利用中低分辨率DEM提取坡耕地坡度信息的误差分析图文精.docx
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利用中低分辨率DEM提取坡耕地坡度信息的误差分析图文精
利用中低分辨率DEM提取坡耕地坡度信息的误差分析
王莉
1,2,3
贺秀斌
1,23
鲍玉海
1,2
南宏伟
1,2,3
刘艳锋
1,2,3
（1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与
调控重点实验室,四川成都610041;2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都610041;3.中国科学院研究生院,北京100039
摘要 利用数字高程模型（DEM实现坡耕地数据的自动提取和侵蚀状况调查,并与实地勘察及相关研究结果进行对比。
结果表明,三峡库区平行岭谷地貌、出露的侏罗纪紫色泥（页岩和砂岩互层结构及人为活动是小尺度坡耕地地形的关键控制因素。
关键词 坡耕地;DEM分辨率;土地利用;水土流失中图分类号 S127 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（201007-03644-03ErrorAnalysisonGradientInformationofSlopingLandDerivedfromtheLow2resolutionDEM
WANGLietal （KeyLaboratoryofMountainEnvironmentandRegulation,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcad2emyofSciences,Chengdu,Sichuan610041
Abstract ByusingDEM,slopeinformationwasextractedautomaticallyandsoilerosionsituationwasinvestigated.Thencomparedwithfieldsurveyandrelatedresearch.TheresultsshowedthatparallelridgevalleyinThreeGorgesReservoirArea,theinterbeddedstructuresformedbyJurassicpurpleclay（pagerocksandhumanactivitiesarethekeycontrollingfactorsofsmall2scaleslopingterrain.Keywords Slopingland;ResolutionofDEM;Landuse;Soilerosion
基金项目 中国科学院西部行动计划项目（KZCX22XB2207201;国家科
技支撑计划项目（2008BAD98B04。
作者简介 王莉（1985-,女,陕西西安人,硕士研究生,研究方向:
土
壤侵蚀与水土保持。
3通讯作者,研究员,博士生导师,E2mail:
xiubinh@imde.ac.cn。
收稿日期 2009211217
坡耕地研究是水土流失治理及水土保持规划的核心内容
[1]
掌握坡耕地的数量、土流失具有重要意义。
数字高程模型（Digitalon2
el,DEM,S[三维向量的有限序列,,数学表达式为z=f（x,y,其中,z表示高程,x,y表示水平坐标,也可用经纬度来描述。
由于DEM描述的是地面高程信息,在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设等领域有着广泛应用[2]
。
诸多生态环境建设
工程项目,尤其是水土流失监测与水土保持规划工作的开展
都需要DEM数据支持[3]
利用DEM为信息源自动提取地面
坡度,建立坡耕地资源数据库,已成为最重要的技术方法,且
得到了广泛应用
[4]
。
笔者利用数字高程模型实现对忠县坡耕地的自动提取,结合该区土壤侵蚀图对坡耕地侵蚀程度进行分级,并与实地勘察及相关研究结果进行对比,分析了利用中低分辨率
DEM提取坡耕地坡度信息误差的来源及其对水土流失调查
结果的影响。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况 忠县位于重庆市中部、三峡库区腹心地
带,30°03′～30°35′N,107°3′～108°14′E,东西长66.45km,南北宽60.15km,总面积2176km2
。
境内溪河纵横交错,地形复杂,地貌由金华山、方斗山、猫耳山3个背斜和其间的拔山、忠州2个向斜构成。
地处暖湿亚热带东南季风区的忠县,雨量充沛,年降雨量约1200mm,相对湿度达80%。
坡耕地分布广泛,土壤类型主要为紫色土。
1.2 研究方法 采用基于忠县1∶50000地形图数据源的三
角网法生成DEM,即首先将数字化地形图生成拓扑关系完
S（NTIN转化为DEM（图1。
25m。
图1 忠县数字高程模型
Fig.1
DEMofZhongxianCounty
图2 忠县坡度分级图
Fig.2 MapofslopeclassificationinZhongxianCounty
在已经生成的DEM基础上,利用GIS软件空间分析功能中的表面分析功能生成坡度分级（图2。
目前,利用DEM提取地面坡度的算法可归纳为5种
[3]
:
四块法、空间矢量分
析法、拟合平面法、拟合曲面法、直接解法。
其中,前3种方法是为解求地面平均坡度而设计的,后2种方法是为解求地面最大坡度而设计的。
在ArcMap中,坡度的计算采用拟合
责任编辑 陈秀晨 责任校对 张士敏
安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2010,38
（7:
3644-3646
曲面法,即采用3像元×3像元的窗口,每个窗口中心为1个高程点,点e的坡度计算方法如下:
坡度=Atan
（dz/dx2
+（dz/dy2
×57.29587
式中,dz/dx=[（c+2f+i-（a+2d+g]/（8×x_cell_size,
dz/dy=[（g+2h+i-（a+2b+c]/（8×y_cell_size
abcdefg
h
i
按照国家通用标准,将地面坡度划分为6级,按此分级生成坡度分级图,并把坡度分级图由栅格格式转为矢量格
式。
在此基础上,应用GIS强大的空间分析功能结合忠县土地利用图（图3和土壤侵蚀图（图4提取坡耕地信息及其水土流失信息,分析计算机提取结果与实际结果出现偏差的原因。
忠县土地利用图和土壤侵蚀图利用遥感影像解译获得。
图3 忠县土地利用图
Fig.3 MapoflanduseinZhongxianCounty
图4 忠县土壤侵蚀图
Fig.4 MapofsoilerosioninZhongxianCounty
2 结果与分析
2.1 坡耕地信息提取结果 将矢量化的坡度分级与该区域
数字化土地利用进行综合分析,利用“查询”功能将忠县各坡度级的耕地面积提取出来并统计,得到各个坡度水田和旱地的面积和比例（表1。
由表1可知,大于25°的水田和旱地的面积分别为30.50和104.52km2
比例分别为14.71%和
11.56%。
我国实施“退耕还林”政策后,25°以上坡耕地的面积已大量减少。
2.2 坡耕地侵蚀分级结果 综合分析忠县数字化土地利用
和土壤侵蚀,耕地中水田大多为微度侵蚀,其面积占总水田面积的87.03%;而旱地的侵蚀程度则较严重,中、强度侵蚀
的旱地占总旱地面积的89.59%（表2。
HE等[6]通过137
Cs
核素示踪法对基于坡面的土壤侵蚀进行研究,结果表明该区
20°的坡耕地土壤平均侵蚀速率为2415t/（km2
・a
[5]
根据
我国1997年5月实施的土壤侵蚀分类分级标准（表3,属于轻度侵蚀。
而基于DEM获取的忠县15～25°的坡耕地侵蚀结果显示,中度以上侵蚀程度的耕地面积占了90%,与上述研究结果存在差异。
表1 不同坡度水田、旱地面积及所占比例
Table1 Areaandproportionofpaddyfieldanddrylandindifferent
slopes
坡度Slope水田Paddyfield
面积∥km
2
比例∥%Proportion旱地Dryland
面积∥km
2
比例∥%Proportion<38.434.0757.846.403～717.368.3798.3210.877～1567.0532.34309.1234.1815～2580.0238.59321.6335.5725～30.50104.5211.56>98
1.12.88
1.42
2 Erosionlevelofdrylandindifferentslopes
坡度
°
Slope面积∥km2
微度侵蚀
Micro2degree轻度侵蚀Lightdegree中度侵蚀Moderate
强度侵蚀Intensity极强度侵蚀
Strongest<332.4770.7622.62
1.980.0002433～729.5903.2859.146.310.0005117～1516.1607.06253.7332.170.00445115～25
2.5701.06216.20101.640.15904925～350.4600.1451.8451.720.345094>35
0.080
0.01
6.00
6.75
0.028584
表3 土壤侵蚀强度分级标准
Table3 Classificationstandardofsoilerosionintensity
级别
Level
平均侵蚀模数∥t/（km2
・aMeanerosionmodulus平均流失厚度∥mm/a
Meanlossthickness微度Micro2degree
<200,600,1000<0.15,0.37,0.74轻度Lightdegree200,500,1000～25000.15,0.37,0.74～1.90中度Moderatedegree2500～50001.90～3.70强烈Intensity5000～80003.70～5.90极强烈Strongest8000～150005.90～11.10剧烈Severe
>15000
>11.1
2.3 误差来源分析 利用中低分辨率DEM自动提取的坡
耕地信息,与实际调查结果之间存在较大差距,从而影响了其土壤侵蚀程度分级的结果,该区特殊的地貌特征和人类活动对坡耕地的改造是造成误差的主要原因。
2.3.1 地貌特征对坡度提取的影响。
忠县的地貌是由金华
山、方斗山、猫耳山3个背斜和其间的拔山、忠州2个向斜构成,属于典型的平行岭谷地貌,土壤则以出露的侏罗纪紫色泥（页岩与砂岩为主,共同作用形成一种阶梯状的地貌特征。
这一特殊的地貌结构使得该区的地形颇为复杂,由图5可知,整个大的坡面坡度为18°,由于特殊的土壤和地形构造,在这一大的坡面上形成了多个坡度较小的坡,这些小坡将整个坡面划分成许多段,相邻的坡面之间存在一个坎,从而形成一层层阶梯状坡地,而每段坡面的坡度一般都小于
5
46338卷7期 王莉等 利用中低分辨率DEM提取坡耕地坡度信息的误差分析
8°,坡长也较短,一般在5m
左右。
图5 忠县平行岭谷地貌特征
Fig.5 Geomorphologiccharacteristicsoftheparallelridgeval2
leyinZhongxianCounty
中低分辨率的DEM只能从宏观的角度描述地形的起伏,而对于坡面上较小的坡度变化却很难体现,进而影响了坡耕地信息提取的准确性,坡度信息提取的误差则进一步影响了对坡耕地水土流失现状的评价。
DEM对坡度的提取有着较大影响,DE率的降低,坡度衰减,[6]
。
提
高DEM的分辨率,从微观的角度去描述这一地形特征,对准确提取坡度信息及评价坡耕地土壤侵蚀状况有重要意义。
此外,人类活动对坡耕地微地形的改造也是影响坡度信息提取的重要因素。
2.3.2 坡度信息误差对坡耕地水土流失现状评价的影响。
基于DEM的坡耕地信息提取是在宏观尺度上进行的,尤其是在其分辨率较低时,对于起伏变化较大的坡地难以描述,而人为活动对坡耕地的改造则更加大了坡耕地自动提取工作的难度,由于农民对坡耕地的改造,将流失的土壤又返回到坡面上,从而一定程度上减轻了水土流失程度。
2种因素共同影响了坡耕地坡度信息的提取结果,而坡度信息的误差则进一步影响了对坡耕地水土流失现状的评价结果。
因此,在评价坡耕地坡度对土壤侵蚀程度的影响时,应考虑并研究人为因素对地形改造的影响。
3 结论与讨论
应用DEM对坡度信息的提取是区域宏观坡耕地数据和
水土流失现状评价的基础,不同比例与分辨率DEM在地形信息载量上存在明显差异,对坡度影响较大。
该研究利用忠县1∶50000地形图生成分辨率为25m的DEM,基于该分辨率DEM自动提取的坡耕地信息在评价其水土流失现状时与实地勘察和相关研究结果存在一定差异,其原因主要为该地区地貌特殊,平行岭谷地貌和出露的侏罗纪紫色泥（页岩与砂岩互层结构共同作用形成的地形较为复杂,造成该区土地利用多以小地块为主的镶嵌结构,而分辨率较低的DEM对地形起伏的描述误差较大。
另外,人为修建的梯田（水田、坎田以及垄沟整地措施对坡耕地微观地形改变的影响较大。
因此,在坡耕地水土流失现状评价中,单从中低分辨率DEM获取坡度信息来判断水土流失程度,将会产生较大误差。
采用不同分辨率DEM和不同类型DEM对坡度信息的提取有重要影响。
DEM分辨率越高,对与坡度有关的地貌和水文参数的描述越精确,中低分辨率坡度可以通过变换,,实现了2,对较低分辨率
该方法仍不能
分型变换是一个值得注意的研究方法,但有待进一步的验证。
针对DEM生成方法,目前一种专业化的DEM生产软件ANUDEM越来越广泛地被应用,其差值生成的DEM比基于TIN方法建立的DEM能更加精确地反映重要水文地貌特征和地面起伏[7]
。
此外,加强实
地勘察力度,并与计算机自动提取技术相结合,才是正确评
价坡耕地水土流失的方法。
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（上接第3467页
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