EN中文

地球信息科学学报 >

2017 , Vol. 19 >Issue 6: 754 - 762

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2017.00754

地球信息科学理论与方法

于DEM光照晕渲模拟的梯田自动提取方法

  • 代文 , 1, 2, 3 ,
  • 那嘉明 1, 2, 3 ,
  • 杨昕 , 1, 2, 3, * ,
  • 曹建军 1, 2, 3, 4
展开
  • 1. 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京 210023
  • 2. 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点,南京 210023
  • 3. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023
  • 4. 南京晓庄学院环境科学学院,南京 211171
*通讯作者：杨 昕（1976-）,女,陕西西安人,副教授,主要从事数字地形分析研究。E-mail:

作者简介：代 文（1995-）,男,贵州毕节人,硕士生,研究方向为空间数据挖掘。E-mail:

收稿日期: 2016-10-11

  要求修回日期: 2017-04-17

  网络出版日期: 2017-06-20

基金资助

国家自然科学基金项目（41271438、41401441）

江苏高校优势学科建设工程资助项目（164320H116）

收起

An Automatic Retrieval Method for Artificial Terrace Based on Illumination Model of DEM Shading

  • DAI Wen , 1, 2, 3 ,
  • NA Jiaming 1, 2, 3 ,
  • YANG Xin , 1, 2, 3, * ,
  • CAO Jianjun 1, 2, 3, 4
Expand
  • 1. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • 2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Geographical Environment Evolution of Jiangsu Province, Nanjing 210023, China
  • 3. Collaborative Innovation Center for Geographical Information Resource Development and Application of Jiangsu Province, Nanjing 210023, China
  • 4. School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang College, Nanjing 211171, China
*Corresponding author: YANG Xin, E-mail:

Received date: 2016-10-11

  Request revised date: 2017-04-17

  Online published: 2017-06-20

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

梯田作为黄土高原最为典型的人工地貌之一,有重要的农业生产和水土保持价值。传统的梯田自动提取仅限于梯田所在区域的范围划定,未能对梯田田坎线实现有效的自动化提取。鉴于此,本文提出了一种基于光照晕渲模拟的梯田快速提取方法。首先,对无人机航测生成的1 m分辨率的数字高程模型（DEM）进行4个方向的光照晕渲模拟,并相加取平均值;然后,通过适当的阈值对均值图像进行二值化,并掩膜掉沟谷等非梯田区域;最后,基于二值化图像自动矢量化得到梯田田坎线,并通过适当的长度阈值进行碎线过滤提高提取精度。本文以陕西省长武县王东沟流域为实验样区进行了实验,结果表明,该方法提取结果的准确率为89.09%,具有较好的提取精度。此外,对该方法涉及到的参数进行了讨论,表明光照模拟的方向角采用2个正交的对称方向对、高度角采用田坎坡度的反正切值、二值化阈值采用t=180-σ的经验公式,可以满足黄土高原的梯田自动快速提取。

关键词： DEM; 梯田; 光照晕渲; 黄土高原; GIS

本文引用格式

代文 , 那嘉明 , 杨昕 , 曹建军 . 于DEM光照晕渲模拟的梯田自动提取方法[J]. 地球信息科学学报, 2017 , 19(6) : 754 -762 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2017.00754

Abstract

As one of the most typical artificial landforms in loess plateau of China, artificial terraces have important value in agricultural production as well as soil and water conservation. The previous studies on terrace automatic extraction only focused on their boundaries and failed to achieve effective and automatic extraction of their ridge lines. In this study, a quick extraction method of terraces based on illumination and shading simulation of DEM is proposed. Firstly, illumination and shading simulation in four-direction is carried out using 1 m digital elevation model (DEM) generated by Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology and average value of four simulations was calculated. Secondly, the image of the mean value is binarized into a logistic image using a proper threshold. Also, valley and other non-terraced areas were masked off. Finally, terrace ridge lines were obtained by automatic vectorization of the logistic image. Some broken lines were filtered by a proper length threshold to improve the extraction precision. Taken Wangdonggou watershed, Changwu County, Shaanxi Province as the study area, the experiment results showed that this method had a preferable extraction accuracy of 89.09%. Furthermore, the parameters involved in this method were also discussed. The results showed that if we take two orthogonal symmetric direction angles as the direction angles, arctangent value of the slope of terrace ridges as the altitude angle, an empirical formula (t=180-σ) was used to calculate the threshold value of the logistic image, the quick automatic extraction of artificial terraces of loess plateau can be achieved.

Key words： DEM; artificial terrace; illumination of the shading; loess plateau; GIS

1 引言

梯田是在坡地上沿等高线修筑的阶台状田地,在人类农耕文明演化过程中扮演重要的角色,其修筑历史悠久,最早大约出现在秦汉时期,现今梯田主要分布在黄土高原地区和西南丘陵山地地区。黄土高原土质疏松,地形破碎,植被稀少,水土流失极为严重,梯田是治理水土流失的重要措施[1-2],因此近年来国家已实施了许多“坡改梯”的水保工程。对梯田信息的提取有助于为日后开展水土保持工程提供有力依据,还有利于每十年开展一次的全国土地调查中田坎系数以及基本农田面积的确定。然而,由于黄土高原地区梯田的数量、面积及分布等信息的调查资料不完善,导致梯田在黄土高原地区水土保持中的贡献缺乏定量研究[3-5]。传统的依靠人工调查统计的方法[6-8]分别采用人工目视解译方法实现了对黄土高原梯田水保效应的估算,但其存在效率低、解译主观性强、可重复性差等问题。
随着遥感技术及遥感影像分类方法的快速发展,许多学者提出了基于遥感影像的梯田信息提取方法。于浩等提出了基于傅立叶变换的梯田纹理特征提取[9],在陕北地区1 m分辨率的遥感影像上,采用该方法提取梯田,获得了比较满意的结果,但由于遥感图像地物分布的复杂性,用傅立叶氏变换提取梯田纹理特征会受到太阳倾角、地形变化及纹理不规则弯曲等因素的影响。王杲等以高分辨率的遥感影像为数据源,利用面向对象的精细分类思想,提出了一种从遥感影像中提取田坎和耕地面积,从而计算田坎系数的方法[10]。Diaz-Varela等基于数字表面模型（Digital Surface Model, DSM）和面向对象分析方法对梯田自动分类进行了探索[11]。赵欣等论述了高分一号卫星影像提取梯田的可行性,认为对于纹理不明显的区域,基于傅里叶变换的提取会造成很大的错分和漏分[12]。张雨果对面向对象方法提取梯田信息进行了一系列的研究,指出在面向对象分类过程中,影像分割与合并尺度阈值的设定,基于人为目视判断分析,没有经过可靠客观的影像分割精度评价,带有很强的主观性[3]。
随着数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）的技术和方法的不断完善和发展,数字地形分析方法已经在各个行业得到了广泛的应用。早期的DEM主要是1：10 000以下比例尺的DEM,梯田信息还无法被记录在其中。无人机摄影测量（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）的发展使快速获得高精度DEM成为了可能,高精度的DEM记录有梯田信息,数字地形分析方法得以从中提取梯田信息。但关于这方面的研究并不多,徐静等根据平直面具有平行法向量的特征,提出了在DEM中识别和提取平直面的方法[13],但该方法将公路、护坡等平直面和梯田一并进行了提取,并不能有效区别出梯田的信息和特征。此外,一些学者利用DEM中坡度、曲率等差异实现了与人工梯田地形形态较为相似的自然阶地的提取,如海岸阶地[14]、河流阶地[15]等,对梯田提取具有一定的启示,但对于具有多层结构的梯田仅利用以上地形参数无法取得满意的效果。
光照晕渲法是通过光照使地貌各部位产生不同的受光量来表现地貌的明暗变化[16-17]。自使用DEM生成山体阴影图（Hillshade）的技术出现以来,这种制图方法受到了制图界的普遍青睐。然而,在实际应用中,晕渲图不便获得直观的地形计量信息,因此,此方法多用于增强地图表达,用来提取地形信息的研究还比较少见。Oguchi利用光照渲染模拟结果实现了山体断层的提取[18]。陈永刚等基于多方位DEM地形晕渲对黄土地貌正负地形提取方法进行了研究[19],为光照晕渲法提取地形信息提供了有益的参考。考虑到对高分辨率DEM的光照晕渲模拟结果中,梯田等线状要素信息得到了显著增强。鉴于此,本文设计了一种基于DEM光照晕渲的方法,以实现梯田田坎信息的提取。

2 研究方法

2.1 梯田特征分析

梯田多围绕山顶或在山坡上分布,原地形通常具有一定的坡度,改造之后的梯田面多为平直面,可分为水平梯田、坡式梯田和反坡式梯田[20],其具有以下特征：
（1）梯田总体特征
梯田地形具有“继承性、规则性、易变性”3大 特征[21]。
① 梯田地形是人工对各种自然坡面地形进行改造而逐步形成的。虽然在很大程度上改变了原始坡面的坡度与坡长,但在坡面的总体形态上,仍然维持了原有自然坡面的宏观地形特征,地形起伏的大格局并没有变,所有的改造只是对地面微观形态进行的改变。因此,梯田地形具有对自然地形的继承性。
② 人工改造而来的梯田地形,水平方向表现为平坦展延和排列规则,垂直方向表现为阶梯状起伏,且各阶层的梯田田坎高度基本一致,具有明显的规则性。
③ 梯田常位于山坡坡面上,其受沟谷溯源侵蚀影响强烈,一旦有一个梯田田坎垮塌,往往会产生多米诺骨牌效应,导致整个坡面梯田的毁损。土地利用类型的改变亦会使梯田随之发生改变。因此,其形态与分布随时间存在一定的不稳定性,即梯田地形具有易变性。
（2）可测量特征
梯田面域内为平直面,往往存在相对明确的边界线;梯田面没有坡度（水平梯田）或者是微小坡度（坡式梯田、反坡式梯田）;梯田田坎坡面为非平直面;梯田田坎处往往存在较大的坡度。

2.2 基本原理

光照模拟能在地形表面的受光面和背光面产生明暗对比,从而产生立体视觉的效果。当模拟光线照射在梯田区域时,田坎和田面部位有非常明显的明暗对比,这一特征为梯田的提取提供了可能。光照晕渲模拟[22]公式为：
E = E 0 × ( cos θ z × cos ∅ s + sin θ z × sin ∅ s × cos A - ∅ A ) （1）
式中： E 为阴影模拟值,范围在0-255之间,值越大光照模拟结果越亮,表示接受到的光照越强,位于受光面; E 0 为光照最大辐射强度,此处为255; θ z 为模拟光源的高度角,即从地表到天顶方向的角度,值为0°时表示平行于地面,为90°时表示完全垂直于地面; θ A 是模拟光源方向; ∅ A 是地面坡向; ∅ s 是地面坡度。
光照晕渲模拟会得到受光面亮,背光面暗的结果,并且其亮暗程度受地表坡度和坡向的影响。根据梯田地形的形态特征,梯田表面通常为平直面,而田坎处较为陡且非平直面,因此在对其DEM进行光照晕渲模拟时,其模拟结果通常会呈现出明显的明暗对比。通过借助梯田面与梯田田坎的晕渲差异并对其进行阈值分割和长度过滤等系列操作,梯田田坎可实现自动识别及提取,如图1所示。与此同时,当光照晕渲模拟的光源方位角改变为相反方向时,沟谷两侧坡面的田坎均可自动提取,如图2所示。为了保证不同坡向的田坎均能被很好地提取出来,可采用2对正交方向的光源,即4个方向光源模拟。
Fig. 1 Principle diagram of illumination shading

图1 光照晕渲原理图

Fig. 2 Principle diagram of illumination shading in symmetric directions（taking level terrace as an example）

图2 对称方向光照晕渲原理图（以水平梯田为例）

2.3 实现方法

整体技术流程如图3所示,分为数据预处理、光照模拟、正负地形分割等5个步骤。然后,利用DOM影像人工解译的结果作为标准进行对比,评定精度。
Fig. 3 Flow chart of the technology

图3 技术路线图

（1）数据预处理。通过地理配准消除DOM与DEM间的投影误差。
（2） 4个方向光照模拟。光照模拟可通过ArcGIS软件中的Hillshade工具实现,需要设置光线的高度角和方位角。
光照晕渲模拟时采用的方位角和高度角等参数对梯田提取结果有较大影响。为验证参数的影响以及获取最佳的参数,本研究对方位角和高度角分别进行了讨论。就方向角而言,上文提到采用一对对称方向（间隔180°）的光源可将沟谷两侧的梯田均识别出来。但是,当模拟光源方向与样区沟谷走势一致时（即与梯田田坎走向平行时）,即：
sin θ z × sin ∅ s × cos A - ∅ A = 0 （2）
则式（1）简化为：
E = E 0 × cos θ z × cos ∅ s （3）
此时模拟仅与地面坡度有关（ E 0 为光照最大辐射强度255; cos ( θ z ) 为预设参数高度角）,其模拟结果不能很好地识别梯田田坎。为了避免此类情况,需在双方向模拟的基础上加一对垂直方向上的模拟,即四方向模拟（各方向间间隔90°）。若提取区域沟谷走势较为单一（如黄土墚区）,为节约计算时间,可采用双方向方位角对提取,但此时需考虑提取区域的沟谷走势（田坎走向或坡向）。为了保证提取精度,模拟光源应选择垂直于沟谷走向的方向。若提取所在区域地形破碎,无明显沟谷走势时（如黄土峁区）,可采用四方向进行提取。对4个方向模拟而言,能够满足大多数田坎提取的要求,并且无需考虑坡向以及初始方位角,本文在实例研究中采用此方法。
对就高度角而言,高度角较低时,其提取结果会产生系统性的位移偏差。分别以较高高度角α和较低高度角β进行模拟。由图4可见,较低高度角时偏差较大,因此需要选择较高的高度角。设梯田田坎高度为x米,田坎宽度为y米,则高度角选择大于等于θ=arctan(x/y)时可以保证提取精度。
Fig. 4 Influence of parameters on extraction results

图4 参数对提取结果的影响

（3）阈值分割。得到4个方向的光照晕渲模拟图像之后,首先要将其融合,即直接相加取均值,然后再二值化。
二值化阈值的确定：当对梯田面进行光照模拟时,其坡度、坡向均为0,将4个方向角（45°、135°、225°、315°）、以及高度角45°等参数代入式（1）中,算出4个方向模拟结果的均值为180°,由于梯田面并非完全的水平面,所以往往存在较小的坡度,而田坎的坡度相比之下往往要大很多,经过多次试验之后本文得出二值化阈值的一个经验公式（式（4））。
t = 180 - σ （4）
式中：t为二值化分割阈值; σ 为四方向均值图像的标准差。
（4）梯田所在坡面的提取。考虑到黄土高原梯田多位于沟沿线之上的正地形区域,围绕山顶或者在山坡上分布,要实现梯田的有效提取,避免其他无关地形的干扰,需要将梯田所在的正地形从整个实验区域中提取出来。正负地形分割的方法有很多,本文通过刘玮等提出的沟沿线提取方法[23]实现正负地形的分割。若样区为黄土残塬区域,还可将得到正地形区域再通过掩膜去掉黄土塬塬面部分,即仅保留梯田坡面区域。
（5）栅格矢量化。使用ArcGIS软件中的矢量化功能即可将已处理好的梯田二值化图像自动矢量化得到梯田田坎线。但由于二值化之后可能会出现一些独立的细小的碎屑图斑,这些碎屑图斑会一起被矢量化,所以需要对得到的矢量化田坎线进行一次筛选。鉴于碎屑图斑产生的碎线长度通常远小于田坎长度,因此可通过适当的长度阈值将其过滤。

3 实例研究

3.1 研究样区与数据

本文选取梯田分布较为广泛的黄土高原区域,以较为典型的陕西省长武县王东沟流域的一个支沟作为研究区（图5（a））。王东沟流域位于长武县西12 km的陕甘交界处,属于典型的黄土高原丘陵沟壑区,区域内梯田分布广泛且保留较为完好。该区多年平均降水量为581.4 mm,属于暖温带半湿润大陆性季风气候,区域内地势北高南低,最低高程与最大高程差约为240 m。
Fig. 5 Location of the study area and experimental data

图5 样区位置及实验数据

本研究的实验数据采用无人机摄影测量方法（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）获取。数据为2016年4月21日在长武外业测量获得,测量区域面积约为2.3 km2,采用无人机机型为Microdrones md4 -1000,相机与镜头型号为Sony ILCE-7R+ 50 mm f2.8,拍摄时飞行高度350 m,设计水平分辨率7 cm,共获取航片290张用于生成立体像对,最终得到了分辨率为1 m的数字高程模型（DEM）(图5（b））和分辨率0.3m的数字正射影像（DOM）（图5（c））,用于实现梯田的自动提取。

3.2 模拟过程

通过数据预处理之后即可进行光照模拟,本研究样区中梯田田坎平均宽度约为1.5 m,平均高度约为1 m,因此高度角选择大于arctan（1/1.5）=33.69°时可以保证提取精度,本例中高度角设置为45°。对方向角而言,本例选用4个方向模拟,方向角分别为45°、135°、225°、315°。从光照晕渲模拟效果图（图6）可看出,当光照方向不同时,不同的区域被“照亮”。
Fig. 6 Simulation of illumination and shading in four directions

图6 4方向光照晕渲模拟

得到4方向的模拟图像之后将其进行融合取均值,既得到4方向均值图像,结果如图6（e）所示,从均值图像中可以发现,其已经初步具备了识别梯田田坎的辨识度,为二值化处理奠定了基础。本例中4方向均值图像的标准差为28.7,参照上文提到的式（2）,二值化分割阈值即为151.3。以151.3为分割值,小于阈值的区域值为1,大于等于该值的区域值为0,这样即把梯田面和梯田田坎区分开来,其中值为1的即为梯田田坎。进行二值化分割之后,还需将沟谷负地形区域以及塬面等不需要的区域通过前文所介绍的方法裁去,即得到仅有梯田信息的坡面区域（图7中红色区域为梯田田坎）。最后,利用ArcScan工具将其进行自动矢量化,此时还存在一定的碎线,由于该样区梯田田坎的平均长度大于10 m,此处以10 m为长度阈值进行过滤。由图8,可发现,大部分被错误提取的碎线均已被筛除,可见其辨识效果较好。
Fig. 7 Binarized results of the slope terraces (The background is DOM)

图7 坡面梯田二值化结果（背景为DOM）

Fig. 8 Comparison of the effects before and after broken line filtration

图8 碎线过滤前后效果对比

3.3 实验结果

矢量化和长度过滤之后本例的最终结果如图9所示,分别以晕渲模拟的DEM、DOM作为背景可以发现其匹配精度较好,与图中田坎基本上一致(图9（a）、（b）),光照晕渲模拟提取梯田有较好的效果。但仍然存在一些效果不佳的地方,如图9(c)中蓝色方框区域,出现了一些比较碎且比较混乱的线条。通过仔细观察,发现此类区域往往存在一定的浅沟或是切沟。由于沟的形态在沟边界和内部也有陡变特征,该方法也将沟的边界及内部坡度突变的地方提取出来,导致了梯田提取的不完整性。因此,有必要对照其他数据对提取结果进行判断以确定是否属于梯田。
Fig. 9 Experimental results

图9 实验结果

3.4 精度评价

通过观察图9红线可知,光照模拟法能够提取大部分的真实梯田田坎,是较为有效的梯田提取方法。常用的线状要素提取精度评价多通过和人工解译的结果套合进行评价[23-24]。由于DOM分辨率高于DEM,所以人工解译的结果具有可评价性。本例在研究区中随机生成了7个大小为30 000~ 50 000 m2的样区,分别对每个样区进行人工解译作为精度评价的参考数据。此处将人工解译的梯田田坎生成0.5 m的缓冲区,计算七个样区中自动提取的梯田田坎落在缓冲区内的长度与其自身长度之比,以此来进行精度评定。样区如图10所示,提取结果与人工解译结果生成的缓冲区叠置结果如图11所示,精度分析结果如表1所示。
Fig. 10 Sample area of precision evaluation

图10 精度评价样区

Fig. 11 Extraction results from sample area 4 overlapping the buffer of manual interpretation results

图11 样区4中提取结果与人工解译缓冲区叠置效果

Tab. 1 Precision comparison of automatic extraction and manual interpretation of ridge lines

表1 自动提取田坎与人工解译田坎精度对比

样区 落入缓冲区内长度/m 自身长度/m 精度/%
1 2150.344 2528.756 85.04
2 1556.658 1933.443 80.51
3 2146.149 2293.271 93.58
4 2524.383 2704.162 93.35
5 2486.654 2731.036 91.05
6 2306.565 2739.156 84.21
7 2612.080 2786.140 93.75
合计 15 782.833 17 715.964 89.09
从表1可看出,光照晕渲模拟法提取梯田田坎具有较好的精度。在7个样区中,样区2精度最低,为80.51%,样区3精度最高,为93.58%。造成精度差异的主要原因为对于不同的评价样区,各样区梯田所在坡面的平均坡度不同。由于目前该区域梯田大多进行了退耕还林,梯田受溯源侵蚀影响,坡面发育了一定的浅沟或切沟,田面遭到了一定程度的破坏,对于坡度较陡的坡面,梯田田面较狭长,其光照晕渲模拟结果较为破碎,最终导致了提取出的梯田田坎精度较低。对于全部的7个精度评价样区,其整体精度为89.09%,表明了本方法对于黄土高原地区的梯田提取可以取得较好的结果。

4 结论

（1）光照晕渲模拟是一种传统的地形视觉增强技术,常用于地貌的可视化表达增强以还原真实地貌场景,被广泛认为是与自然地表最为接近的地貌表达方法,但对其在地貌对象特征信息提取方面的研究较少。本文提出了基于DEM光照晕渲模拟的梯田信息提取方法,实验结果显示,虽然有部分地区提取效果不理想,但是该方法能提取出绝大部分地区的梯田田坎线,且精度较高,可为土地调查、水土保持以及土壤侵蚀研究提供基本信息。
（2）本文方法实现过程中,涉及到了光线模拟的高度角、方位角以及影像融合后的阈值分割等参数。为了提高该方法的适用性,对参数进行了分析,并给出了参数确定的方法,为该方法在其他地区的应用提供了可操作的依据,具有一定的普适性。
（3）目前在沟蚀区域或因侵蚀梯田发生崩塌的区域,此方法的提取效果不佳,还有待于进一步研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
王翊人,赵牡丹,冯园,等.梯田对土壤侵蚀地形因子扰动特征研究[J].山东农业大学学报(自然科学版),2017,48(1):46-51.地形因子是影响土壤侵蚀的重要因素，包括坡度、坡长等，通常基于DEM来提取，但目前构建的DEM总是局限于反映连续光滑的自然坡面，无法表现出梯田等人工地形的信息。在黄土高原地区，通过多年的治理，修筑了大面积梯田，极大地改变了地表微形态，影响了坡度和坡长，进而影响土壤侵蚀定量分析。以安塞县的梯田为实验对象，采用基于真实田坎的方法，构建嵌入梯田信息的DEM（梯田DEM），并对原始DEM与梯田DEM提取的坡度、坡长等地形因子以及计算得到的坡度坡长因子进行对比分析。结果表明：（1）基于真实田坎方法构建的梯田DEM，能较好地反映田坎位置及形态；(2)与样区原始DEM相比，加入梯田信息后，地形因子的栅格数大幅度增加且基于梯田DEM提取的坡度、坡长、LS因子明显减小，对土壤侵蚀定量分析有一定影响。该研究对地形因子提取和土壤侵蚀评价具有重要意义。

DOI

[ Wang Y R, Zhao M D, Feng Y, et al.Disturbed characteristics of terraces against terrain factors in soil erosion[J]. Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science Edition), 2017,48(1):46-51. ]

[2]
刘晓燕,王富贵,杨胜天,等.黄土丘陵沟壑区水平梯田减沙作用研究[J].水利学报,2014(7):793-800.

[ Liu X Y, Wang F G, Yang S T, et al.Sediment reduction effect of level terrace in the hilly-gully region in the Loess Plateau[J]. Journal of SHUILI, 2014,7:793-800. ]

[3]
张雨果. 基于面向对象的遥感影像梯田信息提取研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2016.

[ Zhang Y G.Terrace information extraction from remote sensing images based on object-oriented classification method[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016. ]

[4]
吴淑芳,吴普特.水土保持及土壤侵蚀动态机制研究现状及存在问题[J].水土保持研究,2010(2):37-40.简要回顾了目前我国水土保持研究存在的问题，提出了以“地表径流调控”为主的水土保持技术措 施和基于水动力学特性的侵蚀产沙机理研究方向和研究意义。系统总结了以“地表径流调控”为主的水土保持措施和减流减沙效应指标以及土壤侵蚀过程机理研究现 状，探讨了径流调控及坡面流侵蚀动力过程中存在的主要问题以及亟待开展的研究。

[ Wu S F, Wu P T.Research status and existing problems on dynamic mechanism of soil and water conservation and soil erosion[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010,2:37-40. ]

[5]
刘宝元,刘瑛娜,张科利,等.中国水土保持措施分类[J].水土保持学报,2013(2):80-84.水土保持措施分类是土壤侵蚀调查、水土保持规划、水土保持措施推广应用、以及效益评价的重要基础.笔者在总结前人研究成果的基础上,提出了水土保持措施分类系统.分类的原则兼顾科学性、适用性和定量化.该分类将我国水土保持措施分为生物措施、工程措施和耕作措施3个一级类,然后再划分出二级和三级类,共包括32个二级类型和59个三级类型.希望该分类系统起到抛砖引玉的作用,能引起对水土保持措施分类更广泛的关注和讨论,不断完善我国水土保持措施分类系统,服务于水土保持实践.

[ Liu B Y, Liu Y N, Zhang K L, et al.Classification for soil conservation practices in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013,2:80-84. ]

[6]
Fu B, Chen L, Ma K, et al.The relationships between land use and soil conditions in the hilly area of the loess plateau in northern Shaanxi, China[J]. Catena, 2000,39(1):69-78.Inappropriate land use is one of the main reasons for soil erosion and nutrient loss in the hilly loess area. In the Yangjuangou catchment, which has typical hill and gully topography, the effects of land use changes on soil erosion and the distribution of soil nutrients and moisture were studied at the three spatial scales of total catchment, transect and land use type. Between 1984 and 1996, forest and grassland increased by 36% and 5%, respectively, and slope farmland decreased by 43%. The land use changes decreased annual soil erosion by 24%. The amounts of total N, total P, available N, available P and organic matter of surface soil (0–20 cm) and of moisture in the 0–70 cm soil suggest that a farmland/grassland/forest land use structure from hill foot to hill top has a better capacity for soil conservation and retention of nutrients than other land use structures. The contents of soil nutrients are in the order forest>grassland>slope farmland, and those of soil water are forest<grassland<slope farmland.

DOI

[7]
Quine T, Walling D, Zhang X.Tillage erosion, water erosion and soil quality on cultivated terraces near Xifeng in the Loess Plateau, China[J]. Land Degradation & Development, 1999,10(3):251-274.

[8]
马红斌,李晶晶,何兴照,等.黄土高原水平梯田现状及减沙作用分析[J].人民黄河,2015(2):89-93.水平梯田是黄土高原地区发展水土保持高效农业的重要措施之一,具有农业增效、生态修复的双重功能。基于资源三号卫星遥感影像和实地调查数据,分析了2012年黄土高原地区梯田现状:规模、分布、质量、利用方式及其减沙作用。结果表明:截至2012年底,黄土高原地区现有水平梯田371.29万hm2,主要分布在甘肃省黄河流域及其邻近地区、山西省河龙间支流流域,这些区域水平梯田面积占黄土高原梯田总面积的54.3%;渭河、泾河、祖厉河流域梯田质量等级较高且多以农耕为主,河龙间梯田多为4~6 m的窄条梯田,质量较低,梯田退耕现象普遍存在;未来甘肃省黄河流域梯田建设应以旧梯田改造为主,新建梯田发展空间为新增5%~15%,河龙间发展潜力为新增25%;基于梯田减沙的计算方法,现有水平梯田潼关以上地区减沙能力约为5亿t。

DOI

[ Ma H B, Li J J, He X Z, et al.The status and sediment reduction effects of level terrace in the Loess Plateau[J]. Yellow River, 2015,2: 89-93. ]

[9]
于浩,刘志红,张晓萍,等.基于傅立叶变换的梯田纹理特征提取[J].国土资源遥感,2008,20(2):39-42.纹理分析是提高图像解译和分类精度的有效方法之一。基于梯田的纹理特征，利用图像傅立叶变换后在频率域上的性质，即图像上的线状纹理，在频谱图上反映为一组谱线，这组谱线都通过频谱中心，且方向与图像的线状纹理垂直。以分辨率为1m的IKONOS陕北梯田遥感影像为例，在5像元×5像元大小的窗口上采用最大方向值比值作为梯田特征提取的主要指标，取得了比较满意的效果，梯田最终的分类精度达到81．3％。

DOI

[ Yu H, Liu Z H, Zhang X P, et al.Extraction of terranced field texture features based on fourise transformation[J]. Romote sensing for land & resourse, 2008,22(2):39-42. ]

[10]
王杲,梁亮.基于高分辨率遥感影像的田坎系数测算[J].测绘与空间地理信息,2009,32(5):99-101.提出了一种利用高空间分辨率影像提取田坎系数的方法.以张家界市 永定区某处山地梯田QuickBird与SPOT-5影像为数据源,利用面向对象的分类方法分别提取了影像中5块样方的田坎系数.以样地实测田坎系数为参 照,得出QuickBird影像提取的田坎系数整体符合度为92.33%,SPOT-5数据为88.03%,表明利用高分辨率影像提取田坎系数是可行的, 且采用的影像分辨率越高,所提取的田坎系数越精确.

DOI

[ Wang G, Liang L.Extraction of terranced field texture features based on fourise transformation[J]. Geomatics & spatial information technology, 2009,32(5):99-101. ]

[11]
Diaz-Varela R, Zarco-Tejada P J, Angileri V, et al. Automatic identification of agricultural terraces through object-oriented analysis of very high resolution DSMs and multispectral imagery obtained from an unmanned aerial vehicle[J]. Journal of environmental management, 2014,134(117-126).Agricultural terraces are features that provide a number of ecosystem services. As a result, their maintenance is supported by measures established by the European Common Agricultural Policy (CAP). In the framework of CAP implementation and monitoring, there is a current and future need for the development of robust, repeatable and cost-effective methodologies for the automatic identification and monitoring of these features at farm scale. This is a complex task, particularly when terraces are associated to complex vegetation cover patterns, as happens with permanent crops (e.g. olive trees). In this study we present a novel methodology for automatic and cost-efficient identification of terraces using only imagery from commercial off-the-shelf (COTS) cameras on board unmanned aerial vehicles (UAVs). Using state-of-the-art computer vision techniques, we generated orthoimagery and digital surface models (DSMs) at 11 cm spatial resolution with low user intervention. In a second stage, these data were used to identify terraces using a multi-scale object-oriented classification method. Results show the potential of this method even in highly complex agricultural areas, both regarding DSM reconstruction and image classification. The UAV-derived DSM had a root mean square error (RMSE) lower than 0.5 m when the height of the terraces was assessed against field GPS data. The subsequent automated terrace classification yielded an overall accuracy of 90% based exclusively on spectral and elevation data derived from the UAV imagery.

DOI PMID

[12]
赵欣,王晓晶,赵院,等.国产高分一号卫星数据傅里叶变换提取梯田影像可行性分析[J].中国水土保持,2016(1):63-65,73.在研究国产高分一号卫星数据特点和梯田纹理特征的基础上,以国产高分一号卫星数据为数据源进行傅里叶变换提取梯田影像研究并进行了可行性分析. 经过对包含不同地类、不同尺寸区域的提取测试发现,纹理特征不明显的梯田和纹理不均一的非梯田易造成大量漏提和错提,综合分析认为傅里叶变换提取梯田影像算法难以满足工程化生产的需要.

DOI

[ Zhao X, Wang X J, Zhao Y, et al.Feasibility anlysis on methodology of terraced extraction by using fourier transformation based on domestic Hi-Resolution romote sensing images of GF-1 satellite[J]. Soil and water conservation in China, 2016,1: 63-65,73. ]

[13]
徐静,王春,张耀民,等.规则格网DEM中平直面状特征地形识别与提取[J].测绘科学,2014,39(8):163-166.随着人类活动的增加,平直面状地形已成为主要的特征地形之一,具有其特殊的地理学、水文学价值.鉴于现有的DEM数字地形分析模型中缺乏平直面状地形的识别与提取模型,文章以黄土梯田样区数据为基础研究构建了基于空间法向量的平直面状地形的识别与提取模型.实验结果显示,该模型具有较好的提取精度;DEM格网大小对平直面状地形的表达具有显著的影响,3×3 DEM格网范围是比较妥当的统一核面,提取的平直面区域具有较好精度;我国现有的系列尺度DEM对平直面状地形的描述存在一定程度的失真,有待进一步完善.

[ Xu J, Wang C, Zhang Y M, et al.Identification and extraction of flat-polygon terrains in grid DEM[J]. Science og Surveying, 2014,39(8):163-166. ]

[14]
Scott A T, Pinter N.Extraction of coastal terraces and shoreline-angle elevations from digital terrain models, Santa Cruz and Anacapa Islands, California[J]. Physical Geography, 2003,24(4):271-294.Digital terrain models (DTMs) are a readily available data source that may be used to extract coastal terraces and the heights of their inner edges (shoreline angles) from elevation data. The terrace extraction procedure outlined here is based on queries of slope and relief DTMs that select cells having values representative of gently sloping areas but excluding ridge tops and valley bottoms. The procedure for extraction of shoreline-angle elevations is based on identifying a characteristic elevation within the terrace-cell elevation distribution extracted using the DTM queries. These two procedures were calibrated using field measurements on western Santa Cruz Island, and were applied on eastern Santa Cruz and Anacapa Islands where field data are lacking. The combination of field data and extracted shoreline-angle elevations was used here to demonstrate active tectonic deformation. These terrace extraction procedures are intended to complement field data where terraces are poorly preserved and/or to be used as reconnaissance tools in unexplored regions.

DOI

[15]
Demoulin A, Bovy B, Rixhon G, et al.An automated method to extract fluvial terraces from digital elevation models: The Vesdre valley, a case study in eastern Belgium[J]. Geomorphology, 2007,91(1):51-64.Fluvial terraces are a powerful tool for unraveling the combined tectonic and climatic conditions that controlled, directly or indirectly, the Quaternary incision of rivers. Terrace long profiles are usually retrieved from sparse traces of ancient floodplains preserved in the present topography. However, when these traces classically collected from topographic maps, aerial photographs, and field analyses are too few, the inferred profiles may be questionable. Yet the now available high quality and high resolution digital elevation models (DEMs) offer an opportunity to increase greatly the quantity of information usable to reconstruct terrace profiles. Therefore, the purpose of this study was to develop a new DEM-based method of terrace recognition in order to create a larger database and better constrain the profile reconstruction. Moreover, particular procedures of image and numerical processing were defined to fully automate the analysis. Basically, our method relies on the production of bivariate scatter plots depicting the relation between slope and relative altitude (i.e., the altitude above the current alluvial plain) for all pixels of successive sections of the valley. For each scatter plot, the curve of the lowest slope values observed at every relative altitude is smoothed and its minima are assumed to locate the altitudes of the errace elements preserved in the section. We successfully tested this method in the Vesdre valley, incised in the NE Ardenne massif (E Belgium), notably identifying fault deformation of the profiles. The main advantages of our approach are its objectivity, exhaustiveness, and rapidity, allowing fast and coherent analysis of many rivers over extended regions.

DOI

[16]
周启明,刘学军.数字地形分析[M].北京:科学出版社,2006.

[ Zhou Q M, Liu X J.Digital terrain analysis[M]. Beijing: Science Publishing, 2006. ]

[17]
郭庆胜,王晓延.地貌晕渲中光源使用方法与用色规则的研究[J].武汉大学学报·信息科学版,2004,29(1):20-23,33.研究了设计彩色地貌晕渲图的交互式人机协同方法,并着重对晕渲中灰度值和色彩的调整方法进行改进和试验.试验表明,利用该方法制作的彩色地貌晕渲效果比单光源彩色地貌晕渲有较大的改善.

DOI

[ Guo Q S, Wang X Y.Study on Light Direction and Color in Hill-Shading[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004,29(1):20-23,33. ]

[18]
Oguchi T, Aoki T, Matsuta N.Identification of an active fault in the Japanese Alps from DEM-based hill shading[J]. Computers & Geosciences, 2003,29(7):885-891.Shaded-relief images created from digital elevation models (DEMs) are helpful in identifying faults in rugged mountains. Unlike airphoto interpretation, the method enhances lineaments by simulating topographic illumination under varied light directions. Interpretation of shaded-relief images of the Japanese Alps led to the discovery of a lineament unrelated to bedrock structure. Field surveys and analysis of large-scale maps and airphotos reveal the lineament to be a fault with high rates of vertical and lateral slip. The new fault is the southernmost segment of a known adjacent fault, and the rate and direction of its slip provide fresh insight into the late Quaternary history of the fault system. Because previous research mistook the fault scarp for a fluvial terrace scarp, discovery of the fault also changed the correlation of river terraces in the Northern Japanese Alps. The new corrections affect Pleistocene glacial chronology in the upstream area.

DOI

[19]
陈永刚,汤国安,周毅,等.基于多方位DEM地形晕渲的黄土地貌正负地形提取[J].地理科学,2012,32(1):105-109.以陕北绥德县韭园沟流域5m分辨率DEM数据为基础，在数字地形分析、多元统计和数据挖掘方法的基础上，提出利用多方位DEM地形晕渲、坡度等多元指标，以主成分分析消除多重共线性和约减维数，并以Logis—tic回归模型提取黄土高原正、负地形的方法。研究结果表明：模型提取精度为82．1％，Kappa统计量为0．629；模型在6个不同流域测试样本上正、负地形的平均精度分别为77．6％，84．9％，加权平均精度为81．3％，模型具有较好的一致性和泛化能力，正、负地形提取效果良好。

DOI

[ Chen Y G, Tang G A, Zhou Y, et al.The positive and negative terrain of loess plateau extraction based on the multi-azimuth DEM shaded relief[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012,32(1):105-109. ]

[20]
赵卫东,汤国安,徐媛,等.梯田地形形态特征及其综合数字分类研究[J].水土保持通报,2013(1): 295-300.梯田地形具有独特的平面和剖面形态特征,而现有梯田地形分类无法准确反映梯田地形的平面形态特征,导致其难以满足未来构建梯田地形数值模拟模型的需求。以黄土高原旱梯田地形为切入点,对梯田地形的总体特征、平面和剖面形态特征及几何量测特征进行深入研究,提出了基于梯田平面形态特征的梯田地形分类,并在结合现有梯田地形分类的基础上,构建出梯田地形综合数字分类。与传统梯田地形分类相比,该分类综合考虑梯田的总体特征和平面及剖面形态,能更好地反映梯田独特的形态特征和几何量测特征。研究结果为未来构建梯田地形数值模拟模型奠定了坚实基础,对于探讨利用DEM实现梯田地形的有效数字表达与分析具有重要理论意义。

[ Zhao W D, Tang G A, Xu Y, et al.Terrace morphological characteristis and its comprehensive digital classification[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013(1):295-300. ]

[21]
赵卫东. 顾及梯田地形的数字高程模型研究[D].南京:南京师范大学,2011.

[ Zhao W D.Research on digital elevation model considering terraced terrains[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2011. ]

[22]
Burrough P A, Mcdonnell R A, Mcdonnell R, et al.Principles of geographical information systems [M]. Oxford: Oxford University Press, 2015.

[23]
刘玮,李发源,熊礼阳,等.基于区域生长的黄土地貌沟沿线提取方法与实验[J].地球信息科学学报,2016,18(2):220-226.沟沿线是黄土地貌正负地形的分界线，地形在沟沿线处存在较大的高程变化和坡度转折。坡面畸变邻域法是一种有效提取沟沿线的方法，但该方法对正负地形进行分割时，往往会产生大量的碎屑多边形和分类错误，严重影响沟沿线的提取精度。为了解决这个问题，本文采用区域生长方法来改进坡面畸变邻域法的提取结果。首先，分别以DEM提取的山顶点和出水口点作为正负地形的生长点进行4邻域生长，生长至正负地形边界或大于坡度阈值为止；然后，采用边缘检测方法提取正负地形分界线；最后，依据形态学图像处理方法去除“毛刺”得到最终的沟沿线。结果显示，该方法实现了对沟沿线的自动提取，解决了由于正负地形分类错误造成的沟沿线定位不准确的问题，提高了沟沿线的提取精度，同时该方法也较好地保持了沟沿线的完整性和连续性，对黄土高原不同地貌类型具有普遍的适用性。

DOI

[ Liu W, Li F Y, Xiong L Y, et al.Shoulder line extraction in the Loess Plateau based on region growing algorithm[J]. Journal of Geo-information Science, 2016,18(2):220-226. ]

[24]
李敏,杨昕,陈盼盼,等.面向点云数据的黄土丘陵沟壑区沟沿线自动提取方法[J].地球信息科学学报,2016,18(7):869-877.基于点云数据地表建模中,沟沿线既是点云去噪的重要分割线,又是黄土丘陵沟壑区最典型的地形特征线。因此,本文提出了面向点云数据的基于多尺度格网采样和坡度分割的沟沿线自动提取方法,即在适宜格网尺度采样的基础上构建地表模型,利用沟沿线周围坡度陡变的特性提取缓坡面与陡坡面的分界线,从而生成沟沿线。通过对8个样区反复实验,确定了各自的最佳格网尺度,并发现格网尺度随点密度的增大而迅速减小,而后趋近平稳的幂函数关系,同时随机选取了另外5个样区验证了该关系的适用性。最后,通过全域分块计算得到了该地区的完整沟沿线。相比于人工识别的沟沿线,本文方法提取沟沿线的精度在0.5 m缓冲范围内为85%,效果较好,且位置更为精确。产生差异的原因主要是面向点云数据的沟沿线有更多的细节,沟沿线曲率更大,造成了其长度明显大于手动提取结果。该方法有助于提高丘陵沟壑区点云数据去植被处理和地形表面重建精度。

DOI

[ Li M, Yang X, Chen P P, et al.2016. Method of automatic shoulder line extraction in the Loess Hilly Area based on point cloud data[J]. Journal of Geo-information Science, 2016,18(7):869-877. ]

Options
文章导航

/

〈 〉