輔助地形形態(tài)模式的數(shù)字遙感地貌制圖方法研究

潘邦龍

(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥230601)

隨著RS與GIS技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的野外地貌制圖已經(jīng)逐漸被快速發(fā)展的數(shù)字地貌制圖技術(shù)所取代。過去地貌地圖生產(chǎn)需要大量的野外調(diào)查工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，制圖生產(chǎn)周期長，全國也沒有完善的地貌數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)代數(shù)字地貌制圖方法的快速更新給地貌專題制圖生產(chǎn)和區(qū)域地貌特征研究提供了技術(shù)支撐，主要表現(xiàn)在制圖方法與過程、空間數(shù)據(jù)的獲取與表達(dá)、信息的提取與分析等方面，為全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)和地礦普查工作提供不可或缺的基礎(chǔ)信息資料［1］。

目前，多源衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)為數(shù)字地貌制圖提供了重要的數(shù)據(jù)源。結(jié)合GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，可以便捷獲取地形形態(tài)等多層次數(shù)據(jù)，再輔以野外地貌專家知識庫系統(tǒng)，可以快速提取地貌類別分類數(shù)據(jù)產(chǎn)品和基礎(chǔ)地貌制圖數(shù)據(jù)。

鑒于此，該研究選擇安徽省黃山市潛口鎮(zhèn)地區(qū)為研究區(qū)，以空間分辨率2.1 m的資源三號衛(wèi)星彩色融合影像和比例尺1∶2.5萬的CAD地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用地形數(shù)據(jù)生成的DEM提取地面高程、等高線、地勢起伏度、坡度、坡向以及山體陰影等地貌形態(tài)數(shù)據(jù)。在此特征數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，根據(jù)多源遙感影像數(shù)據(jù)空間特征信息，如色彩、紋理、標(biāo)志物空間布局等建立影像解譯標(biāo)志，在ERDAS軟件支持下通過遙感解譯方法對研究區(qū)地貌進(jìn)行提取，最后在ArcGIS中生成比例尺1∶2.5萬的數(shù)字地貌制圖產(chǎn)品。

1 技術(shù)方法

地貌制圖包括地形和地貌2個要素，其中地形要素包括海拔高程、地勢起伏度、DEM、坡度、坡向以及山體陰影等;地貌要素包括山地、平原、臺地和丘陵等。

1.1 地形提取 在地形提取中，以研究區(qū)CAD地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件的空間分析功能生成DEM。首先利用CAD地形圖提取高程點(diǎn)、等高線和行政邊界圖層并轉(zhuǎn)換成shapefile文件，再根據(jù)高程數(shù)據(jù)生成DEM，最后基于DEM產(chǎn)品，在ArcGIS軟件中生成海拔高程、地勢起伏度、DEM、坡度、坡向以及山體陰影等地形要素專題圖［2］。

1.2 地貌提取 地貌特征提取主要使用遙感影像解譯法，主要包括目視解譯和計(jì)算機(jī)解譯2種。常用的方法是先利用目視解譯，分析判讀地貌類別，主要包括山區(qū)、丘陵、臺地和平原。然后運(yùn)用遙感影像計(jì)算機(jī)解譯方法建立地貌特征解譯標(biāo)志，在ERDAS軟件中主要利用Signature Editor選取代表性樣本，再利用Evaluate/Contingency菜單，執(zhí)行可能性矩陣Contingency Matrix計(jì)算，建立分類模板，最后利用訓(xùn)練樣本進(jìn)行遙感影像監(jiān)督分類，從而獲取地貌分類類別［3］。數(shù)字地貌制圖技術(shù)路線見圖1。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 遙感影像預(yù)處理 采用安徽省黃山市潛口地區(qū)資源三號衛(wèi)星2.1 m全色影像和5.8 m多光譜影像。首先影像預(yù)處理，包括幾何校正、圖像增強(qiáng)、影像融合和影像裁剪等。幾何校正時(shí)，配準(zhǔn)控制點(diǎn)坐標(biāo)需要從CAD地形圖中提取，選擇多項(xiàng)式校正計(jì)算模型和最臨近圖像重采樣方法執(zhí)行幾何校正［4］;圖像增強(qiáng)主要包括大氣校正、勻色調(diào)整和影像融合，最后影像裁剪。影像預(yù)處理結(jié)果見圖2。

2.2 地形數(shù)據(jù)處理 地形形態(tài)特征提取主要以安徽省黃山市潛口鎮(zhèn)1∶2.5萬CAD地形圖為數(shù)據(jù)源，具體圖層有地形、等高線、高程點(diǎn)、鎮(zhèn)域行政邊界、道路、水系等。首先進(jìn)行圖形文件格式轉(zhuǎn)換，利用ArcGIS軟件將dwg文件轉(zhuǎn)換成shapefile文件;再提取生成DEM和海拔高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并利用區(qū)域邊界進(jìn)行圖像區(qū)域裁剪［5］。

2.3 潛口鎮(zhèn)數(shù)字地貌制圖制作

2.3.1 基于DEM的地形形態(tài)矢量特征提取。根據(jù)已知研究區(qū)域特征，利用ArcGIS軟件將轉(zhuǎn)換后的SHP地形數(shù)據(jù)生成DEM，借助3D Analyst菜單中重分類工具，按照DEM高程大小分為4個等級，生成海拔高程圖(圖3)。以同樣的方法獲取地勢起伏度圖(圖4)，結(jié)合前人的研究成果和研究區(qū)域內(nèi)起伏度具體情況，考慮到潛口鎮(zhèn)整體地勢起伏不大，將地勢起伏度的分級劃為3個等級:平原(＜10°)、臺地(10～25°)、丘陵(＞25°)［6-7］。

2.3.2 基于遙感影像的基本地貌類型解譯。根據(jù)前面分析的各種地形形態(tài)示量特征專題圖，結(jié)合前人在地貌分類方面的研究以及研究區(qū)具體情況，對研究區(qū)地貌類型進(jìn)行劃分［8-9］，結(jié)果見表 1。

根據(jù)表1中4個基本地貌類型分類，在遙感影像上分別解譯出對應(yīng)的地貌形態(tài)類型界線，結(jié)合影像的空間布局、色調(diào)、紋理特性，利用ERDAS軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類，經(jīng)圖幅整飾后的地貌分類圖見圖5。

表1 研究區(qū)基本地貌類型分類

2.4 分類結(jié)果評價(jià) 監(jiān)督分類執(zhí)行完成后，需要評價(jià)分類結(jié)果。采用總體分類精度和Kappa系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，建立研究區(qū)誤差矩陣［10］，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表2。

可以看出研究區(qū)地貌分類總體精度為85.6%，Kappa系數(shù)為80.6%，分類結(jié)果具有較高的一致性，基本滿足精度要求。

表2 監(jiān)督分類誤差矩陣相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論

該研究以資源三號衛(wèi)星彩色融合影像和地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以安徽省黃山市潛口鎮(zhèn)為研究區(qū)，利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)生成數(shù)字地貌影像圖。該方法在地形形態(tài)輔助模式支持下，利用RS和GIS技術(shù)快速制圖，生產(chǎn)過程高效快捷，地貌圖質(zhì)量良好，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供了參考［11］。

［1］高抒，張捷.現(xiàn)代地貌學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］程中玲.1∶100萬數(shù)字地貌圖的設(shè)計(jì)與編制研究［D］.重慶:西南大學(xué)，2007.

［3］龍恩.基于遙感與DEM的長白山區(qū)數(shù)字地貌制圖方法研究［D］.長春:東北師范大學(xué)，2005.

［4］張進(jìn)平，程維明，王睿博，等.中國1∶100萬遙感地貌制圖方法的試驗(yàn)［J］.地球信息科學(xué)，2005，7(2):36-40.

［5］王兵，胡偉平，卓慕寧.1∶100萬臺灣數(shù)字地貌遙感制圖研究［J］.測繪通報(bào)，2007(8):10-13.

［6］張進(jìn)平，程維明，王睿博，等.中國1:100萬遙感地貌制圖方法的試驗(yàn)——以南京幅(I-50)為例［J］.地球信息科學(xué)，2005(2):36-40.

［7］沙晉明.基于GIS的土壤遙感制圖及應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2000.

［8］王曉延，郭慶勝.基于DEM的地貌暈渲表達(dá)方法探討［J］.測繪通報(bào)，2003(8):48-55.

［9］李銳，江南.基于遙感和DEM的典型地貌形態(tài)提取研究［D］.鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2007.

［10］姜玲.基于遙感和DEM數(shù)據(jù)的柬埔寨洞里薩湖地區(qū)數(shù)字地貌制圖研究［D］.南京:南京師范大學(xué)，2008.

［11］楊曉平.基于TM遙感圖像的流域地貌研究［J］.科技通報(bào)，2003，19(2):150-153.