基于CORS-RTK结合GIS的崩岗侵蚀调查方法及应用

张铁洋，陈峰云，邓羽松，杜 赟，丁树文，王天巍

(1.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070； 2.汉口学院，湖北 武汉 430070)

崩岗是指在水力和重力作用下山坡土体或岩体风化壳受破坏而崩塌和堆积的侵蚀现象，其毁坏农田和基础设施，对生态环境破坏巨大[1]。崩岗侵蚀调查的目的，是为制定合理的预防措施和治理规划提供必要的科学依据，其主要内容是查明崩岗的分布、范围、类型及影响崩岗发育的诸多因素[2]。崩岗的崩壁高差和倾角较大，给崩岗侵蚀的调查造成了很大困难[3-4]。传统的崩岗侵蚀调查方法主要是人工调查法，多采用1∶10 000地形图作为底图，现场勾绘崩岗的位置与形态，往往需要投入较多的人力、财力、时间，且受主观影响较大[5-6]；使用全站仪测量需要测量点与仪器的通视，影响了测量点的选取和测量效果；三维激光扫描技术通过扫描物体表面获得高精度的数字地面模型，具有高效率、高精度的独特优势，但易受植被遮挡影响结果的准确性[7]；航片解译方法中多数航片比例尺偏小，分辨率达不到要求，需与地面监测数据进行验证校准，而高分辨率影像价格昂贵、成本高。

RTK(Real-Time Kinematic，实时动态)技术是一种使用载波相位差分技术，通过移动站与参考站之间观测误差的空间相关性，采取差分方式除去移动站观测数据中存在的误差，最终实现高精度定位的技术，可在作业范围内进行精度为厘米级的精确测量[8-9]。在测量条件上，RTK技术需要电磁波通视，相比传统测量需要保证两点之间做到光学通视，气候、能见度及环境对RTK技术的限制作用较小[10]。多基准站RTK技术的基础是建立多个GPS基准站连续运行卫星定位导航服务系统(Continuously Operating Ref-erence Stations，CORS)，在移动站附近几米到几十米建立一个虚拟参考站，实现实时定位，从而获得高精度的定位结果[11]。与常规RTK相比，CORS-RTK的覆盖面广，定位精度高，可靠性更强。目前CORS-RTK技术主要应用于城市建设、地形测量，将其与GIS空间分析方法相结合的研究成果较为少见。本研究以湖北省通城县杨垄小流域崩岗为研究对象，应用CORS-RTK开展野外测量获得崩岗数据，利用ArcGIS软件对数据进行分析，提取崩岗的各要素并获得杨垄小流域崩岗分布情况。

1 研究对象与方法

1.1 研究区概况

通城县位于湖北省东南部，湘、赣、鄂三省交界的幕阜山北麓，地跨113°36′～114°04′E、29°02′～29°24′N，全县土地面积1 172 km2，属北亚热带季风气候区，气候温和，光照适中，雨量充沛，多年平均温度在19 ℃左右。通城县水土流失严重，崩岗分布广泛，杨垄小流域就位于崩岗发育密集的通城县，流域内多低山丘陵，植被以人工林为主，土壤类型为棕红壤，母质为花岗岩，结构松散[12-13]。

1.2 测量方法

本研究采用南方测绘公司生产的灵锐S82T进行测量，该仪器是基于CORS的网络RTK，性能优越，适宜开展高精度野外作业。为避免后期坐标系统转换的麻烦，在RTK上设置固定用北京54坐标系统测量。

(1)崩岗测量。测量时，应根据崩岗的地形特征在崩壁、沟道、内壁、外壁等主要位置采集能反映其形态的特征点信息，同时需注意采集崩岗体边界线及主沟等地形特征线信息，进而建立能反映其地形变化特征的DEM，方便提取崩岗要素。在测量顺序方面，应先从崩岗的沟头开始，沿着崩壁和集水区边界采集数据，再在崩岗内侧和崩壁间选取特征点进行测量，这样可以避免遗漏某些位置。对于可以反映崩壁高度、主沟长度、沟口宽度的测量点，需特殊标记，方便后期数据处理。崩岗测量的范围应超过崩岗边界以增大DEM的精确度。在测量密度上，根据地势的起伏布设不同密度的采样点，在崩岗地势起伏较大的地方增加测量密度，以更好地反映地形的细微变化；在地形变化平缓的地方可以减小测量密度[14-15]，以减少数据冗余，提高测量效率。

(2)流域范围测量。该项工作的目的在于获知流域内崩岗的分布情况，使崩岗调查结果更加形象化。沿流域边缘每隔一段距离布设1个测量点，利用RTK获得点位坐标数据，布设时应尽量选取能反映流域地形、范围变化的点，同时根据地形情况适当增加或减小测量点的间距和密度，最终得到流域范围。

1.3 数据准备

(1)将测量数据导入Excel。本研究所用的数据均为RTK测量所得。打开Excel，选择导入外部数据，选定需要导入的测量成果坐标文件(*.dat)，分隔符选择逗号。

(2)剔除误差较大点。保留固定解，单点解和差分解(点存储状态为5、6)剔除，浮点解(点存储状态8)平面精度大于1 的剔除。

(3)生成Shipfile文件。在ArcMap中打开Excel表格，选择Display XY Data，选择X、Y字段数据，选定坐标系统Beijing 1954 GK Zone 19N.prj，在生成的临时图层中选择Export Data输出数据，生成Shapefile文件。

1.4 生成崩岗DEM

(1)图形编辑。在ArcCatalog中新建线图层，选择与点图层相同的坐标系统。打开编辑器工具，对线图层进行编辑，连接相应的点即可得到外壁线、内壁线等要素的形状。在编辑前，可以用Snapping工具对点跟踪，这样得到的图形会有更高的精确度。面图层的编辑方法相同。

(2)空间插值。空间插值是将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面的方法。克里金插值属于空间局部插值法，是在有限区域内对区域化变量的取值进行线性无偏估计的一种方法。本研究根据RTK测量所得点数据的分布情况，以及对多种插值方法结果进行比较，最终选用了克里金插值法。在ArcToolbox中打开3D Analyst模块，选择Interpolate to Raster，利用克里金插值方法对点数据插值，即可生成一幅矩形DEM图，其中栅格单元大小保留一位小数点，便于后面进行数据分析。

(3)裁剪。由于空间插值得到的是以点数据分布为边界的矩形栅格数据，为展现崩岗轮廓，需对插值得到的栅格数据进行裁剪。在ArcToolbox中选择Data Mana-gement Tools，在下拉列表中点击Raster，选择Raster Processing中的clip工具裁剪插值出的崩岗栅格数据，其中裁剪模板为之前建立的矢量面图层。

(4)建立等高线。等高线可以形象地展现出崩岗表面地势的起伏变化。打开3D Analyst模块，选择Surface Analysis，点击Contour，输入裁剪好的栅格数据，即可生成等高线。要注意选取合适的间距以控制等高线的疏密。

(5)排版整饰。为形象地展现崩岗的结构，对得到的崩岗栅格数据排版整饰，生成崩岗DEM图。点击显示区域左下角的页面按钮，切换到版面视图(layout view)下，通过Insert菜单添加标题、图例、指北针、比例尺等地图元素，适当调整大小、位置，再选择恰当的颜色显示崩岗高程的变化。添加好这些地图元素并输出，即可完成一幅DEM图。

1.5 崩岗参数的提取

(1)崩岗面积。崩岗面积是指发生坍塌的垂直投影面积。打开编辑器工具，按外壁线将面图层裁剪，在崩岗面图层的属性表中将裁剪后得到的崩岗侵蚀部分的图斑字段命名为area，注意设置字段属性为浮点型。选择该字段右击，选择Calculate Geometry，在property下拉菜单中选择area字段 ，即可得到崩岗面积。

(2)崩壁高度。先加载外壁线与内壁线的点图层，再在外壁线和内壁线上选取测量时作为崩壁高度的测量点，计算两点之间的高程差即可得到崩壁的高度。

(3)主沟长度和沟口宽度。使用工具条中的测量工具，连接测量时作为主沟长度的测量点即可得到主沟长度，沟口宽度测量也按此方法。

(4)主沟坡降。根据主沟高程差和长度的比值，通过反正切计算坡降。

(5)崩岗的坡度、坡向。根据崩岗的DEM图所表达的信息，分别选取崩壁上的最高点和崩岗口的最低点，将两点连成一条线，该直线与水平方向的夹角为崩岗的坡度，直线的投影与正北方向的夹角为崩岗的坡向。

2 调查结果

从崩岗调查结果可以看出，利用ArcGIS软件生成崩岗DEM，并结合GIS空间分析，可以定量地得到崩岗各要素，包括崩壁高度、主沟长度、坡度、坡向等，同时各要素精度可达厘米级，满足崩岗测量数据精度的要求。利用该技术调查崩岗，建立的DEM质量是整个研究的关键。由于DEM质量主要受选取的测量点影响，因此在测量之前要对崩岗有一定了解，依据实际情况选取诸如能反映崩壁高度、主沟长度等要素的特征点，根据地形控制好测量点密度，才能得到高精度的调查结果。

研究区崩岗调查结果见表1、图1。杨垄小流域东西两侧共分布着16个崩岗，崩岗总面积为8 905.32 m2；流域北部崩岗分布较为密集，南部稀疏；不同崩岗有其独特的形态特征，发育程度各不相同。

表1 杨垄小流域崩岗调查结果

图1 杨垄小流域崩岗分布

3 结 语

本研究以湖北省通城县杨垄小流域作为调查对象，利用CORS-RTK技术野外测量获取该流域内崩岗的地形数据，再用ArcGIS软件生成崩岗的DEM，结合GIS空间分析方法对数据进行分析，得到了崩岗的要素数据和流域内崩岗分布图，实现了预期的研究目标。相比其他崩岗调查方法，本研究结果具有直观、形象、精度高的特点。可见，CORS-RTK测量技术有利于查明崩岗发生的位置、范围及类型等，对崩岗侵蚀的调查具有重要意义。