基于RS和GIS的水土流失評價:以四川省若爾蓋縣為例

王 瓊，楊武年，南聰強，何禎明

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室/成都理工大學遙感與GIS研究所，四川 成都610059;2.成都理工大學，四川成都610059)

水土流失使土地退化、生產力下降、生態環境惡化，對社會經濟的可持續發展構成嚴重威脅［1］。我國水土流失分布面積廣、治理難度大，直接威脅著國家生態安全、糧食安全和防洪安全，已成為制約經濟社會可持續發展的重要因素。水土流失受很多因素的影響，其監測也有一定的復雜性和不確定性。應用遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術對水土流失進行監測，已成為水土保持科學研究與綜合治理監測的重要方向之一［2］。

若爾蓋地區是黃河上游的重要水源涵養地，搞好該區水土保持對調節區內徑流、凈化水質、開展生物多樣性保護、沙化控制、調節區域小氣候及固碳等具有重要的作用。由于全球氣候變暖及不合理的人類活動的影響，若爾蓋地區生態系統已遭到嚴重破壞。因此，選擇若爾蓋水土流失相對嚴重的東南部區域為研究區，利用現有的該區TM遙感數據、地形數據，對區內水土流失強度進行評價，具有重要的現實意義。

1 研究區概況

若爾蓋縣位于青藏高原東部邊緣地帶，地處阿壩藏族羌族自治州北部，面積10164.21 km2，黃河與長江分水嶺將其劃分為東西兩部分。研究區位于若爾蓋縣東南部，包括包座、阿西茸、巴西、求吉及班佑鄉的部分區域，為高原丘陵、山原、亞高山和高山峽谷地貌，其中以高原丘陵地貌為主，占土地總面積的64%。海拔4000 m左右的山原上地勢平緩。河谷兩岸山高坡陡，水流湍急，山坡森林密布，山頂緩坡為草甸。河谷兩岸平均海拔2500～3000 m的平壩和半坡地帶的土壤為山地棕壤、山地褐色土、暗棕壤。平均晝夜溫差10～15℃，平均日照時數長達12 h左右，年降雨量500～600 mm。

2 研究方法

2.1 遙感圖像選擇及處理

根據研究目的和研究區實際情況，采用若爾蓋地區2007年Landsat－TM衛星遙感圖像。選用321波段組合和432波段組合合成圖像，以滿足影像判讀時的不同需要，再根據合成效果進行線性拉伸的輻射增強處理與聚焦分析的空間增強處理，之后再對影像進行幾何精校正。利用ERDAS中Subset Image功能模塊的不規則分幅裁剪功能，對圖像進行裁剪得到研究區的遙感圖像。對現有的1∶10萬地形圖進行掃描，在MapGIS軟件的支持下，利用人機交互式等高線矢量化的方法，并根據不規則三角網(TIN)內插法進行等高線的插值獲取，生成數字高程模型(DEM)。

2.2 分級指標因子提取

水土流失分類依據中華人民共和國《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)的總體要求，既考慮侵蝕發生的成因聯系，又重視侵蝕發育階段和形態特點;既要突出主導因素的作用，又要考慮綜合作用的影響;既要保證分級分類指標清晰直觀、符合邏輯，也要便于實施、可操作性強［2］。

水土流失主要受降雨、土壤可蝕性、溝谷密度、土地利用類型、地形、植被覆蓋、水土保持措施等因子的影響。由于降雨侵蝕力、土壤可蝕性和地形因子在較短的時間內不會發生大的變化，因此對水土流失現狀的研究就變成了對變化的因子如植被覆蓋、土地利用類型等的研究［3］。另外，由于地形坡度和溝谷密度對水土流失的影響程度較大，根據研究區的實際地理情況，擬提取地形坡度、溝谷密度、植被覆蓋度和土地利用類型幾個因子來分析并確定水土流失強度。

2.2.1 地形坡度因子提取

坡度是決定徑流沖刷能力的主要因素之一。一般情況下，隨著坡度的增加土壤侵蝕強度就會加大［4］。地形坡度是構成水力侵蝕的動力條件，影響降雨和外營力的再分配，改變著地表物質的分離搬運、堆積過程及其速度，決定著地表徑流對土壤侵蝕的能量分配。坡度大小是決定土壤侵蝕強弱的重要因素［5］，參考1985年全國土壤侵蝕遙感調查工作技術細則，根據《水土保持技術規范》的有關要求，將坡度劃分為＜5°、5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35°、＞ 35°共 6 個級別。

通過數字化地形，提取高程線和高程點，經過插值運算，建立數字高程模型DEM，在ArcGIS 3D分析模塊下生成不規則三角網(TIN)模型，再由3D Analyst工具條下的Surface Analysis中的坡度工具(Slope、Aspects)功能來實現生成以度為單位的坡度圖(圖1)。

2.2.2 溝谷密度因子提取

溝谷密度的大小與降水和徑流特征、地形坡度、巖性、土壤抗侵蝕性能、植被狀況、土地利用類型等有關，可作為水土流失等級劃分的參考指標。溝谷是土壤侵蝕的結果［6］，溝谷密度發育的強弱與土壤侵蝕密切相關，溝谷密度與水土流失強度的關系見表1。根據填充洼地提取水流方向、提取匯流累積量、設定閾值提取溝谷的方法獲得溝谷分布圖，再利用GIS自動生成研究區公里格網，把格網分布圖與溝谷分布圖疊加分析，統計出落在每個柵格內的溝的長度，除以單元格網面積即得到溝谷密度，經整飾輸出溝谷密度圖(圖2)。

表1 溝谷密度定級指標

圖2 研究區溝谷密度

2.2.3 植被覆蓋因子提取

植被是控制水土流失的主要因子之一，良好的植被覆蓋有助于保持水土。植被是侵蝕動力的抑制因子，植被覆蓋率和植被結構直接影響著土壤侵蝕強度，植被覆蓋率越高地表的抗侵蝕能力就越強。植被覆蓋率是最常用來表達植被對土壤侵蝕影響程度的指標，其分級定級指標如表2。

表2 植被覆蓋率定級指標

據研究，植被覆蓋率與植被指數呈近似線性相關，本文采用歸一化植被指數(NDVI)來計算植被覆蓋率。NDVI與植被分布密度呈線性相關，是植被空間分布密度的最佳指示因子。NDVI的優點在于能大大消除地形和群落結構的陰影影響及減弱大氣的干擾，因而提高了植被覆蓋率的檢測靈敏度［7］。通過ERDAS中Interpreter模塊Spectral Enhancement/Indices項計算圖像植被指數NDVI值，然后按照植被覆蓋指數分級指標劃出植被覆蓋率，對植被覆蓋率進行分類、賦色，得到如圖3所示的研究區植被覆蓋率。

2.2.4 土地利用類型因子提取

水土流失是自然因素和人為活動綜合作用的結果，而土地利用既與自然條件緊密相關又深受人類活動的影響。土地利用改變了原有地表植被類型及其覆蓋率和微地形，從而影響到土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統，在區域土壤侵蝕發展中起著重要的作用［8］。按照全國土壤侵蝕遙感調查工作技術細則的標準，不同土地利用類型對水土流失強度影響的分級定級指標如表3。

表3 土地利用定級指標

采用最大似然法對影像進行土地利用分類。首先對遙感圖像進行地類采樣獲取分類模板，再執行監督分類，進行分類后處理，最后得到如圖4所示的研究區土地利用類型圖。

2.3 水土流失強度分級

2.3.1 水土流失因子空間分析

研究區水土流失狀況主要與坡度、溝谷密度、植被覆蓋率、土地利用類型有關。考慮到研究區實際情況及各因子對水土流失影響的大小，給出如表4所示的4個因子的權重值。利用ArcGIS空間分析模塊功能，將各評價因子與其相應的權重疊加分析得到研究區水土流失綜合評價指數，再按強度分級指標劃分水土流失強度等級并整飾出水土流失強度分級圖(圖5)。

2.3.2 結果與分析

從研究區水土流失強度分級圖可以看出，該地區微度水土流失區域最大，主要分布在中部植被生長較好的地區;輕度、中度、強烈流失區域分布較分散，主要集中分布于西部和南部低山平原區;而極強烈流失和劇烈流失區域非常少，僅在東北部求吉鄉的高坡裸露地區有少量分布。

圖4 研究區土地利用類型分布

表4 研究因子的權重賦值標準

圖5 研究區水土流失強度分級

據統計，研究區總面積2983.18 km2，其中:微度流失面積1360.86 km2，占45.6%;輕度流失面積735.01 km2，占24.6%;中度流失面積 575.74 km2，占 19.3%;強烈流失面積 218.52 km2，占 7.3%;極強烈流失面積 72.23 km2，占 2.4%;劇烈流失面積20.82 km2，占0.7%。由此可知研究區的水土流失不甚嚴重，微度流失區域接近一半，輕度、中度、強烈流失區域次之，極強烈流失區域較小，劇烈流失區域甚微。

研究區水土流失分布與植被發育程度相關性很大。水土流失出現惡化情況，主要是由于人類活動的不斷增加，如過度放牧、亂砍濫伐等。研究區水土流失較為嚴重的區域主要分布于植被覆蓋不良的荒地和坡耕地上，其中坡耕地水土流失最為嚴重，大多為強烈流失。從地貌上看，水土流失主要發生在溝谷和山坡中下部，這些地方人類活動頻繁，植被破壞嚴重，大量開墾坡耕地，導致了水土流失加劇。該地區多為農耕地，土地的保護對農業生產的發展關系極大，因此應大力加強對人為破壞的管制，減少放牧、農耕對地表植被的破壞，并加強對區內水土流失的治理。

3 結語

在缺少土壤侵蝕模數的情況下，利用RS和GIS技術，結合遙感影像和地形數據，提取對水土流失影響較大的因子如地形坡度、溝谷密度、植被覆蓋率、土地利用類型進行空間疊加分析，實現對水土流失強度的調查分析，具有快速、準確、經濟的特點。但該方法也有其明顯不足:首先，因為缺少土壤侵蝕模數等輔助數據，只能對區域內水土流失做定性而做不到定量評價;其次，僅對單期數據進行分析的結果不可能完全代表研究區影響因子的實際情況。盡管如此，其為該區快速準確地評價水土流失和開展水土流失綜合防治提供了重要參考。

［1］呂航，陳圣波，孟治國，等.基于RS與GIS的大尺度水土流失分級制圖［J］.遙感技術與應用，2007，12(22):715－717.

［2］封建民，李曉華.基于TM影像和DEM的佳縣水土流失強度監測方法的研究［J］.安徽農業科學，2010，38(26):14754 －14755，14760.

［3］羅志軍，賈澤露.基于RS與GIS的三峽庫區秭歸縣水土流失快速動態監測［J］.安徽農業科學，2007，35(31):10153－10154.

［4］張洪江.土壤侵蝕原理［M］.北京:中國林業出版社，1999.

［5］陳慶男，魏成階.“禮炮”號遙感圖像在于橋水庫流域土壤侵蝕調查及治理規劃中的應用［J］.環境遙感，1993，8(1):45－53.

［6］賀奮琴，何政偉，尹建忠.基于遙感和GIS的水土流失因子信息提取與分級定標研究——以攀枝花市為例［J］.測繪科學，2006，31(4):126 －127.

［7］錢銘杰，吳芳芳，童立強，等.基于RS與GIS的水土流失監測方法實證研究［J］.中國水土保持，2009(2):23－24，47.

［8］馬力，楊新民，吳照柏，等.不同土地利用模式下土壤侵蝕空間演化模擬［J］.水土保持通報，2003，23(1):49 －51.