基于GoogleEarth影像的漓江水系形態(tài)特征提取與分析

陸丁滒， 吳虹， 郭琪， 陳夢(mèng)杰

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院遙感應(yīng)用研究所， 桂林　541004； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘察院， 洛陽　471023)

基于GoogleEarth影像的漓江水系形態(tài)特征提取與分析

陸丁滒1， 吳虹1， 郭琪2， 陳夢(mèng)杰1

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院遙感應(yīng)用研究所， 桂林541004； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘察院， 洛陽471023)

摘要：為獲取漓江流域水系的空間分布和水系形態(tài)特征，以Google Earth影像為數(shù)據(jù)源，采用人機(jī)交互目視解譯法提取了流域內(nèi)的水系形態(tài)特征信息，編制了漓江流域水系分布圖。通過對(duì)水系的等級(jí)、密度、分支比、各級(jí)水道長(zhǎng)度以及交匯角等特征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，定量化地展示了漓江流域水系的形態(tài)特征； 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水系形態(tài)特征的控制因素分析，認(rèn)為地層與斷裂構(gòu)造是控制漓江流域形態(tài)的重要因素，人類活動(dòng)對(duì)漓江流域水系形態(tài)的影響正在日漸增強(qiáng)。該研究成果為漓江流域的綜合治理提供了科學(xué)依據(jù)，深化了漓江流域的地貌研究。

關(guān)鍵詞：Google Earth； 漓江流域； 水系特征； 信息提??； 控制因素

0引言

漓江是珠江水系在桂北地區(qū)的重要支流，流經(jīng)由加里東期花崗巖、中生代碎屑巖和碳酸鹽巖地層構(gòu)成的斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，形成了獨(dú)特的巖溶-河流組合地貌。21世紀(jì)之前，對(duì)漓江的研究主要集中于主干流的水資源與水環(huán)境方面，而對(duì)水系地貌特征的研究較少。根據(jù)流域地貌理論，水系地貌特征包括水道級(jí)別與流域級(jí)別、水道分支比、水道數(shù)量、水道平均長(zhǎng)度、水道總長(zhǎng)度、水道縱比降、水道交匯角、水道形態(tài)、水道流量和流域面積等28項(xiàng)指標(biāo)[1]。漓江流域分布范圍廣，形態(tài)與地形復(fù)雜，交通不便，依靠地面調(diào)查方式去獲取這些地貌指標(biāo)信息較為困難。高分辨率衛(wèi)星遙感以其廣視域、大信息量、精定位、同步和重復(fù)觀測(cè)的巨大優(yōu)勢(shì)，使開展這一研究工作成為可能。2000年以來，采用遙感手段研究河流地貌已得到廣泛應(yīng)用。王磊等[2]采用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從DEM獲取黃河源地區(qū)各級(jí)水系長(zhǎng)度、數(shù)目、密度及流域面積等參數(shù)； 李棟梁[3]結(jié)合形態(tài)學(xué)理論，利用TM影像的多光譜信息提取了洛河流域主水系； 劉昱恒等[4]使用基于DEM數(shù)據(jù)的J&D算法及基于輔助數(shù)據(jù)的AGREE方法，完成了對(duì)潦河流域水系河網(wǎng)的提取。近年來，專門針對(duì)漓江水系地貌的研究也有了一定的進(jìn)展，吳虹等[5]通過對(duì)3期Landsat5/7TM、ETM+遙感影像的信息提取、模式識(shí)別和實(shí)際調(diào)查，獲得了漓江流域的植被總量、城市化面積和水質(zhì)變化等信息； 秦潤(rùn)君等[6]采用QuickBird-2和P6衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)漓江自然地貌破壞現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查； 郝敏[7]基于資源三號(hào)衛(wèi)星(ZY-3)數(shù)據(jù)對(duì)漓江河床水深反演開展了研究。到目前為止，已開展的漓江水系地貌研究多從植被、土地利用等地理要素著手，水系形態(tài)特征分析較少，且未從整體上對(duì)漓江水系形態(tài)的地質(zhì)控制因素開展過專題研究。為此，本文以GoogleEarth影像為數(shù)據(jù)源，在MapGIS軟件的支持下，重點(diǎn)對(duì)漓江流域水系形態(tài)的水道級(jí)別、水系密度、水道分支比、各級(jí)水道長(zhǎng)度和水道交匯角5個(gè)特征信息進(jìn)行提取，分析水系空間形態(tài)展布的控制因素，為漓江的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1水系形態(tài)特征

水系作為宏觀的流域地貌組合[8]，一般由主干流和支流河道組成。本文主要對(duì)漓江流域的水道級(jí)別、水系密度、水道分支比、各級(jí)水道總長(zhǎng)度和水道交匯角等5種特征指標(biāo)進(jìn)行研究和信息提取。

1)水道級(jí)別。水道級(jí)別是按水系中河道的承繼和匯流關(guān)系劃分的水道等級(jí)。對(duì)水道級(jí)別的劃分，目前國(guó)際上較受推崇的是Strahler水道級(jí)別劃分法，即將位于明顯谷地水流線以內(nèi)的所有間歇性和永久性水道稱為第1級(jí)水道，由2個(gè)1級(jí)水道匯流組成的新水道稱為第2級(jí)水道，匯流了2個(gè)2級(jí)水道的則稱之為第3級(jí)水道，依次類推，最終將整個(gè)流域的河網(wǎng)水系劃分完畢[9]。

2)水系密度。水系密度表示該地區(qū)水系分布的密集程度。在地學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算河網(wǎng)水系密度有2種方法： 一種是通過計(jì)算單位面積內(nèi)河段的總長(zhǎng)度來表示，即線密度； 另一種是通過計(jì)算單位面積內(nèi)河段的總面積來表示，即面密度[10]。線密度法的計(jì)算公式為

D=∑L/∑A，

(1)

式中： D為最終計(jì)算出的河網(wǎng)水系線密度； ∑L為一定面積內(nèi)河流的總長(zhǎng)度； ∑A為總面積。

3)水道分支比。水道分支比是某一級(jí)水道的數(shù)目與比其高一級(jí)水道數(shù)目的比值，即

(2)

式中： r為分支比； nx為第x級(jí)水道的數(shù)目； nx+1為第x+1級(jí)水道的數(shù)目。

4)各級(jí)水道總長(zhǎng)度。各級(jí)水道總長(zhǎng)度即某級(jí)所有水道長(zhǎng)度之和。在劃分了水道級(jí)別之后，各級(jí)水道總長(zhǎng)度便可計(jì)算出來，其公式為

(3)

式中： Lu為第u級(jí)水道的總長(zhǎng)度； n為第u級(jí)水道的數(shù)目，i=1,…,n； lui為第u級(jí)中第i條水道的長(zhǎng)度。

5)水道交匯角。水道交匯角是指2條水道交匯時(shí)形成的角度大小。Horton[11]認(rèn)為2條水道的交匯角與水道縱比降及地表坡度有以下關(guān)系

(4)

式中： Z為2條水道的交匯角； Sc為老水道的縱比降，(°)； Sg為新水道發(fā)育于其上地表的平均坡度。

2研究區(qū)概況

漓江發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)興安縣華江鄉(xiāng)貓兒山東北面海拔1 732m(黃?；?的老山界南側(cè)，越城嶺主峰貓兒山東麓，由北向南流經(jīng)桂林市轄區(qū)及興安、靈川、臨桂、陽朔、平樂6個(gè)縣市，漓江水系由漓江干流與12條次級(jí)支流組成，屬復(fù)合型水系，干流全長(zhǎng)214km。流域范圍為E109°45′18″～111°2′24″，N24°15′28″～25°54′42″，面積約10 733km2，流域內(nèi)多巖溶峰林和中低山丘陵地形(圖1)。

圖1　漓江流域干流及12條次級(jí)支流TM假彩色

3研究方案

以GoogleEarth平臺(tái)提供的衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源。具體研究方案流程如圖2所示。

圖2　研究方案流程

首先，采用MapGIS對(duì)獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括影像裁剪、拼接、格式轉(zhuǎn)換、幾何糾正、投影變換和重采樣等； 其次，采用人機(jī)交互目視解譯矢量化法，提取漓江水系形態(tài)信息，根據(jù)Strahler水系分級(jí)原則，對(duì)提取的水道進(jìn)行分級(jí)，在此基礎(chǔ)上開展統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括各級(jí)水道數(shù)目、長(zhǎng)度、分支比、交匯角和水系線密度等； 最后，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)圖，從巖性、斷裂構(gòu)造及人類活動(dòng)的角度分析漓江水系形態(tài)的控制因素。

4漓江水系形態(tài)特征提取

本文使用的GoogleEarth影像分辨率從0.61m到100m不等，其中，桂林市區(qū)有QuickBird影像覆蓋，分辨率達(dá)0.61m，可以滿足本次研究的需要?；贕oogleEarth數(shù)據(jù)，采用目視解譯法進(jìn)行漓江水系特征提取與分析。預(yù)處理步驟如下：

1)影像裁剪和拼接。利用GetScreen軟件進(jìn)行，研究區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置為2.2km，控制單次圖片拼接數(shù)量在800張以內(nèi)。

2)幾何精糾正。為了使解譯結(jié)果更準(zhǔn)確，以研究區(qū)1∶10萬地形圖為基準(zhǔn)，利用MapGIS6.7軟件對(duì)所獲取的影像進(jìn)行幾何糾正，并將其作為研究區(qū)工作底圖。

3)建立水道線文件。根據(jù)遙感解譯原則，建立解譯標(biāo)志與水道信息分類編碼，矢量化水道。提取的漓江水系河網(wǎng)如圖3所示。

圖3　漓江流域水系形態(tài)信息提取結(jié)果

4.1水道分級(jí)信息提取

在解譯出漓江水系分布的基礎(chǔ)上，采用Strahler水道分級(jí)法對(duì)水道進(jìn)行級(jí)別劃分。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，漓江流域內(nèi)共有1級(jí)水道403條，2級(jí)水道75條，3級(jí)水道26條，4級(jí)水道4條，5級(jí)水道1條，其中，漓江水系干流為第5級(jí)水道。

4.2水系線密度信息提取

采用公式(1)對(duì)漓江水系進(jìn)行線密度計(jì)算。在線密度計(jì)算時(shí)，用2km×2km的格網(wǎng)對(duì)河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，統(tǒng)計(jì)各單元網(wǎng)格內(nèi)水系的總長(zhǎng)度，利用長(zhǎng)度和網(wǎng)格面積計(jì)算出線密度值，最后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Surfer軟件，繪制出的水系密度圖見圖4。

圖4　漓江流域水系密度圖

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，漓江上游水系密度較大，密度值范圍為30～90km/km2，下游水系密度較小，密度值范圍為5～30km/km2。

4.3相鄰水道分支比信息提取

根據(jù)公式(2)，結(jié)合各級(jí)水道數(shù)目，計(jì)算出漓江水系相鄰2級(jí)水道的分支比(表1)。

表1　漓江水系水道分支比

從表1中可以看出，在漓江流域，各級(jí)水道之間的分支比有較大差異。這是由于流域內(nèi)不同的自然地理?xiàng)l件造成的。

4.4各級(jí)水道總長(zhǎng)度信息提取

在MapGIS6.7 軟件屬性庫管理中可以查詢線段的長(zhǎng)度，根據(jù)漓江水系分布和分級(jí)結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算漓江各級(jí)水道總長(zhǎng)度見圖5。

圖5　漓江水系各級(jí)水道長(zhǎng)度

從圖5可以看出，除第5級(jí)水道——漓江干流外，隨著水道級(jí)別的上升，漓江水系支流總長(zhǎng)度呈減少的趨勢(shì)。

4.5各級(jí)水道交匯角信息提取

本研究將相應(yīng)級(jí)別的水道交匯角度劃分為對(duì)應(yīng)級(jí)別的交匯角，考慮到低級(jí)水道可直接匯入更高級(jí)的水道，故在劃分此類交匯角時(shí)，以低級(jí)水道對(duì)應(yīng)的級(jí)別作為交匯角的級(jí)別。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，漓江水系各級(jí)水道平均交匯角見表2。

表2　漓江水系各級(jí)水道平均交匯角

從表2中可以看出，漓江水系各級(jí)水道呈近垂直狀交匯，這表明漓江各級(jí)水道的縱比降與地表平均坡度相差較大。

5控制因素分析

根據(jù)桂林市1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖，結(jié)合漓江水系密度特征，主要從地層、斷裂構(gòu)造以及人類活動(dòng)的角度對(duì)控制漓江水系形態(tài)的因素開展分析。

5.1地層因素

第四紀(jì)以來，漓江流域地殼主要以上升為主，出露地層主要有寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系和第四系。筆者基于桂林幅1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖，提取出流域內(nèi)主要巖性信息，同時(shí)選取靈川、桂林、陽朔3個(gè)地面點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并結(jié)合漓江水系密度圖將二者等比例疊放在一起，如圖6所示。

圖6　漓江流域水系密度和地層分布

從圖6可以看出，漓江流域內(nèi)的地層分布以大圩鎮(zhèn)為界，可分為北、南2個(gè)部分，大圩鎮(zhèn)以北地層主要走向大致為NE向，以南則以NW向?yàn)橹?，與漓江整體水系形態(tài)展布由下游的NW向到上游逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向一致，說明本區(qū)的地層格局對(duì)漓江流域水系形態(tài)的展布與發(fā)展影響明顯。此外，在漓江流域北部，巖性變化由最初的加里東期花崗巖到砂、頁巖，到司門前—溶江段的頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r和白云巖，再到溶江—靈川段的白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和砂巖，具有巖石硬度逐漸降低，抗風(fēng)化能力逐漸減弱的趨勢(shì)； 上游水系形態(tài)表現(xiàn)為徑流發(fā)育，支流繁多，巖石的透水性能差，容易被流水侵蝕，所以水系密度值大。流域南部的巖性為大圩—楊堤段的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，以及下游的楊堤—陽朔段的泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，其巖性差異較小，故下游水系形態(tài)表現(xiàn)為地表徑流發(fā)育程度不高，地形坡度較小，巖石堅(jiān)硬且透水性能好，水系長(zhǎng)且疏，少有支流發(fā)育，所以水系密度值較小。

5.2斷裂構(gòu)造因素

在現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯和活斷層附近地區(qū)，水系形態(tài)的發(fā)展主要受構(gòu)造活動(dòng)的控制[12]。筆者將漓江流域地質(zhì)圖中的線性斷裂構(gòu)造信息單獨(dú)提取出來，以靈川、桂林、陽朔3個(gè)地面點(diǎn)作為控制點(diǎn)，等比例疊放在漓江流域水系線密度圖上，如圖7。

圖7　漓江流域水系密度和斷層構(gòu)造分布

從圖7可以看出，在老人山以北地區(qū)分布的斷裂自北向南，主要為NNE向的資源斷裂、SN向的龍勝—永福斷裂、NE向的桂林—來賓斷裂，整體上斷層方向有從NE向到NNE向再到SN向的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)。漓江流域水系高密度帶呈NE向展布，并且自北向南由NE向向NNE向逐漸轉(zhuǎn)變，這與該地區(qū)的斷裂構(gòu)造方向一致。老人山以南地區(qū)，分布的斷裂帶有觀音閣斷裂和白石斷裂，整體由南及北呈NW向、NNW向再到SN向的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)。雖然該區(qū)水系密度較低，但其展布趨勢(shì)依然明顯，整體為由陽朔—遇龍河一帶的NW向陽朔—楊堤—奇峰鎮(zhèn)一帶的NNW方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這依然與該地區(qū)的斷裂構(gòu)造方向一致。

5.3人類活動(dòng)因素

水系形態(tài)的展布除了受巖性、構(gòu)造等自然地質(zhì)因素的影響外，還在人類開發(fā)利用流域內(nèi)自然資源以及抗擊自然災(zāi)害的過程中，不斷地被人為活動(dòng)改造。早在2 200多a前，秦王朝出于統(tǒng)一中國(guó)政治和軍事行動(dòng)的需要，鑿建了現(xiàn)今位于興安縣境內(nèi)的靈渠。改革開放近40a以來，隨著桂林城市化進(jìn)程的加速及自然資源的過度開發(fā)利用，人類活動(dòng)對(duì)漓江流域的主觀改造日益明顯，這在一定程度上都影響著漓江水系的自然形態(tài)。

根據(jù)上文解譯得到的水系形態(tài)信息，以司門前鎮(zhèn)為起點(diǎn)，每隔2km取1個(gè)干流水道寬度值，可得到漓江干流寬度變化趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8　漓江干流寬度變化趨勢(shì)(作圖縱橫比例尺為1∶200)

從圖8可以看出，漓江上、中、下游的河流寬度值范圍差異較大。在漓江上游，由于匯入的支流不多，河流水量少，表現(xiàn)為主流寬度較窄，最窄僅40m左右。到了河流中游地區(qū)，由于有多條支流的匯入，河流的寬度明顯增大，并且由于存在規(guī)模比較大的江心洲，使河流的寬度范圍存在幾十m到200多m不等的變化。在距源頭60km附近，由于桂林市及靈川縣的城市用水，使河流水量急劇減少，河流寬度開始出現(xiàn)減小趨勢(shì)； 隨著距離河流源頭越來越遠(yuǎn)，河流的動(dòng)能減少，河流寬度在下游地區(qū)漸趨穩(wěn)定； 距源頭140km以后，由于流域水量的不斷匯聚，主干道又逐步變寬。

為了解決城市用水導(dǎo)致漓江水量急劇減少的問題，桂林市政府提出了枯季補(bǔ)水方案，先后分3期完成。第一期修建青獅潭水庫，第二期修建斧子口水庫、川江水庫和小溶江水庫，第三期則主要保持水面景觀。目前，第一期青獅潭水庫已建成并投入使用，其年內(nèi)調(diào)節(jié)能力對(duì)緩解漓江的枯水徑流問題具有積極的作用[13]。但是，由于水系形態(tài)的變化和人類活動(dòng)都具有動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定性，目前人類活動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)河道的改造方面，它的影響既有積極的作用，又有消極的作用。因此，漓江流域水系形態(tài)的展布、發(fā)展與演變是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期觀察研究和對(duì)比分析的課題。

6結(jié)論

本文基于GoogleEarth影像，綜合運(yùn)用遙感和GIS技術(shù)解譯提取了漓江流域的水系形態(tài)特征信息。

1)利用MapGIS軟件完成了對(duì)漓江流域水系形態(tài)信息的提取，獲得了漓江流域水系分布圖，可作為下一步研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)通過對(duì)水系等級(jí)、支流數(shù)目、水系密度、分支比、交匯角和水道長(zhǎng)度等信息的統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為漓江流域?yàn)?級(jí)水系，流域內(nèi)共有大小河道509條，流域北部水系密度較大，密度值范圍為30～90km/km2，南部水系密度較小，密度值范圍為5～30km/km2； 流域內(nèi)各級(jí)水道呈近90°交匯，整個(gè)水系總長(zhǎng)度為1 946.63km。

3)通過分析漓江流域水系形態(tài)的控制因素，認(rèn)為地層與斷裂構(gòu)造對(duì)其形態(tài)的控制較為明顯，人類活動(dòng)對(duì)漓江流域自然地貌的影響也日益顯著，漓江流域的綜合治理已刻不容緩。

需要指出的是，自然形成的水系是由多種因素共同控制和影響的，本文僅從地層、斷裂構(gòu)造及人類活動(dòng)的角度分析漓江水系形態(tài)的控制因素，分析結(jié)果有一定的局限性； 此外，GoogleEarth影像自身存在分辨率的差異，在一定程度上也影響了解譯的精度，這些問題有待于在今后的研究中進(jìn)一步完善和解決。

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(責(zé)任編輯： 陳理)

FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage

LUDingge1,WUHong1,GUOQi2,CHENMengjie1

(1. Guilin University of Technology Remote Sensing Institute， Guilin 541004， China; 2. The Third Geological Prospecting Institute of Geology and Mineral Resources Exploration Development Authorities， Luoyang 471023， China)

Abstract:In order to obtain the river system space distribution and river system feature information of the Lijiang River Basin, the authors, with Google Earth images as information source and by using the method of man-machine interactive visual interpretation, extracted basin river system configuration information and compiled water distribution map of Lijiang River basin. On the basis of information extraction and statistics of such factors as the water level, drainage density, stream tributaries branching ratio, length, and intersection angle, the morphological characteristics of Lijiang River Basin system was quantitatively demonstrated. An analysis of control factors based on river system morphology characteristics revealed that the strata and faults are the important controlling factors of Lijiang River morphology, and that the influence of human activity is growing. The research results provide objective scientific basis for the Lijiang River comprehensive control and treatment and also fill the blank in the study of the Lijiang River basin landform.

Keywords:Google Earth； Lijiang River basin; drainage characteristics; information extraction; control factor

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.25

收稿日期：2014-10-23；

修訂日期：2014-12-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“漓江流域遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用示范關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào)： 2012BAC16B01-2)和廣西科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目“漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展研究”(編號(hào)： 桂科攻1298006-1)共同資助。

中圖法分類號(hào)：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)02-0161-07

第一作者簡(jiǎn)介：陸丁滒(1986-)，男，碩士研究生。主要從事遙感技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。Email： ldg8677@163.com。

通信作者：吳虹(1947-)，教授，博士研究生導(dǎo)師。Email： wuhong@glut.edu.cn。

引用格式： 陸丁滒,吳虹,郭琪,等.基于GoogleEarth影像的漓江水系形態(tài)特征提取與分析[J].國(guó)土資源遙感,2016,28(2):161-167.(LuDG,WuH,GuoQ,etal.FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):161-167.)