基于GIS的小流域水土流失遙感定量監測探討

楊一帆 黃偉 范素珍

摘 要：水土流失，土壤侵蝕是制約人類發展的一項重大資源問題，因此采用地理信息系統和遙感技術對水土流失進行了檢測，這是一種比較便捷的調查方式。由于水土流失的復雜性和安全隱患問題，經過相關研究部門的討論研究突破了單一的信息源和依靠光譜特性的限制，還涉及到植被、降水量、坡度和土壤等因素的影響，為水土流失，土壤侵蝕提供了一套新的研究方法。

關鍵詞：GIS；小流域；遙感；監測

1 基于GIS的土壤流失量監測

1.1 流域土壤矢量的計算

結合GIS的強大運算能力，可計算出，每一個像元的壤流失量。在像元土侵蝕的基礎上，根據《土壤侵蝕分類分級標準》確定土壤侵蝕強度分級指標將侵蝕量在同一侵蝕等級的像元進行歸并，進而繪制出小流域土壤侵蝕強度圖如圖1：

1.2 小流域環境數據庫的建立

我國在2004年對太平洋1989年1：1萬航測地形圖與流域的彩虹外航片和地質圖進行了實地考察研究，調查內容有土壤類型、土地利用方式、土地植被等。最后對圖形數據和屬性進行了統一編碼和標準化處理，并在Acee和Are軟件管理數據系統的支持下建立了研究區環境流域數據庫如表1：

基于GIS的遙感定量監測結果要比定性遙感結果的準確度高，它不僅在水土保持的科學管理中有更大的使用價值，而且對農林的可持續發展有著相應的價值，為了防止流域水土流失，必須采取合理有效的措施。植樹造林和破改梯著兩種方式可以減少水土流失和落地面積侵蝕強度和流失量的減少程度，如果將強度以上的土壤侵蝕度減少到中度侵蝕的話，則流域泥沙科減少4.64×102×102t，侵蝕模數下降到1251t/km2，侵蝕強度下降一個等級，所以現在流域治理的重點在于面積17.7%的土壤流失強度區。

2 土壤侵蝕強度監測

2.1 地面實測數據

在小流域布設多個不同條件的徑流小區進行一下實驗操作，在用植被覆蓋因子和雨量因子基本一致的條件下，測量不同坡度的降水-產沙-侵蝕規律，依據降水、侵蝕、堆積實驗，經過對土表降水前后機械組成的分析土壤侵蝕與水土流失的關系，通過降水、產水、侵蝕、堆積的徑流試驗，分析植被副高的與侵蝕規律的關系，人為管理因子與工程措施對水土流失的實驗研究。在試驗檢測過程中要詳細記錄徑流數量、持續降雨量和侵蝕模數等。長時間的實驗表明不同植被覆蓋與降水量、土壤質地土地利用等和土壤侵蝕量的數值關系。

2.2 建立土壤侵蝕強度檢測模型

在地面量大的試驗研究分析基礎上，引入外營力指標，建立土壤侵蝕強度監測模型，在土壤侵蝕風險基礎上，計算出侵蝕土壤強度結果。

2.3 引入外營力

首先引入外營力要通過遙感影像的自動分類方法監測的到土壤侵蝕的分類圖。并且根據不同的土壤侵蝕類型采用不同的外營力指標及分級標準，對于風力侵蝕要選擇氣象站年風速平均指標。

3 定量模型、地面實測與遙感監測

3.1 定量模型

土壤侵蝕的定量監測必須依賴于抽象的描述客觀世界侵蝕規律和過程的定量模型，長期人們對土壤侵蝕影響因子定量和土壤侵蝕群過程機理研究的基礎上，建立了一套嚴格的數學方程來描述土壤侵蝕的規律，并產生依賴感。到那時隨著土壤侵蝕影響因子研究的深入，基于小流域、坡面和徑流小區建立了很多土壤侵蝕定量監測模型，這種模型的建立是以美國歐洲為代表。

所以不管建立怎樣的模型都是以土壤水文學和河流等為基礎的經驗統計模型或者是物理過程模型，模型主要是基于長期的野外觀測資料或者是室內侵蝕過程的模擬試驗，但是遙感地理信息系統技術在其中僅是輔助作用。并且現在利用集成GIS直接利用遙感數據也只是局限在少量模型中，但是和其他模型的共同特點就是，大多都是參考模型，不能直接發揮遙感和GIS的優勢，還需要大量的野外實測數據作為應用輸入。

3.2 地面實測

長期以來，土壤侵蝕都是通過各地水文站來對土壤侵蝕進行模型數據實驗和觀測數據統計和實現，但是這種方式存在著一定的局限性，如，觀測結果多為數據統計表表的形式，只能表明某一個地區或地點水土流失量的描述，不能直接顯示出水土流失量的強度，這種方式不能準確的將土壤侵蝕的空間位置掌握住，也難以提供土壤侵蝕數量的確切數量。觀測結果大多為點狀，知識微觀尺度的監測，但是區域尺度上水土流失發生的規律或是分布特點與微觀尺度存在著明顯的區別。以上的局限性分析，這樣中觀測方式會給水土保持治理帶來極大的難度。

3.3 遙感監測

隨著科學技術的進步，近年來遙感技術用于大范圍的水土流失調查中，已成為水土保持動態監測的一種重要手段。遙感技術利用氣象衛星數據實現對雨量的短期預報和監測，同時也實現了水土流失在短期內的預報和監測。遙感技術也能實現定量的植被覆蓋率監測與土地利用信息的采集，滿足了流域中長期水土流失監測預報的數據要求。

土壤侵蝕遙感監測方法需要在土壤侵蝕過程機理定量研究基礎上，從影響水土流失的因子著手分析，建立水土流失量與因子之間的關系，，并且可以通過遙感技術以外的其他途徑獲取信息，如，土地利用率、坡度和植被覆蓋等在次基礎上，根據土壤侵蝕分類分級指標進行邏輯綜合分析和剖解得出土壤侵蝕強度信息監測。

遙感技術是一種效應的測試結果，無法從影像光譜中直接提取土壤侵蝕的強度值。土壤侵蝕是復雜的地理系統負向效應運動的結果，不同于土地覆蓋或其他地物，而遙感影像所攜帶的信息是地表特征的客觀反映。

4 遙感定量監測需要完善的地方

4.1 定量化

基于遙感技術完善水土流失判斷因子，現實區域水土流失監測的定量是水土流失定量監測遙感監測方法的核心。根據影像光譜對底層表面的客觀反映，在建立影像解釋標志的基礎上需要人腦的配合分析，影響著土壤侵蝕結果的環境因子特征值，再根據預定的分類分級指標進行綜合性的判斷，并確定土壤侵蝕結果，這一過程需要解釋者來判斷完成，所以解釋者的知識水平很大程度上決定了土壤侵蝕測定結果的精確度。實現因子的定量化與自定獲取以及結果的自動判斷，避免主觀性的判斷方式，這是實現水土流失監測的方法研究主要方向。

4.2 溝蝕問題和地面實測數據的補充與支持

由于實際操作中進行溝蝕判斷應用比較少，因此溝蝕和面蝕侵蝕強度方面存在著一定的問題。在水土侵蝕保持地面觀測中，水蝕地面觀測有較好的基礎，但是對于水土流失影響比較大，溝蝕觀測方法也比較薄弱。所以不管是利用溝蝕的侵蝕強度還是面蝕侵蝕強度所得到的判別都是不確定，也在侵蝕機理方面存在諸多問題。所以溝蝕與面蝕侵蝕強度的判別還需要相關理論的研究。

我國水土保持監測部門在全國地區土壤侵蝕中得到了大量有關各級土壤侵蝕分布的數據，但是與各觀測點監測所得到的數據信息基本上是相互獨立的不能滿足監測所需數據。

參考文獻

[1]王麗.水土流失遙感監測GIS數據庫在嘉陵流域上的應用[J].亞熱帶水土保持.2006（4）.

[2]李曉琴.黃河流域水土流失遙感監測[J].國土資源遙感.2009（4）.