3S技术在王家沟流域沟道侵蚀研究中的应用

2017-11-02 00:25王锦志王小平
山西水土保持科技 2017年3期
关键词:支沟王家土壤侵蚀

王锦志 刘 林 王小平

(山西省水土保持科学研究所)

囗试验研究

3S技术在王家沟流域沟道侵蚀研究中的应用

王锦志 刘 林 王小平

(山西省水土保持科学研究所)

采用王家沟流域原有的等高线地形图,运用ArcGIS 10.2软件,对地形图矢量化,构建不规则三角网(TIN),转栅格得到数字地形模型(DEM)。将卫星遥感影像数据使用该软件进行定义投影、地理配准和掩膜提取等处理,进而与数字地形模型(DEM)叠加,并利用ERDAS IMAGINE软件对遥感影像数据进行解译处理,获得土地利用现状图和沟道分布图。进而使用ArcScene模块的3D分析工具,建立主要影响沟道土壤侵蚀因子的矢量图形库。最终将影响因子叠加分析,揭示流域沟道土壤侵蚀情况与各影响因子之间的关联,可为研究制定水土流失防治措施提供准确依据。

沟道侵蚀 ArcGIS 3S技术 王家沟流域

近年来,在土壤侵蚀机理研究的过程中,经常采用地理信息系统(GIS)的基础理论及其方法进行分析。随着GIS技术进一步发展,三维空间分析技术逐步走向成熟[1]。本项研究以晋西黄土丘陵沟壑区典型小流域—王家沟流域的等高线地形图和卫星遥感影像为信息源,通过ArcGIS10.2软件提供的3D分析模块及ERDAS IMAGINE软件的辅助,进行一系列空间分析和定义操作,制作构建土地利用现状图、沟道分布图和土壤侵蚀现状图等,并对生成的矢量图件数据进行叠加分析,深入探讨了王家沟流域沟道侵蚀情况与各影响因子之间的关联。

1 研究区概况

王家沟流域地处吕梁市离石区城北4 km处,是黄河一级支流三川河流域北川河支流左岸的一条支沟。流域总面积9.1 km2,海拔高程946-1 290 m,相对高差344 m。耕地面积373.3 hm2,占流域总面积的41%。流域气候属典型的暖温带大陆性季风气候,降水变率大,年际和年内分配不均。地形支离破碎,沟坡陡峭,沟壑纵横,梁峁交错,在黄土丘陵沟壑区具有代表性。以该流域为研究区,以卫星遥感影像数据为信息源,应用3S技术,通过地形可视化的方式构建直观生动的模型,全方位、立体化地进行沟道土壤侵蚀研究分析。

2 软件特点及应用方法

本项研究主要应用ArcGIS软件进行数据的管理与统计分析。该软件是对地理信息进行编辑、创建以及分析的GIS软件,可提供包括制图、地理分析、数据编辑、数据管理、可视化和空间处理等一系列的应用工具,进行数据采集、管理和分析。我们将主要应用ArcScene模块,它可以更加高效地管理三维数据、创建具有三维场景属性的要素以及进行三维分析[2]。

首先,使用ArcMap中的平面数据编辑工具,将王家沟流域高程地形图矢量化,并保存为栅格(TIFF)格式;然后,将栅格载入ArcScene模块,构建不规则三角网(TIN),再转栅格得到数字地形模型(DEM)。通过DEM,在ArcGIS中建立王家沟流域土壤侵蚀主要影响因子的矢量图形库,每个影响因子附以属性数据,并将每个因子进行栅格化[3-4],进而对影响因子的栅格图件进行空间叠加、统计分析,实现地形的可视化,从而具体了解沟道分布情况和水土流失现状。

3 数据的来源及预处理

3.1 数字地形模型(DEM)的构建

数字地形模型(DEM)是地理信息系统地理数据库中最为重要的空间地理信息,也是进行地形分析和统计计算的核心数据[5]。DEM构建的精确与否,会直接影响到后续的统计计算和空间分析。

将王家沟流域1:10 000地形图用扫描仪扫描,以获得数字化栅格底图。应注意的是,ArcGIS地理数据在创建时,均根据实际的空间位置唯一性确定了该数据集的地理坐标系统或投影坐标系统,即赋予了确定的空间参考属性。而扫描后的数字化栅格底图,没有定义与其相应的空间参考系统,通过其生产的地理数据在应用过程中是毫无意义的。所以,获得数字化栅格底图后,使用ArcMap模块中的定义投影工具和地理配准工具,对其进行空间定义,以赋予其空间参考系统,并且进行必要的纠正,以消除扫描时地形图变形所带来的误差。

栅格底图经过上述处理完成后,对其进行矢量化,以获取构建数字地形模型(DEM)所必须的高程。首先,使用ArcMap模块中的数据编辑工具,对矫正后的栅格地形图的等高线,进行屏幕跟踪矢量化和对离散高程点进行屏幕矢量化,并且赋予矢量化后的等高线和离散高程点相对应的高程值。然后,使用拓扑工具对矢量化数据进行拓扑检查,消除重叠及结点等拓扑错误。通过拓扑验证工具检查无误后,生成拓扑关系完整的矢量图。

矢量图生成后,将其导入ArcScene模块,利用栅格转TIN工具生成不规则三角网(TIN),并对生成的不规则三角网(TIN)进行内插,为整个研究区域赋予高程值。再将内插后的TIN数据进行重采样,获得更为精确的Grid数据(lattice格式),最后将生成的Grid数据转成DEM数据(USGS格式)[6-7]。至此,数字地形模型(DEM)构建完成。

3.2 对遥感影像数据的处理

卫星遥感影像数据为2011年拍摄的多波段、分辨率为2 m的World View彩色影像资料。利用ArcMap模块,使用定义投影工具和地理配准工具对遥感影像数据进行空间定义,以赋予其空间参考系统。然后运用主成份分析法融合,并以线性内插法重采样,作为沟缘线的提取、植被覆盖度的计算以及土地利用解译的依据。

3.3 数字地形模型(DEM)与卫星遥感影像叠加

ArcScene模块同时加载数字地形模型(DEM)和校准完成的卫星遥感影像,并且通过对遥感影像数据框中的图层属性进行设置,将基本高度选项定义为在数字地形模型(DEM)表面上浮动,则二维的遥感影像转换为三维立体显示。

4 主要影响沟道侵蚀因子的三维可视化建模

4.1 坡度分布及各坡级面积统计

在ArcScene模块中对生成的数字地形模型(DEM)进行渲染处理,并直接使用ArcScene中的3D分析模块提供的三维转换工具,将DEM根据特征转换到三维空间中加以显示。

(1)坡度图的生成。使用ArcScene模块加载数字地形模型(DEM),并在属性中将基本高度选项设置为“表面上浮动定义为其本身”,然后使用3D Analyst Tools下的表面三角化中的表面坡度工具,生成坡度图。

(2)各坡度级面积统计。使用重分类工具对生成的坡度图进行分级,依次点击3D Analyst Tools—栅格重分类—重分类,将坡度图设置为以10°相间分级,并且使用渲染工具,选择不同颜色表示不同坡度级。进一步通过属性表中字段计算器,利用公式“count*2*2”计算出各坡度级面积。

4.2 土地利用现状

使用ArcScene模块加载卫星遥感影像与数字地形模型(DEM)预先叠加好的数据,打开编辑工具,在遥感影像属性图层的属性表中创建土地利用现状字段,对不同用途的地块按其现状填写不同的地类编码,同时为不同地类编码创建相应土地用途的颜色集和符号。最后在属性图层的符号系统中统一设置,构建土地利用现状图。

4.3 土壤侵蚀现状

为了分析王家沟流域的土壤侵蚀状况,依据水利部《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-2007),使用ArcScene模块叠加分析工具,对王家沟流域坡度分布图数据、土地利用现状图数据和植被覆盖度分布图数据进行叠加分析,从而得到二维的土壤侵蚀现状模型。然后,在基本高度中将表面上浮动定义为其本身,最终转换为三维显示,并通过设置场景属性工具,加大垂直跨度,使三维立体化更强。同时,在图层属性的符号系统中,为不同的土壤侵蚀强度选择不同颜色,用不同的颜色明暗程度表达流域土壤侵蚀强度的变化。

4.4 沟道的空间分布

使用ArcGIS桌面的ArcMap模块,将校准后的卫星遥感影像加载,并对卫星影像中长度大于10 m的沟道进行人工识别解译,并根据这些沟道的形成条件、地形特征以及空间分布,将流域的所有沟道从小到大分为三级支沟(冲沟)、二级支沟(切沟)、一级支沟和流域主沟4类,共有718条。

5 主要影响沟道侵蚀因子的叠加分析结果

充分发挥三维可视化的重要作用,结合水土流失防治科学研究的实际需求,进一步使用ArcGIS桌面的ArcScene模块,以3D分析为主要工具,对水土流失主要影响因子矢量图进行三维叠加分析和统计。

5.1 沟道空间分布特征分析

通过ArcScene模块,对王家沟流域沟道分布图与土地利用状况图叠加分析和统计,获得三级支沟(冲沟)、二级支沟(切沟)、一级支沟和流域主沟4类沟道在不同土地利用状况下的分布情况(表1)。从中可以发现,在草地、旱地、经济林和裸地这四类土地上,主要分布着三级支沟(冲沟)和二级支沟(切沟),这两类沟道的发育和分布特征极为相似;一级支沟在六类土地上分布相对均匀;在旱地上则主要是流域主沟。

表1 不同土地利用类型上沟道分布情况

在不同类型土地上4类沟道分布的差异性,主要是由于各类土地的土壤理化性质和所处谷坡坡度造成的。而且,适合于各类草木生长和发育的地块,由于近年来修路、建厂、开矿等人为建设生产活动的干扰加剧,流域主沟土地被改造,使林草地面积不断减少,造成该类沟道内土地利用以旱地为主。

5.2 四类沟道侵蚀现状差异分析

用王家沟流域土壤侵蚀现状分布图结合沟道分布图进行叠加分析,可以直观发现,流域内土壤侵蚀强度的空间分布与各类沟道空间分布之间存在密切联系。进而在ArcScene模块中对二者进行空间叠加分析和统计,结果如表2。

表2 王家沟流域土壤侵蚀沟道类型的面积比重

从表2可以看出,在王家沟流域内土壤侵蚀强弱程度在4类沟道中表现出明显差异,流域主沟以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,占其总面积的85.65%,土壤流失较少;一级支沟则主要集中表现为轻度侵蚀和中度侵蚀,占其总面积的74.35%;而沟道面积很小的三级支沟(冲沟)和二级支沟(切沟)则以中度及以上侵蚀程度为主,水土流失严重。

5.3 沟道侵蚀的坡度分异特征分析

使用ArcScene模块将坡度图、沟道分布图和土壤侵蚀现状图分别进行空间叠加分析,得到王家沟流域内不同坡度的沟道分布情况和土壤侵蚀面积比重(图1)。

图1 王家沟流域不同坡度沟道与土壤侵蚀面积分布

从图1中可以看出,在王家沟流域内土壤侵蚀强度与坡度和沟道分布之间存在密切的联系。在低于40°的坡度区域内,以一级支沟和三级支沟这两类沟道为主,土壤侵蚀强度以轻度侵蚀和中度侵蚀为主;土壤侵蚀为强烈侵蚀级的面积在各坡度级内所占比例与各坡度级内的三级支沟、二级支沟数量分布非常相似,都表现出先增后减的变化趋势,并且在坡度级为40°-50°范围内达到最大值;而对于极强烈土壤侵蚀,从折线图中可以看到坡度越大其侵蚀面积所占比例越大。

6 结语

本文借助ArcGIS桌面产品ArcScene和ArcMap等模块,对王家沟流域影响沟道水土流失的相关因子进行建模和可视化处理,并利用3D分析模块深入细致的进行相关叠加分析和统计,获得了该流域沟道分布及其土壤侵蚀情况与各影响因子之间的关联,可为水土流失防治措施的制定提供准确依据。通过此次对ArcGIS软件的应用,了解到其具备强大的三维场景模拟和3D分析能力,非常适合表现宏观地理区域内的地形地貌,对水土流失防治的研究具有广泛的应用前景[8]。

[1]汤国安,杨 昕,等.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社(第二版),2012.

[2]王秋平,段 瑞.基于ArcGIS的三维可视化分析[J].交通科技与经济,2011,13(1):114-118.

[3]陈 浩,胡 燕,王贵玲,等.ArcGIS空间分析技术在地下水评价中的应用[J].水文地质工程地质,2007,26(4):111-115.

[4]刘 阳,张培松,韦仕川,等.基于ArcGIS三维地形可视化及其应用研究——以阳江农场为例[J].广西农业科学,2009,40(6):772-776.

[5]王 新.基于地形图的DEM的构建及其精度分析[D].郑州:解放军信息工程大学,2001.

[6]余 鹏,刘丽芬.利用地形图生产DEM数据的研究[J].测绘通报,1998(10):16-18.

[7]孙 轩,吴华意.ArcGIS的三维分析模块的分析与探讨[J].地理空间信息,2008(6):65-68.

[8]戴锡花,陈冬梅.基于ArcGIS的三维地形动画制作[J].淮海工学院学报(自然科学版),2009,18(专辑):101-103.

P208.2;S157.1

A

1008-0120(2017)03-0009-04

山西省自然科学基金项目“黄土高原丘陵沟壑区沟道和洞穴侵蚀机理与防治措施技术研究”(2013011036-1)

2017-04-30

王锦志(1990-):男,助理工程师;通讯地址:太原市郝家沟街99号汇隆花园,030013

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