基于高分辨率遙感影像的土壤水力侵蝕監測與評價

庹婭菊 何錦峰 羅雪

摘要：以重慶市巴南區惠民街道曉春村涼水社為研究區，依據《土壤侵蝕分類分級標準》，利用谷歌衛星影像和數字高程模型，基于影像特征及野外調查，構建了土地利用及植被蓋度解譯標志，提取其相應信息并編輯入庫;利用GIS空間疊加分析技術，對土壤侵蝕強度等級的空間分布規律進行了評價;分析了土壤侵蝕機制，并提出了土壤侵蝕防治措施與對策。

關鍵詞：土壤侵蝕;衛星影像;數學高程模型;地理信息系統;涼水社

中圖分類號：S157

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0212-05

1引言

當前生態文明的理念已深入人心，生態文明建設已成為社會發展的重要內容之一。其中，農村生態文明建設表現在農業生態環境、農村生態環境、農民生態文化建設等方面，其中土壤侵蝕狀況調查及水土流失機制研究，對推進廣大農村種植業優化、植被恢復、人居建設等具有重要作用。

土壤侵蝕是指地表的土粒在外力作用下發生的分離和遷移現象，是侵蝕動力因素和侵蝕環境因素綜合作用的結果，是一種復雜的人文和自然地理過程。而其涉及的影響因子眾多，傳統的土壤侵蝕調查耗時多、周期長、基礎數據獲取困難，難以準確測算特定小流域及不同地理單元的侵蝕量，給水土保持帶來不便，更無法適時定量監測水土保持效果。

根據侵蝕營力，土壤侵蝕通常分為水力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和風力侵蝕等。其中，水力侵蝕是最主要的一種形式，主要受到坡度、土地利用類型、植被蓋度等因素的影響。其中，遙感作為一種信息源，可提取土地利用類型、植被蓋信息，且其具有覆蓋范圍廣、更新周期短的特點;而坡度信息可從數字高程模型（Digit-al Elevation Model，DEM）數據獲得。因此，以重慶市巴南區曉春村涼水社為研究區，依據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007），利用Google Earth衛星影像及DEM數據，開展土壤水力侵蝕監測與評價研究，實現土壤侵蝕狀況快速評估工作。

2研究數據

2.1研究區概況

研究區為重慶市巴南區惠民街道曉春村涼水社，介于29°27'05"～29°28'41"、106°43'14.76"～106°43'50.59"E之間，南北長1560.79m，東西寬991.46m，面積90.27hmz（圖1）。研究區位于重慶市巴南區，屬亞熱帶濕潤氣候區，土壤類型有水稻土、紫色土、黃壤、潮土等，主要土地利用類型為村莊、耕地、園地、林地、道路、水域等。2016年末涼水社總戶數為90余戶，總人口約350余人，農村居民人口可支配收入為15842元。2016年平均溫度為19.2℃，最低溫-1℃，最高溫40.9℃，全年總降雨量為1618.2mm，全年總日照時數為1178.8h。

2.2基礎資料

Google Earth衛星影像（2016年8月19日，分辨率：0.54m）、DEM數據（圖2），巴南政區圖;巴南區統計年鑒（2016年），巴縣志。

2.3實驗設備

（1）室外設備：GARMIN（佳明）手持式GPSmap60CSx，數碼相機。

（2）室內條件：PC機（CPU主頻1.7GHz，內存4GB）;軟件：ERADS9.2，ArcGIS9.3。

3研究內容與方法

3.1技術路線

研究區位于重慶市巴南區，屬亞熱帶濕潤氣候區，依據中華人民共和國水利行業標準《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007）劃分研究區土壤侵蝕強度，研究區為水力侵蝕類型區，二級類型區為南方紅壤丘陵區，結合研究區的現場調查，侵蝕類型主要為面蝕，依據面蝕（片蝕）分級指標對土壤侵蝕強度進行劃分。

收集研究區行政區劃圖、DEM、Google Earth衛星影像，并基于高分辨率衛星影像，和野外實地考察建立解譯標志，提取土地利用類型及植被蓋度信息;利用DEM數據，構建坡度模型;按面蝕（片蝕）分級指標及標準，利用ArcGIS的空間疊加分析功能，評價土壤侵蝕強度，研究技術路線圖見圖3。

3.2研究方法

3.2.1數據預處理

（1）圖像配準：在ERDAS 9.2軟件中，通過幾何校正，將巴南區的DEM、Google Earth衛星影像、行政區劃圖配準。

（2）圖像裁剪：在ERDAS 9.2軟件中，將巴南區曉春村涼水社邊界作為掩膜，再將巴南區DEM和GoogleEarth影像不規則裁剪，得到研究區DEM、衛星影像。

3.2.2建立解譯標志

為提取研究區土地利用和植被覆蓋度信息，在全面分析研究區遙感影像并結合野外實際情況后，構建土地利用類型信息和植被蓋度解譯標志。

（1）按照《土地利用現狀分類標準》（GBT 21010-2007），結合研究區實際情況，研究區土地利用類型可分為耕地、園地、林地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、城鎮村級工礦用地6個一級地類，水田、旱地、果園、茶園、有林地、其他林地、農村道路、坑塘水面、村莊9個二級類用地。針對不同用地，在野外利用數碼相機實地采集各用地數碼照片，并用手持式GPS輔以定位，建立不同用地類型在遙感影像上的形狀大小、色調、顏色、陰影、紋理圖案、位置關系等解譯特征數據庫。

（2）植被蓋度指植物群落總體或各個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分數，植被蓋度分投影蓋度和植基蓋度，在土壤侵蝕監測中測定的植被蓋度為投影蓋度。在土地利用分類的基礎上，確定果園、茶園、有林地和其他林地4種二級地類的植被蓋度等級。同種土地利用類型的植被蓋度也并非均質分布，以圖4有林地為例，左邊明顯是退耕還林地，植被蓋度與右邊的原始有林地明顯有差異。根據遙感影像特征，劃分每一土地利用類型的植被蓋度，并通過勾繪采樣圖斑的植株冠幅，統計匯總植株冠幅面積，計算植株冠幅總面積占地塊面積的百分比，基于遙感影像估算植被蓋度，并在野外采用樣方法測定實際植被蓋度，當遙感影像解譯與樣方法測定的植被蓋度誤差值≤5%時，即可作為該樣地的植被蓋度特征值，并將該地塊的植被蓋度作為解譯標志;依據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007），植被蓋度被劃分為O%～30%、30%～45%、45%～60%、60%～75%、75%～ioo%5個等級，分別命名為1、2、3、4、5。

3.2.3土地利用及植被蓋度信息提取

根據土地利用類型以及植被蓋度的解譯標志，對研究區的遙感影像進行解譯，提取土地利用類型的邊界，矢量化及編輯圖形數據;并構建屬性數據表，錄入士地利用、植被蓋度信息。

3.2.4解譯精度校驗

將解譯結果帶至研究區現場，選擇一定數量的地塊，與解譯結果比較，驗證類型精度和面積精度，一級地類總體精度達到90%以上，二級地類精度達到85%以上。精度校驗結果表明解譯結果符合數據質量要求。

3.2.5土地利用解譯結果

本研究利用ENVI軟件對Google Earth衛星影像進行幾何校正、圖像裁剪、圖像增強等預處理，并在ArcGIS 9.3中，通過人工目視解譯高分辨率衛星影像，輔以野外現場調查資料對研究區土地利用類型分類，將研究區土地利用分為水田、旱地、果園、茶園、有林地、其他林地、農村道路、坑塘水面、村莊共9個類型，所得土地利用分類結果如圖5。

3.2.6植被蓋度解譯結果

根據建立的非耕地林草地蓋度分級的解譯標志，采用樣方法，對于非耕地林草地覆蓋度均質的土地利用類型采取樣點，通過在ArcGIS軟件中勾繪采樣圖斑的植株冠幅以計算樣區蓋度，并在野外采用樣方法測定實際植被蓋度的方法，確定每種非耕地林草地下每塊均質蓋度的土地的植被覆蓋度。圖6為研究區非耕地林草地蓋度等級圖。

3.2.7坡度分級

以DEM地形圖生成坡度，并以研究區邊界，在ArcGIS軟件ArcToolbox中Spatial Analyst工具的Slope模型中，生產Slope文件;對Slope文件進行重分類，設定cell size為5m×5m，等級為O°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～90°，命名為0、1、2、3、4、5，圖7為研究區坡度分級圖。

3.2.8土壤侵蝕強度分級

將坡度分類圖及蓋度圖轉為矢量、土地利用疊加分析，疊加采用ArcGIS中overlay模型，算法采用In-tersect，根據面蝕（片蝕）分級指標及標準得到研究區土壤侵蝕強度圖（圖8）。

4結論與討論

（1）土壤侵蝕強度等級的面積分布。研究區總面積90.27hm2，無土壤侵蝕面積60.17hm2，占66.65%;侵蝕面積30.10hm2，占33.35%，其中，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈的面積分別為6.43hm2、15.68hm2、6.72hm2、1.10hm2、0.16hm2，分別占研究區的7.13%、17.37%、7.45%、1.22%、0.18%.

（2）土壤侵蝕強度等級的空間特征。土地利用類型、地形坡度和植被蓋度對土壤水力侵蝕影響很大，研究區森林覆蓋率高達69.35%，植被蓋度在0%～95%之間，由西向東逐漸升高，研究區東南方向主要土地利用類型為林草地，植被覆蓋度最高且無侵蝕發生;研究區水田占21.19%，水田的坡度較為平緩，無明顯侵蝕;建設用地分布比較零散，且斑塊面積較小，建設用地因有硬質化表面覆蓋，在開發建設活動中人為土壤侵蝕較為強烈，開發建設活動結束后基本不存在土壤流失口;西部坡度變化較大，地形較為陡峭，雖然有林草地覆蓋，但是其蓋度不高，所以該區域的土壤侵蝕情況較為嚴重;研究區東北方向主要覆蓋有林草地，其蓋度較高，但是因為該地區地形極陡峭，該區域侵蝕強度也最為劇烈。

（3）土壤侵蝕機制及防治對策。研究區土壤侵蝕較為嚴重的劇烈、極強烈、強烈的侵蝕區域主要為旱坡地和低蓋度茶園、果園、有林地。因此，為防治土壤侵蝕，建議結合土地整理、耕地質量提升工程等，進一步加大坡改梯力度、并配建農業基礎設施，對防治水土流失、提升土壤肥力、減小面源等均有積極意義;在茶園、果園等經濟林開發時，建議實施立體種植，提高植被蓋度，增強水土保持能力。

（4）土壤侵蝕的遙感監測應用前景廣闊。土地侵蝕強度分級時，土地利用和植被蓋度信息十分關鍵;隨著高分辨率、高光譜遙感對地觀測技術的快速發展，遙感技術將在土壤侵蝕監測及快速評價中得到廣泛和有效應用。

致謝：本文在野外現場調研過程中，得到重慶市云鵬水泥制品有限公司姚成玲、張瓊，巴南區惠民街道曉春村蔣萬君的大力支持和幫助，謹致謝忱！

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