基于GoogleEarth影像的漓江水系形态特征提取与分析

陆丁滒， 吴虹， 郭琪， 陈梦杰

(1.桂林理工大学地球科学学院遥感应用研究所， 桂林　541004； 2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘察院， 洛阳　471023)

基于GoogleEarth影像的漓江水系形态特征提取与分析

陆丁滒1， 吴虹1， 郭琪2， 陈梦杰1

(1.桂林理工大学地球科学学院遥感应用研究所， 桂林541004； 2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘察院， 洛阳471023)

摘要：为获取漓江流域水系的空间分布和水系形态特征，以Google Earth影像为数据源，采用人机交互目视解译法提取了流域内的水系形态特征信息，编制了漓江流域水系分布图。通过对水系的等级、密度、分支比、各级水道长度以及交汇角等特征信息进行统计，定量化地展示了漓江流域水系的形态特征； 在此基础上进行水系形态特征的控制因素分析，认为地层与断裂构造是控制漓江流域形态的重要因素，人类活动对漓江流域水系形态的影响正在日渐增强。该研究成果为漓江流域的综合治理提供了科学依据，深化了漓江流域的地貌研究。

关键词：Google Earth； 漓江流域； 水系特征； 信息提取； 控制因素

0引言

漓江是珠江水系在桂北地区的重要支流，流经由加里东期花岗岩、中生代碎屑岩和碳酸盐岩地层构成的断裂构造发育区，形成了独特的岩溶-河流组合地貌。21世纪之前，对漓江的研究主要集中于主干流的水资源与水环境方面，而对水系地貌特征的研究较少。根据流域地貌理论，水系地貌特征包括水道级别与流域级别、水道分支比、水道数量、水道平均长度、水道总长度、水道纵比降、水道交汇角、水道形态、水道流量和流域面积等28项指标[1]。漓江流域分布范围广，形态与地形复杂，交通不便，依靠地面调查方式去获取这些地貌指标信息较为困难。高分辨率卫星遥感以其广视域、大信息量、精定位、同步和重复观测的巨大优势，使开展这一研究工作成为可能。2000年以来，采用遥感手段研究河流地貌已得到广泛应用。王磊等[2]采用GIS技术实现了从DEM获取黄河源地区各级水系长度、数目、密度及流域面积等参数； 李栋梁[3]结合形态学理论，利用TM影像的多光谱信息提取了洛河流域主水系； 刘昱恒等[4]使用基于DEM数据的J&D算法及基于辅助数据的AGREE方法，完成了对潦河流域水系河网的提取。近年来，专门针对漓江水系地貌的研究也有了一定的进展，吴虹等[5]通过对3期Landsat5/7TM、ETM+遥感影像的信息提取、模式识别和实际调查，获得了漓江流域的植被总量、城市化面积和水质变化等信息； 秦润君等[6]采用QuickBird-2和P6卫星数据对漓江自然地貌破坏现状进行了调查； 郝敏[7]基于资源三号卫星(ZY-3)数据对漓江河床水深反演开展了研究。到目前为止，已开展的漓江水系地貌研究多从植被、土地利用等地理要素着手，水系形态特征分析较少，且未从整体上对漓江水系形态的地质控制因素开展过专题研究。为此，本文以GoogleEarth影像为数据源，在MapGIS软件的支持下，重点对漓江流域水系形态的水道级别、水系密度、水道分支比、各级水道长度和水道交汇角5个特征信息进行提取，分析水系空间形态展布的控制因素，为漓江的综合治理提供科学依据。

1水系形态特征

水系作为宏观的流域地貌组合[8]，一般由主干流和支流河道组成。本文主要对漓江流域的水道级别、水系密度、水道分支比、各级水道总长度和水道交汇角等5种特征指标进行研究和信息提取。

1)水道级别。水道级别是按水系中河道的承继和汇流关系划分的水道等级。对水道级别的划分，目前国际上较受推崇的是Strahler水道级别划分法，即将位于明显谷地水流线以内的所有间歇性和永久性水道称为第1级水道，由2个1级水道汇流组成的新水道称为第2级水道，汇流了2个2级水道的则称之为第3级水道，依次类推，最终将整个流域的河网水系划分完毕[9]。

2)水系密度。水系密度表示该地区水系分布的密集程度。在地学领域，计算河网水系密度有2种方法： 一种是通过计算单位面积内河段的总长度来表示，即线密度； 另一种是通过计算单位面积内河段的总面积来表示，即面密度[10]。线密度法的计算公式为

D=∑L/∑A，

(1)

式中： D为最终计算出的河网水系线密度； ∑L为一定面积内河流的总长度； ∑A为总面积。

3)水道分支比。水道分支比是某一级水道的数目与比其高一级水道数目的比值，即

(2)

式中： r为分支比； nx为第x级水道的数目； nx+1为第x+1级水道的数目。

4)各级水道总长度。各级水道总长度即某级所有水道长度之和。在划分了水道级别之后，各级水道总长度便可计算出来，其公式为

(3)

式中： Lu为第u级水道的总长度； n为第u级水道的数目，i=1,…,n； lui为第u级中第i条水道的长度。

5)水道交汇角。水道交汇角是指2条水道交汇时形成的角度大小。Horton[11]认为2条水道的交汇角与水道纵比降及地表坡度有以下关系

(4)

式中： Z为2条水道的交汇角； Sc为老水道的纵比降，(°)； Sg为新水道发育于其上地表的平均坡度。

2研究区概况

漓江发源于广西壮族自治区兴安县华江乡猫儿山东北面海拔1 732m(黄海基面)的老山界南侧，越城岭主峰猫儿山东麓，由北向南流经桂林市辖区及兴安、灵川、临桂、阳朔、平乐6个县市，漓江水系由漓江干流与12条次级支流组成，属复合型水系，干流全长214km。流域范围为E109°45′18″～111°2′24″，N24°15′28″～25°54′42″，面积约10 733km2，流域内多岩溶峰林和中低山丘陵地形(图1)。

图1　漓江流域干流及12条次级支流TM假彩色

3研究方案

以GoogleEarth平台提供的卫星遥感影像为数据源。具体研究方案流程如图2所示。

图2　研究方案流程

首先，采用MapGIS对获取的影像进行预处理，主要包括影像裁剪、拼接、格式转换、几何纠正、投影变换和重采样等； 其次，采用人机交互目视解译矢量化法，提取漓江水系形态信息，根据Strahler水系分级原则，对提取的水道进行分级，在此基础上开展统计分析，统计内容包括各级水道数目、长度、分支比、交汇角和水系线密度等； 最后，结合研究区地质图，从岩性、断裂构造及人类活动的角度分析漓江水系形态的控制因素。

4漓江水系形态特征提取

本文使用的GoogleEarth影像分辨率从0.61m到100m不等，其中，桂林市区有QuickBird影像覆盖，分辨率达0.61m，可以满足本次研究的需要。基于GoogleEarth数据，采用目视解译法进行漓江水系特征提取与分析。预处理步骤如下：

1)影像裁剪和拼接。利用GetScreen软件进行，研究区长度设置为2.2km，控制单次图片拼接数量在800张以内。

2)几何精纠正。为了使解译结果更准确，以研究区1∶10万地形图为基准，利用MapGIS6.7软件对所获取的影像进行几何纠正，并将其作为研究区工作底图。

3)建立水道线文件。根据遥感解译原则，建立解译标志与水道信息分类编码，矢量化水道。提取的漓江水系河网如图3所示。

图3　漓江流域水系形态信息提取结果

4.1水道分级信息提取

在解译出漓江水系分布的基础上，采用Strahler水道分级法对水道进行级别划分。经统计，漓江流域内共有1级水道403条，2级水道75条，3级水道26条，4级水道4条，5级水道1条，其中，漓江水系干流为第5级水道。

4.2水系线密度信息提取

采用公式(1)对漓江水系进行线密度计算。在线密度计算时，用2km×2km的格网对河网矢量数据进行网格化，统计各单元网格内水系的总长度，利用长度和网格面积计算出线密度值，最后将计算结果导入Surfer软件，绘制出的水系密度图见图4。

图4　漓江流域水系密度图

通过图4可以发现，漓江上游水系密度较大，密度值范围为30～90km/km2，下游水系密度较小，密度值范围为5～30km/km2。

4.3相邻水道分支比信息提取

根据公式(2)，结合各级水道数目，计算出漓江水系相邻2级水道的分支比(表1)。

表1　漓江水系水道分支比

从表1中可以看出，在漓江流域，各级水道之间的分支比有较大差异。这是由于流域内不同的自然地理条件造成的。

4.4各级水道总长度信息提取

在MapGIS6.7 软件属性库管理中可以查询线段的长度，根据漓江水系分布和分级结果，经统计计算漓江各级水道总长度见图5。

图5　漓江水系各级水道长度

从图5可以看出，除第5级水道——漓江干流外，随着水道级别的上升，漓江水系支流总长度呈减少的趋势。

4.5各级水道交汇角信息提取

本研究将相应级别的水道交汇角度划分为对应级别的交汇角，考虑到低级水道可直接汇入更高级的水道，故在划分此类交汇角时，以低级水道对应的级别作为交汇角的级别。经过统计，漓江水系各级水道平均交汇角见表2。

表2　漓江水系各级水道平均交汇角

从表2中可以看出，漓江水系各级水道呈近垂直状交汇，这表明漓江各级水道的纵比降与地表平均坡度相差较大。

5控制因素分析

根据桂林市1∶20万区域地质图，结合漓江水系密度特征，主要从地层、断裂构造以及人类活动的角度对控制漓江水系形态的因素开展分析。

5.1地层因素

第四纪以来，漓江流域地壳主要以上升为主，出露地层主要有寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系和第四系。笔者基于桂林幅1∶20万区域地质图，提取出流域内主要岩性信息，同时选取灵川、桂林、阳朔3个地面点作为控制点，并结合漓江水系密度图将二者等比例叠放在一起，如图6所示。

图6　漓江流域水系密度和地层分布

从图6可以看出，漓江流域内的地层分布以大圩镇为界，可分为北、南2个部分，大圩镇以北地层主要走向大致为NE向，以南则以NW向为主，与漓江整体水系形态展布由下游的NW向到上游逐渐转变为NE向一致，说明本区的地层格局对漓江流域水系形态的展布与发展影响明显。此外，在漓江流域北部，岩性变化由最初的加里东期花岗岩到砂、页岩，到司门前—溶江段的页岩、泥质灰岩和白云岩，再到溶江—灵川段的白云质灰岩、泥质灰岩、灰岩和砂岩，具有岩石硬度逐渐降低，抗风化能力逐渐减弱的趋势； 上游水系形态表现为径流发育，支流繁多，岩石的透水性能差，容易被流水侵蚀，所以水系密度值大。流域南部的岩性为大圩—杨堤段的灰岩、泥质灰岩，以及下游的杨堤—阳朔段的泥质灰岩、灰岩，其岩性差异较小，故下游水系形态表现为地表径流发育程度不高，地形坡度较小，岩石坚硬且透水性能好，水系长且疏，少有支流发育，所以水系密度值较小。

5.2断裂构造因素

在现代构造运动明显和活断层附近地区，水系形态的发展主要受构造活动的控制[12]。笔者将漓江流域地质图中的线性断裂构造信息单独提取出来，以灵川、桂林、阳朔3个地面点作为控制点，等比例叠放在漓江流域水系线密度图上，如图7。

图7　漓江流域水系密度和断层构造分布

从图7可以看出，在老人山以北地区分布的断裂自北向南，主要为NNE向的资源断裂、SN向的龙胜—永福断裂、NE向的桂林—来宾断裂，整体上断层方向有从NE向到NNE向再到SN向的逆时针转动趋势。漓江流域水系高密度带呈NE向展布，并且自北向南由NE向向NNE向逐渐转变，这与该地区的断裂构造方向一致。老人山以南地区，分布的断裂带有观音阁断裂和白石断裂，整体由南及北呈NW向、NNW向再到SN向的顺时针转动趋势。虽然该区水系密度较低，但其展布趋势依然明显，整体为由阳朔—遇龙河一带的NW向阳朔—杨堤—奇峰镇一带的NNW方向转动，这依然与该地区的断裂构造方向一致。

5.3人类活动因素

水系形态的展布除了受岩性、构造等自然地质因素的影响外，还在人类开发利用流域内自然资源以及抗击自然灾害的过程中，不断地被人为活动改造。早在2 200多a前，秦王朝出于统一中国政治和军事行动的需要，凿建了现今位于兴安县境内的灵渠。改革开放近40a以来，随着桂林城市化进程的加速及自然资源的过度开发利用，人类活动对漓江流域的主观改造日益明显，这在一定程度上都影响着漓江水系的自然形态。

根据上文解译得到的水系形态信息，以司门前镇为起点，每隔2km取1个干流水道宽度值，可得到漓江干流宽度变化趋势，如图8所示。

图8　漓江干流宽度变化趋势(作图纵横比例尺为1∶200)

从图8可以看出，漓江上、中、下游的河流宽度值范围差异较大。在漓江上游，由于汇入的支流不多，河流水量少，表现为主流宽度较窄，最窄仅40m左右。到了河流中游地区，由于有多条支流的汇入，河流的宽度明显增大，并且由于存在规模比较大的江心洲，使河流的宽度范围存在几十m到200多m不等的变化。在距源头60km附近，由于桂林市及灵川县的城市用水，使河流水量急剧减少，河流宽度开始出现减小趋势； 随着距离河流源头越来越远，河流的动能减少，河流宽度在下游地区渐趋稳定； 距源头140km以后，由于流域水量的不断汇聚，主干道又逐步变宽。

为了解决城市用水导致漓江水量急剧减少的问题，桂林市政府提出了枯季补水方案，先后分3期完成。第一期修建青狮潭水库，第二期修建斧子口水库、川江水库和小溶江水库，第三期则主要保持水面景观。目前，第一期青狮潭水库已建成并投入使用，其年内调节能力对缓解漓江的枯水径流问题具有积极的作用[13]。但是，由于水系形态的变化和人类活动都具有动态的不稳定性，目前人类活动的影响主要表现在对河道的改造方面，它的影响既有积极的作用，又有消极的作用。因此，漓江流域水系形态的展布、发展与演变是一项需要长期观察研究和对比分析的课题。

6结论

本文基于GoogleEarth影像，综合运用遥感和GIS技术解译提取了漓江流域的水系形态特征信息。

1)利用MapGIS软件完成了对漓江流域水系形态信息的提取，获得了漓江流域水系分布图，可作为下一步研究的基础数据。

2)通过对水系等级、支流数目、水系密度、分支比、交汇角和水道长度等信息的统计，认为漓江流域为5级水系，流域内共有大小河道509条，流域北部水系密度较大，密度值范围为30～90km/km2，南部水系密度较小，密度值范围为5～30km/km2； 流域内各级水道呈近90°交汇，整个水系总长度为1 946.63km。

3)通过分析漓江流域水系形态的控制因素，认为地层与断裂构造对其形态的控制较为明显，人类活动对漓江流域自然地貌的影响也日益显著，漓江流域的综合治理已刻不容缓。

需要指出的是，自然形成的水系是由多种因素共同控制和影响的，本文仅从地层、断裂构造及人类活动的角度分析漓江水系形态的控制因素，分析结果有一定的局限性； 此外，GoogleEarth影像自身存在分辨率的差异，在一定程度上也影响了解译的精度，这些问题有待于在今后的研究中进一步完善和解决。

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(责任编辑： 陈理)

FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage

LUDingge1,WUHong1,GUOQi2,CHENMengjie1

(1. Guilin University of Technology Remote Sensing Institute， Guilin 541004， China; 2. The Third Geological Prospecting Institute of Geology and Mineral Resources Exploration Development Authorities， Luoyang 471023， China)

Abstract:In order to obtain the river system space distribution and river system feature information of the Lijiang River Basin, the authors, with Google Earth images as information source and by using the method of man-machine interactive visual interpretation, extracted basin river system configuration information and compiled water distribution map of Lijiang River basin. On the basis of information extraction and statistics of such factors as the water level, drainage density, stream tributaries branching ratio, length, and intersection angle, the morphological characteristics of Lijiang River Basin system was quantitatively demonstrated. An analysis of control factors based on river system morphology characteristics revealed that the strata and faults are the important controlling factors of Lijiang River morphology, and that the influence of human activity is growing. The research results provide objective scientific basis for the Lijiang River comprehensive control and treatment and also fill the blank in the study of the Lijiang River basin landform.

Keywords:Google Earth； Lijiang River basin; drainage characteristics; information extraction; control factor

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.25

收稿日期：2014-10-23；

修订日期：2014-12-11

基金项目：国家科技支撑计划项目“漓江流域遥感动态监测与应用示范关键技术”(编号： 2012BAC16B01-2)和广西科技厅科技攻关项目“漓江流域生态环境保护与可持续发展研究”(编号： 桂科攻1298006-1)共同资助。

中图法分类号：TP 79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)02-0161-07

第一作者简介：陆丁滒(1986-)，男，硕士研究生。主要从事遥感技术与应用方面的研究。Email： ldg8677@163.com。

通信作者：吴虹(1947-)，教授，博士研究生导师。Email： wuhong@glut.edu.cn。

引用格式： 陆丁滒,吴虹,郭琪,等.基于GoogleEarth影像的漓江水系形态特征提取与分析[J].国土资源遥感,2016,28(2):161-167.(LuDG,WuH,GuoQ,etal.FeatureextractionandanalysisoftheLijiangRiverwatersystemformbasedontheGoogleEarthimage[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):161-167.)