艾比湖阶地三维反演研究

昝 梅，陈蜀江，吴成永

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054)

艾比湖阶地三维反演研究

昝 梅，陈蜀江，吴成永

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054)

以ASTER、ETM、SPOT遥感影像为数据源，应用遥感软件对影像增强处理，突出了艾比湖湖积堤信息。将实际采样点、卫星遥感影像和DEM数据叠加，确定了湖岸线和阶地遗址。通过构建水淹模型，方便准确地获得艾比湖阶地的实地三维信息，制作高精度DEM数据，生成仿真的三维数字地形模型，实现了艾比湖的三维显示以及三维水淹，可以从不同角度、视点和高度观察地貌的整体和部分特征，借助地理信息系统工具还可以准确地计算不同时期湖面面积、体积，确定水淹范围，反演不同时期艾比湖湖面情况，对研究艾比湖难以到达区域的地貌形态和地貌演化具有十分重要的意义。

湖积堤信息提取;阶地;DEM;艾比湖

0 引言

地貌形态的复杂性决定了地貌因子的复杂性，各因子在地质和构造运动所起的作用存在着诸多不确定性。到目前为止，地貌演化理论研究仍然处于百家争鸣状态，加之地表十分广阔，还存着诸多人不能或不易到达的地区，这给地貌考察增加了困难，地貌数据是海量数据，地貌信息系统的建设比较复杂［1］。综上所述，地貌演化研究仍需要多种学科、技术方法进行多角度、全方位的进一步综合研究。

本文借助遥感影像、DEM数据和地理信息系统技术，提取高精度的湖泊阶地数字信息模型，并利用ERDAS软件反演艾比湖阶地，对艾比湖的湖岸地貌有了一个更为全面的认识。通过完成上述工作，可以完善该区域湖滨地貌的系统研究，这一方法也可以因地制宜地应用于其他地区湖泊地貌的研究中。

图2 艾比湖遥感影像图Fig．2 Ebinur remote sensing image

1 研究区概况

艾比湖位于亚欧大陆中心的南侧，准噶尔盆地西南隅，介于 82°35'～83°11'E、44°44'～45°10'N 之间，其西北部为天山山系最北分支阿拉套山，北部是准格尔西部山地中的玛依力山，南侧是北天山西段北坡［2－6］。艾比湖为一典型内陆干旱区封闭型湖泊，是新疆第二大湖［2］，也是准噶尔盆地西南环境变化的敏感区域。艾比湖流域气候十分干燥，属典型的温带干旱大陆气候。日照充足，降水稀少，蒸发量大，空气干燥，风多风大，盐尘和浮尘活动频繁。其地理位置见图1，遥感影像见图2。随着自然因素的变化和人类活动的加剧，湖面开始缩小并出现了干涸湖底，遗留下很多湖泊变化的痕迹线。因此，对湖积堤、湖岸阶地系统研究，将使湖面变化的过程和特点更加清晰，并可为区域环境气候演变的研究提供依据和基础数据。

2 技术路线

首先进行信息采集，通过多种方法采集研究区的矢量、栅格、属性等数据。然后进行数据处理，包括卫星影像的精纠正、裁剪、拼接、融合、增强、线性拉伸等图像处理;DEM数据裁剪、拼接的处理;矢量数据配准、制作研究区基础数据底图，包括土地分类图、土壤分布图等，并根据研究区的自然条件利用地理信息系统软件SuperMap 2003制作地貌类型图等;对属性数据(土地资源、气候资源、生物资源和人口等经济数据)进行归类、统计，结合研究区实际情况建立属性数据库。再进行相关信息的提取:遥感影像的艾比湖湖岸阶地信息的提取，DEM数据的按高程分级、提取研究区坡度、等高线的提取，TIN数据插值及水系线的自动提取。最后，在充分获得以上数据的基础上，进行艾比湖阶地现状的研究，并与其前人研究成果进行对比分析，得出结论。具体如图3所示。

图3 技术路线Fig．3 Technology flow chart

3 艾比湖阶地的确定

阶地的确定主要通过野外实地勘测、室内遥感影像判读以及DEM数据分析而获得。野外考察主要使用3S野外测量平台(包括RTK、手持GPS、笔记本电脑、GIS、RS软件、实时定位显示软件等)获得。

图4是艾比湖阶地采样范围。样区主要分布在艾比湖周围距湖面约0．1～4．2 km的范围内。其中在艾比湖的西岸、西北岸以及北岸湖积堤保存比较完整，尤其在艾比湖西南 82°43'9．57″～82°44'24″，44°50'32″～44°51'6．91″范围内，即博河口管护站附近;83°01'11．28″～ 83°03'23．98″，44°40'52．18″～44°43'37．76″范围内，即精河火车站附近;82°34'41．82″～82°39'54．69″，44°57'36．84″～ 45°0'43．83″范围内，即博乐火车站附近;82°34'15．51″～83°11'0．69″，44°55'29．31″～45°9'51．82″范围内，即艾比湖北岸，这些湖积堤连续性好。而在湖周其他地段湖积堤往往受后期自然和人文因素的改造作用和影响，连续性差。

图4 艾比湖阶地采样范围Fig．4 Sam pling range of Ebinur terrace

对数据处理后，选择湖积堤明显、连续性好且具有代表性的E区进行分析。由分析可知，E区有20道湖积堤，分别记作 E1～E20，海拔分别位于194．5～368．5 m之间。图5为艾比湖湖积痕迹分区，图6为ASTER影像，痕迹线中都可以看到湖积堤的具体位置。

在这20道湖积堤中，E18～E20的高度相对较大，E1～E16延续性相对较好，伸展得较宽平，相互之间几乎连成一片。湖区西南部和东南部因地形较缓，湖积物分布较广，但由于人为改造使之连续性很差［7］。通过实测分析和利用遥感影像信息增强，确定的艾比湖有10级阶地，分别用T1～T10表示，具体高程如表1所示。

此外艾比湖SPOT、ETM影像数据以及DEM数据均可以为以上结论提供充足的证据，如图7中SPOT影像上条状泛亮白色的痕迹线，图8 ETM影像反映的痕迹线，通过信息提取等处理后最终确定均为艾比湖的湖积痕迹。而图9是艾比湖DEM叠加遥感影像后的阶地情况。

图7 SPOT数据影像的痕迹线Fig．7 Vestiges of SPOT image data

图8 ETM数据影像的痕迹线Fig．8 Vestiges of ASTER image data

图9 DEM与遥感影像叠加的三维立体图Fig．9 DEM Data reaction Ebinur terrace

表1 E区阶地高程表Tab．1 E District terrace height table

4 艾比湖DEM数据的获取

DEM是地形起伏的数字表达［7－11］，它是按照一定的测量方式和方法，在测区内测定一定数量离散点的平面位置和高程值。

本文利用艾比湖1∶5万地形图和RTK实地测点，空间插值生成高分辨率DEM，如图10所示。

图10 艾比湖DEM数据Fig．10 Ebinur DEM data

5 艾比湖湖面的恢复

借助艾比湖DEM，在ERDAS软件VirtualGIS模块中实现三维立体恢复，把艾比湖水面恢复到相应阶地时代的湖面。

图11是利用DEM叠加ETM数据，获得的艾比湖不同高程的阶地水面恢复后的三维立体效果景观效果图。阶地高程大于400 m后，艾比湖就与境外的阿拉湖连通了。

艾比湖二维水面的恢复主要根据艾比湖阶地空间位置在地形图确定古湖面的范围。图12是艾比湖不同时期湖面二维情况下恢复的情况。

图11 不同水位高程时的水淹状况Fig．11 The flooded condition of different water level elevation

图12 艾比湖水面恢复变化图Fig．12 Ebinur water recovery variation

6 艾比湖湖面面积及容积量算

利用艾比湖的DEM数据，在ArcGIS 9．1软件中计算出艾比湖相应阶地的湖面面积和湖水体积。通过Valume命令计算艾比湖TIN数据在指定高程和湖底之间的体积，并以 info表的形式记录［12、13］。通过Tinarc命令计算每个三角形面的表面积，结果储存在多边形属性表的sarea属性项中，然后通过叠加与统计分析得出所需高程下的表面积。通常利用DEM数据计算不同湖阶地之间湖水体积之差，所以经过计算后需要增加一个正常情况下的湖水体积。最终得到艾比湖湖面积和体积如表2所示。

表2 古艾比湖湖泊面积与水量数据Tab．2 Ancient Ebinur lake area and water storage capacity

由表2可知，古艾比湖体积和面积较大，主要由于现代人为的开采、利用，气候环境的演变，此外沉积物的作用使现代的湖盆底部高于古代［5，6］，这都造成了现代湖面面积和体积小于古代湖面的面积和体积。

7 结论

通过搭建野外3S平台，方便准确的获得艾比湖阶地的实地三维信息，制作高精度DEM数据，生成仿真的三维数字地形模型，实现了艾比湖的三维显示以及三维水淹，可以从不同角度、视点和高度观察地貌的整体和部分特征。借助地理信息系统工具还可以准确的计算不同时期湖面面积，体积、确定水淹范围，对研究艾比湖难以到达区域的地貌形态和地貌演化具有十分重要的意义。

以计算机技术为基础，以遥感与地理信息系统为依托的地貌学研究方法才刚刚起步，具有很大的发展潜力;新技术与传统地貌学的结合，不但能够解决传统地貌学中难以定量和不客观、不准确等问题，而且能够通过模拟来发现新的理论或验证传统理论的正确性，在未来地貌学和综合自然地理及相关研究中一定会发挥更大的作用。

［1］陈莹莹，晚更新世以来祁连山东段河流阶地研究［D］．兰州，兰州大学，2005，57 －60．

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［3］陈蜀江，侯 平．新疆艾比湖湿地自然保护区综合科学考察［M］．乌鲁木齐:新疆科技出版社，2006，4 －18．

［4］吴敬禄，林 琳．新疆艾比湖湖面波动特征及其原因［J］．海洋地质与第四纪地质，2004，24(1):57 －58．

［5］Mu Guijin，Endo K．Environmental Chananges in the Northwest China During the Last2000yr and Its Possible Influence to the Migration of the Silk Road［C］∥The Proceedings of the Silk Roads Nara International'97(On the Silk Road of Sanzo－HoshiXuan Zhuang，the climate and his foot－ steps)，NIFS，Nara，Japan，1997．

［6］Mu Guijin，Endo K．Environmental Chananges of the Zhungar Basin During the Last10ka［C］∥The Proceeding of Erkihaku International Symposium(On Terrestrial Environmental Changes and Natural Disasters During the Last 10ka．The National Museum of Japanese History)，Sakura，Japan，1997．

［7］柏春光，穆桂金．艾比湖的湖岸地貌及其反映的湖面变化［J］．干旱区地理，1999，22(1):35 －37．

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［11］许宝荣．基于栅格DEM的河网自动提取研究［D］．兰州:兰州大学，2005．

［12］胡昌龙，易 燕．数字高程模型DEM及其显示［J］．黑龙江科技学院学报，2004，14(4):233 －236．

［13］王腊春，谢顺平．太湖流域洪涝灾害淹没范围模拟［J］．地理学报，2000，55(1):47 －54．

(责任编辑:李 瑜)

A Three－Dimensional Inversion Study of Ebinur Terrace

ZAN Mei，CHEN Shu－Jiang，WU Cheng－Yong

(School of Geographic Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China)

With ASTER，ETM and SPOT remote－sensing images as the data sources，the authors used remotesensing software to enhance the images so as to highlight the embankment information of the Ebinur Lake．By superimposition of the practical sampling points，satellite remote－sensing images and DEM data，the relic sites of lakeshore and terrace were determined．Through setting up the flooding model，the authors obtained the three －dimensional information of the Ebinur Lake terrace easily and accurately，formulated high－precision DEM data，created simulated three－dimensional land form model，and realized three－dimensional demonstration and three dimensional flooding．The overall and partial characteristics of the land form can be observed from different angles，different points of view and different attitudes．With the help of the GIS system tool，the lake surface areas，volumes and flooding ranges of different periods can be accurately calculated，and the surface situation of the Ebinur Lake can be understood through inversion．All these results are of great significance in the study of the morphologic shape and evolution of the Ebinur Lake．

Extraction of lake embankment information;Terrace;DEM;Ebinur Lake

昝 梅(1979－)，女，讲师，主要从事遥感技术与应用研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0126－06

2009－11－26;

2010－03－16

新疆师范大学优秀青年教师科研启动基金［编号:XJNU0735］。