潔

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.漳衛(wèi)南運(yùn)河滄州河務(wù)局，河北 滄州 061000)

東北黑土區(qū)糧食生產(chǎn)在全國占有舉足輕重的地位，每年向國家提供商品糧占全國的1/3。然而坡耕地侵蝕溝的存在正嚴(yán)重威脅著該區(qū)域的糧食生產(chǎn)。此外，坡耕地侵蝕溝使得農(nóng)機(jī)具不能通過，影響機(jī)械耕作，阻礙農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。東北黑土區(qū)地形開闊，機(jī)械化作業(yè)水平較高，然而坡耕地侵蝕溝的存在使耕地支離破碎，大型農(nóng)機(jī)具無法橫穿耕地，只能在侵蝕溝兩側(cè)繞行；侵蝕溝兩側(cè)5 m 左右的土地由于崩塌、裂隙及車輛碾壓，也無法耕作[1]。鑒于東北坡耕地侵蝕溝的巨大危害，《全國水土保持規(guī)劃(2013—2020年)》將東北黑土區(qū)侵蝕溝治理列為了全國水土保持規(guī)劃重點(diǎn)治理項(xiàng)目[2]。

侵蝕溝三維顯示有助于侵蝕溝治理規(guī)劃。傳統(tǒng)的侵蝕溝治理規(guī)劃時，多在平面圖中將實(shí)測侵蝕溝與地形圖直接疊加，難以從三維空間角度清晰表達(dá)侵蝕溝與匯水區(qū)的地形關(guān)系。此外，壟作是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征之一。壟作方向改變了地表微地形，順坡或橫坡的壟向起到了加速或減緩地表徑流集中沖刷的作用，影響侵蝕溝發(fā)育[3]。而上述傳統(tǒng)的地形圖與侵蝕溝疊加的方法無法表達(dá)壟向，不利于侵蝕溝治理規(guī)劃。因此，有必要發(fā)展能夠?qū)⑶治g溝道、地形圖與高清遙感影像同時三維顯示的數(shù)據(jù)庫，可在計(jì)算機(jī)前“身臨其境”地實(shí)施侵蝕溝治理規(guī)劃，從而提高侵蝕溝治理規(guī)劃的效率及準(zhǔn)確性。

ArcScene是ArcGIS的3D數(shù)據(jù)可視化組件，能夠?qū)⒍S的地圖疊加到三維的地形圖上，從而將平面的地圖以立體的方式進(jìn)行展示[4]。因此基于ArcScene建立侵蝕溝及所在匯水區(qū)數(shù)據(jù)庫，并對其進(jìn)行三維立體顯示，是建立侵蝕溝治理三維立體可視化數(shù)據(jù)庫的途徑之一。本文以北安農(nóng)場的所有實(shí)測侵蝕溝為例，論述如何基于ArcScene來建立侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

北安農(nóng)場(E126°35′～47′，N48°10′～21′)隸屬黑龍江省農(nóng)墾總局北安管理局，地處小興安嶺南緣丘陵地帶，地形起伏多變，河流、荒溝縱橫交錯。該農(nóng)場耕地23 340 hm2，90%以上耕地屬于漫崗地形。自1955年建場，墾殖率已達(dá)71.4%。由于大面積地毀林、毀草開荒，自然植被遭到嚴(yán)重的破壞，水土流失加劇，侵蝕溝發(fā)展威脅著該農(nóng)場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

為了方便對本場的侵蝕溝進(jìn)行統(tǒng)一治理，2014年該農(nóng)場詳細(xì)調(diào)查了所有的坡耕地侵蝕溝，共計(jì)520條，并為每條侵蝕溝建立了紙質(zhì)檔案?；谶@些檔案建立了北安農(nóng)場侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫。

2 耕地侵蝕溝野外調(diào)查

野外調(diào)查時對耕地中每條侵蝕溝進(jìn)行了詳細(xì)測量并拍照，包括溝頭、溝尾及轉(zhuǎn)彎處的經(jīng)緯度、溝寬、溝長、溝深、溝的發(fā)展類型，以及周圍農(nóng)田狀況等。調(diào)查工具有GPS、皮尺、測距儀、數(shù)碼相機(jī)、對講機(jī)、背包和記錄本夾等。具體調(diào)查和測量過程如下：確定田間欲調(diào)查的侵蝕溝后，用GPS定位溝頭、溝中、轉(zhuǎn)彎處和溝尾的空間位置，用測距儀測量溝深、溝寬等，詳細(xì)記錄溝型、植被類型、耕地的基本情況等。

3 數(shù)據(jù)庫的建立

3.1 制作北安農(nóng)場遙感影像及地形圖

谷歌地球中北安農(nóng)場遙感影像是拍攝于2018年6月分辨率為0.6 m的Quickbird影像，目視效果較好。將北安農(nóng)場邊界的矢量文件疊加到谷歌地球上，使用水經(jīng)注軟件下載北安農(nóng)場的遙感影像。下載的影像自動配準(zhǔn)了WGS84橢球體。水經(jīng)注軟件可下載多個歷史時期的遙感影像，目前有十余期，可供分析侵蝕溝發(fā)展或周邊土地利用變化過程。北安農(nóng)場已經(jīng)購置了2010年左右的1∶10 000地形圖。將紙質(zhì)地形圖掃描后，在ArcMAP中將每幅中每條等高線進(jìn)行數(shù)字化，并配準(zhǔn)相應(yīng)投影坐標(biāo)系。將矢量化后的等高線shape文件生成TIN文件，并生成柵格DEM。

3.2 建立侵蝕溝電子檔案

依據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，對每條侵蝕溝單獨(dú)建檔。檔案包括侵蝕溝溝頭、溝尾GPS坐標(biāo)，寬度、深度、長度、坡降、溝型、溝旁壟向、植被類型，以及防治措施等。根據(jù)侵蝕溝所在的位置，在地形圖上提取每條侵蝕溝的匯水區(qū)，并計(jì)算匯水區(qū)的面積、平均坡度等。每條侵蝕溝單獨(dú)制作一頁word文檔。

3.3 侵蝕溝矢量化及數(shù)據(jù)表鏈接

在ArcMAP中將所有的GPS點(diǎn)展開，根據(jù)野外記錄，將每條侵蝕溝的溝頭溝尾GPS點(diǎn)連接，形成每條侵蝕溝的線矢量文件。依據(jù)侵蝕溝word表，給每條侵蝕溝線添加屬性。根據(jù)侵蝕溝發(fā)展階段、所處位置、適宜的治理措施等，將所有侵蝕溝分類，以便于歸類顯示與分析。

3.4 侵蝕溝、匯水區(qū)等數(shù)據(jù)三維可視化

首先是實(shí)現(xiàn)侵蝕溝線文件與word文檔的超鏈接，從而在單擊某一條溝線時能夠打開相應(yīng)的word文檔[5]。在ArcScene中添加遙感影像、地形TIN及侵蝕溝線文件。打開侵蝕溝線文件的屬性表，在“Layer Properties”→“Display”→“Hyperlinks”→“Support Hyperlinks using field”前打勾，并在下拉框中選擇存儲word文檔位置的屬性列。本實(shí)例中選擇的是“路徑”屬性列。然后設(shè)置三維可視化效果。在遙感影像的屬性中，在“Base Height”的“Elevation from surfaces”中將基礎(chǔ)高程選擇為添加的地形TIN文件，并在“Rendering”的“Quality enhancement for raster images”中修改為最高。此時可以看到遙感影像已經(jīng)以地形TIN文件為基礎(chǔ)而顯示出三維效果。按照同樣的方法，將侵蝕溝線文件也做類似的處理，顯示三維效果。ArcScene根據(jù)TIN的高程范圍及面積大小自動計(jì)算顯示比例；此外也可通過在“Scene Properties”→“General” →“Vertical Exaggeration”中輸入適當(dāng)?shù)臄?shù)值，以使得匯水區(qū)表現(xiàn)得平緩或陡峭。本示例中設(shè)置值為2∶3。設(shè)置好比例后，即可對侵蝕溝及匯水區(qū)的三維顯示效果進(jìn)行瀏覽。使用鼠標(biāo)或?qū)Ш焦δ芸蓪?shí)現(xiàn)三維立體圖的方向、縮小及轉(zhuǎn)動等功能。侵蝕溝及匯水區(qū)的三維立體顯示效果如圖1。

圖1 北安農(nóng)場侵蝕溝三維立體效果

此時已經(jīng)建立了侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫。目前的實(shí)例中的數(shù)據(jù)有侵蝕溝位置、溝體信息以及匯水區(qū)的三維信息，能夠?qū)崿F(xiàn)三維數(shù)據(jù)瀏覽、漫游及飛行等功能。此外，可將所有侵蝕溝根據(jù)侵蝕溝發(fā)展的時期劃分為“穩(wěn)定”、“半穩(wěn)定”和“發(fā)展中”多個圖層，或者根據(jù)東北黑土區(qū)侵蝕溝分類標(biāo)準(zhǔn)[3]，將侵蝕溝劃分為大中小類型，從而分類顯示、規(guī)劃設(shè)計(jì)。目前在三維數(shù)據(jù)庫中能夠直接觀察到侵蝕溝的自然侵蝕環(huán)境，如地形、坡度，以及人為侵蝕影響，如壟向、農(nóng)田路等。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用黑龍江省北安農(nóng)場520條侵蝕溝及匯水區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)、遙感及地形數(shù)據(jù)，建立了農(nóng)場的侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫，從而為侵蝕溝的分類治理提供良好的規(guī)劃平臺，并總結(jié)了數(shù)據(jù)庫的建立過程。隨著侵蝕溝測量技術(shù)的發(fā)展，諸如無人機(jī)快速建模、三維激光掃描等，侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫中也可添加更多的數(shù)據(jù)類型，以及更高精度的侵蝕溝及匯水區(qū)地形數(shù)據(jù)。因此，以三維立體顯示實(shí)地情形的侵蝕溝三維立體可視化數(shù)據(jù)庫在侵蝕溝治理、展示等方面將會得到更廣的應(yīng)用。