基于ZY-3立體像對數(shù)據(jù)的水土流失地形因子分析

文小鎖

(銅陵南部城區(qū)建設(shè)管理委員會(huì)，安徽 銅陵 244000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)的要求，立體測繪技術(shù)不斷進(jìn)步，立體測量設(shè)備越來越先進(jìn)，提取的數(shù)字高程模型精度越來越高，本文利用資源三號遙感衛(wèi)星提取出的DEM數(shù)據(jù)，對金塔縣地形要素經(jīng)行解譯，并對其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評價(jià)，為金塔縣環(huán)境生態(tài)保護(hù)提供有力的支持。

1 研究區(qū)概況

金塔縣隸屬于甘肅省酒泉市，總面積為18 800 km2。金塔縣屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候，溫差較大，但日照量充足，蒸發(fā)量大[1]。金塔縣東南部和北部三面臨山，中部地勢相對低平，地勢稍有傾斜。根據(jù)甘肅省主要地貌單元?jiǎng)澐郑瑢俚谄邌卧呃缺鄙剑骄０? 275 m，相對高度500～1 000 m[2]。南部為嘉善褶皺帶，海拔1 340～1 488 m；北部為馬駒山臺(tái)地東南部低山區(qū)，地勢南高北低，西南高東北低，地下水由西南流向東北。金塔縣境內(nèi)最高的是四道紅山主峰，海拔1 924 m；最低的是金塔盆地北部，海拔921 m。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于我國發(fā)射的第一顆高分辨率光傳輸測繪衛(wèi)星資源3號。衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射升空，它主要搭載4臺(tái)光學(xué)相機(jī)，包括1臺(tái)2.1 m分辨率的全彩相機(jī)、2臺(tái)3.6 m分辨率的正、反相機(jī)。它能夠以長期、連續(xù)和穩(wěn)定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數(shù)據(jù)。中國有效面積約750萬 km2，全球數(shù)據(jù)覆蓋3 000萬 km2[3-4](見表1)。

表1 技術(shù)參數(shù)

3 研究方法

通過立體圖像對獲取數(shù)字高程模型的原理可以簡單理解為：在太空中兩個(gè)不同方向的傳感器拍攝同一個(gè)地點(diǎn)時(shí)，形成一個(gè)夾角。夾角越小，接地點(diǎn)就越低[5]。反過來，夾角越大，物體距離地面越高。可以計(jì)算得出地面上所有控制點(diǎn)的高程值，獲得DEM數(shù)據(jù)[6]。如圖1所示。

圖1 立體像對獲取DEM原理示意圖

(1)相對取向；立體圖像對的相對方位是通過計(jì)算衛(wèi)星圖像的像對的方位元素在成像時(shí)，立體圖像對傳感器的姿態(tài)參數(shù)之間的相對位置關(guān)系。目前，相對方位元素是通過分析方法利用共面條件方程進(jìn)行方位計(jì)算的：

(2)核線圖像生成；由攝影基線和任何物體方點(diǎn)確定的平面稱為穿過該點(diǎn)的核平面，穿過圖像主點(diǎn)的核平面稱為主核平面，核平面和圖像平面的交點(diǎn)稱為核線。核線的一個(gè)重要特征是，一個(gè)核線上的任何點(diǎn)必須與另一個(gè)圖像的核線同名。輸入同名點(diǎn)與控制點(diǎn)，可以將左右照片轉(zhuǎn)換成核線圖像：

式中：為像元主距,(xi,yi)為物方坐標(biāo)，(x,y)為傾斜影像上拍攝的坐標(biāo)，對于水平像片yi為常數(shù)。

(3)選擇連接點(diǎn)；通常，自動(dòng)選擇連接點(diǎn)是基于圖像的灰度級進(jìn)行匹配的。如果兩個(gè)圖像之間有著較大的光譜差異性，自動(dòng)匹配連接點(diǎn)往往不完全準(zhǔn)確，某些區(qū)域的圖像細(xì)節(jié)和紋理往往不清晰。因此，首先采用連接點(diǎn)的自動(dòng)選擇，人工刪除精準(zhǔn)度較低的點(diǎn)。

(4)DEM提取。提取后數(shù)字高程模型并不完美。數(shù)字高程模型上可能有孔洞或明顯的高程異常區(qū)域，如平坦區(qū)域或水域上明顯的凸起。這種現(xiàn)象的主要原因是傳感器本身的物理特性或立體圖像中云的存在。此時(shí)，需要對提取的數(shù)字高程模型進(jìn)行編輯，以消除高異常區(qū)域。常用的數(shù)字高程模型編輯主要包括數(shù)字高程模型插值、數(shù)字高程模型濾波和數(shù)字高程模型平滑。

4 結(jié)果分析

4.1 坡向與坡度變量率

利用DEM數(shù)據(jù)分析坡向和坡度。坡向變化率是反映水平方向地形變化特征的關(guān)鍵指標(biāo)之一。DEM中應(yīng)用最廣泛的變化率是斜率的概念，即一階偏導(dǎo)數(shù)。縱橫比的計(jì)算是用縱橫比矩陣代替仰角矩陣來計(jì)算鄰域表面上某一點(diǎn)的縱橫比。基于高程矩陣從數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中提取高程變化率的算法很多。其中，由于三階逆距離平方權(quán)差分算法相對合理、準(zhǔn)確，因此在研究中得到廣泛應(yīng)用。在邊坡高寬比的計(jì)算過程中，借鑒這種方法，可以得到邊坡高寬比的計(jì)算公式。

各坡度分級梯度區(qū)間的土地面積分布均勻；坡向上東坡、東北坡以及北坡分別占總面積的13.49%、8.37%和11.23%，這是研究區(qū)地勢南高北低的總體反映；而坡度主要集中在0°～5°與5°～10°，較為平緩(見圖2和圖3)。

圖2 坡向分析圖

圖3 坡度分析圖

4.2 面積—高程積分

在這項(xiàng)研究中，地貌學(xué)家斯特拉勒于1952年提出了面積—高程分析法來分析金塔縣地貌的發(fā)展階段。具體操作：首先將整個(gè)研究區(qū)面積設(shè)定為A，在研究區(qū)等高線地形圖上測量各等高線或以上控制的面積a，然后測量各等高線與研究區(qū)高程最低點(diǎn)之間的高差H，研究區(qū)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的高差為h，設(shè)x=a/A，y=h/H分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，然后在y坐標(biāo)上畫出高程—面積積分曲線：

y=f(x)

積分為：

也就是說，由曲線和沿y軸的X軸形成的塊的面積與整個(gè)塊的面積之比。當(dāng)S≤0.6時(shí)時(shí)，表示地表層物質(zhì)已被侵蝕量不到40%，此時(shí)曲線形狀向上凸起，地貌發(fā)育階段處于初期。當(dāng)0.35≤S≤0.6時(shí)，表面侵蝕超過40%但小于65%時(shí)，曲線接近于直線，這時(shí)達(dá)到成熟期。當(dāng)0.6≤S時(shí)，表明60%以上的物質(zhì)已經(jīng)被侵蝕，曲線形狀是凹的，這是老年期。如圖4。

圖4 不同發(fā)育期高程曲線

通過大量的野外觀測調(diào)查與室內(nèi)嚴(yán)密的分析，利用GIS軟件中的Arcgis將金塔縣范圍內(nèi)的等高線以等高距15 m的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類，然后統(tǒng)計(jì)等高距為15 m的各條等高線上所控制的面積，最后在Excel里進(jìn)行相關(guān)處理，得出一系列的坐標(biāo)對(xi，yi)，根據(jù)這些坐標(biāo)對繪制出流域的面積—高程曲線(見圖5)。

圖5 金塔縣面積—高程積分

將所繪制的流域面積～高程曲線在spss軟件上進(jìn)行趨勢擬合，得出最佳擬合方程如下：

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

R2=0.998 1

表2 金塔縣地貌發(fā)育階段劃分標(biāo)準(zhǔn)

4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接獲得的支持生命的產(chǎn)品和服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境經(jīng)濟(jì)核算和生態(tài)補(bǔ)償決策的重要依據(jù)和基礎(chǔ)[10]。金塔縣植被類型豐富，主要包括草甸、草地、沙漠、灌木和高山植被，與高原的植被類型基本相似。因此，根據(jù)謝高地等人對中國整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評價(jià)[11]，青藏高原地區(qū)不同土地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合金塔縣的實(shí)際情況和中國的整體價(jià)格水平和消費(fèi)水平，以2010年為基準(zhǔn)貨幣年計(jì)算過去20年的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

ESV=∑(Ak×VCk)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)，Ak為土地面積(hm2)。VCk-為生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)(元/hm2)，ESVf為第f項(xiàng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)，VCfk-k種土地利用類型的第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)，(元/hm2)。

從1991年到2011年，金塔縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值增加。20年來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增長緩慢，在2001年水體與草地出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，占2011年總價(jià)值的4.77%。從歷年生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成來看，聚落提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大，占總價(jià)值的46.19%～51.21%。農(nóng)田提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最小，占總價(jià)值的4.16%～5.31%。森林、沼澤、濕地、湖泊和沙漠提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值約占總價(jià)值的一半(見圖6)。

圖6 金塔縣生態(tài)服務(wù)類型

5 結(jié)語

應(yīng)用資源三號立體像對數(shù)據(jù)提取的DEM數(shù)據(jù)，對金塔縣的地形展開分析。結(jié)果顯示，坡向上東坡、東北坡以及北坡分別占總面積的13.49%、8.37%和11.23%，坡度主要集中于0°～5°之間，地形較為平緩。從面積—高程積分曲線可以得出，金塔縣的地貌發(fā)育處于壯年偏老時(shí)期。從不同生態(tài)系統(tǒng)類型提供的價(jià)值來看，20年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增加較為緩慢。從單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值來看，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值主要來自氣候調(diào)節(jié)、水土保持、廢物處理、生物多樣性等功能。水體變化是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的重要影響因素。通過生態(tài)服務(wù)評價(jià)系統(tǒng)分析，為水土流失生態(tài)治理提供依據(jù)。