基于GIS 和RS 技術(shù)進(jìn)行水土流失評(píng)估研究

何宏，李洪濤

（沈陽市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，沈陽110004）

1 引言

人類在地球上賴以生存的最基本的條件是土壤和水分。近年來，隨著人口的大量增長以及不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，造成地面上大量水土分離。水土流失不僅會(huì)破壞地面的完整性，造成土壤耕作層被侵蝕和破壞，使土地沙化、硬化，影響農(nóng)作物的生長，導(dǎo)致干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生，而且會(huì)嚴(yán)重影響人們的生活，對(duì)人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展構(gòu)成威脅，也是地區(qū)不平衡發(fā)展的重要因素。因此，如何控制并監(jiān)測(cè)水土流失引起了社會(huì)的高度關(guān)注。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用GIS（地理信息系統(tǒng)）與RS（遙感）技術(shù)為水土流失的評(píng)估及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，能夠準(zhǔn)確、客觀、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地反映水土流失情況，為同類地區(qū)水土保持工作提供可靠依據(jù)。

2 研究方法

本文綜合運(yùn)用GIS 和RS 技術(shù)，以SPOT5（多波段融合后）遙感影像（2.5m×2.5m）分辨率為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以某地山體區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域面積3.12km2，主要地類有采礦用地、耕地、林地、草地，采用土壤流失公式（RUSLE）和ArcGIS 軟件計(jì)算得出該區(qū)域的水土流失量，對(duì)水土流失進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，并提出綜合治理水土流失一些建議。

2.1 土壤流失類型

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外力的作用下發(fā)生的土壤被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。土壤在外力的作用下產(chǎn)生位移的物質(zhì)量，被稱為土壤侵蝕量。根據(jù)外力的種類，土壤侵蝕類型通常分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕、山洪侵蝕和泥石流侵蝕等。其中，水力侵蝕是最主要的一種形式。

2.2 土壤流失公式（RUSLE）

土壤流失公式（RUSLE）是由美國農(nóng)業(yè)部在USLE 公式基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而來，相比較通用的USLE 公式，修正版的RUSLE 中的影響因子不再各自獨(dú)立，而是有相應(yīng)的關(guān)系，彼此影響。

土壤流失公式（RUSLE）基本公式為：

式中，A為年均土壤流失總量，t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕度，mj·mm/（hm2·h·a）；K為土壤侵蝕度，t·hm2·h/（mj·mm·hm2）；L為坡長因子；S為坡度因子（LS合稱為地形因子）；C為覆蓋和管理因子（CS為像元大小）；P為水土保持因子。

2.3 RUSLE因素介紹及計(jì)算方法

2.3.1R計(jì)算w

降雨侵蝕度是指在一定區(qū)域內(nèi)，當(dāng)?shù)氐慕涤炅恐率沟乇硗寥婪蛛x或者移動(dòng)的指標(biāo)因素。該因子采用Wischmeier 提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Pi為各月平均降雨量，mm；P1為年雨量，mm。本文采用研究區(qū)域公布2013 年降雨量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出R=143.636mm。

2.3.2K值計(jì)算

土壤侵蝕度是指不同類型土壤受到侵蝕的可能性，在同樣的環(huán)境條件下，K值越大，說明土壤更容易受到侵蝕。影響因素主要有土壤質(zhì)地，土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤結(jié)構(gòu)還有土壤的透水性能等因素。本文運(yùn)用Williams 等人提出的EPIC 模型，近似確定出不同土壤類型的可侵蝕因子，本文在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取42 個(gè)樣點(diǎn)，通過空間插值法（IDW）獲得研究區(qū)域內(nèi)的土壤可侵蝕因子。

2.3.3 地形因素

地形因素包含坡長和坡度因子，是指因?yàn)榈匦巫兓鸬耐寥懒魇Э赡苄訹1～4]。本文地形因子計(jì)算公式主要采用Moore和Burch 的計(jì)算公式。

式中，F(xiàn)A為匯流累積量；θ 為地形坡度角。

坡度應(yīng)用項(xiàng)目區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)坐標(biāo)（原有地形圖采用圖解法獲得）通過ArcGIS 制作DEM，通過其表面分析模塊提取，匯流累積量通過GIS 中水流分析模塊流量工具計(jì)算得出。LS最終利用柵格計(jì)算器通過公式計(jì)算得出。

2.3.4C值計(jì)算

植被覆蓋與管理因子是評(píng)價(jià)土壤植被因素抵抗土壤受侵蝕能力的重要因素。C值主要受地表植被覆蓋度和地表現(xiàn)狀用地類型影響。

C值公式采用D.E.Jone 提出的土壤侵蝕公式：

式中，nir 為近紅外波段；r為紅外波段。ndvi 為植被指數(shù)，從上述公式中可以看出，ndvi 的值域范圍為[-1，1]，ndvi 值越小說明該區(qū)域植被覆蓋度越低，相反越大說明覆蓋度較大；α 和β為曲線形狀參數(shù)，賦值為2 和1，采用ERDAS 軟件提取近紅外波段和紅外波段，計(jì)算得出ndvi，通過ARCGIS 軟件中柵格計(jì)算器得出C值。

2.3.5P值計(jì)算

P值即水土保持因子是指采用相應(yīng)措施后，土壤流失總量與順坡土地耕種時(shí)土壤流失量的比值。本文P值的確定主要以參考文獻(xiàn)的研究結(jié)果，不同地類的P值如表1 所示[5]。

表1 不同地類P 值列表

3 結(jié)果分析

綜上所述，結(jié)合式（1）計(jì)算方法，應(yīng)用ArcGIS 的柵格計(jì)算器，將各個(gè)因子圖層相乘，同時(shí)依據(jù)SL 190—2007《土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，得到實(shí)驗(yàn)區(qū)域的水土流失分布（見表2）。

表2 水土侵蝕類型列表

4 結(jié)論

從以上數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)域內(nèi)，18%的地區(qū)水土流失嚴(yán)重，且水土流失量的大小受地形、降雨量等各方面綜合因素的影響。本文通過基于GIS 和RS 技術(shù)，結(jié)合地形、覆蓋度、降雨量等數(shù)據(jù)可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失范圍的評(píng)估，為同類地區(qū)水土保持的政策制定提供有效借鑒。