2013、2016 年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域下垫面调查数据集

王昕，李雷 ,冯克庭，张耀南

1.黄河水土保持天水治理监督局（天水水土保持科学试验站），甘肃天水 741000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000

3.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，兰州 730000

引 言

降雨和下垫面是影响水土流失的主要因素，下垫面因素又包含土地利用、植被、土壤、地形等因子[1-2]。其中土地利用类型是反映下垫面状况的主要指标之一，也是流域水土流失状况评价的核心基础数据。土地下垫面的属性与利用情况是区域自然条件和社会经济发展状况的集中体现，是洪水风险预测、水文水利计算的基础。近年来随着经济社会的高速发展，人类活动对流域下垫面条件的影响不断加剧，由此带来流域下垫面条件的改变，导致流域入渗量、蒸发量、径流等水文要素发生一定的变化，作为水土保持规划、水利规划、水资源分析评价等工作的基础和依据，下垫面数据成果的定期更新与调查显得尤为重要[3]。

罗玉沟流域是我国最早一批开展水土保持工作的试点地区，1983 年被国家正式列为黄河中游试点小流域，被甘肃省列为重点综合治理小流域。流域下垫面调查是该流域研究的基础工作之一，通过传统的常规调查和遥感手段，开展下垫面数据成果的定期更新。遥感技术有效避免了传统手段耗时费力且无法获取连续数据的弊病，常规调查则为遥感解译样本构建及解译完成后的数据质量控制和精度验证提供实地参考资料[4]。在罗玉沟流域开展的下垫面调查工作中，遥感解译已经成为主要的信息获取手段[5-6]。

本数据集采用2013 年的资源三号2.1 m 分辨率卫星影像和2016 年0.2 m 无人机航摄影像作为两期数据源，利用人工解译的方式判读了流域内的土地利用情况，之后对解译成果进行全图斑野外实地验证，质量可靠。最终获取了罗玉沟流域土地利用类型、植被覆盖度、水土保持措施等的现状，为摸清流域下垫面等变化情况，以及水土流失规律研究、水土流失原型观测提供了重要依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 区域范围

罗玉沟流域位于甘肃省天水市北郊，地处东经105°30′–105°45′，北纬34°34′–34°40′，属陇西黄土高原与陇南山地的过渡地带，示意图见图1。罗玉沟流域是渭河一级支流藉河的一条支沟，属于黄土高原黄土丘陵沟壑第三副区。流域长21.63 km，宽3.37 km，呈狭长型，面积为72.79 km2，该流域地势西高东低，发源于麦积区凤凰乡境内的凤凰山南麓，由西向东流，于秦州区老城东关注入藉河，罗玉沟最高处在凤凰山顶，海拔1896.90 m，最低处在左家场测流断面沟底，海拔为1199.78 m，平均海拔1537.60 m。主沟道长21.63 km，直接注入干沟的大小支沟193 条，其中左岸96 条，右岸97 条，沟壑密度为5.09 km/km2。

图1 罗玉沟流域示意图

1.2 遥感数据获取

1.2.1 2013 年卫星影像获取

本数据集的遥感数据包括2013 年卫星遥感影像和2016 年航摄遥感影像，其中2013 年卫星遥感影像选用资源三号卫星影像，分辨率2.1 m，时相为2013 年7 月，通过采购的方式获得，影像供应商提供的成品影像经过了了大气校正、多波段融合、几何纠正等预处理，可直接用于遥感影像解译目视判读。

1.2.2 2016 年航摄影像获取

2016 年的遥感影像于2016 年8 月航摄作业、外业控制测量及空三加密所生产，航摄区域均以流域边界外扩100 m 范围进行控制，成图106 幅，分辨率优于0.2 m。

（1）作业依据

CH/Z3005-2010《低空数字航空摄影规范》[7]；

CH/Z3001-2010《无人机航摄安全作业基本要求》[8]；

CH/Z3004-2010《低空数字航空摄影测量外业规范》[9]；

CH/Z3003-2010《低空数字航空摄影测量内业规范》[10]；

CH/Z3002-2010《无人机航摄系统技术要求》[11]；

全球定位系统测量规范(GBT18314-2009)[12]；

GBT12898-2009《国家三、四等水准测量规范》[13]；

GB/T23236-2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》[14]；

CH/T9008.2-2010《基础地理信息数字成果1:500 1:1000 1:2000 数字高程模型》[15]；

GB/T9008.3-2010《基础地理信息数字成果1:500 1:1000 1:2000 数字正射影像图》[16]；

GB/T24356-2009《测绘成果质量检查与验收》[17]。

（2）坐标系统

投影采用高斯-克吕格（Gauss-Kruger）投影，罗玉沟流域中央经线为105°，大地坐标系采用国家2000 大地坐标系，1985 国家高程基准。

1.3 数据处理

1.3.1 数据处理流程

数据处理流程如图2 所示。

图2 数据处理流程

无人机航摄后生成正射影像的同时，也生产了该区域的数字高程模型，通过数字高程模型，进行水文分析，与地形图、正射影像比对，得到流域边界。

遥感影像解译前期，根据影像建立解译标志，并对解译人员进行技术培训，影像解译工作采用人工解译的方式，解译后，对初步的解译成果进行野外验证，修改后得到最终成果。

1.3.2 航测数据处理

（1）无人机航空摄影

天水罗玉沟作业区域距离飞机场较近，为了作业安全，航空摄影选用电动无人机进行航空摄影作业。航飞9 个架次，获取摄影照片5050 张，影像地面分辨率0.2 m。

（2）控制测量

天水罗玉沟小流域直接利用甘肃省连续运行卫星定位服务综合系统进行测量，获取控制点的平面坐标，由甘肃省测绘局解算正常高得到85 高程。为保证控制测量坐标正确，天水罗玉沟测区的控制点在我单位收集的葫芦河洪水风险图控制点上进行了检核。

流域基本控制测量为E 级GPS 测量。天水罗玉沟流域布设16 个E 级GPS 控制点。E 级GPS 控制点采用硬化地面刻凿标志。

像片控制点测量首先利用各小流域测得的控制点坐标计算七参数（x 轴平移参数，y 轴平移参数，z 轴平移参数，x 轴旋转参数，y 轴旋转参数，z 轴旋转参数，尺度比参数），然后采用GPS RTK（Real-Time Kinematic）方法进行像片控制点测量。测量方法为单基准站观测方式，观测次数是3 次，与基准站的距离为7 km，精度要求为小于等于5 cm。流动站用单杆支撑GPS 天线，确保气泡居中。野外控制点以判点为主；每个像控点施测三次，平面较差不大于20 cm，高程较差不大于5 cm，取中数作为像控点成果；在进行像控点测量时，同时测量一定数量的保密点用于检查空三及成果精度。

（3）数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）数据生产

首先，利用Inpho 空三软件进行空中三角测量，在进行影像去畸变生成金字塔影像以后，添加外围4 个像控点，然后进行特征匹配和最小二乘匹配生成连接点，检查连接点基本满足要求后，添加其他所有控制点，进行平差计算，再对平差结果进行检查，对于不满足限差的点进行调整，再平差，直到满足精度要求，完成空三加密。

DEM 生产是在Inpho 软件中直接利用空三加密结果生成DEM，然后在DTMaster 模块中立体环境下进行编辑，对于复杂区域采集特征点、特征线，参与DEM 的编辑，将各DEM 点编辑至贴合地面，然后进行DEM 拼接和1:2000 的标准图幅裁切。DEM 成果生成后将检查点导入，检测DEM 高程精度，罗玉沟小流域检验点共25 个，高程中误差0.681 m，中误差限差2.25 m。

DOM 生产是用空三成果和影像数据重建立体模型，利用己经生产完成的DEM 对模型进行正射纠正，按照技术要求在OrthoVista 模块中进行影像的镶嵌和调色，之后进行1∶2000 的标准图幅裁切和DOM 输出。DOM 成果生成后将检查点导入，检测DOM 明面位置精度，生成检测文档。罗玉沟DOM 精度检验点23 个，平面中误差0.536 m。

经比对，两期影像能够完全重合，匹配较好。

1.3.3 流域边界提取

流域边界是根据航摄获取的DEM、航摄遥感影像及地形图进行水文分析获得。

（1）DEM 填洼、流向、流量提取

在ArcGIS 软件水文分析工具中，对小流域DEM 进行填洼处理，得到无洼地的DEM。之后将无洼地的DEM 加入流向工具中进行流向分析，流向工具输出的值是范围介于1–255 之间的整型栅格。将流向栅格数据加入流量计算工具中，计算得到每个象元累计流量的栅格，由流入每个下坡象元的所有象元的累积权重决定。

（2）流域边界提取

新建矢量点图层，将罗玉沟小流域左家场观测测桥的位置定为全流域的汇流点，使用分水岭工具计算流域分水岭，得到罗玉沟流域边界矢量图层。

（3）边界验证

通过罗玉沟流域DOM 和已有地形图进行比对，修改局部不合理的偏离之后，得到罗玉沟流域矢量边界。

1.3.4 土地利用/水土保持措施数据提取

两期影像获取的时间不同，两期影像的解译时间也不同，但均为人工解译的方式，采用了相同的土地利用、水土保持措施分类标准进行解译。影像解译采用人工解译，在ArcGIS 环境下进行解译，解译过程参考外业建立的解译标志数据，根据土地利用分类表进行图斑勾绘，对于梯田、坡耕地的判定参考DEM 数据的高程信息进行。第一期2013 年的卫星遥感影像为2.1 m 分辨率，共解译图斑1259 个，第二期2016 年航摄遥感影像为0.2 m 分辨率，共解译图斑7250 个。

（1）解译标志建立

在解译前期根据土地利用、水土保持措施分类表上的分类对影像上的地物建立解译标志，两期影像解译时分别建立了解译标志，共建立解译标志150 余个，包括了土地利用和水土保持措施分类当中的各个分类。

（2）影像解译

①人机交互解译

进行目视解译的一般由水系、道路入手，根据水系的位置和流向确定分水岭和流域范围，从而判读区域的高低地势。其次进行平地和山地、林地和耕地的划分，分辨出大地貌单元；然后进行居民点和道路的判读，将自然景观和人文景观划分开来；最后进行水土保持措施、土地利用、植被覆盖度等专业判读。在室内判读时，要记下难点和疑点，做为后期成果图斑验证的考虑区域。解译判定原则如下：

充分使用标志点信息原则：

野外调查建立的标志点信息和照片是图像解译的最可靠依据，影像解译人员均参加外业调查工作，在了解野外现场情况的基础上，并依照标志点信息才能对影像解译做出客观正确的判读。

综合判定原则：

图像解译应从整体到局部、从已知到未知、从宏观到微观。观察影像上的各种地物影像特征，然后将所观察的各种现象，进行“由表及里”，“由此及彼”的综合分析研究，进而判明地物的性质和类型。

②成果拼接

当所有解译人员完成分幅解译工作并经检查合格后，则进行拼接工作。拼接工作是将分幅解译成果通过合并相邻两幅图邻接图斑的方式，使两幅解译成果叠合成为一幅图的过程，最后整个项目区的解译成果将集合在一幅图上，以便进行后续数据统计工作和成果提交。

③解译精度要求原则

解译图斑属性的判对率大于90%。

图斑边界线的走向和形状与影像特征允许误差控制在3 个象元内。

矢量数据的最小图斑面积依据遥感影像空间分辨率大小确定，最小图斑面积对应的实际地物面积应不小于0.1 hm2，多边形无重叠、无空隙，图斑属性无空置或冗余。

1.4 下垫面调查报告编制

1.4.1 调查主要内容与技术路线

（1）调查主要内容

①本次调查范围为罗玉沟沟口径流站以上的罗玉沟流域范围，面积72.79 km2。

②流域土地利用现状。包括农地、林地、园地、草地、道路、居民点、滩涂、未利用地等分布与面积。

③水土保持措施数量及质量。包括工程措施、植物措施的数量、质量及其分布。其中植物措施又包括乔木林、灌木林、草地、果园等；工程措施包括梯田、淤地坝等，以及沟头防护工程、水窖、涝池等小型蓄水保土工程。

④社会经济情况。包括人口、经济收入等情况。

（2）技术路线

罗玉沟流域土地利用（水土保持措施）现状采用无人机航拍技术，采用航片影像解译与外业调绘相结合的方法进行，即在无人机航片影像解译的基础上，以解译后的影像为底图，然后采用实地勘查、测量、勾绘等逐图斑核实土地利用类型（水土保持措施）。

流域社会经济情况采取查阅乡镇统计资料为主，对个别可入村核实，同时对小型蓄水保土工程，如沟头防护工程、水窖、涝池进行调查。沟道治理工程可根据实际情况逐个进行现场勘测调查。

（3）前期准备工作

制定罗玉沟流域水土保持下垫面调查技术路线，明确采用无人机航拍影像解译和人工现场调绘相结合的方法开展罗玉沟流域水土保持下垫面调查工作，流域内社会经济情况以查阅乡镇统计资料为主，个别可入村调查核实。安排调查人员和调查时间。

1.4.2 外业调查

（1）调查方案

采用全流域覆盖调查方法，以解译后的影像图为底本，采取外业实地勘查、测量等方法逐图斑进行核实土地利用类型及面积。在外业实地调查前，先对影像进行普查，确定调查路线，最终所走路线能覆盖调查的整个流域，且将流域内典型地物和解译时不确定的土地利用类型标注出来，作为外业调查时的重点对象。

（2）现场调查

沿事先确定的路线逐图斑进行核实，人工现场目测，确定土地利用类型，若影像图斑解译结果与实际观测不符时，现场丈量，对图斑进行边界、类型的修正、勾绘。同时，并详细记录标志点的坐标、地貌类型等信息，以作为内业修正时的基础依据。此外，采用走访、收集各类统计资料的方法，调查流域内的社会经济情况。

1.4.3 内业处理及成果

当天将外业调查记录内容进行整理，并对先前解译的图件进行修正，逐日累计修正。利用统计与分析相结合的方法获取土地利用类型；分类统计水土保持措施的数量。将收集的流域社会经济状况资料统计成表。所有内业处理完后整理出图并完成报告编制。

2 数据样本描述

本数据集涉及的调查范围为罗玉沟沟口径流站以上的罗玉沟流域范围，主要内容包括：

（1）流域土地利用现状。包括农地、林地、园地、草地、道路、居民点、滩涂、未利用地等分布与面积。（2）水土保持措施数量及质量。包括工程措施、植物措施的数量、质量及其分布。其中植物措施又包括乔木林、灌木林、草地、果园等；工程措施包括梯田、淤地坝等，以及沟头防护工程、水窖、涝池等小型蓄水保土工程。（3）社会经济情况。

本数据集由两套tif 格式的文件、三套shp 格式的文件、一套pdf 格式的文件组成，具体见表1。

表1 罗玉沟流域下垫面调查数据内容

以2016 年流域土地利用现状为例：

依据GB/T 21010-2007 土地利用现状分类的要求，将土地类型分为8 个大类，根据实地调查修正后的影像图斑，每种地类附一个综合编码，根据土地类型分类统计各个土地类型的面积，最终实际调查土地利用结果见表2，航拍影像解译见图3。

图3 罗玉沟流域2016 年土地利用/水土保持措施图

表2 罗玉沟流域2016 年土地利用现状表

3 数据质量控制和评估

3.1 解译质量控制

质量控制主要是解译过程中的检查与修改工作，即主要对分幅解译过程和解译成果进行质量控制。解译过程中的检查主要分为解译中检查和分幅解译成果检查。

（1）解译过程检查

解译中检查主要是在解译人员开始解译不久进行检查，此时主要检查图斑勾绘时线条是否合格，解译思路、解译技术方法是否正确，及时针对问题提出改正意见。

（2）分幅检查

分幅解译成果检查是通过对每一幅解译成果进行全面检查，包括拓扑错误检查、属性表字段属性检查、图斑面积限定检查、图斑界线检查，图斑赋码正确性检查，通过解译人员自查、项目组长对成果进行复查，对不合格的分幅成果提出书面修改意见，限定时间返回修改，对合格的成果进行数据整理。

3.2 精度控制

为保证所用的资源三号卫星影像及航摄遥感影像具有较高的准确度，在野外调查测量中结合影像中的特征点选取了16 个地面控制点，并用高精度GPS 进行准确定位。然后用这些地面控制点对影像融合后图像做几何校正，几何校正系数采用最小二乘法计算，象元重采样采用最邻近法，校正误差控制在一个象元内。

在罗玉沟对土地利用现状进行实地调查，采集野外数据从而对初期遥感解译的结果进行核查修正（特别是对解译过程存在疑点的位置或地物类别进行专门的野外采集与检验）。同时，借助其他辅助资料反复对比和分析，并咨询对该流域熟悉的专家进行核实，以确保解译的精度。

在植被调查中使用植被指数法直接估算植被覆盖度，调查选择使用Normalized Difference Vegetation Index（归一化植被指数，以下简称NDVI）。为了准确地估算植被覆盖度和对计算结果进行精度验证，进行了野外实地调查，对每种植被覆盖度类型都选取多块样地，并通过手持GPS 进行精确定位，对其植被覆盖度进行实地测定，测定方法采用照相法与目估法相结合的方法。

针对实测数据与相应的计算值，计算罗玉沟各样地估算值的误差，然后对误差取绝对值后进行统计（表3）。使用NDVI 进行罗玉沟植被覆盖度估算，三种植被类型的平均误差为19.69%，植被覆盖度的计算精度为80.31%。因此，采用NDVI 作为植被指数进行植被覆盖度的计算结果的精准度是可以保证的。

表3 罗玉沟流域植被覆盖度计算误差分析

3.3 野外验证

解译成果完成之后，开展野外验证工作，通过实地对照解译成果检查的方式提高成果的质量。罗玉沟小流域总面积72.79 km2，流域形状呈羽毛状，南北两边分水岭上均有道路，沟谷中也有道路，便于野外验证。2013 年影像解译后验证了所有图斑，正确率大于95%，2016 年影像解译成果共验证了2000 余个图斑，占总图斑数量的近30%，正确率也大于95%，成果质量较高。

4 数据价值

本数据集阐明了罗玉沟流域下垫面、土地利用现状等情况及其变化，为水土流失规律研究、水土流失原型观测提供了重要依据。本数据的生产为遥感解译结合野外实际勘察的方式进行，调查过程中选取了足够多的具有典型性的野外控制点，结合采集的野外数据对初期遥感解译的结果进行多次核查修正，同时，借助其他辅助资料反复对比和分析，保证了数据的精度。