基于“3S”技術的水土流失信息提取與評價

劉玉龍,田萍萍,武 征,孫 愿,王曉娟,張小衛

(1.西安地質礦產研究所,陜西 西安 710054;2.西安市環境監測站,陜西西安 710054)

“3S”技術是指遙感(R S)技術、地理信息系統(G I S)技術和全球定位系統(G P S)技術,其中遙感技術具有獲取數據周期短、視域廣、信息量大、實時性強、精度較高和成本低的特點,地理信息系統具有強大的信息管理、處理和分析功能,全球定位系統可進行高精度的全球定位[1]。傳統的水土流失調查采取手工操作的方式,效率低、工期長、定位精度低,成果可復制性和變更性差,難以滿足信息化時代的要求[2-3]。應用“3S”技術開展區域水土流失信息提取與評價,可綜合利用“3S”技術宏觀、快速、準確、客觀等特點[4-5],是一種科學準確地掌握區域水土流失現狀、開展動態評價的新的重要的技術手段。

1 研究區概況

研究區位于四川木里藏族自治縣縣城西北部約 60 k m的梭羅溝和如米溝一帶,行政區劃上屬木里縣沙灣鄉所轄。地質構造屬甘孜 -理塘成礦構造帶南段,褶皺發育較弱,地層系總體向南或南南東傾斜的單斜構造,斷層構造較為復雜,以近東西向、近南北向、北西向、北東向四組斷裂組成基本構造格架。地貌屬雅礱江構造侵蝕高山峽谷地貌,山脈和河谷走向近于南北向,地勢東高西低,海拔 3640—4551 m。屬高原寒溫氣候,氣候寒冷,垂直差異較為明顯,據 2005年6—10月簡易氣象觀測數據(標高 4052 m),觀測期間最高氣溫 27℃,最低氣溫 -7.0℃,平均氣溫 9.1℃,7月均溫8.2℃,年降水量 953.4 mm,最大日降水量為 59.0 mm,最大積雪厚度 60 mm。土壤主要為褐土、山地棕壤、山地棕色針葉林土、高山草甸土,土壤類型隨海拔的不同而呈垂直分布的特征。植被屬中亞熱帶濕潤山地植被,其類型主要有亞高山針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、高山草甸灌叢等四類,受山地地形制約,植被垂直帶譜明顯。

2 水土流失信息提取

2.1 技術要求

(1)選用近 3年內的衛星數據為遙感信息源,衛星數據的空間分辨率不低于 15 m,解譯比例尺為 1∶25000。

(2)解譯范圍為研究區邊界外延 2000 m,解譯圖斑精度為 4 mm2,圖斑不宜過大。

(3)根據野外驗證結果,建立土地利用、植被覆蓋度等生態環境要素的遙感解譯標志,采用目視和人機交互相結合的解譯方法,同時對解譯結果與實地野外驗證結果進行比對,保證平均判對率大于 85%。

(4)根據《土壤侵蝕分類分級標準》(S L 190—2007)》,采用 1∶10000地形圖建立的 D E M數據制作研究區坡度分級圖,在 MA P G I S中與土地利用現狀圖、植被覆蓋圖進行疊加,最終制作出土壤侵蝕強度圖。

(5)在 MA P G I S中對土壤侵蝕圖件進行分類面積統計,結合現場調查和收集的資料,分析土壤侵蝕強度的空間分布特征。

2.2 數據收集

數據收集主要包括遙感信息源選取、地形圖和輔助解譯資料收集等。

(1)遙感信息源選取。遙感信息源選自日本A L O S對地觀測衛星的 A V N I R-2數據,多光譜為可見光及近紅外 4個波段,空間分辨率為 10m,成像時間為 2008年 12月 27日;全色波段分辨率為 2.5 m,成像時間為 2009年 2月 11日,多光譜與全色數據同源而不同期。選用遙感影像的時間、分辨率和光譜數據能夠滿足水土流失信息提取的要求,以保證解譯結果的科學性和準確性。

(2)地形圖。收集研究區 1∶10000數字化地形圖。

(3)輔助解譯資料。輔助解譯資料包括研究區地質圖、土壤圖、植被圖以及氣象、水文、社會經濟、水土流失治理等觀測與統計數據。

2.3 數據處理工作流程

數據處理工作流程見圖1。

(1)利用 MA P G I S軟件的空間分析模塊功能,將數字化地形圖在構建 D E M數據的基礎上進行坡度分級,將坡度分為 ＜5°、5°— 8°、8°— 15°、15°— 25°、25°— 35°、 ＞35°共 6個等級,制作研究區坡度分級圖并填入相應的屬性信息。

(2)運用遙感圖像處理軟件E RDAS Imagine,對遙感圖像數據進行配準、融合、校正、增強等處理,制作出研究區 A L O S衛星遙感影像圖。

(3)為了增加目視判讀的準確性,在 ERDA SImag ine中將D E M數據與遙感影像數據進行復合,制作出具有 3D效果的立體影像圖。

(4)利用 MAPGIS軟件的圖形處理模塊功能,根據《土壤侵蝕分類分級標準》和建立的解譯標志,制作出研究區土地利用現狀圖、植被覆蓋度分級圖,同時輸入相應的屬性信息。

(5)根據遙感解譯的研究區土地利用現狀圖、植被覆蓋度圖及坡度分級圖,參考《土壤侵蝕分類分級標準》中地類、植被覆蓋度、坡度之間的對應關系,計算確定各個圖斑的土壤侵蝕強度,編輯輸出最終得到土壤侵蝕強度分級圖,通過空間分析模塊統計得到土壤侵蝕強度分級面積統計表。

圖1 數據處理工作流程

3 水土流失信息提取結果與評價

3.1 地形坡度的提取結果與評價

由研究區地形坡度分級圖和表 1地形坡度分級數據統計結果可知,研究區地形坡度以 15°— 25°為主,其次為 25°— 35°和 8°—15°,其余坡度面積較小。各坡度分級空間分布呈以下特征:①＜5°的地形主要分布于研究區的溝谷和坡頂地帶。②5°—8°的地形主要分布于研究區的溝谷緩坡地帶和坡頂緩坡地帶。③8°—15°的地形主要分布于研究區的溝谷邊坡地帶和坡頂緩坡下部。④15°—25°的地形大多分布于研究區的坡腰地帶,空間分布最廣。⑤25°—35°的地形主要分布于研究區北部坡度較大的山坡坡腰。⑥＞35°的地形主要分布于研究區北部坡度陡峭的山坡坡腰。

表1 研究區地形坡度分級數據統計結果

3.2 土地利用類型的提取結果與評價

由土地利用類型遙感解譯圖和表 2土地利用類型數據統計結果可知,研究區土地利用類型以天然草地為主,其次為有林地和灌木林地,其余土地利用類型面積較少。各土地利用類型空間分布呈以下特征:①有林地主要分布于研究區的坡腳和海拔較低的坡腰、坡頂地帶。②灌木林地主要分布于研究區海拔較低的坡腰、坡頂地帶。③天然草地主要分布于河谷兩側平緩地帶和海拔較高的坡腰、坡頂地帶。④疏林地主要分布于研究區海拔較低的坡腰地帶,屬有林地和灌木林地的過渡地帶。⑤旱地分布于河流兩側的坡度平緩地帶。⑥工業用地和采礦地分布在采礦區的山坡坡腰和坡頂地帶。⑦沙地和裸巖石礫地分布于海拔較高、植被覆蓋度極低的坡頂地帶。

表2 研究區土地利用類型數據統計結果

3.3 植被覆蓋度的提取結果與評價

由植被覆蓋度類型分級遙感解譯圖和表 3植被覆蓋度類型分級統計結果可知,研究區植被覆蓋度類型以 30%—45%的非耕地林草地為主,其次為覆蓋度 45%—60%的非耕地林草地和覆蓋度 60%—75%的非耕地林草地。各植被覆蓋度的空間分布特征是:①覆蓋度＜30%的非耕地林草地主要分布于區內地勢相對較陡的坡腰地帶和近坡頂地帶,主要為天然草地的分布區,其中梭羅溝以東海拔 4000 m以上的坡腰及坡頂地帶分布面積較大。②覆蓋度 30%—45%的非耕地林草地主要分布于研究區內溝谷支流兩岸的平緩地帶以及坡頂地帶,主要為天然草地。③覆蓋度 45%—60%的非耕地林草地主要分布于研究區內陡坡的坡腰及近坡頂地帶,主要為灌木林地和疏林地。④覆蓋度 60%—75%的非耕地林草地主要分布于研究區溝谷兩側的坡腳及坡腰地帶,主要為灌木林地和有林地。⑤覆蓋度＞75%的非耕地林草地主要分布于研究區內溝谷兩側海拔較低的坡腳及坡腰地帶,主要為灌木林地和有林地。

表3 研究區植被覆蓋度類型分級統計結果

3.4 土壤侵蝕強度提取結果與評價

由土壤侵蝕強度分級圖和表 4土壤侵蝕強度分級數據統計結果可知,研究區土壤侵蝕強度以中度侵蝕為主,其次為微度侵蝕和輕度侵蝕。研究區土壤侵蝕空間分布的特征是:①微度侵蝕和輕度侵蝕主要分布于地形平緩、植被覆蓋較好的坡腳及坡頂地帶。②中度侵蝕主要分布于地形坡度中等、植被覆蓋一般的坡腰及坡頂地帶。③強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕主要分布于地形坡度較陡、植被覆蓋度較低的坡腳及坡腰地帶。

表4 研究區土壤侵蝕強度分級數據統計結果

4 結 語

(1)根據收集的當地水保部門的水土流失資料,經對比分析發現,研究區水土流失信息提取結果與實際水土流失現狀相吻合,提取結果能夠客觀地反映研究區水土流失現狀,能滿足研究區水土流失評價的要求。

(2)R S是G I S的重要信息源,R S著眼于空間數據的采集和分類,可實時、快速地記錄區域的空間信息及各種變化參數,提供實效性強、準確度高的定量數據,并能對各種信息進行定量分析、動態監測和自動成圖,R S已成為區域水土流失信息提取高效、穩定的信息源。

(3)G I S側重于空間數據的分析管理,是 R S信息提取與分析的重要手段。G I S可精確地對遙感信息源進行實時處理,有效地對水土流失信息數據進行提取、管理和綜合分析,實現水土流失G I S數據的及時更新。

(4)“3S”技術作為一種重要的水土流失研究技術手段,可以準確、快速、連續地提取區域水土流失的主要特征指標,能夠滿足區域水土流失現狀信息提取的要求,使區域水土流失信息得到有效的分析和使用,為水土流失信息提取提供了強有力的技術支撐。隨著衛星技術和計算機技術的發展,遙感信息的分辨率、準確性和現勢性將大幅提高,將使 G I S的空間數據高效動態更新成為可能。

(感謝四川省地質調查院汪友明、楊磊、游麗君等同志在遙感解譯中給予的支持與幫助!)

[1]廖純艷,黃健.3S技術在丹江口水庫水源區水土流失動態監測中的應用[J].水土保持通報,2007,27(1):58-61.

[2]胡良軍.淺談地理信息系統(G I S)在水土流失中的應用領域[J].綏化師專學報,2004,24(2):138-140.

[3]龔杰,羅麟,王疆霞,等.基于GPS與GIS的水土流失因子提取方法研究[J].人民黃河,2008,30(9):69-70.

[4]錢銘杰,吳芳芳,童立強,等.基于RS與GIS的水土流失監測方法實證研究[J].中國水土保持,2009(2):23-24.

[5]李曉松,姬翠翠,曾源,等.基于遙感和GIS的水土流失動態監測——以河北省赤城縣為例[J].生態學雜志,2009,28(9):1723-1729.