基于GoogleEarth影像的漓江水系形態特征提取與分析

陸丁滒， 吳虹， 郭琪， 陳夢杰

(1.桂林理工大學地球科學學院遙感應用研究所， 桂林　541004； 2.河南省地質礦產勘查開發局第三地質勘察院， 洛陽　471023)

基于GoogleEarth影像的漓江水系形態特征提取與分析

陸丁滒1， 吳虹1， 郭琪2， 陳夢杰1

(1.桂林理工大學地球科學學院遙感應用研究所， 桂林541004； 2.河南省地質礦產勘查開發局第三地質勘察院， 洛陽471023)

摘要：為獲取漓江流域水系的空間分布和水系形態特征，以Google Earth影像為數據源，采用人機交互目視解譯法提取了流域內的水系形態特征信息，編制了漓江流域水系分布圖。通過對水系的等級、密度、分支比、各級水道長度以及交匯角等特征信息進行統計，定量化地展示了漓江流域水系的形態特征； 在此基礎上進行水系形態特征的控制因素分析，認為地層與斷裂構造是控制漓江流域形態的重要因素，人類活動對漓江流域水系形態的影響正在日漸增強。該研究成果為漓江流域的綜合治理提供了科學依據，深化了漓江流域的地貌研究。

關鍵詞：Google Earth； 漓江流域； 水系特征； 信息提取； 控制因素

0引言

漓江是珠江水系在桂北地區的重要支流，流經由加里東期花崗巖、中生代碎屑巖和碳酸鹽巖地層構成的斷裂構造發育區，形成了獨特的巖溶-河流組合地貌。21世紀之前，對漓江的研究主要集中于主干流的水資源與水環境方面，而對水系地貌特征的研究較少。根據流域地貌理論，水系地貌特征包括水道級別與流域級別、水道分支比、水道數量、水道平均長度、水道總長度、水道縱比降、水道交匯角、水道形態、水道流量和流域面積等28項指標[1]。漓江流域分布范圍廣，形態與地形復雜，交通不便，依靠地面調查方式去獲取這些地貌指標信息較為困難。高分辨率衛星遙感以其廣視域、大信息量、精定位、同步和重復觀測的巨大優勢，使開展這一研究工作成為可能。2000年以來，采用遙感手段研究河流地貌已得到廣泛應用。王磊等[2]采用GIS技術實現了從DEM獲取黃河源地區各級水系長度、數目、密度及流域面積等參數； 李棟梁[3]結合形態學理論，利用TM影像的多光譜信息提取了洛河流域主水系； 劉昱恒等[4]使用基于DEM數據的J&D算法及基于輔助數據的AGREE方法，完成了對潦河流域水系河網的提取。近年來，專門針對漓江水系地貌的研究也有了一定的進展，吳虹等[5]通過對3期Landsat5/7TM、ETM+遙感影像的信息提取、模式識別和實際調查，獲得了漓江流域的植被總量、城市化面積和水質變化等信息； 秦潤君等[6]采用QuickBird-2和P6衛星數據對漓江自然地貌破壞現狀進行了調查； 郝敏[7]基于資源三號衛星(ZY-3)數據對漓江河床水深反演開展了研究。到目前為止，已開展的漓江水系地貌研究多從植被、土地利用等地理要素著手，水系形態特征分析較少，且未從整體上對漓江水系形態的地質控制因素開展過專題研究。為此，本文以GoogleEarth影像為數據源，在MapGIS軟件的支持下，重點對漓江流域水系形態的水道級別、水系密度、水道分支比、各級水道長度和水道交匯角5個特征信息進行提取，分析水系空間形態展布的控制因素，為漓江的綜合治理提供科學依據。

1水系形態特征

水系作為宏觀的流域地貌組合[8]，一般由主干流和支流河道組成。本文主要對漓江流域的水道級別、水系密度、水道分支比、各級水道總長度和水道交匯角等5種特征指標進行研究和信息提取。

1)水道級別。水道級別是按水系中河道的承繼和匯流關系劃分的水道等級。對水道級別的劃分，目前國際上較受推崇的是Strahler水道級別劃分法，即將位于明顯谷地水流線以內的所有間歇性和永久性水道稱為第1級水道，由2個1級水道匯流組成的新水道稱為第2級水道，匯流了2個2級水道的則稱之為第3級水道，依次類推，最終將整個流域的河網水系劃分完畢[9]。

2)水系密度。水系密度表示該地區水系分布的密集程度。在地學領域，計算河網水系密度有2種方法： 一種是通過計算單位面積內河段的總長度來表示，即線密度； 另一種是通過計算單位面積內河段的總面積來表示，即面密度[10]。線密度法的計算公式為

D=∑L/∑A，

(1)

式中： D為最終計算出的河網水系線密度； ∑L為一定面積內河流的總長度； ∑A為總面積。

3)水道分支比。水道分支比是某一級水道的數目與比其高一級水道數目的比值，即

(2)

式中： r為分支比； nx為第x級水道的數目； nx+1為第x+1級水道的數目。

4)各級水道總長度。各級水道總長度即某級所有水道長度之和。在劃分了水道級別之后，各級水道總長度便可計算出來，其公式為

(3)

式中： Lu為第u級水道的總長度； n為第u級水道的數目，i=1,…,n； lui為第u級中第i條水道的長度。

5)水道交匯角。水道交匯角是指2條水道交匯時形成的角度大小。Horton[11]認為2條水道的交匯角與水道縱比降及地表坡度有以下關系

(4)

式中： Z為2條水道的交匯角； Sc為老水道的縱比降，(°)； Sg為新水道發育于其上地表的平均坡度。

2研究區概況

漓江發源于廣西壯族自治區興安縣華江鄉貓兒山東北面海拔1 732m(黃海基面)的老山界南側，越城嶺主峰貓兒山東麓，由北向南流經桂林市轄區及興安、靈川、臨桂、陽朔、平樂6個縣市，漓江水系由漓江干流與12條次級支流組成，屬復合型水系，干流全長214km。流域范圍為E109°45′18″～111°2′24″，N24°15′28″～25°54′42″，面積約10 733km2，流域內多巖溶峰林和中低山丘陵地形(圖1)。

圖1　漓江流域干流及12條次級支流TM假彩色

3研究方案

以GoogleEarth平臺提供的衛星遙感影像為數據源。具體研究方案流程如圖2所示。

圖2　研究方案流程

首先，采用MapGIS對獲取的影像進行預處理，主要包括影像裁剪、拼接、格式轉換、幾何糾正、投影變換和重采樣等； 其次，采用人機交互目視解譯矢量化法，提取漓江水系形態信息，根據Strahler水系分級原則，對提取的水道進行分級，在此基礎上開展統計分析，統計內容包括各級水道數目、長度、分支比、交匯角和水系線密度等； 最后，結合研究區地質圖，從巖性、斷裂構造及人類活動的角度分析漓江水系形態的控制因素。

4漓江水系形態特征提取

本文使用的GoogleEarth影像分辨率從0.61m到100m不等，其中，桂林市區有QuickBird影像覆蓋，分辨率達0.61m，可以滿足本次研究的需要。基于GoogleEarth數據，采用目視解譯法進行漓江水系特征提取與分析。預處理步驟如下：

1)影像裁剪和拼接。利用GetScreen軟件進行，研究區長度設置為2.2km，控制單次圖片拼接數量在800張以內。

2)幾何精糾正。為了使解譯結果更準確，以研究區1∶10萬地形圖為基準，利用MapGIS6.7軟件對所獲取的影像進行幾何糾正，并將其作為研究區工作底圖。

3)建立水道線文件。根據遙感解譯原則，建立解譯標志與水道信息分類編碼，矢量化水道。提取的漓江水系河網如圖3所示。

圖3　漓江流域水系形態信息提取結果

4.1水道分級信息提取

在解譯出漓江水系分布的基礎上，采用Strahler水道分級法對水道進行級別劃分。經統計，漓江流域內共有1級水道403條，2級水道75條，3級水道26條，4級水道4條，5級水道1條，其中，漓江水系干流為第5級水道。

4.2水系線密度信息提取

采用公式(1)對漓江水系進行線密度計算。在線密度計算時，用2km×2km的格網對河網矢量數據進行網格化，統計各單元網格內水系的總長度，利用長度和網格面積計算出線密度值，最后將計算結果導入Surfer軟件，繪制出的水系密度圖見圖4。

圖4　漓江流域水系密度圖

通過圖4可以發現，漓江上游水系密度較大，密度值范圍為30～90km/km2，下游水系密度較小，密度值范圍為5～30km/km2。

4.3相鄰水道分支比信息提取

根據公式(2)，結合各級水道數目，計算出漓江水系相鄰2級水道的分支比(表1)。

表1　漓江水系水道分支比

從表1中可以看出，在漓江流域，各級水道之間的分支比有較大差異。這是由于流域內不同的自然地理條件造成的。

4.4各級水道總長度信息提取

在MapGIS6.7 軟件屬性庫管理中可以查詢線段的長度，根據漓江水系分布和分級結果，經統計計算漓江各級水道總長度見圖5。

圖5　漓江水系各級水道長度

從圖5可以看出，除第5級水道——漓江干流外，隨著水道級別的上升，漓江水系支流總長度呈減少的趨勢。

4.5各級水道交匯角信息提取

本研究將相應級別的水道交匯角度劃分為對應級別的交匯角，考慮到低級水道可直接匯入更高級的水道，故在劃分此類交匯角時，以低級水道對應的級別作為交匯角的級別。經過統計，漓江水系各級水道平均交匯角見表2。

表2　漓江水系各級水道平均交匯角

從表2中可以看出，漓江水系各級水道呈近垂直狀交匯，這表明漓江各級水道的縱比降與地表平均坡度相差較大。

5控制因素分析

根據桂林市1∶20萬區域地質圖，結合漓江水系密度特征，主要從地層、斷裂構造以及人類活動的角度對控制漓江水系形態的因素開展分析。

5.1地層因素

第四紀以來，漓江流域地殼主要以上升為主，出露地層主要有寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系和第四系。筆者基于桂林幅1∶20萬區域地質圖，提取出流域內主要巖性信息，同時選取靈川、桂林、陽朔3個地面點作為控制點，并結合漓江水系密度圖將二者等比例疊放在一起，如圖6所示。

圖6　漓江流域水系密度和地層分布

從圖6可以看出，漓江流域內的地層分布以大圩鎮為界，可分為北、南2個部分，大圩鎮以北地層主要走向大致為NE向，以南則以NW向為主，與漓江整體水系形態展布由下游的NW向到上游逐漸轉變為NE向一致，說明本區的地層格局對漓江流域水系形態的展布與發展影響明顯。此外，在漓江流域北部，巖性變化由最初的加里東期花崗巖到砂、頁巖，到司門前—溶江段的頁巖、泥質灰巖和白云巖，再到溶江—靈川段的白云質灰巖、泥質灰巖、灰巖和砂巖，具有巖石硬度逐漸降低，抗風化能力逐漸減弱的趨勢； 上游水系形態表現為徑流發育，支流繁多，巖石的透水性能差，容易被流水侵蝕，所以水系密度值大。流域南部的巖性為大圩—楊堤段的灰巖、泥質灰巖，以及下游的楊堤—陽朔段的泥質灰巖、灰巖，其巖性差異較小，故下游水系形態表現為地表徑流發育程度不高，地形坡度較小，巖石堅硬且透水性能好，水系長且疏，少有支流發育，所以水系密度值較小。

5.2斷裂構造因素

在現代構造運動明顯和活斷層附近地區，水系形態的發展主要受構造活動的控制[12]。筆者將漓江流域地質圖中的線性斷裂構造信息單獨提取出來，以靈川、桂林、陽朔3個地面點作為控制點，等比例疊放在漓江流域水系線密度圖上，如圖7。

圖7　漓江流域水系密度和斷層構造分布

從圖7可以看出，在老人山以北地區分布的斷裂自北向南，主要為NNE向的資源斷裂、SN向的龍勝—永福斷裂、NE向的桂林—來賓斷裂，整體上斷層方向有從NE向到NNE向再到SN向的逆時針轉動趨勢。漓江流域水系高密度帶呈NE向展布，并且自北向南由NE向向NNE向逐漸轉變，這與該地區的斷裂構造方向一致。老人山以南地區，分布的斷裂帶有觀音閣斷裂和白石斷裂，整體由南及北呈NW向、NNW向再到SN向的順時針轉動趨勢。雖然該區水系密度較低，但其展布趨勢依然明顯，整體為由陽朔—遇龍河一帶的NW向陽朔—楊堤—奇峰鎮一帶的NNW方向轉動，這依然與該地區的斷裂構造方向一致。

5.3人類活動因素

水系形態的展布除了受巖性、構造等自然地質因素的影響外，還在人類開發利用流域內自然資源以及抗擊自然災害的過程中，不斷地被人為活動改造。早在2 200多a前，秦王朝出于統一中國政治和軍事行動的需要，鑿建了現今位于興安縣境內的靈渠。改革開放近40a以來，隨著桂林城市化進程的加速及自然資源的過度開發利用，人類活動對漓江流域的主觀改造日益明顯，這在一定程度上都影響著漓江水系的自然形態。

根據上文解譯得到的水系形態信息，以司門前鎮為起點，每隔2km取1個干流水道寬度值，可得到漓江干流寬度變化趨勢，如圖8所示。

圖8　漓江干流寬度變化趨勢(作圖縱橫比例尺為1∶200)

從圖8可以看出，漓江上、中、下游的河流寬度值范圍差異較大。在漓江上游，由于匯入的支流不多，河流水量少，表現為主流寬度較窄，最窄僅40m左右。到了河流中游地區，由于有多條支流的匯入，河流的寬度明顯增大，并且由于存在規模比較大的江心洲，使河流的寬度范圍存在幾十m到200多m不等的變化。在距源頭60km附近，由于桂林市及靈川縣的城市用水，使河流水量急劇減少，河流寬度開始出現減小趨勢； 隨著距離河流源頭越來越遠，河流的動能減少，河流寬度在下游地區漸趨穩定； 距源頭140km以后，由于流域水量的不斷匯聚，主干道又逐步變寬。

為了解決城市用水導致漓江水量急劇減少的問題，桂林市政府提出了枯季補水方案，先后分3期完成。第一期修建青獅潭水庫，第二期修建斧子口水庫、川江水庫和小溶江水庫，第三期則主要保持水面景觀。目前，第一期青獅潭水庫已建成并投入使用，其年內調節能力對緩解漓江的枯水徑流問題具有積極的作用[13]。但是，由于水系形態的變化和人類活動都具有動態的不穩定性，目前人類活動的影響主要表現在對河道的改造方面，它的影響既有積極的作用，又有消極的作用。因此，漓江流域水系形態的展布、發展與演變是一項需要長期觀察研究和對比分析的課題。

6結論

本文基于GoogleEarth影像，綜合運用遙感和GIS技術解譯提取了漓江流域的水系形態特征信息。

1)利用MapGIS軟件完成了對漓江流域水系形態信息的提取，獲得了漓江流域水系分布圖，可作為下一步研究的基礎數據。

2)通過對水系等級、支流數目、水系密度、分支比、交匯角和水道長度等信息的統計，認為漓江流域為5級水系，流域內共有大小河道509條，流域北部水系密度較大，密度值范圍為30～90km/km2，南部水系密度較小，密度值范圍為5～30km/km2； 流域內各級水道呈近90°交匯，整個水系總長度為1 946.63km。

3)通過分析漓江流域水系形態的控制因素，認為地層與斷裂構造對其形態的控制較為明顯，人類活動對漓江流域自然地貌的影響也日益顯著，漓江流域的綜合治理已刻不容緩。

需要指出的是，自然形成的水系是由多種因素共同控制和影響的，本文僅從地層、斷裂構造及人類活動的角度分析漓江水系形態的控制因素，分析結果有一定的局限性； 此外，GoogleEarth影像自身存在分辨率的差異，在一定程度上也影響了解譯的精度，這些問題有待于在今后的研究中進一步完善和解決。

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(責任編輯： 陳理)

FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage

LUDingge1,WUHong1,GUOQi2,CHENMengjie1

(1. Guilin University of Technology Remote Sensing Institute， Guilin 541004， China; 2. The Third Geological Prospecting Institute of Geology and Mineral Resources Exploration Development Authorities， Luoyang 471023， China)

Abstract:In order to obtain the river system space distribution and river system feature information of the Lijiang River Basin, the authors, with Google Earth images as information source and by using the method of man-machine interactive visual interpretation, extracted basin river system configuration information and compiled water distribution map of Lijiang River basin. On the basis of information extraction and statistics of such factors as the water level, drainage density, stream tributaries branching ratio, length, and intersection angle, the morphological characteristics of Lijiang River Basin system was quantitatively demonstrated. An analysis of control factors based on river system morphology characteristics revealed that the strata and faults are the important controlling factors of Lijiang River morphology, and that the influence of human activity is growing. The research results provide objective scientific basis for the Lijiang River comprehensive control and treatment and also fill the blank in the study of the Lijiang River basin landform.

Keywords:Google Earth； Lijiang River basin; drainage characteristics; information extraction; control factor

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.25

收稿日期：2014-10-23；

修訂日期：2014-12-11

基金項目：國家科技支撐計劃項目“漓江流域遙感動態監測與應用示范關鍵技術”(編號： 2012BAC16B01-2)和廣西科技廳科技攻關項目“漓江流域生態環境保護與可持續發展研究”(編號： 桂科攻1298006-1)共同資助。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0161-07

第一作者簡介：陸丁滒(1986-)，男，碩士研究生。主要從事遙感技術與應用方面的研究。Email： ldg8677@163.com。

通信作者：吳虹(1947-)，教授，博士研究生導師。Email： wuhong@glut.edu.cn。

引用格式： 陸丁滒,吳虹,郭琪,等.基于GoogleEarth影像的漓江水系形態特征提取與分析[J].國土資源遙感,2016,28(2):161-167.(LuDG,WuH,GuoQ,etal.FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):161-167.)