基于ENVI和ArcGis的云南省侵蝕模數(shù)圖量算方法

劉 剛，劉陽容，楊林山，林 蕓，房林東，田 帥，李紹平

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3.成都市新都區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)局，四川 成都 610500；4.湘西土家族苗族自治州水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 吉首 416000)

采用侵蝕模數(shù)圖法來推求設(shè)計(jì)流域多年平均產(chǎn)沙量的方法已廣泛應(yīng)用于云南省中小流域水利水電工程泥沙計(jì)算中[1]。采用AutoCAD的傳統(tǒng)云南省侵蝕模數(shù)圖量算方法需以侵蝕模數(shù)圖為底圖，人工手繪侵蝕模數(shù)圖圖斑，并進(jìn)行面積換算，再按照侵蝕類型取對應(yīng)侵蝕模數(shù)，采用面積加權(quán)法計(jì)算流域平均侵蝕模數(shù)，進(jìn)而推求設(shè)計(jì)流域多年平均產(chǎn)沙量。上述方法具有工作量大、耗時(shí)長、易出錯(cuò)、量算成果不能重復(fù)使用且與ArcGis水文分析成果不能有效銜接等缺點(diǎn)。

目前，在設(shè)計(jì)工作中使用的云南省侵蝕模數(shù)圖為柵格數(shù)據(jù)(紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道)，模數(shù)圖坐標(biāo)為大地坐標(biāo)，有75幅之多。設(shè)計(jì)流域泥沙計(jì)算需要水文集水區(qū)劃分成果(流域范圍)作為計(jì)算邊界，量算時(shí)需要單位換算，不便于直接量算。鑒于ArcGis水文集水區(qū)劃分在設(shè)計(jì)中的廣泛運(yùn)用，且侵蝕模數(shù)圖法在云南省使用廣泛，迫切需要提出一種新的方法以實(shí)現(xiàn)云南省侵蝕模數(shù)圖的快速量算，克服傳統(tǒng)方法的諸多弊端，以提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

基于上述原因，本文提出了基于ENVI和ArcGis的云南省侵蝕模數(shù)圖量算方法。本文利用ArcGis對云南省75幅侵蝕模數(shù)圖進(jìn)行處理，制作帶投影信息的云南省侵蝕模數(shù)拼接?xùn)鸥駡D。利用ENVI軟件與ArcGis軟件良好的兼容性，保留侵蝕模數(shù)拼接?xùn)鸥駡D的投影信息，使用ENVI圖像分類以及分類后處理功能對帶投影信息的云南省侵蝕模數(shù)拼接?xùn)鸥駡D進(jìn)行矢量化[2]。侵蝕模數(shù)圖矢量化后因帶有投影信息，能夠與基于ArcGis的水文集水區(qū)劃分成果進(jìn)行疊圖分析，可推求流域(流域范圍全在云南省)多年平均產(chǎn)沙量。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作

基于ENVI和ArcGis的云南省侵蝕模數(shù)圖量算方法，需要利用ArcGis與ENVI軟件對設(shè)計(jì)中常用的侵蝕模數(shù)柵格圖進(jìn)行處理，得到云南省侵蝕模數(shù)矢量圖。因設(shè)計(jì)項(xiàng)目往往分散，為方便工作避免因設(shè)計(jì)流域不同而重復(fù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制備環(huán)節(jié)，本文建議利用ArcGis對云南省75幅侵蝕模數(shù)圖進(jìn)行坐標(biāo)校正、裁剪、拼接以及投影變化等處理，制作帶投影信息的云南省侵蝕模數(shù)柵格拼接圖，再利用ENVI圖像分類、分類后處理等功能制作全云南省侵蝕模數(shù)矢量圖。

a)數(shù)據(jù)制作步驟1。云南省侵蝕模數(shù)圖共計(jì)75幅，每幅成圖比例尺為1∶20 萬。為保證制作的矢量圖具有很高的空間位置精度，建議利用ArcGis軟件的[Georeferencing]工具對每張侵蝕模數(shù)柵格圖進(jìn)行格網(wǎng)逐點(diǎn)校正，使用[Raster]-[Clip]工具裁去侵蝕模數(shù)柵格圖多余邊角，利用[Mosaic To New Raster]工具完成所有柵格數(shù)據(jù)的拼接。侵蝕模數(shù)柵格圖坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)，使用時(shí)需要轉(zhuǎn)化為投影坐標(biāo)，可使用[Project Raster]工具對拼接好的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為云南省水文手冊附圖相同的投影坐標(biāo)系[3]。

b)數(shù)據(jù)制作步驟2。ENVI軟件與ArcGis軟件具有良好的兼容性，可保留侵蝕模數(shù)拼接?xùn)鸥駡D的投影信息。在ArcGis軟件中，將云南省侵蝕模數(shù)拼接?xùn)鸥駡D導(dǎo)出為ENVI可識別的柵格數(shù)據(jù)形式，并利用ENVI遙感軟件對已經(jīng)拼接好的云南省侵蝕模數(shù)圖進(jìn)行監(jiān)督分類[4]。依據(jù)侵蝕模數(shù)圖類別(無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕、劇烈侵蝕、凍融侵蝕、壩子、水體、城市)分別建立訓(xùn)練樣本。使用最小距離分類方法進(jìn)行分類[5]。其中，訓(xùn)練樣本的分離性可采用ENVI中ROI Separability Calculation工具進(jìn)行計(jì)算。分離系數(shù)范圍為0～2，大于1.9表明樣本之間分離性好；小于1.8需要重新選擇樣本；低于1需合并分類樣本。本次云南省侵蝕模數(shù)圖樣本分離系數(shù)中，凍融侵蝕與城市類型分離系數(shù)為0，兩者區(qū)分度較低。可結(jié)合凍融侵蝕分布特點(diǎn)，后期在ArcGis軟件中人工區(qū)分。

云南省侵蝕模數(shù)柵格圖經(jīng)過監(jiān)督分類后，分類結(jié)果會不可避免的出現(xiàn)細(xì)小圖斑，可利用ENVI軟件中Majority/Minority分析、聚類處理(Clump)及過濾處理(Sieve)等功能進(jìn)行處理[6-7]。經(jīng)上述處理后，利用ENVI軟件將分類結(jié)果文件轉(zhuǎn)為ArcGis軟件支持的Shapefile(.shp)矢量數(shù)據(jù)格式，即可得到云南省侵蝕模數(shù)矢量(圖1)。

圖1 云南省侵蝕模數(shù)矢量圖制作流程示意

2 數(shù)據(jù)精度評估

為評價(jià)上述方法制作的云南省侵蝕模數(shù)矢量圖的分類精度，本文借用Kappa系數(shù)進(jìn)行評價(jià)。Kappa系數(shù)是指一種對遙感圖像分類精度和誤差矩陣進(jìn)行評價(jià)的多元離散方法[8]。Kappa系數(shù)計(jì)算基于混淆矩陣，為創(chuàng)建混淆矩陣，綜合考慮評估工作量大小，本文利用ArcGis [Create Random Points]工具隨機(jī)生成200 個(gè)點(diǎn)，并利用云南省侵蝕模數(shù)柵格圖人工賦值真實(shí)侵蝕類型，使用[Spatial Join]工具對隨機(jī)點(diǎn)添加本次制作的云南省侵蝕模數(shù)矢量圖侵蝕類型。云南省侵蝕模數(shù)矢量圖精度評估點(diǎn)位置分布示意見圖2。依據(jù)隨機(jī)點(diǎn)屬性表，通過簡單的統(tǒng)計(jì)即可構(gòu)建混淆矩陣(表1)[9]。

圖2 云南省侵蝕模數(shù)矢量圖精度評估點(diǎn)位置分布示意

一般Kappa系數(shù)計(jì)算值在0.00～1.00之間。其中，0.00～0.20表示分類質(zhì)量差；0.21～0.40表示分類質(zhì)量一般；0.41～0.60表示分類質(zhì)量好；0.61～0.80表示分類質(zhì)量很好；0.81～1.00表示分類質(zhì)量極好[10]。計(jì)算得Kappa系數(shù)為1，表明本次云南省侵蝕模數(shù)矢量圖分類成果質(zhì)量極好，與原侵蝕模數(shù)柵格圖一致，能夠用于設(shè)計(jì)工作中。

表1 云南省侵蝕模數(shù)矢量圖精度評估混淆矩陣

3 量算方法

基于ArcGis的水文集水區(qū)劃分能夠提供流域泥沙計(jì)算邊界，計(jì)算邊界因帶有空間參考信息，可與步驟2制作的云南省侵蝕模數(shù)矢量圖進(jìn)行疊圖分析，進(jìn)而推求流域多年平均產(chǎn)沙量。結(jié)合水文集水區(qū)劃分成果，可使用ArcGis中的 [Clip]工具對步驟2中云南省侵蝕模數(shù)矢量圖進(jìn)行裁剪，可利用[Summary Statistics]工具對裁剪結(jié)果文件按侵蝕類型分類匯總，統(tǒng)計(jì)各侵蝕類型面積。裁剪前設(shè)計(jì)流域與云南省侵蝕模數(shù)矢量圖應(yīng)具有相同坐標(biāo)系，且裁剪后需要更新裁剪成果屬性表的面積字段。

依據(jù)SL 190—2007《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》，土壤水力侵蝕強(qiáng)度共分為6級，分別為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈及劇烈。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，云南省侵蝕模數(shù)圖中城市、水體、壩子無明顯侵蝕類型歸為微度級別，輕度侵蝕類型歸為輕度級別，中度侵蝕類型歸為中度級別，強(qiáng)度侵蝕類型歸為強(qiáng)度級別，極強(qiáng)烈侵蝕類型歸為極強(qiáng)級別，劇烈侵蝕類型歸為劇烈級別。在缺少實(shí)測及調(diào)查侵蝕模數(shù)資料時(shí)，不同級別侵蝕模數(shù)可參考SL 190—2007《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行取值。設(shè)計(jì)中使用的云南省侵蝕模數(shù)圖不同侵蝕類型對應(yīng)侵蝕模數(shù)取值見表2。

表2 云南省侵蝕模數(shù)圖不同侵蝕類型對應(yīng)侵蝕模數(shù)取值

依據(jù)各侵蝕級別面積，結(jié)合表1中不同侵蝕級別對應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)，可依據(jù)式(1)計(jì)算設(shè)計(jì)流域平均侵蝕模數(shù)。依據(jù)計(jì)算得到的流域平均侵蝕模數(shù)采用式(2)計(jì)算得到設(shè)計(jì)流域多年平均產(chǎn)沙量。

Mave=∑Mi·Ai

(1)

SA=Mave·F

(2)

式中Mave——流域平均侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Mi——不同侵蝕類型侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Ai——不同侵蝕類型面積，km2；F——設(shè)計(jì)流域面積，km2；SA——設(shè)計(jì)流域多年平均產(chǎn)沙量，t/a。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1項(xiàng)目區(qū)概況

金龍河位于云南省中西部，屬瀾滄江流域，是瀾滄江一級支流黑惠江的上游段，在匯入劍湖之前稱為金龍河，出劍湖口之后始稱黑惠江。金龍河發(fā)源于麗江市古城區(qū)九河鄉(xiāng)白漢場羅鳳山，先后流經(jīng)九河、三河、梅園、金龍、金星等地，于金華鎮(zhèn)柳營村附近匯入劍湖。金龍河流域面積674.1 km2，河長40.6 km，河道比降3.7‰。下文將以此流域多年平均產(chǎn)沙量計(jì)算為例說明本方法的實(shí)現(xiàn)過程。

4.2量算過程

本文以金龍河流域范圍ASTER GDEM 2 DEM為水文分析地形數(shù)據(jù)[11]，利用ArcGis水文分析工具進(jìn)行水文集水區(qū)劃分，初步確定金龍河流域邊界。在地勢平坦地區(qū)，利用ASTER GDEM 2數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，其集水區(qū)劃分成果可能存在較大偏差。本文采用該流域附近1∶5萬掃描地形圖為底圖，對水文集水區(qū)劃分成果進(jìn)行校正。

使用校正后的金龍河流域邊界，依本文前述量算方法對云南省侵蝕模數(shù)矢量圖進(jìn)行裁剪，分類統(tǒng)計(jì)各侵蝕類型面積。金龍河流域侵蝕模數(shù)圖類型有壩子、城市、水體、無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕。對比金龍河流域侵蝕模數(shù)矢量圖斑(圖3)與原侵蝕模數(shù)柵格圖可知，金龍河流域侵蝕模數(shù)矢量圖圖斑邊界與柵格圖圖斑邊界幾乎完全一致，表明基于ENVI和ArcGis的云南省侵蝕模數(shù)圖量算方法是可行的。本次金龍河流域共涉及140個(gè)圖斑，采用本法能夠大大縮短侵蝕模數(shù)圖量算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

a)金龍河流域侵蝕模數(shù)矢量

b)金龍河流域侵蝕模數(shù)柵格矢量邊界對比圖3 金龍河流域侵蝕模數(shù)矢量、柵格對比情況

按照表1侵蝕級別合并侵蝕類型，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，微度級別面積占比72.6%，輕度級別面積占比19.3%，中度級面積別占比8.0%，強(qiáng)度級別面積占比為0.1%。依據(jù)侵蝕級別面積匯總成果，按式(1)計(jì)算流域平均侵蝕模數(shù)。在實(shí)際工作中，通常擬定3個(gè)計(jì)算方案(平均侵蝕模數(shù)取高值、中值及低值)，并結(jié)合相關(guān)資料及工程經(jīng)驗(yàn)選取合適的計(jì)算方案。本次考慮到金龍河流域主要以微度侵蝕為主，且隨著流域內(nèi)小流域綜合治理工作的深入開展，流域水土流失將減少。因此，本次金龍河不同侵蝕級別侵蝕模數(shù)取低值方案，即微度級別取200 t/(km2·a)，輕度級別取500 t/(km2·a)，中度級別取2 500 t/(km2·a)，強(qiáng)度級別取5 000 t/(km2·a)。依據(jù)計(jì)算，金龍河流域多年平均侵蝕模數(shù)為448 t/(km2·a)，流域多年平均產(chǎn)沙量為30.2 萬t。

5 結(jié)語

本方法對于單幅侵蝕模數(shù)圖量算同樣適用，只是數(shù)據(jù)制作步驟1更加簡單。從方便工作角度出發(fā)，建議制作全云南省侵蝕模數(shù)矢量圖。本文采用的侵蝕模數(shù)圖量算方法具有量算速度快、精度高、計(jì)算簡單的優(yōu)點(diǎn)。可有效減少設(shè)計(jì)人員工作量，對設(shè)計(jì)人員實(shí)際工作有較大幫助。同時(shí)，在使用設(shè)計(jì)流域裁剪侵蝕模數(shù)矢量圖后，可將裁剪結(jié)果與侵蝕模數(shù)柵格圖進(jìn)行對比，根據(jù)項(xiàng)目需要對局部不一致的地方進(jìn)行修正。