多源遥感影像的侵蚀沟信息提取分析

蒲 罗 曼，张 树 文，王 让 虎，常 丽 萍， 杨 久 春

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

多源遥感影像的侵蚀沟信息提取分析

蒲 罗 曼1,2，张 树 文2，王 让 虎1,2，常 丽 萍2， 杨 久 春2

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

以多源遥感影像为基础，结合DEM数据，运用定性方法全面分析各遥感影像中提取的侵蚀沟的信息特征，并在研究区选取两个调查单元进行野外验证，对所得结果与遥感影像目视解译结果进行定量比较分析，得出以下结论：1)虽然空间分辨率最高的Pleiades遥感影像与DMC航片影像表现侵蚀沟的信息最为清晰，但空间分辨率过高会使侵蚀沟的内部细节过于详细，对信息提取增加噪声信息。2)不同遥感影像所能提取的侵蚀沟的类型不同。与Pleiades和Alos遥感影像相比，资源三号卫星影像能够呈现稳定沟、切沟和冲沟的信息，且成本低廉，是侵蚀沟信息提取最为理想的遥感影像。3)资源三号与高分一号卫星影像在提取重点调查的冲沟与切沟的数量与长度和宽度信息时，所得结果与实地验证结果十分接近，是比较合适的遥感影像。

多源遥感影像；侵蚀沟；信息提取；野外验证

0 引言

遥感技术是目前快速获取地面信息最为重要的手段之一。而随着卫星遥感和航空遥感技术的不断发展，遥感影像的空间分辨率和时间分辨率在不断提高，遥感影像的处理方法也越为先进[1]。但在对地物信息提取的实际操作中，有时并不需要利用所有可获取的遥感影像资源，如何选取合适的遥感影像成为一个亟须解决的问题。

侵蚀沟为线形伸展的槽形凹地，是暂时性流水形成的侵蚀地貌，会使地形遭受强烈的分割，蚕食耕地，破坏道路，造成大量的水土流失，在吉林省黑土区发育较为严重。目前，针对侵蚀沟的研究多侧重于侵蚀沟的形成机理分析[2-6]、侵蚀沟的动态变化[7-9]和侵蚀沟的治理对策[10-13]等，对于何种遥感影像最有利于侵蚀沟信息提取的研究相对较少。

基于以上认识，本文选取吉林省九台市沐石河流域为研究区，通过对已获取的6种不同的遥感影像所能表现出的侵蚀沟的特征和类型进行定性分析，以及在两个野外调查单元内将各遥感影像所能提取的侵蚀沟数量及长度、宽度信息与野外验证相比较进行定量分析，探索侵蚀沟信息提取中最为合适的遥感影像。研究结果不仅可以为研究区域侵蚀沟发育情况与综合治理提供信息支持，还可以为以后的地物信息提取方法提供参考依据，避免造成不必要的人力与资源浪费。

1 研究区概况与数据处理

本文选取九台沐石河流域为研究区，地理坐标为126°1′39″～126°17′14″E，44°9′18″～44°22′20″N，位于吉林省长春市境内。研究区面积为404 km2,总人口约为63 900人，属于半山区，气候为中温带大陆性气候，四季分明，年均温50℃，年降水量624 mm，全年无霜期140 d[14]。沐石河流域土质肥沃，但近些年来，随着人口增长和耕地开垦强度增加，水土流失现象十分严重，且以沟蚀最为突出。

(1)数据的选取。本次研究选取距今十年以内的6种遥感影像进行试验研究，不同类型的高分辨率影像的特征如表1所示。由于本研究只需探明不同类型的遥感影像对侵蚀沟信息提取的差异性，并不需要了解不同年份下侵蚀沟的动态变化信息，因此微小的时间差距对本研究的影响不大。本文选取九台沐石河流域1∶1万比例尺的DEM数据作为侵蚀沟解译的辅助数据，其栅格分辨率为5 m。

表1 不同类型的高分辨率影像

Table 1 Different types of high-resolution images

影像名称影像类型影像时间生产国家卫星发射时间Spot5卫星影像2007年法国2001年Alos卫星影像2009年日本2005年DMC航空影像航空影像2010年中国2010年Pleiades卫星影像2013年法国2011年资源三号卫星影像2013年中国2012年高分一号卫星影像2014年中国2013年

(2)数据处理。研究中所使用的影像均经过了融合、辐射校正、几何纠正及增强等处理，以便于上述影像在空间上能够完全对应和增加信息提取的精确性[1]。具体操作时，对上述影像旋转180°以消除反立体效果，然后以0.5 m分辨率的航片影像为依据分别对其他5种影像进行几何纠正和配准，使其地物空间位置能够完全对应。

2 结果与分析

2.1 不同遥感影像下侵蚀沟信息提取的定性分析

本文首先从不同类型的遥感影像对侵蚀沟的表现特征和所能提取出的侵蚀沟的类型方面作定性分析。在影像不清晰难以识别时，可适当根据侵蚀沟地形向下凹陷的特征，结合DEM数据进行辨认。

2.1.1 不同遥感影像中侵蚀沟的表现特征 遥感影像中地物的特征表现与遥感影像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率等因素息息相关。空间分辨率决定了肉眼能识别出的地物的清晰程度，是指影像像素所代表的地面范围的大小[15]。上述6种遥感影像的空间分辨率差别很大，比较高的为0.5 m分辨率的DMC航空影像和0.7 m分辨率的Pleiades影像，相对较低的为2.5 m分辨率的Spot5影像和Alos影像。同一条侵蚀沟在6种不同空间分辨率的遥感影像上的表现如图1所示。

图1 同一侵蚀沟在不同遥感影像上的表现

Fig.1 The performance of the same erosion gully on different remote sensing images

从图1可知，遥感影像的空间分辨率越高，同一侵蚀沟在影像上出现纯净像元的概率就越大，侵蚀沟的轮廓、形状和内部细节就越清晰、独立，如DMC航片影像和Pleiades影像中侵蚀沟的轮廓和形状清晰可见；反之则以混合像元的形式出现，侵蚀沟的轮廓特征就会模糊、复杂，如Spot5 影像和Alos 影像中侵蚀沟显得极其模糊，只能对其简单识别。

但是“遥感影像的空间分辨率越高越合适”这一说法还有待商酌。空间分辨率的提高也会使得侵蚀沟的内部细节过于详细，同物异谱和同谱异物的现象也会大大增加，从而会对侵蚀沟的遥感识别和信息提取工作增加噪声信息[15]。例如,在空间分辨率较高的DMC航片影像和Pleiades影像中，解译稳定性侵蚀沟时由于沟中长有植被，太阳照射形成的阴影在图像中表现得极为清晰，会掩盖侵蚀沟的轮廓，从而在勾画时相对困难，而在资源三号与高分一号卫星影像中阴影相对模糊，不会掩盖侵蚀沟的轮廓。此外，田间小路和切沟的差别首先在于侵蚀沟的边界参差不齐而小路的边界比较圆滑，其次还在于田间小路一般比切沟的深度要浅。但是，在高分辨率的遥感影像中，由于田间小路可以清晰地呈现，使其与切沟并不容易区分出来。在分辨率较低的其他遥感影像中，田间小路几乎不会呈现出来，不会对侵蚀沟的解译造成干扰。

除了遥感影像的空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率也是影响遥感影像中地物表现特征的极为重要的因素。光谱分辨率是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置及波段间隔的大小。通常情况下，光谱分辨率越高，对物体的识别精度越高，信息提取分析的效果也就越好。而时间分辨率是指遥感探测器重复采集数据的时间周期。6种遥感图像的光谱分辨率与时间分辨率如表2所示。除上述因素以外，遥感影像中地物的清晰度还与影像时相、融合及增强效果等因素有关。

表2 各遥感影像的光谱分辨率和时间分辨率Table 2 Spectral and temporal resolution of each remote sensing image

2.1.2 不同遥感影像所能提取的侵蚀沟的类型分析 不同的遥感影像中提取的侵蚀沟除了特征不同，类型也不尽相同。在本次研究中，根据侵蚀沟的发育阶段将其划分为稳定沟和发展沟两类，其中发展沟又划分为浅沟、冲沟和切沟3类(表3)。浅沟由于宽度较窄，深度较浅，不妨碍一般耕作，甚至会因耕种而消失，常在相同位置重复出现，因此，浅沟对于研究的实际意义不大。而冲沟和切沟切割土地、蚕食耕地已十分严重，能够清晰地反映水土流失程度，通常是研究的重点。稳定沟由冲沟进一步发展形成，形成时间较长，且沟中一般长有植被，不再继续发展。这里以Pleiades遥感影像、资源三号卫星影像和Alos影像为例说明。

表3 侵蚀沟分类及形成机理

Table 3 Classification and formation mechanism of erosion gully

类型亚类形成机理发展沟浅沟水流在斜坡上汇集成细小的股流形成的细沟切沟细沟进一步下切加深形成切沟冲沟切沟进一步下蚀形成冲沟稳定沟冲沟沟坡由于崩塌变得平缓,沟底填充碎屑物,形成稳定沟,一般不再下切发展

在0.7 m分辨率的Pleiades遥感影像(图2)中，能够清晰地辨认出各种类型的侵蚀沟的形状及轮廓，河流、乡村道路也十分清晰，从而在放大比例尺后很容易勾画出稳定沟、冲沟和切沟的形状，对于浅沟也可以画出其延伸方向。

图2 沐石河镇地区(局部)Pleiades影像

Fig.2 Pleiades image of Mushihe Town area(section)

在2 m分辨率的资源三号卫星影像(图3)中，能够辨别出稳定沟、冲沟和切沟的大致形状和轮廓，但对于浅沟只能看到比较模糊的痕迹。放大比例尺后，稳定沟和发育时期较长的冲沟的轮廓可以被勾画出来，发育时期较短的切沟可以大致勾画走向，而浅沟在比例尺放大之后几乎与耕地融为一体，很难勾画出来。这主要是由于稳定沟的形成时期较长，沟相对较宽，且沟中长有植被，较容易勾画；冲沟是由河流或雨水冲击而成，相对较宽；切沟由浅沟进一步下切而成，也可以在图像中勾画大致方向；浅沟发育时间较短，不容易辨识和勾画。

图3 沐石河镇地区(局部)资源三号卫星影像

Fig.3 Resources satellite three(ZY-3)image of Mushihe Town area(section)

在2.5 m分辨率的Alos 遥感影像(图4)中， 基本上只能分辨出稳定沟和冲沟，切沟有模糊的痕迹，而浅沟几乎无法辨认。但当放大比例尺后，虽然能勾画出稳定沟和冲沟的轮廓，但切沟的沟头和沟尾几乎无法辨认，精度十分差。

由此可知，Pleiades遥感影像虽然能够辨别侵蚀沟的类型最多，侵蚀沟的内部结构细节也表现得最为清晰，但在实际研究工作中，有时并不需要了解所有类型的侵蚀沟的特征，提取全部信息会耗费大量的时间和精力;同时考虑到Pleiades影像的成本相对较高,因此Pleiades遥感影像在用于侵蚀沟信息提取时并不是最为理想的。Alos 遥感影像能够提取出的侵蚀沟信息相对较少，只能用于简单的信息识别，一般不能满足相关专业人员的要求。相对比而言，资源三号卫星影像最为理想。

图4 沐石河镇地区(局部)Alos影像

Fig.4 Alos image of Mushihe Town area(section)

2.2 不同遥感影像下侵蚀沟信息提取的定量分析

为使研究结果更具说服力，采用定量分析的方法，在研究区域内选取调查单元进行野外验证，将侵蚀沟的数量和具体长度、宽度信息的实地验证结果与6种遥感影像中的提取结果进行比较。根据第一次全国水利普查、水土保持情况普查、土壤水蚀普查所规定的野外调查单元规则选择调查单元。沐石河研究区覆盖了4个调查单元，但研究区西北部的调查单元位于平坦的耕作区，基本无侵蚀沟分布；西南部的调查单元位于山地林区，基本被林木覆盖，因此这两个调查单元被排除，保留研究区北部与中部两个调查单元作为调查样区[1]，分别命名为样区A和样区B，各样区情况如表4。

表4 调查样区情况

Table 4 Survey sample area circumstances

样区编号经纬度范围面积(km2)位置A126°9'9″～126°9'53″E,44°21'18″～44°21'40″N0.35沐石河镇北部B126°9'1″～126°9'53″E,44°15'25″～44°15'55″N0.43沐石河镇中部

统计出6种遥感影像提取的每个样区内每种侵蚀沟类型的数量情况，并对比野外考察实际验证的侵蚀沟的数量，制成直方图(图5、图6),可以看出，两样区内稳定沟均分布较少，而浅沟和切沟分布较多。对比各遥感影像中提取的侵蚀沟的数量情况可知，无论在样区A还是样区B中，稳定沟在各遥感影像中均有相同的数目，且都和实地验证数目相吻合，说明稳定沟在各遥感影像中均能很明显地呈现出来；浅沟在DMC航片影像与Pleiades影像中较多，且都接近实地验证情况，而在资源三号卫星与高分一号卫星中只能呈现实际数目的一部分，在Spot5和Alos遥感影像中的数目与实际数目相差较大；冲沟在各遥感影像中的数目差别不大，总体与实际数目接近；切沟在DMC航片影像和Pleiades影像中数目最多，且接近实际验证数目，在资源三号与高分一号影像中数目略有减少，在Spot5和Alos影像中数目很少，远远不及实地验证数目。

图5 样区A内各遥感影像提取的各类型侵蚀沟数目

Fig.5 The number of each type of erosion gully extracted in each remote sensing in sample A

图6 样区B内各遥感影像提取的各类型侵蚀沟数目

Fig.6 The number of each type of erosion gully extracted in each remote sensing in sample B

分别在两样区中抽样选取一条冲沟和切沟，测量其平均宽度与总长度，并与资源三号和高分一号解译结果相比较(表5),可以看出，资源三号与高分一号卫星影像在提取冲沟与切沟的基本信息方面，所得结果与实地验证结果十分接近，由此说明资源三号与高分一号卫星影像可以将重点调查的冲沟与切沟的信息充分体现出来。

表5 抽样调查的侵蚀沟的基本测量指标

Table 5 The basic measurements of erosion gully with sampling investigation

遥感影像与实地验证基本测量指标样区A样区B冲沟1切沟1冲沟2切沟2资源三号卫星高分一号卫星实地验证长度(m)726547101平均宽度(m)10.90.822.1长度(m)716547103平均宽度(m)1.10.80.82长度(m)756749105平均宽度(m)1.150.920.872.3

总之，Spot5和Alos影像不能精确地反映侵蚀沟信息，一般不能满足项目工作的需求；DMC和Pleiades影像虽然表现侵蚀沟信息的能力最强，各种类型的侵蚀沟信息都可清晰地呈现出来，但由于浅沟对于研究的实际意义不大，因此选择DMC和Pleiades影像过于浪费，考虑人力物力和成本等方面，这两种影像并不是最合适的；资源三号和高分一号卫星影像已足够将重点调查的切沟和冲沟的基本信息精确地表现出来，且成本相对低廉，是比较理想的影像。

3 结语

通过本文的研究可知：1)遥感影像的空间分辨率越高，侵蚀沟信息表现就越清晰、独立。但空间分辨率的提高会对侵蚀沟的信息提取增加噪声信息。遥感影像的光谱分辨率和时间分辨率等因素也会对侵蚀沟的信息提取造成影响。2)不同遥感影像所能提取的侵蚀沟类型不同。资源三号卫星影像能清晰呈现稳定沟、冲沟和切沟的信息，浅沟比较模糊甚至无法辨认，但浅沟是非重点研究对象，且考虑节约成本和人力物力方面，资源三号卫星是比较理想的影像。3)虽然DMC和Pleiades影像提取侵蚀沟信息的能力最强，但资源三号与高分一号卫星影像已可以将需要重点调查的冲沟和切沟的基本信息表现出来，且成本低廉，节约人力物力资源，避免不必要的浪费，比较理想。

本研究默认为每种遥感影像均经过最为理想的处理,然而在实际遥感影像处理的操作中，很难达到最为理想的状态。由于影像的处理方式也会对侵蚀沟的信息提取造成影响，对此类问题还需进一步研究和探讨。

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Analysis of Erosion Gully Information Extraction Based on Multi-resource Remote Sensing Images

PU Luo-man1,2,ZHANG Shu-wen2,WANG Rang-hu1,2,CHANG Li-ping2,YANG Jiu-chun2

(1.College of Earth Science,Jilin University,Changchun 130061;2.Northeast Institute of Geography and Agroecolopy,Chinese Academy of Science,Changchun 130102,China)

In this study,based on multi-resource remote sensing images,combined with DEM data,using qualitative method,characteristics of erosion gully extracted from each remote sensing image are analyzed comprehensively,and two investigation units are selected in survey area for field verification.The results obtained are compared with the results of visual interpretation of remote sensing images.The results show that:1)Although Pleiades remote sensing image with the highest spatial resolution and DMC image can express the information of gully erosion clearly,the increasing of spatial resolution of remote sensing images will increase internal details of erosion gully,which can cause interference for extracting information.2)Different types of erosion gully can be extracted from different remote sensing images.Compared with Pleiades remote sensing image and Alos remote GF-1 satellite images,as the ideal images,can express the information of dissected gully and gulch that need to be researched mainly.3)When resources satellite three(ZY-3)and GF-1 images extract the information of quantity,length and width of dissected gully and gulch,which need to be investigated mainly,the results close to the field verification results,so they are more appropriate images.

multi-resource remote sensing images;erosion gully;information extraction;field verification

2015-07-21；

2015-09-08

国家自然科学青年基金项目(41301467)；国家科技基础性工作专项(2013FY112800);吉林省测绘地理信息局国情监测科技创新项目

蒲罗曼(1993-)，女，硕士研究生，主要从事土地资源管理研究。E-mail：puluoman@sina.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.017

TP75

A

1672-0504(2016)01-0090-05