（大地测量学与测量工程专业论文）基于dem的泥石流沟地貌环境特征变化探测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 泥石流是我国西部山区常见的一种突发性地质灾害现象，直接 威胁山区人民的生活和生产，破坏自然环境。在形成泥石流的三大 要素中，地形条件及松散固体物质储量是影响泥石流形成、发展及 规模的因素之一，根据地形的变化研究泥石流沟地形条件及松散固 体物质储量是基本的方法。遥感和摄影测量技术的发展为研究泥石 流等现象建立地表的三维模型提供了丰富的数据源和先进的手段， 作为地形地貌的一种数学表达，数字高程模型( d e m ) 提供了三维分 析数据基础，应用d e m 对泥石流沟地貌环境特征进行变化研究，是 对传统研究泥石流灾害的理论和方法的重要补充。 本研究以泥石流沟一成昆线普雄镇普歪沟为研究区域，以5 7 年 及8 7 年航空像片为基本资料，探讨了在v i r t u o z o 系统中生成该区 高效高质的大比例尺d e m 和等高线数据( 1 ：2 0 0 0 ，2 米格网) 的方法， 以及无控制点表面匹配技术一稳健的最小高程差法( r o b u s tl z d ) 在不同时期的表面模型匹配中的应用，并对该技术的应用效果进行 了简单的分析。针对普歪沟，在g i s 软件( a r c v i e w3 2 a ) 中应 用不同时期的d e m ，确定并提取了泥石流沟地貌参数及流域内地形 评价的指标，采用对比分析的方法，从沟床比降和切割度以及坡度 的角度，对研究时段内泥石流沟沟床的发育情况及泥石流活动造成 的区域地貌环境变化进行了探测和分析利用不同时期三维模型 间的差值模型探测了灾害地区的冲刷与堆积情况，并对泥石流沟固 体物质储量的变化进行了计算，从而得出普歪沟在3 0 年间地貌环境 特征及固体物质储量的大致变化情况。 本研究不仅可为该区泥石流的防治措施制订提供基础数据和科 学依据，为进一步认识该沟泥石流活动的规律奠定基础；同时，在 积累对自然灾害现象、本质和形成机理的认识，进一步掌握自然灾 害的规律，以及研究我国西部山区的土壤侵蚀和水土保持以及减灾 防灾方面具有重要的现实意义和实用价值。 关键词：泥石流；数字高程模型：遥感和摄影测量技术；变化探测； 地貌参数，无控制点表面匹配 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t d e b r isf l o ri sak i n do fc h a o t i cg e o l o g i ch a z a r dw h i c his f a m i l i a ri nt h ew e s t m o u n t a i n o u sa r e a so fo u r c o u n t r y i t d i r e c t l y t h r e a t e n s p e o p l e s 1 i f ea n d p r o d u c t i o n 。c a u s e s s e v e r es o i1a n dw a t e rl o s sa n d b a d l yd e s t r o y sn a t u r a l e n v i r o n m e n t a m o n gt h et h r e ef o r m i n gf a c t o r so fd e b r isf l o w ， t o p o g r a p h i cf e a t u r e sa n dl o o s em a s sr e s e r v e sa r em a i nf a c t o r s a f f e c t i n gd e b r i sf l o w sf o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n di n t e n s i t y 。 a n dr e s e a r c h i n gt h e s ef a c t o r sb a s e do nt o p o g r a p h i cc h a n g e si s ab a s i cm e t h o d t h e d e v e l o p m e n t o fr e m o t e s e n s i n g a n d p h o t o g r a m m e t r yt e c h n o l o g i e so f f e rr i c hd a t as o u r c ea n d a d v a n c e dm e t h o d st om o d e lt h ee a r t h ss u r f a c ef o rr e s e a r c h i n g g e o g r a p h i c p h e n o m e n as u c h a sd e b r i sf l o w a s ak i n do f m a t h e m a t i c e x p r e s s i o n f o r t e r r a i n ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) c a np r o v i d eb a s i c3 - d i m e n s i o na n a l y z i n gd a t a i t sa n i m p o r t a n ts u p p l e m e n tt ot r a d i t i o n a lt h e o r i e sa n dm e t h o d so f r e s e a r c h i n gd e b r i sf l o wu s i n gd e mt om o n i t o rt h et o p o g r a p h i c f e a t u r e s c h a n g e o fd e b r i sf l o rg u l l y s u p p o r t e db yt h en s f cp r o j e c t ，t h ep uw a id e b r i sf l o wg u l l y 1 0 c a t e di np ux i o n g ( at o w ns i t u a t e di nm i d d t eo ft h er a i l r o a d f r o mc h e n gd ut ok u nm i n g ) ，a st h es t u d ya r e aa n dd i f f e r e n t t e m p o r a la e r i a lp h o t o g r a p h s ( s c a l eo f 1 ：2 0 0 0 0f o r1 9 5 7 ：s c a l e o fl ：1 5 0 0 0f o r1 9 8 7 ) a sb a s i cd a t a ，t h em e t h o do f p r o d u c i n g 1 a r g es c a l ed e m sa n dc o n t o u rd a t a ( s c a l eo f1 ：2 0 0 0a n dg r i d r e s o l u t i o no f2 m ) i sd e t a i l e d l yd i s c u s s e du s i n gt h ev i r t u o z o s y s t e m ，a n d t h e t e c b n o i o g yo fs u r f a c em a t c h i n gr i t h o u t r e f e r e n c ep o i n t s ( r o b u s tl e a s tz d i f f e r e n c e ) i s a p p l i e dt o m a t c ht h et o rt e m p o r a ls u r f a c em o d e l s ，a n di tse f f e c t s i m p l y a n n l y z e d ，t o o 。t h et o p o g r a p h i cp a r a m e t e r sa n de v a l u a t i n g i n d i c a t o r so ft h e s t u d ya r e aa r ee x t r a c t e du s i n gd i f f e r e n t 西南交迸大学硕士研究生学位论文第页 t e m p o r a l d e m s u s i n g t h ea r c v ie w3 2 a a n d c h a n g e s 0 ft h e r e li e ff e a t u r e sa r ed e t e c t e da n da n a l y z e db yc o m p a r i s o n ，u s i n g a v e r a g eg r a d i e n ta n di n c is i o nd e g r e ea st h ei n d i c a t o r sw h i c h i n d ic a t et h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h eg u l l yb e d ，a n ds 1 0 p e a st h em a i ni n d i c a t o ro ft h ei n t e r l s i t yo ft h ea r e a st e r r a i n c h a n g i n g 。t h ee r o d i n g a n d d e p o s i t i n g d i s t r i b u t i o nc a nb e d e t e c t e db yt h ee l e v a t i o nd i f f e r e n c em o d e lw h ic hi sg a i n e db y m a k i n gd i f f e r e n c eo p e r a t i o nt ot h et o wt e m p o r a ld e m s 。a n dt h e l o s sq u a n t i t yo ft h eg u l l y sm a s sr e s e r v e sisc a l c u l a t e d ，t h u s t h er o u g hc h a n g e so ft h eg u l l y ：st o p o g r a p h i cf e a t u r e sa n dm a s s r e s e r v e si n3 0y e a r sa r ed e t e c t e d t h e a p p l y i n g r e s e a r c hn o t o n l yp r o v i d e s r e f e r e n c ef o r d r a w i n gm e a s u r e sa n de s t a b l i s h e sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r u n d e r s t a n d i n g t h e1 a wo fd e b r i sf l o w ，b u th a ss i g n i f i c a n t p r a c t i c a l s e n s ea n dv a l u ei n a c c u m u l a t i n g t h e k n o w l e d g eo f e n v i r o n m e n t a lh a z a r d s ， i n c l u d i n gp h e n o m e n a ， n a t u r ea n d m e c h a n i s m ，a n dr e s e a r c h i n gt h es o i le r o d i n g ，w a t e ra n ds o i l p r e s e r v i n g ，a 1 1 e v i a t i n ga n dd e f e n d i n gh a z a r d sm e a s u r e so ft h e w e s tr e g i o n so fo u ra o u n t r y k e yw o r d s ：d e b r i sf l o w ，d i g i t a l e t e v a t i o nm o d e l ，r e m o t e s e n s i n g a n dp h o t o g r a m m e t r yt e c h n o l o g y ，c h a n g e d e t e c t i o n ， t o p o g r a p h i cp a r a m e t e r ，s u r f a c em a t c h i n gw i t h o u t t h e a i do f c o n t r 0 1p o i n t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪言弟一早三= 酉苗 1 1 引言 1 1 1 泥石流简述 泥石流是山区特有的一种突发性的地质灾害现象。它常发生于 山区小流域，是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体，呈 粘性层流或稀性紊流等运动状态，是地质、地貌、水文、气象、植 被等自然因素和人为因素综合作用的结果。 泥石流现象几乎在世界上所有的山区都有可能发生，尤以新构 造运动时期隆起的山系最为活跃，遍及全球5 0 多个国家。我国是一 个多山的国家，山地面积广阔，又多处于季风气候区，加之新构造 强烈、断裂构造发育、地形复杂，从而使我国成为世界上泥石流最 发育、分布最广、数量最多、危害最严重的国家之一，有2 0 多个省、 市、自治区，1 8 条铁路干线、2 0 0 多座县政府驻地的城镇受到泥石 流的威胁和危害，每年不仅造成巨大的经济损失，泥石流灾害直接 威胁山区人民的生活和生产。 泥石流形成的条件概括起来主要表现为三个方面，( 1 ) 地表大 量的松散固体物质，( 2 ) 充足的水源条件，( 3 ) 特定的地貌条件。 ( 1 ) 物源条件 有无充分的松散物质及其存在状态是决定是否为泥石流沟的重 要条件，流域内崩塌、滑坡、水土流失等现象的发育程度具有决定 性作用，其次是流域内区域地质构造、岩石类型、沿沟松散贮量和 泥沙区覆盖层的平均厚度的影响。当前关于贮量的计量很不准确。 崩塌、滑坡及水土流失的严重程度是泥石流产生的一个非常重要的 影响因素，是形成泥石流的主要固体物质来源。人类不合理活动可 能导致或加剧河沟两岸的崩塌、滑坡的发展和水土流失过程。 ( 2 ) 水源条件 大气降雨，特别是暴雨，是形成山洪的主要条件，是泥石流固 体物质搬运的主要动力，是滑坡的激发因素。水不仅是泥石流的组 成部分，也是松散固体物质的搬运介质。我国泥石流的水源主要由 鋈塞变逶大学硬毒褥究生学位论文第2 页 黎雨形成，由于降雨过程及降雨量的差异，形成明显的区域性或地 带性差异。如北方雨量小，泥石流暴发数量也少；南方陌爨大，泥 石漉较受发黉。 ( 3 ) 地形地貌条件 地貌条件是形成泥石流的内因和必要条件，它制约着泥石流的 形藏和运动，影噙着混蠢漉豹援摸粒特性。礤究分摄泥蕊流沟遣魏 黥特点、藏德，有瓒予姘究泥石流的发生、发震和对混蠢流灾害的 预测与防治。一般泥石流、滑坡、坍塌等灾害的形成，大多在山高、 貉深、坡陡的山区，桷对高差大，沟床比降大，切割厉鬻，利于集 审缝表经漉搬运霾薅貔缓及有效浚窆瑟豹形成。这些都愚灾害发生 的有利条件。 根据泥糟流发育区的地貌特征，一般可划分为泥石流的形成区、 浚逸嚣和壤羧区。泥嚣浚形成区键予滚域豹上游海谷籀壤段，虫壤 坡度3 0 。至i6 0 4 ，是淀石流松散固体物质穰永源的供给区。溅嚣流流速 睡位于沟谷的中下游，般地形较顺直，沟槽坡度大，沟床纵坡降 嫩常在i ，5 一4 o 。泥舔漉堆积区熄浞石流固体锈质停积的场所，位 予律逡豹下游或海疆楚，缝获俸多黧赢形、壤澎或带形。 1 1 2 数字篙程模型 数字离程模型( d i g i t a le 1 e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 住必地形表 磷的一种数字表达形式，是蠹荑莓麻省璞工学院的c h a i r e s l m i l l e r 激授于1 9 5 6 1 9 5 8 年首次提出的。其目的是用摄影测量 的手段或其它技术手段获得地形数据，在满足一定精度的祭件下， 鬻囊教数字瓣影式在诗冀辊上逶嚣表示，著建数字谤算黪方式遴行 各种分析与_ 陂用。 与传统的地形图相比较，d e m 作为地形的数字表达形式具有以下 特点：i 、弼叛缀方埂媲戳蚕静比铡尺寒多秘形式表达地形售息；2 、 藏有稳定酶精度，不会豳为时间的推移等种种泼素而导致精度的损 失；3 、因为是数字形式的，可以方便地增加和改变信息，容易实现 自动化和实时化，适合予各种定爨分析与三缝建模。由予空间中绝 大多数赘舔貘分耩蒸与三维有关，显区域土生成蘑蔫密发巍蘩发 谣南交遥大学硬圭磷究生学位论文第3 页 的d e m ，在d e m 上进行释种三维分析是很容易的。d e m 以熟特有的优 瓣，已成为独立、标准的基础产品，并越来越广泛地被餍泉代替传 绞逮形霾孛等寒线对遮影戆接逮。 随着计辣机科学、测绘学及地溅信息系统( g i s ) 等相关技术的 发展，数字黼程模型在珊论研究和成用实践方酾都有了很大的进展。 d e m 夔数据获取方法、数据存绩秘数攒楚理速发等方覆已取臻了突破 能进展，摹本的理论和涉及的主要技术方法已缀成熟。在皮用方面， 娥初d e m 多限于应用在土木工程和地图测绘等特定行业和专业部门， 如今己在测绘、地质、敬业、工程、建筑、军漆、导航等多个领域 褥舞广泛应掰。妇在铡绘孛矮子绘潮等高线、遂撬窝、玻发嚣、玻 向图、立体透视景观图、制作正射影像图及地圈修测；在各类工程 中应用于体糨和面积计算、各种剖蕊图的制作及线路设计；军事方 瓣用于导靛、邋讽及搏藏谤翔豹裁定等；在遥感方嚣终为耱韵数据 用于分类；张环境与规划方面用予她现状的分析、各种溉划及洪 水灾害预测及洪水淹没损失估算等。 1 作为数字地形模拟瀚重要成果，d e m 己经成为国家空闻数据基础 设施( n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，n s d i ) 匏慧本内容 之一，被纳入数字化掇间数据框架( d i g i t a lg e o g r a p h i cd a t a f r a m e w o r k ，d g d f ) 进行规模化生产，在数字地球( d i g i t a le a r t h ) 酸臻藜实麓遴程孛其骞卡分重要熬露耀，謇蠹拜已将其终秀国家基 础地理信息产品之一提供，作为基本的服务项目。 1 2 遥感和摄影测量技术在地质灾害研究中的应用 近年来，遥感霸疆瑷信愚系统、摄影溅蟹、诗冀援毅零等亳薪 技术发展迅獭，为泥石流、滑坡等空间问题的解决提供了新的数据 来源和解决办法。遥感乎段的增强，丰富的不同类型、不同时期的 逡戆数据，必混嚣流、瀑缓等建震灾害提貘了燮多豹选择，蠖褥对 溅石流沟进行动态监测芹珏定量分析成为可能。利用遥感、缀影测量 及g i s 技术对具体的灾害区进行定墩分析，可以为区域的措施制订 提供科学基础期依据，弼对为不同的地矮灾害黢测翻管理提供参考。 蘑瓷交遁大学硕士研究生学骰论文第4 页 1 2 1 对泥石流沟进行动态监溯的实践意义 泥石溅灾害是我溪西南山区鬻觅的自然灾害，其动力过程中侵 蚀、搬运窝难积董乍用十分强烈，在一次过程中便可秘深淘床数米至 数十米，致使大片坡地土壤层被侵蚀殆尽，形成大规模的泥石流堆 积，使得山区局部地貌和局部环境急剧变化，水土流失加剿，进一 步疆坏鑫熬嚣境。我黧繇年至少蠢亿楚沃主镑之衷，纛。撵走成昆 线泥石流灾害一直严熏威胁着铁路和周围居民的安全，突发的灾害 带来的经济损失、对地袭的破坏程度、造成的水土流失掷十分触目 练心。本磅究剩赐已鸯不嚣时期拘靛空影像资辩建立d e m ，攘测泥石 流灾害蘧嚣缝形条佟的交佬情蕊及阑体物质德量的流失情涎，对测 定泥石流的泥沙侵蚀搬运量及其j c 寸下游河道的泥沙输出墩，为研究 分析其冲刷淤积变化规律奠定基础，可在积累对自然灾密现象、本 援羟形藏撬淫魏谈识，麓我重疆爨蟪区静壤侵锤露窳主绦持戳及 减灾防灾等方面具有黧簧的现实意义和实用价值。 1 2 2 应用现状 遥感技术窝摄影溅鬟援术貔笈避为研究滋若流等建瑗现象建立 她表的三缀模型提供了丰富的数撼源和先进的手段，地耀信息系统 技术的发展则为其提供了强大的黧间分析功熊，经过四十多年的发 援，箨免戆影分撰静数攥基镄帮d e m 嚣萋零疆论窝技拳懑藏熬，麓 其在各领域的应用打下了基础。 目前国内外展开了很多利用d e m 在地质灾害、水土流失、土壤 侵蚀、旱耕媳荒漠化等方嚣豹应用磺究。翔文献【9 中，袋翅c o r o n a 量星影像蠡麓生成d s m ( 数字表露模型) ，探键了d s m 泰壤侵壤、 水土流失朔基础设施动态分析中，以及正射影像在变化探测分析中 的应用，如城市和居民地发展比较、植被分布的变化和水资源( 水 箨) 瓣交豫等。文熬【l o i 疆究了疲耀释接摄影漠l 量技拳辩籀瑗蠢体 物质的侵蚀和堆积进行髓测。该方法对滑坡的监测同样肖效。文献 1 1 在对商山运动规律的研究中，通过多时相d e m 高程的差别确定 了商山在藤蕊方肉的变化，并采兵l 相关性影像分帮亍软 串扶多时相歪 瓣影像董渊了其在承平方向上的佼移。该文认为影豫分褥懿耩度主 西南交通大学硬士研究生学位论文第5 页 骚取决于地形特征而非取决于应用算法的精魔。文献 1 3 介绍了用 于涉s a r 、r a d a r s a t 以及规载s a r 结合t m 影像确定滑坡的诊断性特 鬣及英坡度特征。文献 1 4 】鞋歪瓣影像上戆爽蘩标恚经遮貔( 琵磊、 大树等) 为参考点，采用对比正射影像图的方法对法国的莱一滑坡 七年的演变规律进行了研究。文献 1 5 以遥感影像为基础，研究了 翅基手灰发瓣方法寒接诗淀石流滔礁二维戆速攀甥。 另外，荚于d e m 的个重要研究内容是利糟其进行撼形西子的 提取。国内外已经进行了很多关予d e m 在某炎应用中提取地形因子 的研究。热利用提取静地形因子坡度、坡长、坡囱、地势起伏度等 对逢虢遗行撼述，撵取逡宣手永主流失益测、壤爱镶、擎耩建蔻 漠化等方面的地形因予作为指标，并对指标进行评价“，以及利用 数字高程模勰进行特征地貌的提取及流域地形分类研究”“”1 等等。 旋关于不弱尺度对d e m 绩惠戆影鹈方瑟选送露? 缀多硬究，法国安 ( 1 9 9 4 、1 9 9 8 、2 0 0 0 、2 0 0 1 ) 进行了基于不同比例尺d e m 提取地形 因子精度方颟的研究，建立了不同空间尺度地形信息、容量之间的 定量关系与转换盈谱；避内外针对土壤侵蚀、水土流失、退耕还林 等应用，鞋坡度、壤长簿基本逢形因子秀翻，避行了禳多关于不同 比例尺及格阏间距对提取地形因子信息影响的研究“8 ”“7 5 “”1 。 现有的研究对d e m 的建立、备种地形因子的提取算法、方法及 耱溲分摄等避厅了事毒残效熬骚突，为静痰矮努下了基戳。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究区的背景介绍 酱雄镶怒图j | | 害凉由彝族蠡渗髑两海强暴叠奄一个夸镶，本文研 究区域是其镇内位于成融铁路沙木拉打隧道北口附近的一条泥石流 沟：瞽歪沟( 见附图1 ) 。该沟是一条暴发频率较高的粘性漉石流沟， 獒漉壤瑟积达3 + 8 1 o n 。m ，魇雯上罄多次发叟潺蠢漉活羲，主垂年来荬 活动强度有不断加强的趋势，对铁路运输及淞线居民的生活和生产 造成很大的危害。 从松教溺体物质、她貌以及水澡三大要素来看，该送其鍪形成 溅石流鹃良好基础。逶_ j 遣实逢调查，在澹石濂流域范围内，徭多避 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 方植被覆盖很少，大面积岩土裸露，主要为较软弱的泥岩、页岩、 砂岩，风化崩解现象严重，自身力学性质差，抗风化抗侵蚀能力弱， 易形成松散碎屑物，同时斜坡稳定性差，残坡积层发育，在降雨， 尤其是在暴雨条件下易激发形成坍塌和滑坡，并使这些松散碎属物 质失稳成为泥石流的一部分，为泥石流活动提供丰富的物源条件。 由于该区山大沟深，目前主要的凋查方式是靠经验丰富的工务 人员定期特别是在暴雨之后进行现场调查，这种方式不仅困难较大， 且较主观，易错漏。该区8 0 年代曾修建了系列防治工程，通过绕、 排、导、拦相互结合，采取稳土、挖溪、排水等防御和治理措施， 从一定程度上延缓了泥石流形成的自然进程，破坏了泥石流形成的 各种条件，从而减少了泥石流的发生。但这些防治措施并不能杜绝 泥石流灾害，有些措施反而成为更大的隐患。因此，采用科学的手 段对其进行长期的监测，探求其形成机理和发生规律是有必要的。 1 3 2 研究内容与目的 在形成泥石流的三大要素中，地形条件是重要条件之一，它是 形成泥石流的内因和必要条件。而d e m 存储的是关于地表的三维信 息，信息载量丰富、直观、是反映地表地形的直观的数据，同时能 很方便地自动提取地形因子，因此，利用不同时相的d e m 可对研究 时段内泥石流地形条件的变化进行探测，对研究泥石流沟的演化规 律提供参考，提取的地形因子信息可以作为建立该区灾害信息系统 的基本地形信息。利用d e m 还可直观地对泥石流灾害区的搬运与堆 积情况进行定位和定量研究， 本论文主要的研究内容包括： 1 ) 全数字摄影测量方式生产高质高效的d e m 利用d e m 研究泥石流沟流域的地形变化情况，首先要有可以满 足应用要求的d e m ，全数字摄影测量方式是生产大比例尺d e m 的最有 效方式，利用这种方式生产不同的d e m 是本研究的基础。 2 ) 不同时相三维模型的配准 利用不同时期的三维模型探测地形变化，模型之间的配准是必 要的，但在应用几十年前的资料时，利用控制点进行模型的匹配是 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 不可能的。利用表面匹配方法( r o b u s tl z d ；稳健的最小高程差法) 进行不同时期数据的配准是本文采用的方案。 3 ) 地形指标的选择 在影响泥石流的地貌条件中，找出最具有代表性、能反映泥石 流沟地貌变化，并且能够从d e m 提取出来的关键指标，作为评价泥 石流沟周围地貌变化的地形因子指标。探讨泥石流沟地形地貌的特 点，有助于我们研究泥石流的发生、发展和对泥石流灾害的预测、 控制，以探求泥石流的发育规律，在地貌演化中的状态等。 4 ) d e m 尺度的选择 不同尺度的d e m 数据所包含的地形信息容量是不同的，通过研 究不同间距的d e m 反映的地形因子信息，为选择合适的d e b l 尺度进 行变化分析提供参考。 5 ) 泥石流沟固体物质流失量的计算 对不同时期的格网模型进行差值运算，得到三维高程差分模型 ( 格网点的高程为不同时期对应格网点即相同( x ，y ) 坐标的高程之 差) 可以定量计算、定位固体物质的流失情况，对研究该区土壤侵 蚀和水土保持以及减灾防灾具有重要的现实意义和实用价值。 实际上，泥石流活动造成的松散固体物质流失不同于地表因雨 水冲刷等原因造成的坡面水土流失，前者是泥石流活动一次性地带 走大量堆积的松散固体物质，虽然活动区域有限，但因具有突发性， 发生历时短暂，运动能量巨大，极具毁坏力，不仅造成山区局部环 境破坏，而且还危害和威胁到山区群众生命财产安全和经济发展。 而一般的水土流失主要是指地表因雨水冲刷等原因长年累月造成的 坡面流失，历时长，长期的流失对地表的破坏也十分惊心。这种水 土流失同时也是泥石流活动松散固体物质来源的一部分。 1 3 3 研究采用的作业流程和技术路线 本论文以在v i r t u o z o 全数字摄影测量工作站利用航空像片生成 研究区域的等高线数据为基础数据，通过无控制点表面匹配一稳健 的l z d ( 最小高程差法) 方法对两个时期的数据进行了空间配准；利 用等高线数据采集了泥石流沟沟床的线状图，对泥石流沟的沟床比 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 降、切割度等参数进行了计算，同时在g i s 软件a r c v i e w3 2 a 中用 等高线数据生成不同格网间距的d e m ，利用其空间分析模块自动提取 研究区域的，如坡度、地面粗糙度等地形因子，对比不同时期地形 因子的变化情况，对泥石流沟及研究区的地貌变化情况进行分析： 通过对不同时期的格网d e m 进行差值运算，得到研究区的三维差分 模型，可直观反映1 9 5 7 年到1 9 8 7 年之间研究区固体物质搬运与堆 积的情况，并汁算不同时期d e 的体积差，得出3 0 年削固体物质流 失的量( 主要由多次泥石流活动造成) ：由于不同尺度的d e m 在地形 信息的容量上有所不同，本文主要从坡度及区域平均高程的角度， 探讨不同格网d e m 在提取地形信息上的差别，从而为选择合适的d e m 格网间距提取地形因子提供一定的依据；最后对实验结果进行分析 和评价。具体的技术路线图如图i i 所示。 l 航摄底片 上 空= 加密成果 i 扫描数字化|i ii ， p n = 糍喜譬薹聃期 j 不同时期数据配准 上 l存a r c v i e w 中磕 0 - = 雒樽犁 数据分析与计算 0 结果评价与分析 图1 1 ：本文采用的技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章数字高程模型 d e m 是地理信息系统地理数据库中最为重要的空间地理信息和赖 以进行地形分析的核心数据。经过四十多年的发展，它在数据获取 方法、数据存储和数据处理速度等方面取得了突破性进展，其基本 的理论和涉及的主要技术方法已经成熟，如今己在测绘、资源与环 境、灾害防治、国防等与地形分析有关的科研及国民经济各领域发 挥着越来越巨大的作用，也在国防建设与国民生产中有很高的利用 价值。 2 1d e m 的含义及表示方法 2 1 1 数字地面模型的定义 数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i l 3m o d e l ，d t m ) 的通用定义是 描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角 度可以用下述二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面 模型的丰富内容和多样形式： k p - 恤p ，v pj ( t 一1 , 2 ，3 ，m ；p 一1 , 2 ，3 ，以) ( 2 一1 ) 式中，k 为第p 号地面点( 可以是单一的点，但一般是某点及其微 小邻域所划定的一个地表面元) 上的第七类地面特性信息的取值； k 。，y ，j 为第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任意地图投影的平面 坐标，或是经纬度和矩阵的行列号等；m ( m 大于等于1 ) 为地面特 性信息类型的数目；n 为地面点的个数。 在式( 2 1 ) 中，当m = 1 且，l 为对地面高程的映射，恤，y ，) 为矩 阵行列号时，公式( 2 1 ) 所表达的数字地面模型即所谓的数字高 程模型d e m 。显然d e m 是d t m 的一个子集。实际上，d e m 是d t m 中 最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。 数字高程模型是用x ，y ，z 坐标对地球表面地形地貌的一种离 散数字表达，是表示区域上的三维向量有限序列，用函数的形式表 达为： k = ( x 。z i ) ( i 一1 , 2 ，3 ，a ，1 ) ( 2 - 2 ) 、西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其中，x ；i 为平面坐标，z 是( x ；x ) 所对应的高程。当该序列中各平 面向量的平面位置呈舰则格网排列时，其平面坐标可省略，此时， d e m 就简化为一维向量序列 z 。f = 1 ，2 ，3 ，n 。 2 1 2d e m 的表示方法 按空间结构形式可将d e m 分为散点、等值线、格网、曲面、线 路、平面多边形和空问多边形等七种d e m ，最常见的数字地形表示方 法有等高线、规则格网( g r i d ) 及不规则三角网( t i n ) 三种。格网 d e m 和t i nd e m 由于结构相对简单，易于建立拓扑关系，对模型进行 可视化和分析，所以这两种地形模型最为常用。 1 、等高线d e m 将地图上的等高线数字化，便可形成等高线d e m 。目前常使用以 下方法得到等高线d e m ： a 摄影测量方法。可在解析摄影测量仪或数字摄影测量仪上使 用航摄像片得到数字形式的等高线d e m 。 b 扫描矢量化等高线。可以使用适当比例尺的地图或原地图印 刷时制作的或专门制作的分版等高线图进行扫描、几何纠正( 或矢 量化时校正) 、人工交互矢量化等高线或自动跟踪矢量化等高线。 c 扫描数字化等高线。同扫描矢量化等高线法，只是采用半自 动染色方法，用不同颜色染不同高程的等高线和等高点。此法无需 矢量化，可视化、自动化程度高，效率高，差错率低。 从数字化的等高线数据可以直接生成t i n ，也可直接生成格网 d e m ，或是先生成t i n 再内插生成格网d e m 。经过实践证明，第三种 方法的精度和效率都是最好的。 2 、g r i dd e m 为了减少数据的存储量及便于使用管理，可利用一系列在x ，y 方向上都是等间隔排列的地形点的高程z 表示地形，形成一个规则 格网d e m 。在计算机语言中，格网d e m 就是一个二维数组或数学上的 一个二维矩阵，除基本信息外，d e m 只存放一组规则格网的高程值： d e m = 。， ， f 一1 , 2 ，一，m 一1 ，n ； ，；1 ，2 ，l 一1 ，1 ( 2 3 ) 一般大规模规则格网d e m 是在等高线d e m 或t i nd e , l _ i 的数据基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 础上生成的。格网可按等边三角形交点、圆锥网交点及正方形交点 等规则形成，其中以正方形格网最为简单和常用。由于格网d e m 规 则形成，具有结构简单、数据存储量小、计算、分析及显示方便的 优点，因而获得最广泛的应用。但也存在不足： a 地形简单的区域存在大量的冗余数据； b 如不改变格网大小，难以适用于起伏程度不同的地区； c 由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征，如山峰、 山脊、山谷等。 为了压缩栅格d e m 的冗余数据，可采取用游程编码或四叉树编 码方法对数据进行处理。 3 、t i nd e i d 不规则三角网t i n ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 通过从 不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面，通过采用 附加地形特征数据，如地形线( 山脊线、山谷线、断裂线、水涯线 等) 和地形特征点等，将按地形特征采集的点按一定规则连接成覆 盖整个区域且互不重叠的许多重叠的三角形，构成一个不规则三角 网d e m 。 对于t i n 模型，其基本要求有三点： ( 1 ) t i n 是唯一的；( 2 ) 力求最佳的三角形几何形状，每个三 角形尽量接近等边形状；( 3 ) 保证最邻近的点构成三角形，即三角 形的边长之和最小。 t i n 的生成主要采用3 种算法，即分割一归并法、逐点插入法和 逐步生长法。由于t i n 直接表现了数据点之间的拓扑关系，因此其 数据结构比常规算法简单得多，无需建立各种链表，只需建立1 个2 维数组，仅记录原始数据的点号即可。 t i n 既可根据规则数据生成，也可根据不规则数据生成。 不规则三角网t i n 克服了规则格网d e m 中冗余数据的问题。其 主要优点是可根据地形，选取合适的采样点数，能以不同层次的分 辨率来描述地形表面；同时，还能充分利用地貌的特征点、线，能 更好地顾及这些特征从而更精确合理地表达地表形态；进行地形分 析也很方便。也导致了其数据存储与操作的复杂性，因而不便于规 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 范化管理。 为了综合利用规则格网d e m 和不规则三角网t i n 这两种模型的优 点，尽量避免它们的不足，经常使用由t i n 内插生成的格网d e m 数 据。从t i n 到规则格网d e m 一般情况下用线性内插，即把三角形三 点确定的斜平面作为地表面，这样仅能保证地面连续而不能保证光 滑，易出现与实际地形不符的情况。 在现今的g i s 系统中，基本上均支持规则格网和不规则三角网 d e m 两种格式，并提供二者相互转化功能。 2 2d e m 的构建方法 d e m 数据包括平面位置和高程数据两种信息，可以直接在野外 通过全站仪或者g p s 、激光测距仪等进行测量，也可以间接从航空 影像或者遥感图像以及既有地形图上得到。具体采用何种数据源和 相应的生产工艺，一方面取决于这些数据源的可获得性，另一方面 也取决于d e m 的分辨率、精度要求、数据量大小和技术条件等。 2 2 1d e m 的数据源与采集方法 建立d e m 的方法有多种。从数据源及采集方式讲主要有： a 、全数字野外测量。例如用g p s 、全站仪、野外测量等。 b 、根据航空或航天影像，利用数字摄影测量和遥感的方法获取。 c 、将现有比例尺的地形图数字化。 表2 - 1 是d e m 的采集方法及各自特性比较表 获取方法优点缺点适用范围 工作量大，效率不内插d e m 的检测和制作小 全数字野精度高高，受到野外作业范围、大比例尺和高精度的 外测量和所需人力等因素d e m 其他用途 的局限 采点稠密，生产周期比较长，大中比例尺较小间距的高 摄影测量精度比较需充足的航摄资料精度d e m 制作 高和昂贵的精密设备 地形图扫成本低精度比较低形图，特别是中小比例尺地 描矢量化形图( 比例尺1 ：5 00 0 0 或 更小的d e m 的制作) 由于摄影测量的方法和地形图数字化的方法是大规模d e m 采集 最有效的两种方式，也是最为普遍采用的方式，因此本章后两节重 西南交遥太学硬士磷究生学位论文第1 3 页 点介绍这两种方法。 2 2 2 由数字摄影测鲞的方法构建d e m 摄影测爨技术发展经历了三个阶段：髓拟缀彩测量除段，解桥 摄影测量阶段和数字摄影测量阶段。随着汁算机技术和数学图像处 理技术的发燧，现在已经进入数字摄影测量阶段。 鼗字摄影测量是空麓数摇采蘩疑有效静手袋，其有效攀嵩、劳 动强度低等优点。其发展起源于摄影测量自动化的实践。实现自动 立体量测的关键是影像旺配理论。影像匹配悬计算机视馓与数字摄 影测量豹竣- 瓤阂题。箕猿念霉壤揍免：在左右像霹上，分潮选取，l 、 影像窗口，对其进行特饺描述( 如遥感影像的灰度矩阵) 。利用这一 特征，根据浆种测度( 如相似性测度、相关准则、相关量、相关数 攒等) ，判凝和寻找同名地秘点。早期豹研究一般使用相关技术解决 影像匹配靛溺题，所戳影像匹配常常被称舞“影像稳关”。 1 、数书影像相关 数字相荚是利用计算机对数字影像进行数值计算的方式完成影 像豹相关( 袋莲琵) 。玄燕逶遭魄较左、意影像戆穗觳蛙来确定荚是 磷为同名影像块，从而确定相应像点。 一、相必函数 两个随机信号z 翻y 9 ) 懿互相淀邈数定义为： j b p ) 一反工( f ) y ( f + r ) a t ( 2 - 4 ) 对信号能量弼限的情况均取其均值彤式： 扛) 一潍岔9 弦+ 譬) a t ( 2 - s ) 猩实际应用中信号不可能是无限长的，即丁是裔限值，但丁爰适当地 大，使其构成的统计方麓小到可以接受。实用饿计为： 南( f ) 一事后( 咖p + 节弦 ( 2 - 6 ) 当x ( t ) * y o ) 时，则得到自相关函数的相应定义与估计公式： 。露南交遴大学硕士研究生学位论文第1 4 页 比( f ) 。r x ( t ) x ( t + f 冲 r 。 i m 。p ( f 弦秘+ f ) a t ( ；2 - 7 ) 冗立o ) 。睾争( f o + r 二、色襁关函数的能璇 1 ) 自相关函数为偶瀚数。即 矗0 ) 一r ( - - w ) ( 2 - 8 ) 2 ) 鑫褪荧送数在彳一0 辩取褥最大毽。鼙 r ( o ) r 0 ) c2 - 9 ) j 嗽性质是相关技术确定弼名像点的依抛。 蒋缓兹掇关算法菲鬻麓单，攫雾耱在诗冀掇上实理，缺点是搜 索窗口较大时，计算量大、速度慢、翁出现多个峰值和可秣性差。 为了克服以上不足，1 9 7 2 年m a s r y ，h e l a v a 和c h a p e l l e 等人引入了核 线耀关原理，他二维搜索为一维搜索，大大提麓了相关的速度，搜 数字裙关技术在摄影溅爨中戆窿餍褥副了迅速鹣发震。 2 、影像暇配 影像匹酉己是数字摄影测量的关键技术之一，随着计算机技术的 发装窝广泛旋瘸，影像爨蘩翡硬究惑经取褥了缀大夔进震，发震了 多种影像匹配盼方法，按照匹配的基本单元可分为三类： ( 1 ) 基予灰度的匹配：在灰度屡次上进行贩配，是在两影像上 一定足寸的鬻口中比较获发分布樱似程度，相似度浆测定w 用相关 数袋最，j 、二黎疆配( l s m ) 。这秘樱笑算法餐是嚣种影像嚣配方法斡 熬础。基于灰度的匹配方法是起步最早、理论上也最成熟的算法。 基于灰度的匹配算法虽能满足d t m 自动生成的一般要砑琶，但在 露塑场合下，该雾法著不透露。由予嶷嚣影像串羝裂线、遮藏、不 逡续等原因，匹配的成功率并不高，特剐是在大比例尺城市区域影 像的匹配中，难以达到令人满意的效果。另外，在很多应用场合下， 影像匹配所感兴趣豹只怒定豹点、线、面，送耱对候需髑綦手特 挺翁匹配。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 2 ) 基于特征的匹配：先在两影像上提取如边缘等特征，然后 对特征进行比较来确定同名影像。特征的相似度可依据如边缘线的 形状，灰度在边缘处梯度变化的正负等来度量。基于特征的匹配方 法包括特征提取和特征匹配两个步骤。 各种特征提取算法中，点特征提取算子可用于定位，也可用于 确定该点的性质( 独立点、线特征点或角点等) ：面特征提取可采用 区域增长法，也可基于点特征采用线跟踪