對象視角下的黃土坡地自動分類及應用研究

那嘉明

南京林業大學土木工程學院,江蘇 南京 210037

論文以坡地廣泛分布的黃土高原地區為切入,對坡地相關問題展開研究。首先,深入探討了坡地的概念內涵和組成機制,明確了坡面單元、坡地系統和坡地資源的基本屬性;然后,采用面向對象影像分析(object-based image analysis,OBIA)框架,在厘清坡面單元“坡度、坡向、坡型”等基本屬性的基礎上,提出了面向對象視角下,基于DEM的地形特征組合優化尺度自適應黃土坡面單元自動劃分方法;其次,基于坡面單元自動劃分結果,根據坡地系統“坡位、坡形、坡用”等基本屬性,設計了坡地對象層級的對應屬性信息提取方法;然后,提出了基于空間-屬性雙重聚類的坡地系統自動分類方法;最后,參考前人在資源調查評價方面取得的研究成果,在小流域和區域尺度下分別選取典型樣區和黃土水土重點流失區進行了實例研究,在坡地對象視角下分別對比了坡地系統坡形陡緩分類與傳統坡度分級方法的差異,分析了坡地資源在不同區域的空間分布的差異,評價了坡地資源的水土保持效應,以及分析了水土重點流失區坡地資源坡形、坡用條件與區域貧困縣分布的關系。研究主要內容與結論如下。

(1) 坡地相關研究認識論上,基于地理實體對象視角系統地梳理了“坡面單元-坡地系統-坡地資源”的基本概念、基本組成、基本特征和核心屬性。從地理實體角度歸納總結了坡面單元層級的“坡度、坡向、坡型”、坡地系統層級的“坡位、坡形、坡用”及坡地資源的“坡質”等核心屬性。在此基礎上參考前人地貌分類方案,依據坡地系統的核心屬性提出了不同研究尺度下的坡地系統分類方案。針對當前坡地相關研究中多“定性”而少“定量”,多“像元”而少“對象”的研究現狀,對傳統基于柵格像元的數字地形分析研究范式進行了解析重構,提出了基于面向對象數字地形分析的坡地研究范式?？偨Y歸納了數字坡地模型的基本概念,明確了其表達方式、基本屬性和基本應用,并對今后的可擴展方向進行了一定的展望,深化了坡地相關理論問題的認識。

(2) 坡面單元劃分方法論上,鑒于OBIA目前在坡地這一地理實體的提取分類任務中鮮有前人探索,論文在繼承前人在黃土高原其他地貌實體提取的研究成果基礎上,針對目前OBIA中廣泛使用的多尺度分割(multi-resolution segmentation,MRS)算法存在的不足,考慮融合DEM原生高程、坡面單元“坡度、坡向、坡型”核心屬性及地形紋理特征,提出了基于地形特征優選的尺度自適應坡面單元自動劃分T-MRS(topographic-aided multi-resolution segmentation)分割策略,實現了黃土坡面單元的自動劃分。在T-MRS分割特征優選、分割參數優化及分割結果評價等方面做出了相應的思考和改進,克服了傳統MRS分割方法需要大量迭代調參、算法可解釋性不強的缺點。試驗結果表明,論文設計方法可以很好地在兩個研究尺度上實現坡面單元的自動劃分。不同尺度的分割最優組合和分割最優參數存在一定的差異,印證了對地觀測數據空間尺度與實際地學問題分析尺度需一一對應。分割評價結果再次證明了融合原生高程、基本地形因子及地形紋理特征的方法可有效提升基于DEM的OBIA分割任務精度。

(3) 坡地系統分類方法論上,在明晰坡地資源“坡位、坡形、坡用”3大基本屬性的基礎上,實現了基于坡面單元分割結果的坡地系統自動分類方法。坡地對象的坡位信息主要通過正負地形劃分得到;對于坡形信息,重新設計了對象層級的基于擬合平面法向量的總坡度和總坡向計算方法;針對坡用信息,區域尺度基于土地利用公開數據集得到,小流域尺度設計了基于隨機森林的土地覆蓋分類方法,并討論了隨機森林分類特征重要性對分類結果的影響?？紤]到由坡面單元到坡地系統的自動聚類過程中需同時顧及空間鄰接和屬性一致的雙重要求,設計了一種空間-屬性雙重聚類算法實現了坡地系統的自動分類。試驗結果表明,該方法可以有效地實現坡地系統的自動分類,進而服務于坡地資源調查工作。

(4) 坡地資源評價方法論上,在區域尺度和小流域尺度以樣區實例對坡地資源調查和評價工作做出了一定探索。對坡地資源坡形陡緩分類與傳統坡度分級方案對比分析表明,傳統坡度分級方案雖存在“一刀切”問題,但在中尺度對地觀測數據中具有一定的合理性。然而對于近年來由于技術革新而出現的米級、亞米級乃至厘米級高分辨率DEM,傳統坡度分級方案存在較大偏差,逐像元窗口分析得到的坡度計算結果往往過多地表征了地表微地形起伏,不宜用于宏觀分析和分區任務。對坡地資源面積結構及坡度坡長因子統計結果表明,坡地資源的空間分布及水土保持效應在不同研究尺度、不同黃土地貌子類型、水土重點流失區貧困縣與非貧困縣內表現出一定的空間差異。

論文立足黃土高原,提出了對象視角下黃土坡地研究的完整理論范式與方法框架,探索了面向對象數字地形分析在坡地相關研究中的應用前景,實現了不同尺度的坡面單元有效分割,坡地系統自動分類以及坡地資源調查評價,希望對數字地形分析和坡地相關研究有所貢獻。