周林虎，曹榮泰，張秉來，劉 備，張 建，祁兆鑫，李宗洋

(中國電力建設(shè)集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810008 )

0 引言

近年來，隨著攝影測量技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的深入結(jié)合、發(fā)展和升級(jí)，其在空間數(shù)據(jù)和圖像處理以及三維可視化模型分析中發(fā)揮著重要作用，被越來越多的建筑和設(shè)計(jì)行業(yè)所注意和重視，深入攝影測量技術(shù)和地理信息系統(tǒng)研究意義重大[1]。其中，基于數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)法的地表特征分析和水文信息提取方面的研究廣泛應(yīng)用于工程勘察、設(shè)計(jì)和建筑過程中，其主要是通過建立研究區(qū)地形地貌和地表水流的基本模型，分析區(qū)內(nèi)坡向、坡度和陰陽坡等地表特征，從而確定研究區(qū)地形地貌分布特征，劃分不同的土地類型，為土地的合理開發(fā)利用提供可靠依據(jù)，同時(shí)可為區(qū)內(nèi)水流起源、流向和流量等水文信息的驗(yàn)證提供依據(jù)。通過對(duì)流域水文信息的提取和分析，不僅可以分析和模擬現(xiàn)今水流的規(guī)模和分布情況，還可以重現(xiàn)歷史水流流動(dòng)過程、預(yù)測未來水流動(dòng)向[2]，對(duì)于洪水、內(nèi)澇、崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的分析和評(píng)價(jià)提供一定的參考價(jià)值。

青海地處青藏高原，受各種自然環(huán)境條件的綜合影響，形成了各種不同的地質(zhì)災(zāi)害，滑坡類型較多，不同類型的滑坡有不同的形成環(huán)境、形成機(jī)制、滑動(dòng)特征及不同的危害方式，發(fā)育分布上具有一定的地域性差異。其滑坡類型按物質(zhì)組成分為土質(zhì)(黃土)滑坡、黃土+泥巖滑坡、半成巖巖質(zhì)滑坡、半堅(jiān)硬巖質(zhì)滑坡(泥巖滑坡)、堅(jiān)硬巖質(zhì)滑坡等；在工程勘察中，必須避讓這類地質(zhì)災(zāi)害區(qū)。近幾年，隨著無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣，無人機(jī)技術(shù)在工程滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察工作中有少量應(yīng)用。

鄭忠[3]等通過對(duì)新疆某河流進(jìn)行水文分析計(jì)算，提取了其河網(wǎng)和分水嶺等流域信息，并對(duì)比了ArcGIS 軟件計(jì)算的流域面積與手工量算成果，結(jié)果表明二者非常接近。候爰冰[4]等提取了甘肅省慶陽市馬蓮河4 個(gè)流域面積，并與實(shí)際流域面積進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明二者誤差值為2.08%～2.31%。杜青松[5]等對(duì)新疆西天山中部的伊犁河支流流域信息進(jìn)行了提取和分析，結(jié)果表明提取的河網(wǎng)和實(shí)際河流基本一致。王成文[6]等提取了寧夏海原縣某山區(qū)地形特征和流域水文信息，結(jié)果表明其與實(shí)際情況基本吻合。現(xiàn)有的研究成果表明，借助ArcGIS軟件提取的水文信息和流域信息與實(shí)際情況基本吻合，證明利用該方法進(jìn)行水文信息分析是可行且有效的，但現(xiàn)有研究并未對(duì)研究區(qū)地形地貌和地理特征進(jìn)行詳細(xì)展示和描述，未直觀展現(xiàn)出地形起伏變化情況，而流域的形成和面積大小均與地形存在重要關(guān)系，二者之間可以相互驗(yàn)證。因此，本文選用DEM 法，建立了青海省化隆縣群科鎮(zhèn)某線路區(qū)域三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)可視化，分析了該區(qū)域地形地貌特征，并利用水文分析模塊，提取了該區(qū)域水域分布特征和不同流量情況下河網(wǎng)分布情況，分析和對(duì)比了不同流量條件下河網(wǎng)特征，通過對(duì)比地理信息和水文信息情況，大大增加了提取信息的可靠性和真實(shí)性。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

本項(xiàng)研究區(qū)域位于青海省化隆縣群科鎮(zhèn)，海拔為2 071.96 ～2 344.55 m，地勢(shì)起伏較大，最大高差達(dá)272.59 m，且溝壑縱橫，其地層以黃土和泥巖為主，滑坡、泥石流和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較多。該區(qū)域地層裸露較多，地表植被相對(duì)較少，為群科鎮(zhèn)水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)。長期而頻繁的水土流失、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，導(dǎo)致該區(qū)域土地退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，嚴(yán)重影響和阻礙了該區(qū)域工程設(shè)施的建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此對(duì)該地區(qū)地形地貌特征進(jìn)行分析，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià)具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

數(shù)字地面模型(digital terrain model，DTM)就是將實(shí)際地形地貌的空間分布情況以數(shù)字的形式展現(xiàn)出來，其包括地形地貌、基礎(chǔ)地物、自然資源和環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面的信息。本次研究數(shù)據(jù)來源于無人機(jī)航空測量方法得到的較高精度的數(shù)字正射影像圖和DEM 數(shù)據(jù)，其對(duì)地形起伏變化特征具有較高精度，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)域地形地貌三維可視化，可直觀地觀察和分析該區(qū)域地形地貌特征以及滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和分布情況。由研究區(qū)正視圖和俯視圖(如圖1 所示)可知，區(qū)內(nèi)地形高低起伏較大，多為中低山山梁和山谷地貌，部分地區(qū)水土流失嚴(yán)重，滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害分布較多。

圖1 研究區(qū)原始地形地貌

2.2 研究方法

2.2.1 傾斜攝影測量技術(shù)

1)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景

在以往的工程地質(zhì)災(zāi)害勘察工作中，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析多以勘察員的工程經(jīng)驗(yàn)判斷為主，受現(xiàn)場視野的局部性、地形、現(xiàn)場復(fù)雜條件、勘察手段和人員安全因素等限制，勘察人員往往無法到達(dá)現(xiàn)場，野外實(shí)施過程中地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)要素描寫欠全面、規(guī)范，災(zāi)害成因分析不足，資料收集不夠完整，地質(zhì)災(zāi)害勘察結(jié)果只是定性分析得出的結(jié)果，而無法得出定量分析結(jié)果。利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，通過獲得的航空影像和DEM 數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確地對(duì)研究區(qū)坡度、坡向、流向和流量等地表特征進(jìn)行分析和計(jì)算，從而調(diào)查地災(zāi)點(diǎn)區(qū)域自然環(huán)境特征和孕育地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)背景，查明地質(zhì)災(zāi)害的空間分布現(xiàn)狀和強(qiáng)度等發(fā)育特征，得出地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，節(jié)約成本，提質(zhì)增效。

2)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

近幾年，傾斜攝影測量技術(shù)得到了迅速發(fā)展，由于傾斜攝影測量技術(shù)能夠獲取建筑物、樹木等地理實(shí)體的紋理細(xì)節(jié)，不但豐富了影像數(shù)據(jù)源信息，同時(shí)，高冗余度的航攝影像重疊，為高精度的影像匹配提供了條件，使得基于人工智能的三維實(shí)體重建成為了可能。分層顯示技術(shù)、紋理映射技術(shù)成為傾斜攝影測量和建模的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，極大地提升了三維建模的效率，同時(shí)也降低建模的生產(chǎn)成本。目前，基于傾斜攝影測量成果的應(yīng)用還比較少，因此，大量的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)挖掘還需要逐步深入。

2.2.2 地表特征提取方法

計(jì)算坡度和坡向的方法為擬合曲面法中的二次曲面擬合法，即某點(diǎn)的坡度和坡向根據(jù)該點(diǎn)和周圍點(diǎn)的高程差進(jìn)行計(jì)算。采用中心點(diǎn)與其周圍8 個(gè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)對(duì)坡度和坡向進(jìn)行計(jì)算和分析，如圖2 所示[7]。

圖2 3×3窗口

首先計(jì)算C0點(diǎn)東西方向的坡度SlopeWE和南北方向的坡度SlopeSN，表面分析工具采用三階反距離平方權(quán)差分的方法進(jìn)行計(jì)算，即[7]：

式中：d為DEM 的邊長。

然后計(jì)算C0點(diǎn)坡度Slope和坡向Aspect，計(jì)算式為：

2.2.3 流域特征提取方法

1) DEM 填洼處理

水文分析工具主要是通過利用DEM 數(shù)據(jù)對(duì)地表徑流進(jìn)行模擬，在形成徑流的過程中需要考慮研究區(qū)地形因素，D8 單流向算法決定了其必須針對(duì)無凹陷的DEM 數(shù)據(jù)才能正確地分析出結(jié)果。但實(shí)際的DEM 由于受到各種內(nèi)外因素的影響，導(dǎo)致高程數(shù)據(jù)中存在許多凹陷點(diǎn)，這些凹陷點(diǎn)可能是地表的真實(shí)形態(tài)，也可能是采樣數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤所導(dǎo)致，例如采樣效果將高程數(shù)據(jù)取舍為整通常是產(chǎn)生此類錯(cuò)誤的原因。凹陷點(diǎn)即實(shí)際地形中的洼地，包括自然洼地和偽洼地，偽洼地的存在會(huì)導(dǎo)致提取的水流中斷或者在某一區(qū)域匯集，不能形成完整的流域河網(wǎng)，因此應(yīng)對(duì)偽洼地進(jìn)行填充以確保生成水系網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性[8]。在填洼之前應(yīng)對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，然后進(jìn)行填洼處理，填洼原理和流程圖如圖3 所示。

圖3 填洼處理流程圖[8]

2)水流方向提取

水流流向由DEM 數(shù)據(jù)中給定柵格的最大或最陡下降方向確定，采用單流向算法中的D8算法進(jìn)行計(jì)算分析，即計(jì)算并比較中心柵格和周圍8 個(gè)柵格點(diǎn)之間的高程差，高程差最大的方向?yàn)樵摉鸥袼髁飨騕9]。如圖4 所示，將水流離開每一柵格的方向簡化為正東、東南、正南、西南、正西、西北、正北和東北8 個(gè)方向，并依次用代碼1、2、4、8、16、32、64、128 表示[10]。以預(yù)處理后的無洼地DEM 數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，利用水文分析模塊的Flow Directiongon工具進(jìn)行水文流向數(shù)據(jù)提取。

圖4 水流流向編碼

3)匯流累積計(jì)算

匯流累積示意圖如圖5 所示，該規(guī)則格網(wǎng)中的每個(gè)柵格均具有一個(gè)單位的水量，根據(jù)該柵格與周圍柵格之間的地形差異與高程差，即可計(jì)算出該柵格水流流向和匯流累積量。

圖5 匯流累計(jì)示意圖

4)河網(wǎng)提取

地表徑流模型中，徑流根據(jù)徑流累積量來獲得。當(dāng)?shù)乇硭畯搅骼鄯e量達(dá)到給定閾值時(shí)，就會(huì)形成地表水流，所有匯流量大于閾值數(shù)值的柵格就是可能存在的水流路徑，而水流路徑形成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)[11]。根據(jù)研究區(qū)河網(wǎng)分布情況和流量情況，本次設(shè)置6 個(gè)閾值，即800、4 000、8 000、20 000、200 000 和1 000 000。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表特征提取結(jié)果

研究區(qū)地形變化特征主要通過坡度和坡向進(jìn)行描述，如圖6 所示。給定點(diǎn)的坡度是曲面上該點(diǎn)的法線方向N與垂直方向Z之間的夾角α[12]。坡度利用反三角函數(shù)計(jì)算而得，其表達(dá)式為：tanα(坡度) =高程差/水平距離，所以α(角度)=arctan (高程差/水平距離)。一般規(guī)定0°～3°為極緩坡，3°～8°為緩坡，8°～15°為中坡，15°～25°為微陡坡，25°～35°為陡坡，大于35°為極陡坡[13]。由該區(qū)域坡度分析結(jié)果可知，極緩坡和緩坡占比19.05%，表明該區(qū)域適于農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作的土地不足1/5，相對(duì)較少；中坡占比12.64%，若要用于農(nóng)耕地，一般應(yīng)采取工程性水土保持措施；微陡坡占比18.45%，該部分區(qū)域易發(fā)生坡面流水面狀侵蝕，因此不太適于農(nóng)用，若要用于農(nóng)用，必須采取可靠的工程性水土保持措施；陡坡和極陡坡占比49.86%，該部分區(qū)域易發(fā)生滑坡、崩塌等重力侵蝕，不適于農(nóng)用。綜合分析，該區(qū)域坡度為15°以上的土地面積占比68.31%，可知該區(qū)域大部分地區(qū)地形地貌為中低山、丘陵和溝谷，不適宜發(fā)展大規(guī)模機(jī)械化種植業(yè)，可發(fā)展林業(yè)、山地畜牧業(yè)以及林下種植業(yè)。

表1 研究區(qū)不同坡度土地面積占比

圖6 研究區(qū)坡度圖

坡向定義為坡面法線在水平面上的投影的方向(即由高及低的方向)，其在植被分析、環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域具有重要意義[14]。坡向取值范圍為0°～360°，一般將坡向分為北、東北、東、東南、南、西南、西和西北等8 個(gè)方向，具體坡向?qū)?yīng)角度見表2 所列，通過坡向分析得出研究區(qū)各坡向占比。由坡向分布圖(如圖7 所示)可知，研究區(qū)中部大部分區(qū)域坡向分布差異性較大，平地僅分布于北部、西部和南部一小部分地區(qū)，由此可知該區(qū)域地形變化亦較顯著，高低起伏較大，該計(jì)算結(jié)果和研究區(qū)原始地形地貌基本符合。

表2 研究區(qū)不同坡向土地面積占比

圖7 研究區(qū)坡向圖

圖8 研究區(qū)陰陽坡圖

在北回歸線以北地區(qū)，日照時(shí)間和輻射收入由高到低依次為南坡、東南坡和西南坡、東坡和西坡、東北坡和西北坡、北坡。根據(jù)角度又可細(xì)分為陽坡(135°～225°)、半陽坡(225°～315°)、陰坡(0°～45°、315°～360°)、半陰坡(45°～135°)。通過計(jì)算分析可知，該區(qū)域陽坡面積占比21.92%，半陽坡面積占比26.82%，陽坡和半陽坡降水量相對(duì)較充沛、光照較充足，適宜于喜濕、好高溫的植物或農(nóng)作物生長；陰坡面積占比28.52%，半陰坡面積占比16.47%，由研究區(qū)地貌現(xiàn)狀可知，陰坡植被相對(duì)較稀疏，地表裸露和水土流失相對(duì)較嚴(yán)重，不適于一般作物生長，可種植耐陰樹木或植物，見表3 所列。綜合分析陰陽坡分布情況和面積，可知陰坡在研究區(qū)中部和東部分布較多，陽坡、半陽坡和半陰坡在研究區(qū)南部和北部交錯(cuò)分布，該區(qū)域陰陽坡分布面積基本持平。

表3 陰陽坡面積占比

3.2 流域特征提取結(jié)果

填洼前后的DEM 如圖9 ～圖10 所示。通過對(duì)比兩張DEM 圖可知，原始DEM 中的偽洼地均已被填充，提取的無洼地DEM 更加平滑完整，這保證了后續(xù)河網(wǎng)提取的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

圖9 原始和無洼地DEM

圖10 流向圖

3.3 匯流累積量計(jì)算

計(jì)算出的匯流累積結(jié)果(二值化圖像)如圖11 所示。

圖11 匯流累積結(jié)果(二值化圖像)

3.4 河網(wǎng)分析

為進(jìn)一步分析不同閾值條件下研究區(qū)河網(wǎng)分布情況，設(shè)置了800、4 000、8 000、20 000、200 000 和1 000 000 這6 個(gè)閾值，提取了不同閾值下的河網(wǎng)信息(如圖12 所示)，由該圖可知，隨著閾值的不斷增大，區(qū)內(nèi)的河流網(wǎng)越來越少，尤其是將閾值設(shè)置為1 000 000 時(shí)，僅有少許河流，又由研究區(qū)地形地貌綜合分析得出，這些河流即為研究區(qū)干流。通過進(jìn)一步分析河網(wǎng)情況，明確了研究區(qū)不同流量條件下主流和干流分布位置和相互關(guān)系，為深入研究區(qū)內(nèi)流域和洪水情況具有重要參考價(jià)值。

圖12 不同閾值提取的河網(wǎng)分布圖

4 結(jié)語

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)得到了研究區(qū)高精度影像和DEM 數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件生成了研究區(qū)三維可視化模型，提取了表面特征和水文信息，分析了區(qū)內(nèi)地形地貌特征，并對(duì)比了不同流量條件下格柵河網(wǎng)的分布情況。該方法不需要大量的現(xiàn)場勘查和搜集資料工作即可得到研究區(qū)整個(gè)地形地貌和流域分布特征，節(jié)省了大量時(shí)間和人力，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)災(zāi)害研究和洪水預(yù)警等具有重要的參考和應(yīng)用價(jià)值，將在以后的地質(zhì)勘察工作中發(fā)揮重要作用。