基于ZY-3立体像对数据的水土流失地形因子分析

文小锁

(铜陵南部城区建设管理委员会，安徽 铜陵 244000)

随着计算机技术和图像处理技术的发展，传统的测绘技术已不适应现代科学的要求，立体测绘技术不断进步，立体测量设备越来越先进，提取的数字高程模型精度越来越高，本文利用资源三号遥感卫星提取出的DEM数据，对金塔县地形要素经行解译，并对其生态系统结构进行分析评价，为金塔县环境生态保护提供有力的支持。

1 研究区概况

金塔县隶属于甘肃省酒泉市，总面积为18 800 km2。金塔县属于典型的温带干旱大陆性气候，温差较大，但日照量充足，蒸发量大[1]。金塔县东南部和北部三面临山，中部地势相对低平，地势稍有倾斜。根据甘肃省主要地貌单元划分，属第七单元走廊北山，平均海拔1 275 m，相对高度500～1 000 m[2]。南部为嘉善褶皱带，海拔1 340～1 488 m；北部为马驹山台地东南部低山区，地势南高北低，西南高东北低，地下水由西南流向东北。金塔县境内最高的是四道红山主峰，海拔1 924 m；最低的是金塔盆地北部，海拔921 m。

2 数据来源

本研究数据来源于我国发射的第一颗高分辨率光传输测绘卫星资源3号。卫星于2012年1月9日发射升空，它主要搭载4台光学相机，包括1台2.1 m分辨率的全彩相机、2台3.6 m分辨率的正、反相机。它能够以长期、连续和稳定的方式获得立体全色图像、多光谱图像和辅助数据。中国有效面积约750万 km2，全球数据覆盖3 000万 km2[3-4](见表1)。

表1 技术参数

3 研究方法

通过立体图像对获取数字高程模型的原理可以简单理解为：在太空中两个不同方向的传感器拍摄同一个地点时，形成一个夹角。夹角越小，接地点就越低[5]。反过来，夹角越大，物体距离地面越高。可以计算得出地面上所有控制点的高程值，获得DEM数据[6]。如图1所示。

图1 立体像对获取DEM原理示意图

(1)相对取向；立体图像对的相对方位是通过计算卫星图像的像对的方位元素在成像时，立体图像对传感器的姿态参数之间的相对位置关系。目前，相对方位元素是通过分析方法利用共面条件方程进行方位计算的：

(2)核线图像生成；由摄影基线和任何物体方点确定的平面称为穿过该点的核平面，穿过图像主点的核平面称为主核平面，核平面和图像平面的交点称为核线。核线的一个重要特征是，一个核线上的任何点必须与另一个图像的核线同名。输入同名点与控制点，可以将左右照片转换成核线图像：

式中：为像元主距,(xi,yi)为物方坐标，(x,y)为倾斜影像上拍摄的坐标，对于水平像片yi为常数。

(3)选择连接点；通常，自动选择连接点是基于图像的灰度级进行匹配的。如果两个图像之间有着较大的光谱差异性，自动匹配连接点往往不完全准确，某些区域的图像细节和纹理往往不清晰。因此，首先采用连接点的自动选择，人工删除精准度较低的点。

(4)DEM提取。提取后数字高程模型并不完美。数字高程模型上可能有孔洞或明显的高程异常区域，如平坦区域或水域上明显的凸起。这种现象的主要原因是传感器本身的物理特性或立体图像中云的存在。此时，需要对提取的数字高程模型进行编辑，以消除高异常区域。常用的数字高程模型编辑主要包括数字高程模型插值、数字高程模型滤波和数字高程模型平滑。

4 结果分析

4.1 坡向与坡度变量率

利用DEM数据分析坡向和坡度。坡向变化率是反映水平方向地形变化特征的关键指标之一。DEM中应用最广泛的变化率是斜率的概念，即一阶偏导数。纵横比的计算是用纵横比矩阵代替仰角矩阵来计算邻域表面上某一点的纵横比。基于高程矩阵从数字高程模型数据中提取高程变化率的算法很多。其中，由于三阶逆距离平方权差分算法相对合理、准确，因此在研究中得到广泛应用。在边坡高宽比的计算过程中，借鉴这种方法，可以得到边坡高宽比的计算公式。

各坡度分级梯度区间的土地面积分布均匀；坡向上东坡、东北坡以及北坡分别占总面积的13.49%、8.37%和11.23%，这是研究区地势南高北低的总体反映；而坡度主要集中在0°～5°与5°～10°，较为平缓(见图2和图3)。

图2 坡向分析图

图3 坡度分析图

4.2 面积—高程积分

在这项研究中，地貌学家斯特拉勒于1952年提出了面积—高程分析法来分析金塔县地貌的发展阶段。具体操作：首先将整个研究区面积设定为A，在研究区等高线地形图上测量各等高线或以上控制的面积a，然后测量各等高线与研究区高程最低点之间的高差H，研究区最高点与最低点之间的高差为h，设x=a/A，y=h/H分别为横坐标和纵坐标，然后在y坐标上画出高程—面积积分曲线：

y=f(x)

积分为：

也就是说，由曲线和沿y轴的X轴形成的块的面积与整个块的面积之比。当S≤0.6时时，表示地表层物质已被侵蚀量不到40%，此时曲线形状向上凸起，地貌发育阶段处于初期。当0.35≤S≤0.6时，表面侵蚀超过40%但小于65%时，曲线接近于直线，这时达到成熟期。当0.6≤S时，表明60%以上的物质已经被侵蚀，曲线形状是凹的，这是老年期。如图4。

图4 不同发育期高程曲线

通过大量的野外观测调查与室内严密的分析，利用GIS软件中的Arcgis将金塔县范围内的等高线以等高距15 m的标准进行重分类，然后统计等高距为15 m的各条等高线上所控制的面积，最后在Excel里进行相关处理，得出一系列的坐标对(xi，yi)，根据这些坐标对绘制出流域的面积—高程曲线(见图5)。

图5 金塔县面积—高程积分

将所绘制的流域面积～高程曲线在spss软件上进行趋势拟合，得出最佳拟合方程如下：

y=1.260 9x4-3.989 5x3+3.33x2-1.544 6x+0.979 1

R2=0.998 1

表2 金塔县地貌发育阶段划分标准

4.3 生态系统服务价值

生态系统服务价值是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接获得的支持生命的产品和服务。生态系统服务价值评估是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策的重要依据和基础[10]。金塔县植被类型丰富，主要包括草甸、草地、沙漠、灌木和高山植被，与高原的植被类型基本相似。因此，根据谢高地等人对中国整体生态系统服务价值的评价[11]，青藏高原地区不同土地类型生态系统服务价值的评价标准，结合金塔县的实际情况和中国的整体价格水平和消费水平，以2010年为基准货币年计算过去20年的当地生态系统服务价值。

ESV=∑(Ak×VCk)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

式中：ESV为生态系统服务价值(元)，Ak为土地面积(hm2)。VCk-为生态系统价值系数(元/hm2)，ESVf为第f项服务功能的生态系统服务价值(元)，VCfk-k种土地利用类型的第f项服务功能价值系数，(元/hm2)。

从1991年到2011年，金塔县生态系统服务的总价值增加。20年来，生态系统服务总价值增长缓慢，在2001年水体与草地出现退化的现象，占2011年总价值的4.77%。从历年生态系统构成来看，聚落提供的生态系统服务价值最大，占总价值的46.19%～51.21%。农田提供的生态系统服务价值最小，占总价值的4.16%～5.31%。森林、沼泽、湿地、湖泊和沙漠提供的生态系统服务的总价值约占总价值的一半(见图6)。

图6 金塔县生态服务类型

5 结语

应用资源三号立体像对数据提取的DEM数据，对金塔县的地形展开分析。结果显示，坡向上东坡、东北坡以及北坡分别占总面积的13.49%、8.37%和11.23%，坡度主要集中于0°～5°之间，地形较为平缓。从面积—高程积分曲线可以得出，金塔县的地貌发育处于壮年偏老时期。从不同生态系统类型提供的价值来看，20年间生态系统服务总价值增加较为缓慢。从单个生态系统服务功能的价值来看，研究区的生态系统服务价值主要来自气候调节、水土保持、废物处理、生物多样性等功能。水体变化是生态系统服务价值变化的重要影响因素。通过生态服务评价系统分析，为水土流失生态治理提供依据。