面向泥石流隐患调查的沟谷自动提取的方法研究.pdf

March.20232023年3 月Modern Surveying and MappingVol.46.第46 卷第2 期测现绘代面向泥石流隐患调查的沟谷自动提取的方法研究谢祖明（福建省测绘院，福建福州350 0 0 3）摘要孕灾环境的地形地貌条件是泥石流灾害的一个重要因素，沟谷所在流域的地形特征能够有效反映泥石流发育的基本情况，从地形上提取的沟谷信息对泥石流灾害隐患的调查尤为重要。以居民区为出发点，基于高精度的DEM，运用数字地形和空间分析等技术进行软件开发，实现居住区附近沟谷的快速自动提取。选择3个实验区域，与人工勾绘的沟谷主干在数量和空间位置两方面的精度进行对比验证，分别为8 1.7 6%和91.33%，验证了其有效性。该方法快速高效，解决了全省范围内大规模数据生产的技术难题，已应用于全省范围的沟谷数据生产，成果已用于福建省1：50 0 0 0 地质灾害调查与风险评价项目。关键词沟谷；泥石流；居住区；地质灾害；DEM中图分类号：P642.23;P208文献标志码：A文章编号：16 7 2-40 9 7（2 0 2 3）0 2-0 0 52-0 50引言目前，福建省1:50 0 0 0 地质灾害调查与风险评价项目正在开展，泥石流地质灾害隐患的调查是其中一项重要工作。孕灾环境的地形地貌条件是泥石流灾害的一个重要因素，是泥石流灾害排查和研究的重点，沟谷能够表征其所在流域的地形特征，有效反映泥石流发育的基本情况。目前国内外许多学者对泥石流灾害地形条件的研究，基本都是通过提取沟谷主干及其流域的地形特征来进行调查和评价的1-3，沟谷主干的准确提取是沟谷特征提取的基础，对泥石流地质灾害隐患的调查尤为重要。本文研究目的是要解决在全省范围内进行居住区附近沟谷的快速提取，通过实验区数据进行技术实验和方法研究，推广应用于全省数据生产，为福建省1：50 0 0 0 地质灾害调查与风险评价项目提供重要的基础数据。目前大部分学者和专家对泥石流沟谷或流域的特征提取主要通过两种方法：采取利用遥感影像进行人工目视解译的方法，该方法提取效率低，且难以保证沟谷信息提取的全面性和统一性；利用数字地形分析技术，许多学者基于DEM分别从沟谷网络提取 4-6、沟谷网络节点 7-8、沟谷密度 9、沟谷信息熵 10 以及沟谷网络分维特征 11等方面对沟谷进行了研究，而如何快速、批量、自动获取沟谷主干信息则鲜有研究。本文以高精度DEM为数据基础研究沟谷的地形条件，以承灾体中的居住区为重点关注对象，利用数字地形和空间分析等地理信息系统技术，开发生产工具软件套件，实现对居住区附近沟谷的快速自动提取，解决了全省范围内大规模数据生产的技术难题，为福建省泥石流灾害隐患的调查和分析提供重要的基础数据。1沟谷地形分析本文结合目前地质调查工作实际需求，对福建地区沟谷展开研究，福建山区沟谷数量众多，沟谷提取的全面性和准确性是泥石流隐患沟谷排查的关键。泥石流地质灾害的直接受灾对象是周边的居住区，关注居住区的安危是灾害排查的核心目标，由此可考虑把提取沟谷的范围缩小为影响居民的沟谷。此外，位于沟谷附近的居住区一般都在其中下游较为平坦的位置，因此，可以从承灾体的角度，根据居民区与沟谷的空间位置关系对其附近所有的沟谷进行定位识别，进而“由下至上”提取所需的完整沟谷主干。在沟谷中发生的泥石流地貌，一般可划分为形成区、流通区和堆积区（图1）。福建省历年泥石流地主要以浅层滑坡诱发的泥石流为主。浅层滑坡诱发的沟谷泥石流形成所需的水和物源主要来自沟谷上游的形成区，沟谷中游的流通区域的地形条件也会有较大的影响，而下游堆积区与泥石流的形成没有直接关系。因此，本文所提取的沟谷为潜在泥石流流域形成区及流通区范围内（即堆积区以外的区域)的沟谷主干。目前对于沟谷泥石流3个分区的划分还没有一个明确的界限，通过统计福建省已发生泥石流堆积区的调查数据和福建省地灾实验室专家的意见，堆积区位于沟口以下地形比较缓的区域，沟床坡度平均值约为5，故将堆积区设第一作者简介：谢祖明，高级工程师，研究方向为遥感、地理信息系统应用及开发。53谢祖明：面向泥石动提取的方法研究第2 期定为坡度小于5的区域，因此本文定义沟谷主干提取范围为沟床坡度大于5的沟段。形成区流通区堆积区垂直高程崩塌泥石流形成地表径流滑坡居民点泥石淀形成、输移河流沟口泥石淀堆积水平距离图1沟谷中造成泥石流灾害的形成区、流通区和堆积区2沟谷提取的技术方法从水文角度，在山区范围内，沟谷形成的流域一般由汇水线、集水区和集水口组成（图2）。汇水线又称为集水线、山谷线，是山谷最低点的连接线，包括地表径流和狭义的河流水系；集水区也称作汇水面，是指地表径流或其他物质汇聚到一共同的集水口的过程中所径流的地表封闭区域。集水口原义是水流离开某集水流域的点，是该集水区域的最低点。在汇水线上确定一集水口，可通过该点获得其上游的集水面及对应的沟谷信息，利用汇水线、集水口与集水面之间逻辑关系便可应用于沟谷的自动提取。由于泥石流隐患排查重点是关注有人活动的潜在灾害区，创新地从居住区角度出发，通过汇水线与居住区的空间关系，可在汇水线上确定其与居民区相关的影响点作为居住区的集水口，利用居住区集水口作为定位点可自动快速提取居住区附近的所有沟谷。沟口沟口居住区集水口居焦区集水口淘谷主集水区内最长汇水线集水区图2沟谷流域组成示意图沟谷提取所利用的数据资料主要有激光雷达（Li D A R)获取的1：10 0 0 0 的数字高程模型DEM、地理国情监测和第三次全国土地调查成果等。沟谷提取的主要技术路线为：利用DEM提取河网水系信息；综合利用现有的空间数据成果，提取居住区要素，在此基础上通过空间分析方法提取居住区周围的集水口；利用DEM生成的流向数据提取各居住区集水口对应的集水区；根据DEM提取每个集水区内流经居住区集水口的最长汇水线；结合最长汇水线以及DEM数据计算沟床坡度从而确定沟口位置；提取该点上游的沟段，最终获取各集水口对应的完整沟谷主干。所采用的技术路线如图3所示，主要的技术流程通过开发程序软件实现自动批处理DEM国情三调流向汇水线居住区11居住区集水口软件开发集水区1自动提取1最长汇水线111沟口位置1一沟谷主干人工检查图3技术路线图2.1汇水线提取基于DEM,采用ArcGIS的水文分析功能提取汇水线矢量数据。在无洼地DEM上利用最大坡降法得到每一个栅格的水流方向；然后根据自然水流由高往低处的自然规律，计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量；当汇流量达到一定值，会产生地表水流，所有汇流量大于临界值的栅格即为潜在的水流路径，这些水流路径构成河网，这里的山体的河网水系包括已成形的河流水渠和未成形的地表径流。对河网数据进行栅格到矢量的转换，得到汇水线矢量数据。2.2居住区集水口提取利用河网汇水线和居民区要素数据，通过空间位置分析来提取与居民区相关的集水口，具体提取方法是：（1)综合利用现有的第三次国土调查成果和地理国情监测数据等可表征人类居住活动范围的居住区数据，提取居住区要素，并对居民区数据进行制图综合。（2)擦除河流矢量面状图层中的汇水线。这是为了避免集水口落人矢量面状河流内，造成后续提54第46 卷绘测现代取的集水面不合理问题。（3）提取与居民区缓冲区相交的汇水线。经查阅相关资料以及对福建省历史泥石流灾害进行统计和分析，一般情况下，沟谷两侧30 m内的居民区受到泥石流威胁的程度较大，因此本文的缓冲区范围设置为30 m。（4)在每条汇水线上确定距离居民区最近的一个点，即为集水口。若汇水线穿越居民区，提取汇水线与所有居民区相交点中高程值最大的点；若汇水线不穿越居民地，则在该汇水线上确定与居民区距离最短的位置，并对同一汇水线上的集水口进行高程排序保留高程值最大的集水口点位。（5)落人平原腹地中的集水口，若其上游也有集水口，则剔除平原地区的集水口，2.3集水区提取基于已提取的居民区集水口，依据汇水的流向栅格数据可提取每个居住区集水口所对应的同一集水区域的所有像元，形成连通的像元组，即为该居住区集水口位置对应的汇水区域；将栅格数据转为矢量，得到居住区集水口所对应的集水区数据。由此，通过汇水的流向栅格数据和居住区集水口数据，对每一个居住区集水口都构建一个完整的集水面。2.4集水区最长汇水线提取按照“唯长唯远”原则确认河流源头和干支流关系的理论 12，可将流域内长度最长的一条汇水线作为主沟。判断分水岭上各像元沿流向数据至居住区集水口的汇水线长度，提取其中最长的一条汇水线，即最长汇水线2.5确定沟口位置由于居住区集水口表征了居民地的空间方位，且该点落在汇水线上，以其为参考点，可确定沟口位置。提取的居住区集水口可能落在堆积区，也可能落在形成区或者流通区。若其落在堆积区，则需沿最长汇水线上游向上搜索沟床坡度大于5的临界点，确定堆积区及流通区的分界处，即沟口位置；若其落在流通区或者形成区，则沿最长汇水线下游的沟谷延长线向下搜索沟床坡度小于5的临界点，确定沟口位置。因此，本文在集水区的最长汇水线及其下游沟谷延长线上寻找到坡度5的分割点作为沟口。以居住区集水口为起始点，沿着最长汇水线及其下游沟谷延长线走向通过按步长逐步逼近来计算坡度的方法分别向上游和向下游进行搜索。具体方法为：（1）根据汇水线走向和DEM的高程值，从居住区集水口位置为起始点O，以2 0 0 m为起始步长，向上搜索确定其与汇水线的交点A。，计算两点间直线OA。与水平面的夹角。（2）若该夹角小于5，则从A。开始继续以200m为步长向上搜索；当某一步长区间内的首末点连线与水平面夹角大于或者等于5（如图4中A。A，），则以A。为起始点，分别以10 0 m、50 m、25m为缓冲范围，确定与缓冲范围的交点（点A2、A3、A）的夹角，若某一区间夹角小于5（如图4中A。A,），则将该交点A作为起始点，以2 0 0 m向上继续搜索，直至2 0 0 m、10 0 m、50 m、2 5m 范围的坡度都大于5，则该点为沟谷位置（如图4中的A点）。200米200米小于5大于50100米100米大于50大于550米大于5025米小A50集水门AAA25米天于550米大于50100米100米大于5大于手5200米大于59图4沟口提取方法示意图(3)对于以O点为起始点，步长取至2 5m的情况（假设为区间终点为P点），若OP点与水平面夹角仍大于5，则根据汇水线走向，以2 0 0 m为起始步长向沟谷下游搜索确定交点B。，参照（2）中的搜索方法改变搜索方向，确定沟口位置。2.6沟谷提取及人工检查确定沟口位置后，对沟谷进行打断或者拼接，提取每个沟口所对应的沟谷主干。由于本文分析方法依赖于DEM的精度，在坡度较为平缓的地区或其他表面流向相对一致的地区可能会出现沟谷路径与实际地表不符的不合理弯折，或跨越居民区的情况，因此需要对此类弯曲度过高、走向或长度不合理的沟谷结合一定的人工干预进行修正，使提取的沟谷更接近实际情况。利用数字正射影像和数字高程模型建立三维地形场景，将自动提取的沟谷数据加载至三维地形场景中，并加载汇水信息、居民区要素等进行综合分析，并对提取的沟谷进一步判读分析和确认，修改个别异常情况，形成最终的沟口和沟谷主干数据。沟谷主干自动提取的结果如图5所示，3软件开发实现为了解决全省范围内大规模数据生产的效率，根据主要的技术方法和流程，基于水文及地形分55谢祖明：面向#患调香的沟名目动提取的方法研究第2 期集水口汇水线汇水线口居住区居住区(a)汇水线提取(b）居住区集水口提取集水口集水口集水区居住区居住区(c)集水区提取(d)最长汇水线提取沟口口居住区沟谷主干(e)确定沟口位置及沟谷主干图5沟谷主干自动提取结果图析，利用开发工具研发了数据生产的软件工具套件，实现沟谷信息的自动、高效提取。该工具套件基于ArcGIS的ArcPy开发包，使用Python作为主要开发语言，界面简洁、操作简便，用户无须了解具体的计算过程即可提取正确的沟谷成果，不但提高了生产效率，也保证了成果的精度统一。工具套件主要包括DEM预处理、汇水线提取、集水口提取、最长汇水线提取、沟口位置提取、其他工具等模块，沟谷提取软件界面如图6 所示76沟谷提取口DEM预处理汇水线提取集水口提取最长汇水线摆取沟口位置提取其他工具7居住区集水口提取口X输入汇水线：选择路径输入居住要素：选择路径输入面状河流：选择路径输出居住区出水口：保存路径确定图6沟谷提取软件界面图4结果与分析运用本文研究的方法，分别将福建省浦城县、寿宁县、明溪县3个地区作为实验区进行沟谷主干提取，如图7 所示，所提取的沟谷数分别为8 196、3170、538 9个。利用各样区的遥感影像与DEM生成地形三维场景，以此为底图，结合等高线、居民地、地灾隐患点等辅助数据，人工勾绘地灾隐患点附近的沟谷主干和沟口点位，并进行外业核实。以该数据为基准，从中各选取10 0 个样本，考虑到不同地形地貌的影响，所采样数据应尽量平均分布于各乡镇，将自动提取结果与人工提取进行对比分析，主要进行数量及空间两方面的精度评价 131在数量上，统计样本所对应的空间位置中基于本文方法所提取出来的沟谷数量，并将其与实际沟谷数目（即10 0 个）的比值作为数量精度指标。表1为各样区样本数量统计分析结果。从表中可得，本文提取结果在数量上平均精度为91.33%。在空间位置上，通过比较提取的沟口位置与人工确定的沟谷位置的空间距离来分析其位置精度。由于测量沟床坡度的最小距离为2 5m，因此若两者距离相差2 5m，则视为误差范围内；如若超过2 5m，则认为超过误差范围。统计误差范围内的沟口个数，该值与参与表1统计中的自动提取的沟谷数量的比值作为空间位置的精度指标。从表2 可得，提取结果平均精度为8 1.7 6%。图7浦城县沟谷和沟口提取结果图表1实验区数量精度统计表浦城县寿宁县明溪县自动提取沟谷主干数量899293人工提取沟谷主干数量100100100精度89%92%93%表2实验区自动提取沟口与人工提取沟口的位置关系统计表浦城县寿宁县明溪县误差范围以内数量756881参与统计沟口数量899293精度84.27%73.91%87.10%通过验证可得，本文方法所提取的沟谷数量较全，路径准确，沟口空间位置与实际基本一致，但同时发现一些穴余沟谷及漏提取的沟谷，主要是因为该区域实地已经发生变化，与影像资料、居住区数据不符，这主要与居住区数据的现势性有关。个别沟口位置在误差范围之外是主要原因有：本文分步长计算坡度提取沟口的方法可能会陷人局部最r56测第46 卷绘现代优解；自动提取是按坡度为5为分割点提取沟口，与实际的沟口位置会有差异导致。5结语本文基于高精度1:10 0 0 0 DEM数据，利用空间三维、水文分析方法，创新地从居住区角度提取居住区集水口、集水区与最长汇水线，从而确定沟口位置，提取居住区附近沟谷主干。在此基础上开发了工具套件，仅需要少量的人机交互便可实现对居住区附近沟谷的自动提取，有效提高了沟谷提取效率和数据质量，解决了全省大范围数据生产的技术难题。经验证，本文所研究的沟谷自动提取方法具有有效性和实用性，已在全省推广应用，所提取的沟谷成果已用于福建省1：50 0 0 0 地质灾害调查与风险评价项目。参考文献余斌，王涛，朱渊.浅层滑坡诱发沟谷泥石流的地形和降雨条件J.水科学进展，2 0 16，2 7（4)：542 一550.LIU X,LEI J.A Method for Assessing RegionalDebris Flow Risk:an Application in Zhaotong ofYunnan Province（SW Ch i n a)J.G e o m o r p h o l o g y,2003,52(34):181191.3马煜，李彩侠.地形因子对四川龙溪河流域泥石流发生的影响J.中国地质灾害与防治学报，2 0 18，2 9(2):1621.4TARBOTON D G.A New Method for the Determi-nation of Flow Directions and Upslope Areas in GridDigital Elevation Models J.Water Resources Re-search,1997,33(2)：6 6 2 6 7 0.5卢庆辉，熊礼阳，蒋如乔，等。一种融合Priority2Flood算法与D8算法特点的河网提取方法.地理与地理信息科学，2 0 17，33（4)：40 46.6 间国年，钱亚东，陈钟明.基于栅格数字高程模型提取特征地貌技术研究J.地理学报，1998，53（6）：52-61.7易红伟，汤国安，刘咏梅，等，河网径流节点及其基于DEM的自动提取J.水土保持学报，2 0 0 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uses digitalterrain and spatial analysis technology to develop software,so as to realize fast automatic extraction of gullies near residentialareas.Three experimental areas were selected,and the accuracy of the number and spatial location of the gullies were comparedwith that of the artificially drawn gullies,which were 81.76%and 91.33%respectively,verifying the effectiveness of themethod.This method is fast and efficient,and solves the technical problems of large-scale data production in the wholeprovince.It has been applied to the production of gully data in the whole province,and the results have been used in the1:50 000 scale geological hazard investigation and risk assessment project in Fujian province.Key words gully;debris flow;residential area;geological disaster;DEM