東北漫川漫崗和山地丘陵黑土區侵蝕溝形態特征遙感分析

李 鎮，秦 偉，齊志國，尚國琲，馬慶濤，郭乾坤，殷 哲

東北漫川漫崗和山地丘陵黑土區侵蝕溝形態特征遙感分析

李 鎮1,2，秦 偉1,3※，齊志國2，尚國琲2，馬慶濤2，郭乾坤1,3，殷 哲1,3

（1. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048； 2. 河北地質大學土地資源與城鄉規劃學院，石家莊 050031；3. 水利部水土保持生態工程技術研究中心，北京 100048）

侵蝕溝形態特征反映其侵蝕發生發展的環境條件，探究侵蝕溝形態參數特征及空間分異規律對深入理解侵蝕溝的侵蝕進程具有重要意義。該文選擇漫川漫崗和山地丘陵2個典型黑土地貌類型區，基于高分遙感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview 2（0.5 m））和地形數據（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目視解譯法提取計算侵蝕溝溝長、溝寬、周長和面積等形態參數值，分析侵蝕溝形態特征；探究地形因子影響下侵蝕溝形態參數的分異規律。研究結果顯示：1）2個典型區的各形態參數間存在顯著性差異，漫川漫崗區侵蝕溝各形態參數均大于山地丘陵區；2）侵蝕溝形態呈現“細長狀”，和漫川漫崗區相比，山地丘陵區侵蝕溝更細長，溝緣位置更復雜；3）侵蝕溝形態參數隨坡度的增加總體上呈先增大后減小的趨勢，在3°～6°范圍內參數值達到最大，坡度越小侵蝕溝溝緣位置越復雜；坡向上，漫川漫崗區和山地丘陵區的侵蝕溝的形態參數值在SE或SW上值最大，說明陽坡或半陽坡侵蝕溝發育強烈。該研究結果對于侵蝕溝易發區確定及防治具有重要意義。

遙感；侵蝕；形態特征；侵蝕溝；地形因子；漫川漫崗區；山地丘陵區

0 引 言

東北黑土區是中國重要的商品糧基地，由于自然因素及人類活動（不合理耕作和過度墾殖），導致該地區水土流失嚴重[1]。侵蝕溝是嚴重水土流失后的典型地貌形態，其在溝頭溯源侵蝕，溝壁橫向擴張，溝底下切等侵蝕形式作用下，不斷蠶食黑土資源，影響大型機械耕作效率[2-4]，威脅生態及糧食安全[5]。第一次全國水利普查侵蝕溝道數據顯示[6]，東北黑土區存在侵蝕溝約295 663條，其中，活躍侵蝕溝數量近26.3萬條，約占總侵蝕溝的88.9%。東北黑土區侵蝕溝防治與治理已成為當前乃至今后中國水土保持的重中之重，因此，探究東北黑土區侵蝕溝空間分布規律，確定侵蝕溝易發區，采取科學方法阻礙侵蝕溝的發生發展，將有助于促進黑土資源保護和糧食安全保障。

侵蝕溝形態特征反映其侵蝕發生發展的環境條件[7-8]，探究侵蝕溝形態參數分異規律對深入理解侵蝕溝侵蝕進程具有重要意義[9]。傳統的實地監測方法限制了大空間尺度獲取侵蝕溝形態參數的效率[10]。RS技術的進步，遙感影像被廣泛應用于區域侵蝕溝定量研究中[11-12]，尤其數字地球等資源的出現，為研究者提供了免費侵蝕溝二維形態參數信息數據[13-14]，利用遙感影像數據源探究東北黑土區侵蝕溝空間分異規律逐漸成為研究的熱點[4,9,15-18]，數據源主要包括Corona影像（2.75 m）、SPOT影像（2.5 m）、Pleiades影像（0.7 m）等。最初，由于分辨率的限制，溝長是最易從遙感影像中準確獲取的形態參數，因此，溝壑密度（m/km2）成為評價侵蝕溝空間分異的重要指標[4,9,15]。高分遙感數據的出現，為精確提取侵蝕溝溝緣線提供條件，使得準確獲取侵蝕溝面積等參數成為現實，因此，評價指標亦發展為溝壑裂度[16-19]。然而表征侵蝕溝形態的其他參數，如溝寬、周長、形狀指數等，在東北黑土區已有的研究中未見報道。此外，漫川漫崗區和山地丘陵區是東北黑土兩大典型地貌類型區，地形特征差異可能導致侵蝕溝形態及空間分布規律不同，而當前關于侵蝕溝的形態特征研究主要集中于漫川漫崗區[5,20-21]，對山地丘陵區鮮有報道。因此，分析東北黑土不同地貌區侵蝕溝空間分異規律，確定侵蝕溝易發區，對于侵蝕溝的防治具有重要意義。

按發展過程及形態變化，溝蝕的完整序列可分為細溝、淺溝、切溝和沖溝[22-23]，本研究中的侵蝕溝是指侵蝕嚴重的切溝和沖溝。選擇漫川漫崗和山地丘陵2個典型黑土地貌類型區，基于高分遙感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview2（0.5 m））和地形數據（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目視解譯的方法提取侵蝕溝溝緣線，計算溝長、溝寬、周長和面積等形態參數值，結合變異系數、形狀指數等分析侵蝕溝形態特征，探究地形因子影響下侵蝕溝形態參數的分異規律，為侵蝕溝治理和農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 遙感圖像處理

分別選取位于東北黑土漫川漫崗的嫩江縣（48.94°～49.06°N，125.23°～125.37°E）、克山縣（47.89°～47.98°N，125.98°～126.12°E）和賓縣（45.89°～46.01°N，126.97°～127.11°E），山地丘陵區的林口縣（45.63°～45.72°N，130.02°～130.02°E）和穆棱市（44.57°～44.65°N，129.86°～129.98°E）的高分遙感影像為數據源(圖1)，遙感影像數據類型分別為QuickBird（2.44 m，0.61 m）、GeoEye-1（1.65 m，0.5 m）和Worldview 2（1.8 m，0.5 m），影像拍攝時間分別為2011年10月、2010年11月、2002年4月、2012年2月和2010年10月。基于ERDAS 軟件，將多光譜數據和全色波段數據按主成份分析法融合，以線性內插法重采樣，再進行正射校正，最后得到分辨率為0.61 m和0.5m的真彩色圖像，用于侵蝕溝溝緣線提取。所有圖層數據采用橫軸墨卡托投影和WGS84坐標。

注：Ι-1-1hw:大興安嶺山地水資源涵養生態維護區；Ι-1-2wt:大興安嶺山地丘陵生態維護保土區；Ι-2-1wn:三江平原-興凱湖生態維護農田防護區；Ι-2-2hz:長白山山地水資源涵養減災區；Ι-2-3st:長白山山地丘陵水質維護保土區；Ι-3-1t:東北漫川漫崗土壤保護區；Ι-4-1fn:松遼平原防沙農田防護區；Ι-5-1t:大興安嶺東南低山丘陵土壤保持區；Ι-6-1fw:呼倫貝爾丘陵平原防沙生態維護區

1.2 侵蝕溝形態參數提取及表征

目視解譯法是提取侵蝕溝的一種常用方法，盡管其效率較低，但其易操作、高精度等特點，并未被基于像元[24]、對象[25]、場景[26]等分類方法的侵蝕溝自動提取方法所代替，仍被視為一種有效的方法被廣泛應用。已有研究結果顯示[27]，基于高分遙感影像（QuickBird，0.61 m）目視解譯提取侵蝕溝（指切溝）溝長、面積、周長等參數時，溝長的平均絕對誤差能控制在2個像元內，相對誤差可控制在5%以內；溝緣線邊界偏差大于1個像元的面積比例能控制在4%范圍內；侵蝕溝規模越大，相對誤差越小。本研究基于融合后的遙感影像，選擇發育在農地上的侵蝕溝，其中，漫川漫崗區113條，山地丘陵區74條，采用目視解譯法提取溝緣線，參考李鎮等研究方法[27]，分別計算侵蝕溝的溝長（）、周長（）、面積（）等形態參數值（圖1）；為了分析各侵蝕溝的溝寬變化，依據“斷面法”確定各侵蝕溝斷面的頂寬（W），其中，漫川漫崗區1130個斷面，山地丘陵區740個斷面，然后分別計算各侵蝕溝平均溝寬（）及斷面頂寬的變異系數（），公式如下