遙感評估技術在南疆地區(qū)水土保持監(jiān)測中的應用

張 攀

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 概 述

在20世紀50年代初，國內(nèi)的水蝕面積約為153×104km2，到20世紀末，擴大到367×104km2。水土流失土地面積占全國土地面積的38.2%，已成為環(huán)境問題的重中之重。利用遙感技術可以研究人類無法接觸的危險區(qū)域，具有不受時間及空間的限制和靈活等優(yōu)點，因此在水土保持領域具有廣泛的應用[1-2]。本文主要介紹遙感的應用特點，結(jié)合水土保持監(jiān)測項目，總結(jié)遙感技術在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的具體應用，討論該技術在水土保持領域的重要性和發(fā)展前景。

2 遙感評估

不同生態(tài)系統(tǒng)類型的有機組成形成了一定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)格局。重點調(diào)查南疆地區(qū)喀什地區(qū)以及克孜勒蘇柯爾克孜自治州兩地區(qū)16個縣市生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布、面積及比例等的變化。生態(tài)系統(tǒng)空間評價的目標是結(jié)合遙感、地面調(diào)查以及生態(tài)系統(tǒng)多年觀測數(shù)據(jù)，調(diào)查與評價兵團陸地生態(tài)系統(tǒng)類型、分布、比例與空間分布及其5年來的變化狀況，分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化特征，整體把握研究區(qū)域生態(tài)分布以及水土流失的狀況。

2.1 遙感指標

大面積檢測與分析是遙感評估一個重要方面，通過設計一些指標，利用不同光譜波段反射系數(shù)的差異(植被指數(shù))，從而可以對植被及其變化進行大量檢測，植被消失的區(qū)域可視為水土流失增加的區(qū)域，見圖1。植被指數(shù)旨在突出某些植被特性，它們來自兩個或多個表面反射波長，表示被觀測植被的反射特性。自太空時代開始以來，衛(wèi)星從大片土地上探測到的反射率被用來推斷這些指數(shù)。圖2為遙感捕獲的一些多光譜圖像。我們將這些指數(shù)大致分為3類：寬綠帶、窄綠帶和其他。

圖1 遙感多波段圖像

圖2 植被指數(shù)遙感中使用的一些光譜帶

寬頻帶綠度指標主要是反映綠色植被數(shù)量和質(zhì)量的簡單指標。組分反射率測量對葉面覆蓋、葉綠素濃度、樹冠面積和建筑結(jié)構(gòu)敏感，他們比較了近紅外光譜和紅色光譜范圍內(nèi)植被的反射峰。這些指數(shù)表明植被中存在光合活性成分，主要應用于土地利用研究、氣候影響評價和植被生產(chǎn)力。

窄帶綠色指數(shù)與寬帶指數(shù)類似，但更為敏感，因為它們使用光譜的紅色邊緣進行測量。寬頻帶指數(shù)趨于飽和，而窄頻帶指數(shù)克服了這一點。它們主要用于設計成像光譜儀。

這些指標在精確農(nóng)業(yè)中，對于識別、分析和管理特定場地的土壤時空變化非常有用。

其他指標包括氮基和碳基指標。葉片中的氮濃度通過短波紅外區(qū)域的反射測量來檢測。碳元素存在于木質(zhì)素和纖維素的干燥狀態(tài)，也在短波紅外區(qū)測量。植被碳指數(shù)的增加表明植被正在經(jīng)歷衰老/老化。

2.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

生態(tài)系統(tǒng)空間特征分析利用遙感解譯獲取的2015和2018年兩期生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)集，精度要求至少到二級分類水平。此部分調(diào)查內(nèi)容需要的數(shù)據(jù)全部來源于國家下發(fā)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，不需要其它數(shù)據(jù)及相關處理過程。

主要計算方法如下：

1)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例。指土地覆被分類系統(tǒng)中，基于一級分類的各類生態(tài)系統(tǒng)面積比例。計算方法為：

(1)

式中：Pij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例；Sij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積；TS為評價區(qū)域總面積。

2)生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化率。指研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量變化情況。計算方法為:

(2)

式中：EV為研究時段內(nèi)某一生態(tài)系統(tǒng)類型的變化率；EUa、EUb為研究期初及研究期末某一種生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量(如面積、斑塊數(shù)等)。

3 遙感在水土保持監(jiān)測中的應用

3.1 水土保持生態(tài)治理工程監(jiān)管中的應用

許多省級和國家級的水土保持生態(tài)治理的工程較大、范圍較廣、治理面積較大，在進行水土監(jiān)管中具有較大的困難。因此，采用遙測技術能夠有效解決這一問題，能夠?qū)Υ竺娣e、大范圍的水土保持生態(tài)治理工程進行及時監(jiān)督管理土地利用、采取水土保持措施、防止水土流失等[3]。

3.2 水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應用

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)能夠有效計算和分析出該水土監(jiān)管工程的面積、工程坡度、土地利用現(xiàn)狀以及水土流失狀況，并通過這些數(shù)據(jù)將土地的坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖、立體透視圖以及土壤侵蝕圖進行繪制，從而能夠及時地對水土流失狀況進行動態(tài)監(jiān)督。

3.3 生產(chǎn)建設項目監(jiān)管中的應用

遙感技術用于水土監(jiān)測，主要通過ArcGIS空間分析功能來分析計算機上形成的三維圖像，從而獲得項目建設區(qū)域面積、挖土石方量、地表擾動面積、植被蓋度、水土保持措施類型及數(shù)量等數(shù)據(jù)。獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果可用于計算6種土壤侵蝕控制指標，如排渣率、土壤侵蝕控制程度和土壤流失控制率等。在此基礎上，分析各種生產(chǎn)建設項目中水土流失防治的效果和水土流失維護措施的實施情況，從而為相關的政府監(jiān)督部門提供有效的數(shù)據(jù)資料。

4 南疆水土保持檢測結(jié)果分析

4.1 水土流失面積監(jiān)測結(jié)果與分析

研究區(qū)土壤侵蝕主要是水蝕和重力侵蝕，最嚴重的是坡耕地，特別是陡坡地和輪歇地。以2015年為基準年，2018為現(xiàn)狀年，采用以上兩年遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)分類，對南疆16個縣市的水土侵蝕進行監(jiān)測。2018年南疆16個縣市具體流失面積見表1。

表1 南疆地區(qū)水土流失

4.2 水土流失量的計算

研究區(qū)為水力侵蝕，土壤侵蝕預測將以研究區(qū)原有地貌土壤侵蝕模數(shù)為基礎；然后考慮影響土壤侵蝕、降雨、植被、土壤、建筑和施工活動等的主要因素，確定原始地形擾動后的土壤侵蝕模數(shù)和研究區(qū)的自然恢復期，計算不同研究期內(nèi)各單元的土壤侵蝕量和增量。

4.2.1 土壤侵蝕量計算公式

1)原生水土流失量公式：

(3)

式中：Wi為原地貌水土流失量，t；i為不同檢測單元；Mi為原地貌土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Fi為不同地貌單元面積，km2；Ti為水土流失監(jiān)測時段。

2)擾動水土流失量計算。因工程建設擾動地表而產(chǎn)生的水土流失量的預測方法和原生水土流失量的預測方法相同，采用土壤侵蝕模數(shù)法進行預測，公式如下：

(4)

式中：Wij為擾動地表水土流失量，t；Fij為某時段某單元的預測面積，km2；Mij為某時段某單元的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tij為某時段某單元的預測時間，a；i為預測單元，i=1、2、3、…，n；j為預測時段，j=1、2，指施工期和自然恢復期等。

則新增水土流失量計算：

(5)

式中：ΔW為擾動地表新增水土流失量，t；Mij為擾動后土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；ΔMij為新增土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Mi0為擾動前土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tij為監(jiān)測時段(擾動時段)，a。

4.2.2 相關參數(shù)確定

根據(jù)新疆土壤侵蝕模數(shù)圖分布狀況，研究區(qū)地處輕度侵蝕區(qū)，侵蝕模數(shù)500～2 500 t/km2·a，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)，確定項目區(qū)原生地貌侵蝕模數(shù)為500 t/km2·a。以喀什市某施工區(qū)為例進行水土流失計算，確定施工期內(nèi)流失時段的土壤侵蝕模數(shù)為1 400 t/km2·a；施工期堤防和護岸區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為1 800 t/km2·a。水域景觀及綠化防治區(qū)自然恢復期土壤侵蝕模數(shù)取500 t/km2·a。具體參數(shù)確定見表2。

表2 監(jiān)測參數(shù)確定

通過計算，在2015年7月至2018年7月，研究區(qū)水土流失總量為67 172 t，其中原地貌(擾動前)水土流失量為12 330 t，因工程建設新增水土流失量30 182 t。平均土壤侵蝕模數(shù)為908 t/km2·a。研究區(qū)水土流失量匯總見表3。

表3 水土流失量匯總

5 結(jié) 語

將遙感技術運用于水土保持監(jiān)測中，因其高精度和直觀便捷的優(yōu)勢在當前水土保持監(jiān)管工作中得到廣泛的應用和發(fā)展，它彌補了傳統(tǒng)測量方法勞動和時間的不足，大大節(jié)省了水土保持監(jiān)測的成本。而且由于遙感技術在性能以及體積方面的優(yōu)勢，能更好地應對各種復雜環(huán)境。因此，采用遙感技術能夠使水土保持監(jiān)管部門及時掌握區(qū)域水土流失規(guī)律，制定相應的水土流失防治措施，具有廣闊的應用前景。