基于RS和GIS的深圳市土壤侵蝕監(jiān)測(cè)

楊章泉

（上饒市科信水土保持監(jiān)測(cè)有限公司，江西 上饒 334000）

0 引 言

隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)建設(shè)及人為活動(dòng)的影響，水土流失問(wèn)題日益突出，早期的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)主要通過(guò)人工調(diào)查方式進(jìn)行。20世紀(jì)80年代中后期RS遙感技術(shù)普及后，水利部開(kāi)始推進(jìn)遙感手段在全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用；此后隨著GIS技術(shù)的迅猛發(fā)展，因其具有強(qiáng)大的空間處理能力和分析能力，在影響土壤侵蝕多要素相關(guān)分析方面得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)RS和GIS技術(shù)在深圳市土壤侵蝕面積預(yù)測(cè)及坡度、土地利用、植被覆蓋等因素影響程度量化分析方面的應(yīng)用展開(kāi)探討。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

深圳以丘陵、臺(tái)地和平原等地貌為主，年降水量均值1966mm，降水量大，暴雨頻繁，地貌復(fù)雜，且主要以赤紅壤為主，水土流失風(fēng)險(xiǎn)大，很容易造成水土流失“致黃”。深圳市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目點(diǎn)多面廣，根據(jù)《深圳市國(guó)土空間總體規(guī)劃（2020-2035年）》，全市建設(shè)用地規(guī)模會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，建設(shè)強(qiáng)度也會(huì)隨之增強(qiáng)，必然會(huì)降低城市植被覆蓋率，削弱水土涵養(yǎng)功能，再加上深圳特殊的地形地貌和較大的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，必將加劇土壤侵蝕。

2 土壤侵蝕因子的提取

自然因素和人為因素是影響區(qū)域水土流失的兩個(gè)主要方面，其中自然因素包括降水、植被、土壤、地形，而人為因素包括土壤保護(hù)措施及土地開(kāi)發(fā)利用方式等。不同影響因素又包括若干次級(jí)因子，具體見(jiàn)圖1。在進(jìn)行土壤侵蝕模型構(gòu)建時(shí)，關(guān)鍵在于影響因子的提取，借助RS和GIS進(jìn)行遙感影像及所采集到的圖件、觀測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間分析、因子提取，以單項(xiàng)或疊加的方式輸出。在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)用ERDAS軟件對(duì)所得到的TM衛(wèi)星影像初步糾正，并借助標(biāo)準(zhǔn)地圖進(jìn)行精糾正，以得到統(tǒng)一的影像底圖；將所得到的結(jié)果與其余圖件及屬性數(shù)據(jù)融合并展開(kāi)綜合應(yīng)用分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行土壤侵蝕等級(jí)解譯，得出各類(lèi)影響因子的具體影像程度，以圖形或?qū)傩詳?shù)據(jù)形式存儲(chǔ)，便于空間分析調(diào)用[1]。

圖1 土壤侵蝕因子分類(lèi)樹(shù)

2.1 降水及土壤類(lèi)型

降水是影響土壤侵蝕的動(dòng)力因素，降雨量及雨強(qiáng)等信息的采集和處理為區(qū)域土壤侵蝕模型的構(gòu)建和水土流失過(guò)程的模擬提供動(dòng)力因子。通過(guò)SURFER軟件預(yù)處理研究區(qū)降雨數(shù)據(jù)，并將點(diǎn)數(shù)據(jù)整理成與地理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的專(zhuān)題信息，再轉(zhuǎn)換成空間圖形格式和ARC/INFO格式，經(jīng)拓?fù)渲貥?gòu)、空間編輯及投影變換后與評(píng)價(jià)單元圖疊加，最終得出區(qū)域內(nèi)具體點(diǎn)雨量值[2]。

土壤類(lèi)型主要影響土壤有機(jī)質(zhì)含量及礦物膠體接觸形式，進(jìn)而影響土壤抗沖蝕性能及滲透性能。應(yīng)用GIS空間分析功能構(gòu)建研究區(qū)土壤空間分布，并據(jù)此制作土壤專(zhuān)題圖和土壤侵蝕的空間關(guān)系，探究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的可能影響。

2.2 地形因子

通過(guò)高分辨率衛(wèi)星遙感影像能在較小空間尺度觀察地表，并借助計(jì)算機(jī)軟件制作大比尺地形圖，對(duì)地形圖進(jìn)行矢量化分析；應(yīng)用ARC/INFO等地理信息軟件進(jìn)行相應(yīng)等高線(xiàn)圖及高程值的編輯，進(jìn)而生成TIN高程模型和格柵，制備出DEM模型，并提取坡度、坡向及溝谷密度圖。地面陰影、陽(yáng)光照射角度、植被覆蓋等對(duì)遙感影像提取精度可能存在一定影響，數(shù)字高程模型的出現(xiàn)能有效克服這種影響。

2.3 植被覆蓋及土地利用

植被是攔截雨量、抑制地表徑流、制約土壤侵蝕和水土流失的有效因子，植被因具有反射紅外光的功能而在TM衛(wèi)星影像圖中呈紅色，根據(jù)顏色特征及主成分變換法便能將植被和其余地物區(qū)分開(kāi)來(lái)，并得到植被覆蓋率水平（見(jiàn)表1）。此外，土地利用類(lèi)型及程度對(duì)研究區(qū)水土流失和土壤侵蝕也存在較大影響，應(yīng)用ERDAS’/IMAGINE圖像處理軟件可進(jìn)行遙感影像中土地利用類(lèi)型的分類(lèi)，并通過(guò)ARC/INFO轉(zhuǎn)換格式、制作專(zhuān)題圖。

表1 植被解譯標(biāo)志

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本文分析主要依托2021年8月深圳一號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星運(yùn)行周期短，可自主控制，可為特定時(shí)間、特地地點(diǎn)土壤侵蝕監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星配備分辨率32m的多光譜雙三波段傳感器，影像質(zhì)量?jī)?yōu)良，信息量大，重訪(fǎng)周期2～3d，可覆蓋600km×600km范圍，綠波及紅波譜段范圍分別為520～620nm和630～690nm。該衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可定期提供覆蓋深圳市的土壤侵蝕及水土流失遙感影像，為水土保持、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、土地利用等提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，還收集到研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、1:5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)、矢量行政邊界、同期TM數(shù)據(jù)等輔助性資料，全部數(shù)據(jù)均應(yīng)用深圳獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，并按照10m分辨率采樣。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)PCI軟件和二次多項(xiàng)式進(jìn)行深圳市衛(wèi)星影像的幾何糾正，并將數(shù)據(jù)誤差控制在1個(gè)像元以?xún)?nèi)；在此基礎(chǔ)上對(duì)圖像進(jìn)行鑲嵌、裁切、融合和增強(qiáng)等處理后生成研究區(qū)影像，用于土壤侵蝕程度的解譯。應(yīng)用ArcGIS軟件和研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行土壤類(lèi)型、土地利用現(xiàn)狀及DEM數(shù)據(jù)的裁切；并通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取坡度，在Spatial Analyst模塊下將坡度劃分為5°及以下、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°及以上等檔次。通過(guò)ERDAS軟件對(duì)同期TM影像進(jìn)行NDVI提取，借助Modeler模塊生成研究區(qū)植被覆蓋度格柵數(shù)據(jù)，并按照30%及以下、30%～45%、45%～65%、65%及以上等檔次歸類(lèi)。最后通過(guò)ArcGIS軟件將矢量土地利用類(lèi)型合并為耕地、林地、水域、居住區(qū)、未利用區(qū)等類(lèi)型，并相應(yīng)轉(zhuǎn)換為格柵數(shù)據(jù)。

3.3 土壤侵蝕等級(jí)

按照《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）和深圳市水土流失實(shí)際情況進(jìn)行土壤侵蝕分類(lèi)，根據(jù)坡度、植被覆蓋及土地利用類(lèi)型等將深圳市土壤侵蝕劃分為劇烈侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、中度侵蝕、輕度侵蝕和無(wú)明顯侵蝕五類(lèi)，鑒于深圳市土壤侵蝕僅表現(xiàn)為中度侵蝕和輕度侵蝕兩類(lèi)，故結(jié)合實(shí)地考察，僅構(gòu)建深圳市土壤中度侵蝕和輕度侵蝕解譯依據(jù)，具體見(jiàn)表2。根據(jù)所得到的解譯標(biāo)志以及研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、坡度數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件對(duì)深圳市衛(wèi)星影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯，得出2022年研究區(qū)土壤侵蝕等級(jí)分布圖[3]。

表2 深圳市土壤中度侵蝕和輕度侵蝕等級(jí)解譯依據(jù)

4 土壤侵蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

4.1 深圳市土壤侵蝕情況

根據(jù)解譯結(jié)果，通過(guò)ArcGIS軟件得出深圳市不同土壤侵蝕等級(jí)下的侵蝕面積，近年來(lái)隨著地方政府對(duì)水土保持重視程度的提升和土壤侵蝕治理力度的加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕總面積不斷降低；但是土壤侵蝕類(lèi)型卻逐漸從輕度侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)變。根據(jù)2020年研究區(qū)土壤侵蝕分布情況，深圳市中南地區(qū)梧桐山系中度侵蝕和輕度侵蝕均較多，呈片狀分布，且侵蝕面積大；東北部地區(qū)工礦用地和疏林地存在一定程度的中度侵蝕，且分布零散。

4.2 土壤侵蝕與坡度

坡度是影像土壤侵蝕程度的主要因素之一，在其他條件不變的情況下，隨著坡度的增加，土壤侵蝕程度呈加劇態(tài)勢(shì)。將研究區(qū)坡度圖和土壤侵蝕分類(lèi)圖疊加處理后，便可利用ERDAS中Modeler工具計(jì)算研究區(qū)2022年不同坡度所對(duì)應(yīng)土壤侵蝕類(lèi)型及面積，分析結(jié)果詳見(jiàn)表3。根據(jù)表中結(jié)果，研究區(qū)土壤侵蝕主要出現(xiàn)在坡度15°～25°、25°～35°的陡坡段，即使植被覆蓋度較高，也存在面積較大的輕度侵蝕；植被覆蓋率低的地區(qū)與村莊距離較近，大多表現(xiàn)為中度侵蝕。坡度為8°～15°及5°以下的地區(qū)主要為平原和山區(qū)的交界地，因耕地、草地和林地遭到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動(dòng)和破壞，土壤侵蝕問(wèn)題也較為嚴(yán)重[4]。

表3 不同坡度的土壤侵蝕面積

4.3 土壤侵蝕與植被覆蓋率

植被具有攔截雨量、增強(qiáng)地表徑流等重要作用，也是抑制土壤侵蝕的主要因子，植被覆蓋度、種類(lèi)及生長(zhǎng)情況對(duì)于項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕影響較大。結(jié)合所提取的項(xiàng)目區(qū)植被覆蓋度及土壤侵蝕等級(jí)格柵數(shù)據(jù)，應(yīng)用ERDAS中Modeler工具計(jì)算項(xiàng)目區(qū)2022年植被覆蓋度不同情況下土壤侵蝕數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。根據(jù)表中分析結(jié)果，深圳市土壤侵蝕主要發(fā)生在植被覆蓋率為45%～65%及35%以上的區(qū)域，土壤侵蝕面積占比依次為52.18%和33.42%，以上區(qū)域主要為坡度較大的林地和坡耕地，土壤侵蝕主要表現(xiàn)為輕度侵蝕；植被覆蓋率為30%～45%的區(qū)域土壤侵蝕面積占比13.75%，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后，人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)及不合理開(kāi)墾是造成植被破壞和水土流失的主要原因。

表4 不同植被覆蓋率的土壤侵蝕面積

4.4 土壤侵蝕與土地利用

土地利用程度對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕也存在一定程度的影響，通過(guò)土地利用分類(lèi)格柵圖和土壤侵蝕等級(jí)格柵數(shù)據(jù)的疊加處理，應(yīng)用ERDAS中Modeler計(jì)算項(xiàng)目區(qū)2022年不同土地利用類(lèi)型下土壤侵蝕面積，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。根據(jù)表中計(jì)算及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，深圳市土壤侵蝕主要發(fā)生在林地中，在總侵蝕面積占比61.50%，主要原因在于林地中的疏林地坡度較大，且梧桐山前開(kāi)發(fā)有大量果園，引發(fā)大面積土壤侵蝕；耕地中土壤侵蝕面積占比為14.18%，坡耕地的開(kāi)墾及耕種是引發(fā)土壤侵蝕的主要原因；此外，山區(qū)分散居住點(diǎn)的工礦用地不合理開(kāi)采也造成研究區(qū)植被的破壞[5-6]。

表5 不同土地利用情況的土壤侵蝕面積

5 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)對(duì)研究區(qū)土地利用、植被覆蓋、坡度等與土壤侵蝕程度相關(guān)性的分析以及對(duì)深圳市土壤侵蝕狀況的定量計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)自2000年以來(lái)隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)速度的加快，土壤侵蝕和水土流失呈先降后增趨勢(shì)；土壤侵蝕程度與植被覆蓋率、坡度、土地利用情況等均存在直接關(guān)系，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、耕地耕種、植被破壞及坡地開(kāi)墾等活動(dòng)均使研究區(qū)土壤侵蝕面積增大。總之，RS和GIS技術(shù)可應(yīng)用于區(qū)域土壤侵蝕快速監(jiān)測(cè)，并能有效克服傳統(tǒng)人機(jī)交互解譯方法所存在的主觀因素大、精度不高、僅能進(jìn)行土壤侵蝕定性分析等弊端，為區(qū)域水土流失有效治理提供可行之策。