基于GIS和遙感的臨汾市水土流失動態監測

胡苗苗

(山西師范大學城市與環境科學學院，山西 臨汾 041000)

水土流失是目前比較嚴重的環境問題。定量評價研究區水土流動態變化及其空間分布特征，對于控制水土流失惡化、合理利用土地資源具有重要的意義。在3S技術發展趨于一體化、集成化的同時，也將為動態、實時、準確獲取土地利用狀況提供重要手段。全國土地二次調查是綜合應用3S技術的成功案例，為國家宏觀調控、科學國土決策提供了必要的依據。隨著相關技術的快速發展，遙感已經成為進行環境和災害動態監測的有效技術手段。自上世紀70年代，人們開始應用遙感技術進行水土流失動態監測。遙感技術在水土流失監測和調查方面快速應用發展。歐美等發達國家很早以前就認識到水土流失的危害。建國后，我國相當重視水土流失研究，并產生了很多理論成果，如1960年后編制了我國土壤侵蝕類型圖，促進了了我國水土流失研究工作。所以，對臨汾市的水土流失研究有很重要現實的意義。

本文綜合運用RS和GIS技術，通過多時相遙感影像對臨汾市植被覆蓋度、地形坡度、土地利用情況三個因子進行了動態監測，并在此基礎上進行定量分析。得出水土流失面積大小并且確定它們在空間上的分布情況，研究導致水土流失發生變化的原因，有利于為控制水土流失，改善環境并進一步為經濟發展提供可靠性依據。

1.研究區概況

臨汾市地理坐標為北緯35°23'～36°57'，東經 110°22'～112°34'之間，南北跨度170多千米，東西占地約200Km，位于山西省南部，汾水之濱，土地總面積約20000K㎡。全境分山地、丘陵、盆地三大地形單元還有少量平原分布在汾河兩側。空間上山川橫貫研究區，有“二川三山五丘陵”的說法，南北向的三列山 (東部由北向南為太岳山、中條山，西部是呂梁山脈)、境內有7條河流 (黃河、汾河、聽水河、沁河、澮河、鄂河、清水河)是該研究區典型的特征。山地、丘陵是研究區主要地形特征占總研究區面積的50%以上，有部分平原位于汾河兩側的汾河谷地上，平原以耕地為主，而耕地面積約占20%左右。

研究區土地利用類型復雜多樣，由于該地區高原是黃土高原的一部分，地處黃河東岸的土地利用類型多為荒山，植被覆蓋很少，大量的鹽堿荒地、沙荒地、沼澤地，水土流失嚴重，而位于汾河兩岸的研究區則土壤肥沃，是主要的農耕區。研究區地形坡度多在7～25°以下，又植被覆蓋度比較低所以水土流失比較嚴重，對臨汾市的環境和經濟發展帶來嚴重阻礙。全市黃土較厚，土質疏松，植被稀疏，降雨量分配不均偏少且集中，極易形成水土流失。全市水土流失面積極大，占總土地面積的70.9%，是山西省水土流失最嚴重的地區之一，年均輸入黃河泥沙9000多萬噸。

2.數據準備和技術流程

2.1 數據準備。本文研究所用數據有臨汾市DEM數據模型和臨汾市兩期遙感影像。其中DEM數據集的空間分辨率為30米，成像比例尺為1:10萬。兩期遙感影像分別來自于美國陸地衛星Landsat－72002年9月份的ETM和Landsat－52007年9月份的TM數據，由于臨汾市所處位置特殊故每期影像需要帶號分別為125－35、126－34、126－35三張同時期影像經過鑲嵌、裁剪等操作才能得出完整臨汾市全市完整遙感數據。

2.2 技術路線

圖1 技術流程圖Fig1 techniquef1owcharts

3.數據處理和信息提取

3.1 DEM數據處理。根據水土流失方程 (USLE)，坡長和坡度可以合在一起作為一個因子研究。本文利用研究區30M分辨率的臨汾市DEM高程數據數據在ArcGIS中生成UTM(WGS－84)投影下臨汾市坡度圖，并根據國家相關規定把坡度分為≤5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°六個等級。

3.2 遙感影像數據處理

3.2.1 遙感影像預處理。根據臨汾市所處的地理位置與陸地衛星Landsat取景的特點，單幅TM或ETM影像不能全部覆蓋全部市區，故根據兩者的特點在對地觀測與數字地球科學中心上下載了相關的三張同時期影像，經過鑲嵌然后用同一投影 (WGS－84)狀態下的臨汾市矢量面經ENVI的裁剪功能得到。由于傳感器自身因素和地形起伏的影響對影像做了幾何校正;由于大氣條件和太陽高度角的影響使影像上產生一定的噪聲和誤差，故對裁剪前每幅影像進行了傳感器定標和大氣校正;經過上述操作后雖然得到的臨汾市影像基本滿足條件，但為了方便后續工作的處理方便又對影像進行了圖像增強 (直方圖匹配、線性拉伸)，使圖像目視效果更加清晰。

3.2.2 植被覆蓋度信息提取。植被對水土流失的影響主要體現在植被覆蓋度的多少上，根據國內許多學者對植被覆蓋度對水土流失的影響結果特別是張巖等對黃土高原植被因子和水土流失關系研究顯示:植被覆蓋度越高水土流失強度越弱。

植被覆蓋度作為衡量地表植被狀況最重要的指標，及時準確地掌握植被覆蓋度及其變化對生態環境建設和水土流失治理工作具有重要意義。傳統的遙感影像植被指數提取大都是都是以像元為單位的提取方法，一個像元對應一種地物，但當遙感影像分辨率不高時，存在一個像元有兩種或者以上地物類型，就有了混合像元，為了解決這個問題有些學者提出了“混合像元法”植被指數提取方法計算植被所占比例以提高計算精度。將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計算公式 (公式1):

其中，NDVI為歸一化差異植被指數，取NDVI=0.80和NDVIS=0.00，且有，當某個像元的 NDVI大于0.80時，FV取值為1;當NDVI小于0.00，FV取值為0。

生成圖像后再采用ENVI的密度分割功能根據參考標準，把植被覆蓋度分成:0 ～30.0%、30.0% ～45.0%、45.0% ～60.0%、60.0% ～75.0%、75.0% ～1.0 五類，然后計算各類的面積。

3.2.3 土地利用類型信息提取。不同土地類型造成水土流失的等級強度劃分不同。土地利用變化信息的實時更新對水土流失動態監測很有意義。根據國家土地一級分類標準，把研究區的土地類型分為林地、灌木林地、草地、耕地、居民用地、水體、裸地七大類。

本文采用監督分類的方法對研究區進行分類。由于Landsat遙感影像波段組合的特點，根據前人分類經驗采用了波段組合為3、2、1的真彩色波段合成，主要用于裸地、林地的識別;波段組合為5、4、3的假彩色合成主要用于水體、灌木和居民地的識別;而波段組合為7、4、2彩色合成則用于和3、2、1真彩色合成和5、4、3假彩色合成結合作輔助性分析，用于區分草地、耕地、灌木林地的劃分，提高分類的精確度，分類后計算各類型變化結果。

4.水土流失等級劃分與結果

4.1 水土流失等級的劃分

4.1.1 定量等價評價指標體系及權重的確定。本文在前人對黃土高原水土流失指標研究的基礎上，參考通用水土流失方程 (USLE)的指標因子，綜合考慮了研究區的地形、地貌、植被覆蓋等信息確定本文研究區的評價指標因子為:坡度因子、植被覆蓋度因子、土地利用類型因子三個因子。

(1)坡度因子的確定。黃土塬、梁、峁地形是今天黃土高原基本的地貌類型，溝壑縱橫，形態復雜，發展速度快，由于坡度陡坡長短土質疏松，每到雨季它們是河流泥沙的供給地和初期搬運通道，所以坡度坡長因子是很重要的評價因子。中科院地理科學與資源研究所的和繼軍和蔡強國等的研究表明，坡度在小于45°時，隨著坡度的增大水土流失強度顯著增加，所以本文對坡度為≤5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°的六個等級分別賦予值為1、2、3、4、5、6的六個權重值參與等級評定。

(2)植被覆蓋度因子的確定。植被減緩甚至阻止水土流失。在裸露的土地上，通過植被覆蓋在泥土上，間接減少雨水對土層的沖刷，在阻止雨水對土層沖刷的同時，利用植物的根系對土層的保護作用，使得土層更加穩定。

黃土高原植被稀疏，是重要的影響水土流失的因素。中科院水保所楊勤科等人的研究表明:植被影響水土流失 (減少水土流失強度)一個重要因素是植被覆蓋度。而NDVI指數和侵蝕強度正相關，可作為最佳的指示因子，所以可以作為區域土壤侵蝕評價的植被因子。所以，我們采用植被覆蓋度為0～30.0%、30.0% ～ 45.0%、45.0% ～ 60.0%、 60.0% ～75.0%、75.0% ～1.0的五類分別賦予值為1、2、3、4、5的權重加以運算。

(3)土地利用類型因子的確定。對土地利用類型因子的確定實質上是對研究區土壤類型和植被因子綜合考慮，黃土高原的土壤主要是黃土和粉沙土，疏松不易粘結，水易被侵蝕，蝕力很低，產生水土流失。Wischmeier等提出了物理意義明確和操作性強的土壤可侵蝕性指標，根據該指標把水體、林地、灌木林地、草地、耕地、居民用地、裸地七大類分別賦予0、1、2、3、4、5、6參與等級評定。

4.1.2 等級劃分模型的確定。根據通用水土流失方程(USLE)和張巖等對黃土高原各因子參數的修訂的研究結果，及本文的研究的模型和各種對水土流失的影響因子評定。最終按照水利部《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190－2007)確定本文水土流失等級劃分標準模型:G=C+LS+K

其中，G為等級，C植被覆蓋度因子，LS為坡度因子，K土地利用類型因子。

4.2 結果

根據水土流失通用方程 (USLE)水土流失是在植被覆蓋度、坡度坡長、土地利用類型共同作用的結果，所以需要運用通用公式進行疊加分析，所以我們運用ArcGIS的空間分析功能把植被覆蓋度信息圖、坡度信息圖、土地利用類型信息圖三幅柵格信息圖在ArcGIS中經重分類、柵格運算等疊加分析并按照本文確定等級劃分標準加以歸類，得到水土流失動態變化結果 (表1)。

表1 臨汾市水土流失動態變化情況Table1 Thedynamicchangeofsoilerosionoflinfen

5.結論與展望

5.1 結論。基于RS和GIS臨汾市水土流失動態監測顯示2007年較2002年臨汾市水土流失輕度級別面積有所增加而重度水土流失面積減少。

2007年較2002年植被覆蓋度在75%的類型同比增長11.69%，面積增加了3953.03平方千米，植被覆蓋度在50%以上增加了13.263%。這是水土流失減少的重要原因之一。2007年較2002年土地利用類型變化為裸地減少4.448%，而灌木林地增加5.807%，其他類型變化較小，所以土地類型對水土流失強度變化影響較小。可以看出水土流失強度大的地區坡度都在25°以上，水土流失中度地區都在15°～25°。以上結果表明，水土流失與植被，地形坡度，以及當地的降水狀況有著密切的聯系，在治理水土流失的措施中，結合當地水文地形情況，控制植被覆蓋率，是最為行之有效的方法。

5.2 展望。本論文研究表明，利用RS和GIS技術提取水土流失因子信息是切實可行的，達到了預期效果。本論文在以下方面取得明顯進展和新認識:(1)針對研究區地理地質環境，利用RS數據和地形圖，形成了一套基于RS和GIS的從數據采集——遙感圖像的處理——水土流失因子信息提取——GIS空間分析——水土流失強度分等定級及分析，較為完整的水土流失因子提取、分析的研究方法、技術路線和工作流程。這套工作方法和技術體系對中國山區水土流失的調查、動態監測研究，有一定的參考借鑒價值。(2)從本文研究可以看出本文采用的新的水土流失劃分原則精度較高與實際符合，這證明了新劃分原則的可行性。而新劃分原則較以往劃分標準簡單方便，基于RS和GIS的水土流失動態監測具有時效性與同步性，易于相關部門及時制定防范措施與政策。

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