基于CORS-RTK結合GIS的崩崗侵蝕調查方法及應用

張鐵洋，陳峰云，鄧羽松，杜 赟，丁樹文，王天巍

(1.華中農業大學 資源與環境學院，湖北 武漢 430070； 2.漢口學院，湖北 武漢 430070)

崩崗是指在水力和重力作用下山坡土體或巖體風化殼受破壞而崩塌和堆積的侵蝕現象，其毀壞農田和基礎設施，對生態環境破壞巨大[1]。崩崗侵蝕調查的目的，是為制定合理的預防措施和治理規劃提供必要的科學依據，其主要內容是查明崩崗的分布、范圍、類型及影響崩崗發育的諸多因素[2]。崩崗的崩壁高差和傾角較大，給崩崗侵蝕的調查造成了很大困難[3-4]。傳統的崩崗侵蝕調查方法主要是人工調查法，多采用1∶10 000地形圖作為底圖，現場勾繪崩崗的位置與形態，往往需要投入較多的人力、財力、時間，且受主觀影響較大[5-6]；使用全站儀測量需要測量點與儀器的通視，影響了測量點的選取和測量效果；三維激光掃描技術通過掃描物體表面獲得高精度的數字地面模型，具有高效率、高精度的獨特優勢，但易受植被遮擋影響結果的準確性[7]；航片解譯方法中多數航片比例尺偏小，分辨率達不到要求，需與地面監測數據進行驗證校準，而高分辨率影像價格昂貴、成本高。

RTK(Real-Time Kinematic，實時動態)技術是一種使用載波相位差分技術，通過移動站與參考站之間觀測誤差的空間相關性，采取差分方式除去移動站觀測數據中存在的誤差，最終實現高精度定位的技術，可在作業范圍內進行精度為厘米級的精確測量[8-9]。在測量條件上，RTK技術需要電磁波通視，相比傳統測量需要保證兩點之間做到光學通視，氣候、能見度及環境對RTK技術的限制作用較小[10]。多基準站RTK技術的基礎是建立多個GPS基準站連續運行衛星定位導航服務系統(Continuously Operating Ref-erence Stations，CORS)，在移動站附近幾米到幾十米建立一個虛擬參考站，實現實時定位，從而獲得高精度的定位結果[11]。與常規RTK相比，CORS-RTK的覆蓋面廣，定位精度高，可靠性更強。目前CORS-RTK技術主要應用于城市建設、地形測量，將其與GIS空間分析方法相結合的研究成果較為少見。本研究以湖北省通城縣楊壟小流域崩崗為研究對象，應用CORS-RTK開展野外測量獲得崩崗數據，利用ArcGIS軟件對數據進行分析，提取崩崗的各要素并獲得楊壟小流域崩崗分布情況。

1 研究對象與方法

1.1 研究區概況

通城縣位于湖北省東南部，湘、贛、鄂三省交界的幕阜山北麓，地跨113°36′～114°04′E、29°02′～29°24′N，全縣土地面積1 172 km2，屬北亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，光照適中，雨量充沛，多年平均溫度在19 ℃左右。通城縣水土流失嚴重，崩崗分布廣泛，楊壟小流域就位于崩崗發育密集的通城縣，流域內多低山丘陵，植被以人工林為主，土壤類型為棕紅壤，母質為花崗巖，結構松散[12-13]。

1.2 測量方法

本研究采用南方測繪公司生產的靈銳S82T進行測量，該儀器是基于CORS的網絡RTK，性能優越，適宜開展高精度野外作業。為避免后期坐標系統轉換的麻煩，在RTK上設置固定用北京54坐標系統測量。

(1)崩崗測量。測量時，應根據崩崗的地形特征在崩壁、溝道、內壁、外壁等主要位置采集能反映其形態的特征點信息，同時需注意采集崩崗體邊界線及主溝等地形特征線信息，進而建立能反映其地形變化特征的DEM，方便提取崩崗要素。在測量順序方面，應先從崩崗的溝頭開始，沿著崩壁和集水區邊界采集數據，再在崩崗內側和崩壁間選取特征點進行測量，這樣可以避免遺漏某些位置。對于可以反映崩壁高度、主溝長度、溝口寬度的測量點，需特殊標記，方便后期數據處理。崩崗測量的范圍應超過崩崗邊界以增大DEM的精確度。在測量密度上，根據地勢的起伏布設不同密度的采樣點，在崩崗地勢起伏較大的地方增加測量密度，以更好地反映地形的細微變化；在地形變化平緩的地方可以減小測量密度[14-15]，以減少數據冗余，提高測量效率。

(2)流域范圍測量。該項工作的目的在于獲知流域內崩崗的分布情況，使崩崗調查結果更加形象化。沿流域邊緣每隔一段距離布設1個測量點，利用RTK獲得點位坐標數據，布設時應盡量選取能反映流域地形、范圍變化的點，同時根據地形情況適當增加或減小測量點的間距和密度，最終得到流域范圍。

1.3 數據準備

(1)將測量數據導入Excel。本研究所用的數據均為RTK測量所得。打開Excel，選擇導入外部數據，選定需要導入的測量成果坐標文件(*.dat)，分隔符選擇逗號。

(2)剔除誤差較大點。保留固定解，單點解和差分解(點存儲狀態為5、6)剔除，浮點解(點存儲狀態8)平面精度大于1 的剔除。

(3)生成Shipfile文件。在ArcMap中打開Excel表格，選擇Display XY Data，選擇X、Y字段數據，選定坐標系統Beijing 1954 GK Zone 19N.prj，在生成的臨時圖層中選擇Export Data輸出數據，生成Shapefile文件。

1.4 生成崩崗DEM

(1)圖形編輯。在ArcCatalog中新建線圖層，選擇與點圖層相同的坐標系統。打開編輯器工具，對線圖層進行編輯，連接相應的點即可得到外壁線、內壁線等要素的形狀。在編輯前，可以用Snapping工具對點跟蹤，這樣得到的圖形會有更高的精確度。面圖層的編輯方法相同。

(2)空間插值。空間插值是將離散點的測量數據轉換為連續的數據曲面的方法。克里金插值屬于空間局部插值法，是在有限區域內對區域化變量的取值進行線性無偏估計的一種方法。本研究根據RTK測量所得點數據的分布情況，以及對多種插值方法結果進行比較，最終選用了克里金插值法。在ArcToolbox中打開3D Analyst模塊，選擇Interpolate to Raster，利用克里金插值方法對點數據插值，即可生成一幅矩形DEM圖，其中柵格單元大小保留一位小數點，便于后面進行數據分析。

(3)裁剪。由于空間插值得到的是以點數據分布為邊界的矩形柵格數據，為展現崩崗輪廓，需對插值得到的柵格數據進行裁剪。在ArcToolbox中選擇Data Mana-gement Tools，在下拉列表中點擊Raster，選擇Raster Processing中的clip工具裁剪插值出的崩崗柵格數據，其中裁剪模板為之前建立的矢量面圖層。

(4)建立等高線。等高線可以形象地展現出崩崗表面地勢的起伏變化。打開3D Analyst模塊，選擇Surface Analysis，點擊Contour，輸入裁剪好的柵格數據，即可生成等高線。要注意選取合適的間距以控制等高線的疏密。

(5)排版整飾。為形象地展現崩崗的結構，對得到的崩崗柵格數據排版整飾，生成崩崗DEM圖。點擊顯示區域左下角的頁面按鈕，切換到版面視圖(layout view)下，通過Insert菜單添加標題、圖例、指北針、比例尺等地圖元素，適當調整大小、位置，再選擇恰當的顏色顯示崩崗高程的變化。添加好這些地圖元素并輸出，即可完成一幅DEM圖。

1.5 崩崗參數的提取

(1)崩崗面積。崩崗面積是指發生坍塌的垂直投影面積。打開編輯器工具，按外壁線將面圖層裁剪，在崩崗面圖層的屬性表中將裁剪后得到的崩崗侵蝕部分的圖斑字段命名為area，注意設置字段屬性為浮點型。選擇該字段右擊，選擇Calculate Geometry，在property下拉菜單中選擇area字段 ，即可得到崩崗面積。

(2)崩壁高度。先加載外壁線與內壁線的點圖層，再在外壁線和內壁線上選取測量時作為崩壁高度的測量點，計算兩點之間的高程差即可得到崩壁的高度。

(3)主溝長度和溝口寬度。使用工具條中的測量工具，連接測量時作為主溝長度的測量點即可得到主溝長度，溝口寬度測量也按此方法。

(4)主溝坡降。根據主溝高程差和長度的比值，通過反正切計算坡降。

(5)崩崗的坡度、坡向。根據崩崗的DEM圖所表達的信息，分別選取崩壁上的最高點和崩崗口的最低點，將兩點連成一條線，該直線與水平方向的夾角為崩崗的坡度，直線的投影與正北方向的夾角為崩崗的坡向。

2 調查結果

從崩崗調查結果可以看出，利用ArcGIS軟件生成崩崗DEM，并結合GIS空間分析，可以定量地得到崩崗各要素，包括崩壁高度、主溝長度、坡度、坡向等，同時各要素精度可達厘米級，滿足崩崗測量數據精度的要求。利用該技術調查崩崗，建立的DEM質量是整個研究的關鍵。由于DEM質量主要受選取的測量點影響，因此在測量之前要對崩崗有一定了解，依據實際情況選取諸如能反映崩壁高度、主溝長度等要素的特征點，根據地形控制好測量點密度，才能得到高精度的調查結果。

研究區崩崗調查結果見表1、圖1。楊壟小流域東西兩側共分布著16個崩崗，崩崗總面積為8 905.32 m2；流域北部崩崗分布較為密集，南部稀疏；不同崩崗有其獨特的形態特征，發育程度各不相同。

表1 楊壟小流域崩崗調查結果

圖1 楊壟小流域崩崗分布

3 結 語

本研究以湖北省通城縣楊壟小流域作為調查對象，利用CORS-RTK技術野外測量獲取該流域內崩崗的地形數據，再用ArcGIS軟件生成崩崗的DEM，結合GIS空間分析方法對數據進行分析，得到了崩崗的要素數據和流域內崩崗分布圖，實現了預期的研究目標。相比其他崩崗調查方法，本研究結果具有直觀、形象、精度高的特點。可見，CORS-RTK測量技術有利于查明崩崗發生的位置、范圍及類型等，對崩崗侵蝕的調查具有重要意義。