对象视角下的黄土坡地自动分类及应用研究

那嘉明

南京林业大学土木工程学院,江苏 南京 210037

论文以坡地广泛分布的黄土高原地区为切入,对坡地相关问题展开研究。首先,深入探讨了坡地的概念内涵和组成机制,明确了坡面单元、坡地系统和坡地资源的基本属性;然后,采用面向对象影像分析(object-based image analysis,OBIA)框架,在厘清坡面单元“坡度、坡向、坡型”等基本属性的基础上,提出了面向对象视角下,基于DEM的地形特征组合优化尺度自适应黄土坡面单元自动划分方法;其次,基于坡面单元自动划分结果,根据坡地系统“坡位、坡形、坡用”等基本属性,设计了坡地对象层级的对应属性信息提取方法;然后,提出了基于空间-属性双重聚类的坡地系统自动分类方法;最后,参考前人在资源调查评价方面取得的研究成果,在小流域和区域尺度下分别选取典型样区和黄土水土重点流失区进行了实例研究,在坡地对象视角下分别对比了坡地系统坡形陡缓分类与传统坡度分级方法的差异,分析了坡地资源在不同区域的空间分布的差异,评价了坡地资源的水土保持效应,以及分析了水土重点流失区坡地资源坡形、坡用条件与区域贫困县分布的关系。研究主要内容与结论如下。

(1) 坡地相关研究认识论上,基于地理实体对象视角系统地梳理了“坡面单元-坡地系统-坡地资源”的基本概念、基本组成、基本特征和核心属性。从地理实体角度归纳总结了坡面单元层级的“坡度、坡向、坡型”、坡地系统层级的“坡位、坡形、坡用”及坡地资源的“坡质”等核心属性。在此基础上参考前人地貌分类方案,依据坡地系统的核心属性提出了不同研究尺度下的坡地系统分类方案。针对当前坡地相关研究中多“定性”而少“定量”,多“像元”而少“对象”的研究现状,对传统基于栅格像元的数字地形分析研究范式进行了解析重构,提出了基于面向对象数字地形分析的坡地研究范式。总结归纳了数字坡地模型的基本概念,明确了其表达方式、基本属性和基本应用,并对今后的可扩展方向进行了一定的展望,深化了坡地相关理论问题的认识。

(2) 坡面单元划分方法论上,鉴于OBIA目前在坡地这一地理实体的提取分类任务中鲜有前人探索,论文在继承前人在黄土高原其他地貌实体提取的研究成果基础上,针对目前OBIA中广泛使用的多尺度分割(multi-resolution segmentation,MRS)算法存在的不足,考虑融合DEM原生高程、坡面单元“坡度、坡向、坡型”核心属性及地形纹理特征,提出了基于地形特征优选的尺度自适应坡面单元自动划分T-MRS(topographic-aided multi-resolution segmentation)分割策略,实现了黄土坡面单元的自动划分。在T-MRS分割特征优选、分割参数优化及分割结果评价等方面做出了相应的思考和改进,克服了传统MRS分割方法需要大量迭代调参、算法可解释性不强的缺点。试验结果表明,论文设计方法可以很好地在两个研究尺度上实现坡面单元的自动划分。不同尺度的分割最优组合和分割最优参数存在一定的差异,印证了对地观测数据空间尺度与实际地学问题分析尺度需一一对应。分割评价结果再次证明了融合原生高程、基本地形因子及地形纹理特征的方法可有效提升基于DEM的OBIA分割任务精度。

(3) 坡地系统分类方法论上,在明晰坡地资源“坡位、坡形、坡用”3大基本属性的基础上,实现了基于坡面单元分割结果的坡地系统自动分类方法。坡地对象的坡位信息主要通过正负地形划分得到;对于坡形信息,重新设计了对象层级的基于拟合平面法向量的总坡度和总坡向计算方法;针对坡用信息,区域尺度基于土地利用公开数据集得到,小流域尺度设计了基于随机森林的土地覆盖分类方法,并讨论了随机森林分类特征重要性对分类结果的影响。考虑到由坡面单元到坡地系统的自动聚类过程中需同时顾及空间邻接和属性一致的双重要求,设计了一种空间-属性双重聚类算法实现了坡地系统的自动分类。试验结果表明,该方法可以有效地实现坡地系统的自动分类,进而服务于坡地资源调查工作。

(4) 坡地资源评价方法论上,在区域尺度和小流域尺度以样区实例对坡地资源调查和评价工作做出了一定探索。对坡地资源坡形陡缓分类与传统坡度分级方案对比分析表明,传统坡度分级方案虽存在“一刀切”问题,但在中尺度对地观测数据中具有一定的合理性。然而对于近年来由于技术革新而出现的米级、亚米级乃至厘米级高分辨率DEM,传统坡度分级方案存在较大偏差,逐像元窗口分析得到的坡度计算结果往往过多地表征了地表微地形起伏,不宜用于宏观分析和分区任务。对坡地资源面积结构及坡度坡长因子统计结果表明,坡地资源的空间分布及水土保持效应在不同研究尺度、不同黄土地貌子类型、水土重点流失区贫困县与非贫困县内表现出一定的空间差异。

论文立足黄土高原,提出了对象视角下黄土坡地研究的完整理论范式与方法框架,探索了面向对象数字地形分析在坡地相关研究中的应用前景,实现了不同尺度的坡面单元有效分割,坡地系统自动分类以及坡地资源调查评价,希望对数字地形分析和坡地相关研究有所贡献。