图解建模方法在提取沟壑密度中的分析研究

杨 斌 张俊峰 高德政 何政伟 王 青

(1西南科技大学 环境与资源学院,绵阳621010)

(2成都理工大学 地质灾害防治与环境保护国家重点实验室,成都610059)

(3武汉大学 资源与环境科学学院,武汉430079)

1 引言

沟壑密度是评价区域内沟蚀程度的重要指标,具体反映出了研究区域的沟蚀轮廓,常作为侵蚀结果因子直接参与到地质灾害、土壤侵蚀等方面的评价。沟壑密度同时还成为航天遥感获取数字高程信息以后提取出来的最有分析价值的影响因子之一。目前,对于沟壑密度的提取方法,尚无统一规定,主要有传统的外业调查法、遥感图像处理法和现代数字高程模型(DEM)法等[1]。传统的外业调查法需要借助于大量的野外调查数据,相对来说误差较大;遥感图像处理方法借助于遥感技术,使得以较低的投入获得大面积的遥感影像数据,最后通过人机交互方式对遥感数据进行解译提取沟谷线等相关信息,从而获取其沟壑密度。该方法需要借助于遥感数据和人机交互判读,对于提取的效率不高。

而现代DEM方法则是采用数据高程模型(DEM)通过一组数学模型公式进行分析计算而得到。相对于传统外业调查法和遥感图像处理法而言,该方法具有较强的人机交互功能,同时可通过对地形数据进行模型分析从而得到河网信息,进而可以提取出研究区域的沟壑密度[2]。随着地理信息系统技术的成熟和发展,利用ArcGIS强大的空间模型分析功能,采用图解建模方法建立一套提取研究区沟壑密度模型,该方法的实现为沟壑密度的提取分析提供了一种全新的解决方案。

2 图解建模提取沟壑密度的思路

图解建模思想实际上是源于地理信息系统(GIS)空间分析模型,它主要是用直观的图形语言将一个具体的过程用模型表达出来。在模型建立过程中,只需要用户输入相应的数据,并以流程图的形式进行重新组合便可实现GIS空间分析功能,为提取沟壑密度提供了一种全新的解决方案。在ArcGIS9.X系列软件中,均提供了构建模型的脚本语言,结合相关的编辑器即可实现沟壑密度提取的空间分析模型[3]。

结合基于现代DEM方法提取沟壑密度的模式,在图解建模分析建立过程中,将其分为三个步骤:第一步,研究区河网的提取分析;第二步,断线融合(根据指定字段融合相关要素);第三步,沟壑密度的计算分析。根据以上分析建立了沟壑密度提取流程图(图1)。

图1 沟壑密度提取流程图

3 沟壑密度提取过程分析

3.1 河网的提取分析

河流分布情况是反映沟壑密度信息的关键指标,一般在河流分布密集的地区往往是地形起伏剧烈、切割深度较深的地区,因而对河网的提取与分析是提取沟壑密度的前提和基础[4]。针对河网的提取,采用地表径流漫流模型进行计算,该模型的主要思想是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向,然后利用水流方向计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数,即汇流累积量。由所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经此栅格。因而,假设每一个栅格处携带一份水流,那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。当汇流量达到一定值(阈值)的时候,就会产生地表水流,那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径,由这些水流路径构成的网络就是河网。

将其河网提取的主要过程归纳为如下三个步骤:

1)水流方向计算:通过计算中心格网与领域格网的最大距离权落差来确定水流离开单元格时的指向。其中距离权落差指中心格网与领域格网的高程差除以两栅格间的距离(一般取1或21/2),而方向值是以2的幂值指定存在水流不确定的情况,最终将方向值相加。

2)水流汇集计算:基本思想是规定以规则格网表示的DEM每点处都有一个单位的水量,根据水流方向计算流过该点的水流总量。其中汇流累计(FlowAcc)是指区域地形每点的流水汇集量,该数据主要基于水流方向数据获得。

3)河网的提取:利用所设定的阈值进行研究区域的分析并最终生成一个新的栅格图层,在生成栅格数据中将那些汇流量大于设定阈值的栅格的属性值设定为1,而小于或等于设定阈值的栅格的属性值设定为无数据,便可以提取出该研究区域的河网体系。

3.2 阈值的选取

阈值的选取在河网的提取过程是很重要的,它能直接影响到河网的提取结果。在研究大范围的区域中,以能突出重点流域河网分布情况为主要目的,有些地方出现的伪河流需要研究人员自己手工纠正[5]。在以四川省为例提取河网信息过程中,选取了甘孜州某山区作为阈值选取的研究区,因为山区的沟壑相对比较清晰,适合阈值的选取。并将不同阈值下提取出来的河网图层与研究区的山体阴影数据进行叠加,目的是清楚识别出不同阈值下反映的山地河网分布情况[6-7]。

在提取过程中,选择阈值范围在100～2 000之间,阈值间隔为100的数据进行分析(小于100的分级效果很不明显),分别提取出了20组阈值数据,并在这20组分析数据中选择了 100、300、500、900、1 200、1 500、2 000这7组数据进行了分析比较,同时还加入了四川省河流分布数据进行综合比较。从提取结果中分析可以看出,阈值选择100、300和500时,河网的分级效果不好,将许多伪河谷都包含进去了;当阈值选择为1 200、1 500和2 000时,只能提取出主河网,许多支流河网信息都没有包含进去[8]。从分析比较中能够得出,阈值小于900时,对河网提取的结果中加入许多伪河流,并在一个较大的河谷中出现了河流的分叉现象;当阈值大于900时,河网提取的结果中忽略了很多次级河流,这些河流的分布情况对研究沟壑密度的提取也具有一定的价值。综合以上实验验证与分析比较,得出选取阈值为900时最适合作为研究区的河网提取的阈值,图2为阈值为900提取出来的河网体系分布数据。

图2 河网提取中阈值选取分析图

4 沟壑密度的提取分析

沟壑密度表征在一个特定区域内,地表单位面积内沟壑的总长度[9]。沟壑密度的提取可以采用沟壑的总长度与其单位面积之比,其数学公式为:

式中 参数Ds为沟壑密度值;L为研究区域单位面积内沟壑的长度;A为研究区域的面积。因而沟壑密度的单位表示为km/km2。结合四川省河网分析结果的基础上,沟壑密度提取的流程分为以下3个步骤:

1)线面求交:先根据提取的河网信息得到沟谷线数据,并用区划文件将其沟谷线进行打断处理,分割出每个小区域内的沟谷数据。

2)断线融合:将分割出每个小区域内的沟谷数据,根据指定的字段进行融合要素,并计算出融合后线段中各个要素的长度以及分割区域的面积。

3)求取计算:若获取的面积和周长不处于同一个图层属性表中,就需要将这两个图层通过一定的标识字段进行线面链接,从而可以在同一图层中获取长度和面积值,最终求出各分割区内长度/面积的比值即为该区域内的沟壑密度。

5 空间数据模型的建立及应用

综合以上的提取分析过程,根据图解建模的思想,运用A rcGIS软件中的空间分析模块,在ArcToolBox中构建了一套提取沟壑密度的空间数据分析模型。图3表示利用ArcToolBox软件进行空间数据建模的建立流程。在运用该空间数据分析模型过程中,首先需要航天遥感器获取四川省1∶25万DEM数据为基础研究数据源;然后运用自构建的沟壑密度空间提取模型,分别对四川省122个县市进行单点沟壑密度提取最后通过反距离权重插值法(IDW,幂值设置为3)将所有结果进行插值提取,即可得到四川省沟壑密度分布图。

从四川省沟壑密度空间分布图(图4)的颜色特征分析可以看出,四川省沟壑密度分布很不均匀,在川西南和川西地区求取出来的沟壑密度值较大,同时还可看出在成都平原地区的沟壑密度值很小,这和实际情况也相吻合。实践表明,此模型提取沟壑密度简单快捷,为提取较难用数字化表达的沟壑密度进行了方法尝试,也为下一步空间分析奠定基础。

图4 四川省沟壑密度空间分布图

6 结束语

沟壑密度作为描述地面被沟壑切割破碎程度的一个重要指标,又被认为是航天遥感器提取出来的重要地形特征分析因子,在一定程度上反映一个地区内的地形起伏程度,同时沟壑密度还是气候、地形、岩性、植被等因素综合影响的反映。它在研究宏观领域综合等级评价分析过程中具有重要的地位。目前对于沟壑密度的提取分析缺乏统一的空间分析模型,论文在分析河网和沟壑密度提取流程的基础上,运用A rcGIS的空间分析模块,根据图解建模的思想,在ArcToolBox软件中建立了提取沟壑密度的空间数据模型,并运用该模型提取出四川省的沟壑密度空间分布图。该方法的研究为相关领域人员提取沟壑密度奠定了一定的基础。

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