王錦志 劉 林 王小平

（山西省水土保持科學研究所）

囗試驗研究

3S技術在王家溝流域溝道侵蝕研究中的應用

王錦志 劉 林 王小平

（山西省水土保持科學研究所）

采用王家溝流域原有的等高線地形圖，運用ArcGIS 10.2軟件，對地形圖矢量化，構建不規(guī)則三角網（TIN），轉柵格得到數字地形模型（DEM）。將衛(wèi)星遙感影像數據使用該軟件進行定義投影、地理配準和掩膜提取等處理，進而與數字地形模型（DEM）疊加，并利用ERDAS IMAGINE軟件對遙感影像數據進行解譯處理，獲得土地利用現狀圖和溝道分布圖。進而使用ArcScene模塊的3D分析工具，建立主要影響溝道土壤侵蝕因子的矢量圖形庫。最終將影響因子疊加分析，揭示流域溝道土壤侵蝕情況與各影響因子之間的關聯(lián)，可為研究制定水土流失防治措施提供準確依據。

溝道侵蝕 ArcGIS 3S技術 王家溝流域

近年來，在土壤侵蝕機理研究的過程中，經常采用地理信息系統(tǒng)（GIS）的基礎理論及其方法進行分析。隨著GIS技術進一步發(fā)展，三維空間分析技術逐步走向成熟[1]。本項研究以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域—王家溝流域的等高線地形圖和衛(wèi)星遙感影像為信息源，通過ArcGIS10.2軟件提供的3D分析模塊及ERDAS IMAGINE軟件的輔助，進行一系列空間分析和定義操作，制作構建土地利用現狀圖、溝道分布圖和土壤侵蝕現狀圖等，并對生成的矢量圖件數據進行疊加分析，深入探討了王家溝流域溝道侵蝕情況與各影響因子之間的關聯(lián)。

1 研究區(qū)概況

王家溝流域地處呂梁市離石區(qū)城北4 km處，是黃河一級支流三川河流域北川河支流左岸的一條支溝。流域總面積9.1 km2，海拔高程946-1 290 m，相對高差344 m。耕地面積373.3 hm2，占流域總面積的41%。流域氣候屬典型的暖溫帶大陸性季風氣候，降水變率大，年際和年內分配不均。地形支離破碎，溝坡陡峭，溝壑縱橫，梁峁交錯，在黃土丘陵溝壑區(qū)具有代表性。以該流域為研究區(qū)，以衛(wèi)星遙感影像數據為信息源，應用3S技術，通過地形可視化的方式構建直觀生動的模型，全方位、立體化地進行溝道土壤侵蝕研究分析。

2 軟件特點及應用方法

本項研究主要應用ArcGIS軟件進行數據的管理與統(tǒng)計分析。該軟件是對地理信息進行編輯、創(chuàng)建以及分析的GIS軟件，可提供包括制圖、地理分析、數據編輯、數據管理、可視化和空間處理等一系列的應用工具，進行數據采集、管理和分析。我們將主要應用ArcScene模塊，它可以更加高效地管理三維數據、創(chuàng)建具有三維場景屬性的要素以及進行三維分析[2]。

首先，使用ArcMap中的平面數據編輯工具，將王家溝流域高程地形圖矢量化，并保存為柵格（TIFF）格式；然后，將柵格載入ArcScene模塊，構建不規(guī)則三角網（TIN），再轉柵格得到數字地形模型（DEM）。通過DEM，在ArcGIS中建立王家溝流域土壤侵蝕主要影響因子的矢量圖形庫，每個影響因子附以屬性數據，并將每個因子進行柵格化[3-4]，進而對影響因子的柵格圖件進行空間疊加、統(tǒng)計分析，實現地形的可視化，從而具體了解溝道分布情況和水土流失現狀。

3 數據的來源及預處理

3.1 數字地形模型（DEM）的構建

數字地形模型（DEM）是地理信息系統(tǒng)地理數據庫中最為重要的空間地理信息，也是進行地形分析和統(tǒng)計計算的核心數據[5]。DEM構建的精確與否，會直接影響到后續(xù)的統(tǒng)計計算和空間分析。

將王家溝流域1:10 000地形圖用掃描儀掃描，以獲得數字化柵格底圖。應注意的是，ArcGIS地理數據在創(chuàng)建時，均根據實際的空間位置唯一性確定了該數據集的地理坐標系統(tǒng)或投影坐標系統(tǒng)，即賦予了確定的空間參考屬性。而掃描后的數字化柵格底圖，沒有定義與其相應的空間參考系統(tǒng)，通過其生產的地理數據在應用過程中是毫無意義的。所以，獲得數字化柵格底圖后，使用ArcMap模塊中的定義投影工具和地理配準工具，對其進行空間定義，以賦予其空間參考系統(tǒng)，并且進行必要的糾正，以消除掃描時地形圖變形所帶來的誤差。

柵格底圖經過上述處理完成后，對其進行矢量化，以獲取構建數字地形模型（DEM）所必須的高程。首先，使用ArcMap模塊中的數據編輯工具，對矯正后的柵格地形圖的等高線，進行屏幕跟蹤矢量化和對離散高程點進行屏幕矢量化，并且賦予矢量化后的等高線和離散高程點相對應的高程值。然后，使用拓撲工具對矢量化數據進行拓撲檢查，消除重疊及結點等拓撲錯誤。通過拓撲驗證工具檢查無誤后，生成拓撲關系完整的矢量圖。

矢量圖生成后，將其導入ArcScene模塊，利用柵格轉TIN工具生成不規(guī)則三角網（TIN），并對生成的不規(guī)則三角網（TIN）進行內插，為整個研究區(qū)域賦予高程值。再將內插后的TIN數據進行重采樣，獲得更為精確的Grid數據（lattice格式），最后將生成的Grid數據轉成DEM數據（USGS格式）[6-7]。至此，數字地形模型（DEM）構建完成。

3.2 對遙感影像數據的處理

衛(wèi)星遙感影像數據為2011年拍攝的多波段、分辨率為2 m的World View彩色影像資料。利用ArcMap模塊，使用定義投影工具和地理配準工具對遙感影像數據進行空間定義，以賦予其空間參考系統(tǒng)。然后運用主成份分析法融合，并以線性內插法重采樣，作為溝緣線的提取、植被覆蓋度的計算以及土地利用解譯的依據。

3.3 數字地形模型（DEM）與衛(wèi)星遙感影像疊加

ArcScene模塊同時加載數字地形模型（DEM）和校準完成的衛(wèi)星遙感影像，并且通過對遙感影像數據框中的圖層屬性進行設置，將基本高度選項定義為在數字地形模型（DEM）表面上浮動，則二維的遙感影像轉換為三維立體顯示。

4 主要影響溝道侵蝕因子的三維可視化建模

4.1 坡度分布及各坡級面積統(tǒng)計

在ArcScene模塊中對生成的數字地形模型（DEM）進行渲染處理，并直接使用ArcScene中的3D分析模塊提供的三維轉換工具，將DEM根據特征轉換到三維空間中加以顯示。

（1）坡度圖的生成。使用ArcScene模塊加載數字地形模型（DEM），并在屬性中將基本高度選項設置為“表面上浮動定義為其本身”，然后使用3D Analyst Tools下的表面三角化中的表面坡度工具，生成坡度圖。

（2）各坡度級面積統(tǒng)計。使用重分類工具對生成的坡度圖進行分級，依次點擊3D Analyst Tools—柵格重分類—重分類，將坡度圖設置為以10°相間分級，并且使用渲染工具，選擇不同顏色表示不同坡度級。進一步通過屬性表中字段計算器，利用公式“count*2*2”計算出各坡度級面積。

4.2 土地利用現狀

使用ArcScene模塊加載衛(wèi)星遙感影像與數字地形模型（DEM）預先疊加好的數據，打開編輯工具，在遙感影像屬性圖層的屬性表中創(chuàng)建土地利用現狀字段，對不同用途的地塊按其現狀填寫不同的地類編碼，同時為不同地類編碼創(chuàng)建相應土地用途的顏色集和符號。最后在屬性圖層的符號系統(tǒng)中統(tǒng)一設置，構建土地利用現狀圖。

4.3 土壤侵蝕現狀

為了分析王家溝流域的土壤侵蝕狀況，依據水利部《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190-2007），使用ArcScene模塊疊加分析工具，對王家溝流域坡度分布圖數據、土地利用現狀圖數據和植被覆蓋度分布圖數據進行疊加分析，從而得到二維的土壤侵蝕現狀模型。然后，在基本高度中將表面上浮動定義為其本身，最終轉換為三維顯示，并通過設置場景屬性工具，加大垂直跨度，使三維立體化更強。同時，在圖層屬性的符號系統(tǒng)中，為不同的土壤侵蝕強度選擇不同顏色，用不同的顏色明暗程度表達流域土壤侵蝕強度的變化。

4.4 溝道的空間分布

使用ArcGIS桌面的ArcMap模塊，將校準后的衛(wèi)星遙感影像加載，并對衛(wèi)星影像中長度大于10 m的溝道進行人工識別解譯，并根據這些溝道的形成條件、地形特征以及空間分布，將流域的所有溝道從小到大分為三級支溝（沖溝）、二級支溝（切溝）、一級支溝和流域主溝4類，共有718條。

5 主要影響溝道侵蝕因子的疊加分析結果

充分發(fā)揮三維可視化的重要作用，結合水土流失防治科學研究的實際需求，進一步使用ArcGIS桌面的ArcScene模塊，以3D分析為主要工具，對水土流失主要影響因子矢量圖進行三維疊加分析和統(tǒng)計。

5.1 溝道空間分布特征分析

通過ArcScene模塊，對王家溝流域溝道分布圖與土地利用狀況圖疊加分析和統(tǒng)計，獲得三級支溝（沖溝）、二級支溝（切溝）、一級支溝和流域主溝4類溝道在不同土地利用狀況下的分布情況（表1）。從中可以發(fā)現，在草地、旱地、經濟林和裸地這四類土地上，主要分布著三級支溝（沖溝）和二級支溝（切溝），這兩類溝道的發(fā)育和分布特征極為相似；一級支溝在六類土地上分布相對均勻；在旱地上則主要是流域主溝。

表1 不同土地利用類型上溝道分布情況

在不同類型土地上4類溝道分布的差異性，主要是由于各類土地的土壤理化性質和所處谷坡坡度造成的。而且，適合于各類草木生長和發(fā)育的地塊，由于近年來修路、建廠、開礦等人為建設生產活動的干擾加劇，流域主溝土地被改造，使林草地面積不斷減少，造成該類溝道內土地利用以旱地為主。

5.2 四類溝道侵蝕現狀差異分析

用王家溝流域土壤侵蝕現狀分布圖結合溝道分布圖進行疊加分析，可以直觀發(fā)現，流域內土壤侵蝕強度的空間分布與各類溝道空間分布之間存在密切聯(lián)系。進而在ArcScene模塊中對二者進行空間疊加分析和統(tǒng)計，結果如表2。

表2 王家溝流域土壤侵蝕溝道類型的面積比重

從表2可以看出，在王家溝流域內土壤侵蝕強弱程度在4類溝道中表現出明顯差異，流域主溝以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，占其總面積的85.65%，土壤流失較少；一級支溝則主要集中表現為輕度侵蝕和中度侵蝕，占其總面積的74.35%；而溝道面積很小的三級支溝（沖溝）和二級支溝（切溝）則以中度及以上侵蝕程度為主，水土流失嚴重。

5.3 溝道侵蝕的坡度分異特征分析

使用ArcScene模塊將坡度圖、溝道分布圖和土壤侵蝕現狀圖分別進行空間疊加分析，得到王家溝流域內不同坡度的溝道分布情況和土壤侵蝕面積比重（圖1）。

圖1 王家溝流域不同坡度溝道與土壤侵蝕面積分布

從圖1中可以看出，在王家溝流域內土壤侵蝕強度與坡度和溝道分布之間存在密切的聯(lián)系。在低于40°的坡度區(qū)域內，以一級支溝和三級支溝這兩類溝道為主，土壤侵蝕強度以輕度侵蝕和中度侵蝕為主；土壤侵蝕為強烈侵蝕級的面積在各坡度級內所占比例與各坡度級內的三級支溝、二級支溝數量分布非常相似，都表現出先增后減的變化趨勢，并且在坡度級為40°-50°范圍內達到最大值；而對于極強烈土壤侵蝕，從折線圖中可以看到坡度越大其侵蝕面積所占比例越大。

6 結語

本文借助ArcGIS桌面產品ArcScene和ArcMap等模塊，對王家溝流域影響溝道水土流失的相關因子進行建模和可視化處理，并利用3D分析模塊深入細致的進行相關疊加分析和統(tǒng)計，獲得了該流域溝道分布及其土壤侵蝕情況與各影響因子之間的關聯(lián)，可為水土流失防治措施的制定提供準確依據。通過此次對ArcGIS軟件的應用，了解到其具備強大的三維場景模擬和3D分析能力，非常適合表現宏觀地理區(qū)域內的地形地貌，對水土流失防治的研究具有廣泛的應用前景[8]。

[1]湯國安，楊 昕，等.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社（第二版），2012.

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[3]陳 浩，胡 燕，王貴玲，等.ArcGIS空間分析技術在地下水評價中的應用[J].水文地質工程地質，2007，26（4）：111-115.

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[5]王 新.基于地形圖的DEM的構建及其精度分析[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2001.

[6]余 鵬，劉麗芬.利用地形圖生產DEM數據的研究[J].測繪通報，1998（10）：16-18.

[7]孫 軒，吳華意.ArcGIS的三維分析模塊的分析與探討[J].地理空間信息，2008（6）：65-68.

[8]戴錫花，陳冬梅.基于ArcGIS的三維地形動畫制作[J].淮海工學院學報（自然科學版），2009，18（專輯）：101-103.

P208.2；S157.1

A

1008-0120（2017）03-0009-04

山西省自然科學基金項目“黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道和洞穴侵蝕機理與防治措施技術研究”（2013011036-1）

2017-04-30

王錦志（1990-）：男，助理工程師；通訊地址：太原市郝家溝街99號匯隆花園，030013