基于ArcGIS長江流域水土流失遙感監(jiān)測質(zhì)量檢查

王成 鐘良 段錦章 周金霞

摘要：長江流域水土流失遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)量龐大，傳統(tǒng)的人工檢查方法費時費力，難以滿足長江流域全覆蓋監(jiān)測需求。結(jié)合長江流域水土流失監(jiān)測工作的特點，基于ArcGIS平臺研發(fā)了水土流失動態(tài)監(jiān)測解譯成果質(zhì)檢工具，包括坐標(biāo)檢查、拓撲檢查、邏輯檢查、接邊檢查等。該方法能夠快速對大批量成果進行質(zhì)量把關(guān)，方便成果修改，最終確保成果規(guī)范統(tǒng)一，完全滿足后續(xù)侵蝕強度模型計算的相關(guān)要求，可有效提高長江流域水土流失監(jiān)測效率。

關(guān)鍵詞：水土流失;土地利用;水保措施;ArcGIS;遙感監(jiān)測;質(zhì)量檢查

中圖法分類號：S157 文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.014

文章編號：1006 - 0081（2021）09 - 0079 - 06

0 引 言

水土流失會對自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，國家水土管理部門把監(jiān)測工作置于重要位置，給予水土保持監(jiān)測工作高度關(guān)注。長江流域是我國水土流失最嚴(yán)重區(qū)域之一，水土流失面積達34.67萬km2，占流域土地總面積的19.36%，主要分布在上中游云、貴、川等地，該區(qū)域水土流失情況較為突出，造成了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化和區(qū)域經(jīng)濟貧困化。長江流域水土流失監(jiān)測工作在國家水土流失監(jiān)測工作中范圍廣、難度大、關(guān)注度高。開展水土流失動態(tài)監(jiān)測，摸清水土流失情況，定期發(fā)布水土保持公告，有利于做好流域水土流失預(yù)防和治理工作，同時為長江經(jīng)濟帶建設(shè)和國家宏觀決策提供依據(jù)，對促進區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-2]。

目前，水土保持監(jiān)測是以生態(tài)環(huán)境保護作為出發(fā)點，綜合運用現(xiàn)代化技術(shù)，動態(tài)評估水土流失的實際情況。現(xiàn)階段，國內(nèi)水土保持監(jiān)測方法不斷創(chuàng)新，相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)日漸更新，大大地提高了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，為水土保護和管理工作提供了重要參考依據(jù)。遙感監(jiān)測已經(jīng)成為水土保持監(jiān)測的核心手段[3]，水土流失遙感監(jiān)測工作量主要集中在土地利用和水土保持措施解譯，解譯成果質(zhì)量直接影響后續(xù)水土流失強度計算的結(jié)果。孫妍等[4]以海河流域2019年度水土流失動態(tài)監(jiān)測項目為例研究了水土流失動態(tài)監(jiān)測質(zhì)量控制方法與實踐，主要是從建設(shè)質(zhì)量控制體系角度進行分析，缺少具體操作流程。傳統(tǒng)的成果質(zhì)量檢查主要是人工進行，費時費力，且容易有遺漏，難以滿足水土保持信息化建設(shè)的需求，目前亟需一種快速進行質(zhì)量檢查的方法來提高監(jiān)測效率和成果規(guī)范性。

本文基于ArcGIS的核心應(yīng)用（ArcToolbox）為切入點，綜合運用分析工具、數(shù)據(jù)管理工具、轉(zhuǎn)換工具等，編寫python腳本，構(gòu)建工具箱，一鍵式操作，實現(xiàn)快速對水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫成果進行質(zhì)量檢查[5-6]。

1 水土流失遙感監(jiān)測質(zhì)檢方法

根據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)要求，基于衛(wèi)星影像進行水土流失遙感解譯與信息提取，主要有影響水土流失的人為活動，包括土地利用、水土保持措施的類型與數(shù)量、生產(chǎn)建設(shè)活動擾動情況等[7-9]。遙感解譯成果是以土壤侵蝕地塊為水土流失發(fā)生的基本空間單元，即：將土地利用類型相同、水土保持措施相同、空間上連續(xù)的范圍確定為土壤侵蝕地塊邊界[10-12]。土壤侵蝕地塊數(shù)據(jù)庫相關(guān)內(nèi)容與字段屬性如表1所示。

針對遙感監(jiān)測信息提取過程中容易出現(xiàn)錯誤的環(huán)節(jié)進行質(zhì)量檢查，首先是坐標(biāo)系檢查，可通過投影與轉(zhuǎn)換中的定義投影功能進行坐標(biāo)系檢查與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，確保坐標(biāo)系準(zhǔn)確無誤后，利用拓撲工具中的拓撲創(chuàng)建、添加規(guī)則、設(shè)置容差、導(dǎo)出錯誤等功能進行拓撲檢查。這兩項為圖形檢查的重點內(nèi)容，必須保證完全符合要求。

對于屬性檢查，主要是檢查土地利用與各項水保措施的邏輯關(guān)系是否符合要求。可通過建立邏輯關(guān)系，然后按照屬性選擇，篩選出錯誤圖斑。

各個區(qū)縣成果經(jīng)圖形和屬性檢查修改無誤后，則需進行接邊檢查?？赏ㄟ^提取接邊圖斑進行制圖，綜合使得相同屬性相鄰圖斑融合，其產(chǎn)生的接邊后圖斑若與接邊線共線，則視為接邊錯誤，導(dǎo)出圖斑進行修改。

完成以上4項檢查后，基本滿足水土流失遙感監(jiān)測信息提取建庫的相關(guān)要求，可順利進行下一步水土流失侵蝕強度的計算，具體流程見圖1。

1.1 坐標(biāo)檢查

根據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》要求成果須采用CGCS2000 國家大地坐標(biāo)系，采用1985 國家高程基準(zhǔn)，投影方式為正軸等面積割圓錐投影（Albers 投影），中央經(jīng)線為105°E。由于信息提取過程中會使用不同坐標(biāo)系的參考資料，數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出操作容易導(dǎo)致坐標(biāo)系發(fā)生變化不符合要求?？赏ㄟ^使用數(shù)據(jù)管理工具中的“投影和變換”功能進行坐標(biāo)檢查與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換修改。

1.2 拓撲檢查

為了便于后續(xù)能順利進行水土流失侵蝕強度計算，必須對土壤侵蝕地塊進行拓撲檢查，確保無重疊、無縫隙，無極小面?？赏ㄟ^數(shù)據(jù)管理工具中“構(gòu)建拓撲”、“添加拓撲規(guī)則”（規(guī)則為不能重疊、不能有縫隙），設(shè)置拓撲容差為0.001 m，進行拓撲檢查，并導(dǎo)出拓撲錯誤。

1.3 邏輯檢查

邏輯檢查主要是針對土地利用與水土保持措施之間存在矛盾等問題。由于水土保持措施對于后續(xù)水土流失強度計算影響較大，必須確保二者邏輯一致、正確。

其中，TDLYDM（土地利用代碼）與BDM（生物措施代碼）、EDM（工程措施代碼）、FZCS（防治措施）等具有邏輯關(guān)聯(lián)性，如生物措施為102（種草），則土地利用代碼只能為43（其他草地）。

構(gòu)建土地利用代碼與水土保持措施代碼之間的邏輯對應(yīng)關(guān)系如表2所示。然后通過“按屬性選擇”功能，選擇不符合構(gòu)建邏輯關(guān)系的圖斑，并導(dǎo)出錯誤圖斑，方便對照修改。

1.4 接邊檢查

由于長江流域水土流失監(jiān)測范圍較大，涉及區(qū)縣數(shù)量較多，遙感解譯成果以區(qū)縣為單位進行組織，各區(qū)縣之間侵蝕地塊圖斑的邊界范圍和屬性會存在差異性。為了確保各區(qū)縣成果正確性，需要進行接邊處理與接邊檢查。

由于各區(qū)縣圖斑數(shù)量龐大，如果直接進行數(shù)據(jù)合并接邊將導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫操作非常緩慢，為了提高接邊效率，通常根據(jù)區(qū)縣界線按位置選擇提取接邊區(qū)域與其相交的圖斑，利用數(shù)據(jù)管理工具中合并功能將各區(qū)縣接邊數(shù)據(jù)合并到同一數(shù)據(jù)庫中，再使用制圖綜合中的融合工具，將相同屬性的相鄰圖斑融合為一個完整圖斑，融合字段勾選“TDLYMC，TDLYDM，BMC，BDM，EMC，EDM，TMC，TDM，LZDM，BH，QDM，QBDM，QEDM，BZ”等字段。按照位置選擇，如果存在融合后圖斑與區(qū)縣界線共線的圖斑則為接邊錯誤，導(dǎo)出錯誤記錄，逐一修改。

2 示范應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

以瀘水市為例，瀘水市位于云南省西部偏北，怒江傈僳族自治州南部。東靠碧羅雪山與蘭坪、云龍兩縣相鄰，南接保山市，西與騰沖縣和緬甸聯(lián)邦共和國毗鄰，北連福貢縣?？h域東西橫距58 km，南北縱距95 km，國境線長136.24 km，總面積3 203.04 km2。瀘水市地處享有“東方大峽谷”美譽的橫斷山脈南端縱谷區(qū)，地勢北高南低，呈“V”字地形，最高海拔4 161.6 m，最低海拔738 m。瀘水市境內(nèi)有片馬河、怒江、楚依大河等40條河流，分屬依洛瓦底江和怒江兩大水系，見圖2。

沿怒江道路低處山坡分布有耕地，高處已經(jīng)基本退耕還草，山上植被覆蓋度高，以林地為主。東南區(qū)域山上植被覆蓋度不高，以灌草為主。沿怒江的公路，目前施工接近完工，存在輕微擾動。

2.2 遙感信息提取成果檢查

為便于成果檢查，將瀘水市土壤侵蝕地塊數(shù)據(jù)庫（圖層名QSDK）轉(zhuǎn)換成gdb格式，圖斑總個數(shù)為16 943個，侵蝕地塊分布如圖3所示。

根據(jù)成果質(zhì)量要求，需要進行坐標(biāo)檢查，打開坐標(biāo)檢查工具，添加需要檢查的矢量數(shù)據(jù)，檢查瀘水市成果坐標(biāo)系正確，符合要求（圖4）。

新建要素數(shù)據(jù)集，將待檢查的矢量數(shù)據(jù)-瀘水市土壤侵蝕地塊成果添加至數(shù)據(jù)集中，加載需要檢查的矢量數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)集和矢量數(shù)據(jù)圖層，輸入檢查結(jié)果存放路徑即可導(dǎo)出錯誤文件。具體操作如圖5所示，檢查結(jié)果如圖6所示，導(dǎo)出面錯誤、線錯誤、點錯誤。結(jié)果表明，瀘水市無拓撲錯誤，只有系統(tǒng)自帶的外輪廓的線標(biāo)記錯誤。

添加瀘水市土壤侵蝕地塊矢量數(shù)據(jù)，輸入檢查結(jié)果存放路徑即可導(dǎo)出錯誤文件，該方法支持SHP、GDB、MDB等多種格式數(shù)據(jù)，支持快速進行土地利用、水保措施、防治措施等字段屬性值的邏輯正確性檢查，并將錯誤結(jié)果快速導(dǎo)出，以便修改。具體操作如圖7所示，檢查結(jié)果如圖8所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)存在農(nóng)村建設(shè)用地，出現(xiàn)有坡式梯田的措施以及防治措施字段有侵蝕強度等錯誤。

添加接邊線即區(qū)縣界線、兩個待檢查的接邊矢量數(shù)據(jù)瀘水市接邊圖斑和福貢縣接邊圖斑，輸入接邊文件合并后存放路徑和檢查結(jié)果即可導(dǎo)出錯誤文件和接邊后成果，可基于接邊后成果參考錯誤文件進行進一步接邊，提高接邊效率。具體操作如圖9所示，檢查結(jié)果如圖10所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)存在部分接邊圖斑邊線合并后有縫隙以及接邊圖斑屬性不一致的情況。

通過以上檢查，確保最終成果滿足遙感信息提取的技術(shù)要求和水土流失計算的相關(guān)規(guī)定，以便順利開展下一步水土流失侵蝕強度計算。

3 結(jié) 語

本文詳細闡述了基于ArcGIS平臺編寫腳本構(gòu)建工具箱進行長江流域水土流失遙感監(jiān)測成果質(zhì)量檢查的方法，并以瀘水市為例，對土壤侵蝕地塊成果進行了質(zhì)量檢查。該方法能一鍵式快速進行遙感監(jiān)測成果規(guī)范性與邏輯性檢查。對于成果分類正確性與套合精度等問題，則還是需要輔以人工手動檢查。

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（編輯：李 晗）

Quality inspection of remote sensing monitoring of soil erosion in Yangtze River Basin based on ArcGIS

WANG Cheng1，2，ZHONG Liang1，2，DUAN Jinzhang1，2，ZHOU Jinxia1，2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010， China ;? 2. Changjiang Space Information Technology Engineering Co.， Ltd. （Wuhan）， Wuhan? 430010， China）

Abstract： The data volume of remote sensing monitoring results of soil erosion in the Yangtze River Basin is huge， and the traditional manual checking method is time-consuming and difficult to meet the demand for full-coverage monitoring in the Yangtze River basin. In the combination of the characteristics of soil erosion monitoring in the Yangtze River Basin， and based on GIS platform， a quality inspection tool， including coordinate check， topology check， logic check， bordering check， for interpretation result of dynamic soil erosion monitoring is developed. This method can quickly check the quality of large quantity of results， and facilitate the modification of results to ensure that the results are uniform and fully meet the requirements of subsequent erosion intensity model calculation， and effectively improve the efficiency of soil erosion monitoring in the Yangtze River Basin.

Key words： soil erosion; land use; water conservation measures; ArcGIS; remote sensing monitoring; quality inspection