黄土高原切沟关键参数提取方法探讨

徐 智，曹 喆，孙栋元，王 强，杨 俊，王 苗，王兴繁，武兰珍

(1.甘肃省水利厅 水土保持中心，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070)

切沟是黄土高原常见的一种沟谷形态，通过沟头溯源侵蚀、沟底下切、沟坡冲淘、崩塌、泻溜、陷穴等作用形式不断加剧土壤侵蚀，同时也是坡面集中径流主导下纵向、横向和垂向三维空间侵蚀的结果[1-2]。切沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区最重要的侵蚀方式之一，对流域侵蚀产沙有重要影响和贡献[3]。切沟断面形态和长度变化是切沟发育过程的重要特征，而切沟的形态特征也对应着特定的发育阶段，是决定切沟输水输沙能力和稳定程度的重要因素[3-4]。切沟的不同形态特征、关键参数可以定量刻画切沟演变特征、侵蚀特征，而探讨切沟关键参数提取方法，对深入研究切沟侵蚀机理和防治切沟侵蚀提供关键技术支撑，具有重要意义。不同学者针对切沟，从不同方面、不同角度开展了一系列相关研究，取得了大量成果。比如，何涛等[5]对切沟侵蚀测量方法研究进展进行了归纳整理；陈明玉等[6]对黄土高原典型切沟土壤水分时空分布特征及其影响因素进行了分析研究；张文杰等[7]研究了黄土丘陵沟壑区纸坊沟流域切沟侵蚀与地形的关系；杜国明等[8]研究了东北典型黑土漫岗区切沟侵蚀空间格局；范昊明等[9]针对东北黑土区典型流域融雪期切沟发育特征进行了研究；陈一先等[10]对陕北黄土区退耕前坡面切沟发育特征进行了研究。但是目前针对黄土高原切沟形态特征、关键参数的提取方法还有待进一步梳理、归纳、研究和整理。因此，本研究在综合分析切沟形态特征、影响因子等基础上，介绍了基于无人机摄影测量、QuickBird影像目视解译法、SFM摄影测量法、最优尺度分割和阈值统计优化、高分遥感立体影像的切沟关键参数提取方法，希望能为黄土高原切沟综合研究和水土流失综合治理提供科技支撑。

1 切沟形态特征

切沟具有一定的形态特征。形态特征是表征切沟的量化参数，也是判断切沟的重要指标，对于判断切沟具有决定性作用[11]。切沟长度和断面形状等是切沟形态的基本特征，能在一定程度上反映切沟的发育过程和程度，常用切沟长度、周长、面积、表面宽度、沟底宽度、深度、宽深比、断面形状、断面面积、体积等指标定量表征[11-12]。切沟不同形态特征间存在着一定的相关性，且切沟关键参数的提取与形态特征密切相关，建立切沟形态特征间准确、可靠的相关关系，对于区域切沟侵蚀调查具有重要的实践价值。

2 切沟影响因子

切沟是气候、降水、土壤、岩性、植被、地形等因子综合作用的结果。但在不同时间和空间尺度上，各因子对切沟侵蚀影响的相对大小存在明显差异，因而需要加强不同时空尺度切沟侵蚀主控因子研究，明确主控因子的时空变化规律[11]。研究表明，上方来水会对切沟侵蚀产生一定影响，引发重力侵蚀，加剧切沟侵蚀，降雨还会影响切沟侵蚀产沙量[12]；以坡度和坡向为主的地形因子是影响坡面上地表径流和土壤侵蚀的主要因子，也是影响切沟侵蚀的环境因素之一；地表植被是切沟形态特征参数的重要影响因子之一[13]，可以有效削弱雨水的下切力，减少雨水对切沟的击打力量，一定程度上增强了土壤的抗冲性，从而大大减少了切沟侵蚀的发生[12]。

3 切沟关键参数提取方法

3.1 基于无人机摄影测量的切沟关键参数提取方法

基于无人机摄影测量的切沟关键参数提取方法包括三维激光扫描数据获取与处理、无人机高分辨率影像获取与处理、切沟参数的提取和精度评价等过程[14]。采用三维激光扫描全站仪，结合影像和GPS精确定点，以及对切沟的实地测量，完成数据采集、检验、补测，并提取切沟的地貌参数[15]；根据无人机设备特点，设置扫描区域、图像重叠、飞行高度、落点等相关飞行参数，确定飞行计划，并对无人机进行实时监测和控制，确定飞行高度、范围等要素，完成飞行任务，采用相关影像处理软件，获得满足空间分辨率的数字正射影像图和数字表面模型数据；使用ArcGIS软件相关模块，以无人机摄影测量技术获取影像为基准[16]，对三维激光扫描数据进行配准，通过目视解译完成切沟二维边界勾绘和二维形态参数计算，进一步通过三维激光扫描数据和DEM确定切沟体积、平均沟深与横截面积等参数，完成切沟三维模型构建；在上述基础上，完成基于无人机摄影测量的切沟参数的精度评价。

3.2 基于QuickBird影像目视解译法的切沟关键参数提取方法

基于QuickBird影像目视解译法的切沟关键参数提取方法包括三维激光扫描数据的获取与处理、QuickBird 影像获取及处理、切沟边界区域确定和误差评价等过程[2]。利用三维激光扫描全站仪，选择一定数量典型切沟进行实地测量，获取具有地理坐标和高程的点数据，基于不规则三角网模型构建DEM，并确定切沟的面积、周长、沟长等形态参数值；基于研究区QuickBird遥感影像，通过不同分辨率多光谱数据和不同波段数据融合、重采样、正射校正和真彩色图像等过程，完成切沟沟沿线提取，以及面积、周长、沟长等形态参数值的确定；基于QuickBird影像和三维激光扫描全站仪数据，完成切沟沟沿线图层建立、图层叠加功能和沟沿线边界面积确定；在上述基础上采用相应的评价方法和指标，完成基于QuickBird影像目视解译法的切沟关键参数误差评价。

3.3 基于SFM摄影测量法的切沟关键参数提取方法

基于SFM摄影测量法的切沟关键参数提取方法包括切沟照片获取与处理、SFM数据处理、GCP布设与坐标计算和GCP布设方案比较等过程[17]。在满足重叠率的基础上，利用相机获取切沟照片，并导入SFM专业软件，通过清晰度处理，确定有效照片，满足切沟三维重建目标；通过尺度不变特征转换算法、随机采样一致性算法、光束法平差、多视图立体视觉算法，完成特征点的提取与描述、非线性优化、目标切沟的稀疏点云建立和DEM生成，并提取与计算切沟相关参数[17-18]；根据GCP布设原则，利用RTK GPS测量各GCP大地坐标，完成坐标转换和计算；进一步根据切沟特点和GCP特点，将不同GCP布设方案相关信息输入SFM专业软件，重建目标切沟三维形态，比较各方案的重建效果，完成对切沟关键参数的提取。

3.4 基于最优尺度分割和阈值统计优化的切沟关键参数提取方法

基于最优尺度分割和阈值统计优化的切沟关键参数提取方法包括地物的粗分割、最优尺度分割、确定切沟候选对象和假阳性切沟对象的去除等过程[19]。根据最优分割尺度原则，结合不同波段多光谱影像，利用地物的光谱、光滑度、紧致度等特征，考虑一定函数关系，完成光谱异质性和形状异质性参量，得到地物的粗分割结果；将光谱异质性和空间异质性标准结合使用，通过对象内部同质性和空间异质性目标函数，确定最优分割尺度，进行对象实际分割；根据影像的光谱、地形信息、几何形态和纹理信息等特征，通过相应的分类方法和统计分析方法，确定切沟候选对象的提取阈值；通过光谱亮度值，结合纹理，确定假阳性对象和切沟的不同提取阈值，进一步进行切沟关键参数的实际分类和提取。

3.5 基于高分遥感立体影像的切沟关键参数提取方法

基于高分遥感立体影像的切沟关键参数提取方法包括三维激光扫描数据获取与处理、高分立体像对提取DEM、提取切沟参数和精度评价等过程[20]。利用三维激光扫描全站仪对研究区切沟进行实地测量，获取相应点云数据，通过对切沟数据去噪处理，生成栅格单元的DEM，满足立体像对提取切沟参数的精度；利用Erdas软件对立体像对进行裁剪，用ENVI相关模块自动提取一定分辨率的DEM，进一步使用 ArcGIS模块，采用最邻近法对立体像对DEM重采样，生成与三维激光扫描数据一致更高分辨率的DEM，从而降低切沟边界及DEM误差；通过对三维激光扫描仪获取切沟进行配准处理、目视解译并勾绘切沟二维边界，计算面积、周长、沟宽和沟长等二维参数；利用切沟边界分别裁剪三维激光扫描数据生成的DEM和高分立体像对生成的DEM，分别得到切沟DEM、点图层高程值、原始侵蚀基准面等，基于上述构建切沟三维模型，实现对相关参数的提取和处理，以及对比分析，并进一步检验使用立体像对提取黄土区切沟参数的可靠性。

4 结 语

切沟参数的有效提取和准确量化能为切沟研究提供关键技术支撑。本研究分析了基于无人机摄影测量、QuickBird影像目视解译法、SFM摄影测量法、最优尺度分割和阈值统计优化、高分遥感立体影像的切沟关键参数提取方法。然而切沟参数的多样化和影响因素的多样性，使得切沟参数的定量刻画具有一定复杂性，加之各个方法的精度和优缺点各异，因此在切沟参数提取过程中应根据具体地形特点和影响因素选取适宜研究区域，同时在研究过程中综合考虑区域特点，多要素和多方法综合利用，加强对切沟全面监测、全面分析，建立长期切沟多因子数据库，加强切沟由点到面的转化研究，建立多要素大尺度切沟侵蚀模型，进一步加强切沟侵蚀特征研究。