“3S”技術在隆林至百色高速公路水土保持監測中的應用

盧寶鵬，張 燾，梁志鑫

(廣西壯族自治區水土保持監測總站，廣西南寧530023)

近年來，在中國—東盟自由貿易區、泛珠三角區等區域經濟發展中，廣西有著十分重要的區位優勢。開展區域經濟技術合作，交通必須先行并應起到引領經濟社會發展的作用。據統計，“十一五”期間廣西新開工和在建高速公路項目40 個，建設里程達4 622 km。高速公路建設的飛速發展，在促進沿線經濟發展的同時，也不可避免地給當地生態環境帶來巨大壓力，這種壓力主要表現為工程建設中擾動地表、破壞植被，產生了大量的棄土棄渣。與點狀、面狀工程建設項目不同，線狀工程建設項目一般具有時間跨度小、空間跨度大的特點，其水土流失的特點也因時因地而不相同［1］。因此，開展高速公路建設項目水土保持監測工作，強化水土流失監測、監控和管理極其重要。

本研究對隆林至百色高速公路(以下簡稱“隆百高速公路”)建設工程及其引發的水土流失特點進行分析，在此基礎上提出了基于“3S”技術的高速公路建設水土保持監測的方法及技術路線。

1 項目及項目區概況

1．1 項目概況

隆百高速公路起于黔桂交界處的隆林縣平班，與貴州省安龍至板壩(黔桂界)高速公路相接，經委樂、舊州、潞城、田林、汪甸、永樂、那務，止于百色市四塘，接南寧(壇洛)至百色高速公路，路線全長176．705 km，同步建設隆林連接線20．822 km、田林連接線4．699 km。全線采用四車道高速公路標準建設，設互通式立交10 處、服務區3 處、停車區3 處。截至2009年8月底，工程建設水土保持防治責任范圍為8．02 km2，其中項目建設區7．19 km2，直接影響區0．83 km2。

1．2 項目區概況

(1)土壤。隆林縣沿線土壤主要為砂頁巖發育而成的黃紅壤、黃壤，其次為石灰巖發育而成的棕色石灰土;田林縣沿線土壤以紅壤、黃壤、水稻土和山地灌叢草甸土為主;右江區沿線土壤以赤紅壤、紅壤、黃紅壤和黃壤為主。

(2)植被。工程區植被屬南亞熱帶常綠、落葉闊葉林帶，以亞熱帶旱生性和中生性植被為主。在工程沿線附近，田林縣和右江區的林草覆蓋度要高于隆林縣，田林縣和右江區的林草覆蓋度在65%～75%之間，隆林縣在45%～55%之間。工程沿線植被種類較多，原生林樹種主要有馬尾松、杉木、毛竹等，人工林樹種主要有桉樹、麻棟、云南松、油杉等。

(3)地形地貌。工程區地處云貴高原向桂中盆地過渡地帶，地勢總體西高東低，隆林縣境內工程區以中山地貌為主、低山地貌為輔;田林縣屬云貴高原向東南延伸的部分，山脈屬都陽山系，地勢為東北、西北、西南和中部較高，并逐漸向東南和北部傾斜，工程區地貌以低山為主，沿河谷一帶則為低山、高丘;右江區中部為右江平原，四周環以山地或丘陵，呈西北—東南走向的低槽，海拔100～300 m，地貌以丘陵為主。

2 研究方法

利用隆百高速公路沿線區域不同時相的ALOS 數據和地形圖，應用“3S”技術提取工程建設準備期與建設期的土地利用、坡度和植被覆蓋度等因子，通過GIS 疊加、對比分析等，獲取項目建設區土壤侵蝕信息，詳見“3S”監測技術路線(圖1)。

圖1 “3S”監測技術路線

2．1 資料準備

主要數據源為ALOS 數據、1 ∶1 萬地形圖，數據時相為2008年8月、2009年8月的ALOS 數據。

2．2 影像預處理

為了更好地利用影像進行信息提取，對2008、2009年ALOS數據進行的預處理包括正射校正、配準、融合、圖像增強等，其中融合采用了在視覺效果、信息融入度、光譜保真度和融合后分辨率等幾方面都有較好表現的Brovey 融合算法［2］。

2．3 土壤侵蝕評價因子獲取

2．3．1 土地利用

依據《土地利用現狀分類標準》提取項目區土地利用信息。土地利用方式主要為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他用地。為了更好地應用這種高分辨率的影像，采用目視解譯并結合實地調繪的方法，這樣不僅分類精度高，而且地物不零散、邊界分明。

判讀標志的確定是目視解譯的關鍵環節。為了統一解譯標準、提高解譯精度，以影像上所反映出來的目標的形狀、大小、色調(或色彩)、陰影、紋形圖案、位置布局及活動等特征，結合野外調繪，建立研究區土地利用的遙感影像判讀標志。

2．3．2 坡 度

利用研究區1 ∶1 萬地形圖的等高線和高程點，在GIS 軟件支持下生成1 m 采樣間隔的規則格網DEM。根據三階反距離平方權差分法(Horn 算法)［3］獲得坡度因子，計算式為

《說文·力部· 》段玉裁注：“健者，伉也。此豪杰真字。自叚豪為之，而 廢矣。”王筠在《說文解字句讀》中也說“經典作豪杰，借字也，故言此以關之”。《漢書·食貨志下》“故大賈畜家不得豪奪吾民矣。”顏師古注云：“豪字本作，蓋通用耳。”

式中:S 為坡度，(°);λ 為南北方向高程變化率，無量綱;γ 為東西方向高程變化率，無量綱。

因此，求解坡面某一點的坡度，關鍵是求解λ 和γ。柵格DEM 是以離散形式表示地面曲面的，而且曲面函數一般是不知道的，因此在柵格DEM 上對λ 和γ 求解一般是在局部范圍(3 ×3窗口，圖2)內，通過數值微分方法或局部曲面擬合方法進行。g 為格網分辨率，zi(i =1，2，…，9)為中心點5 周圍各格網點的高程，λ、γ 均是對圖2 中的中心點5 的計算而言的。

圖2 DEM 3 ×3 局部移動窗口

λ、γ 的計算式為

式中:zi(i=1，2，…，9)為中心點5 周圍各格網點的高程，m。

為進行土壤侵蝕等級評定，根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，將項目區坡度劃分為0°—5°、5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35、＞35° 共6 個等級。

2．3．3 植被覆蓋度

植被覆蓋度是通過歸一化植被指數(NDVⅠ)推算得到的［4］。根據植被的反射光譜特征，通常用植被紅光、近紅外波段的反射率和其他因子及其組合所獲得的植被指數來提取植被信息，這些波段常包含90%以上的有關植被的信息。NDVⅠ的計算式為

式中:NⅠR 為近紅外通道反射率;R 為紅色通道反射率。

研究表明，在一定的閾值范圍內，NDVⅠ與植被覆蓋度存在線性相關，因此可以利用植被指數估算植被覆蓋度，其計算式為

式中:fc為植被覆蓋度;NDVⅠmin為研究區內最小的NDVⅠ值;NDVⅠmax為研究區內最大的NDVⅠ值。

通過(5)式獲得的植被覆蓋度值在－1 和+1 之間，為了利用其進行土壤侵蝕等級分類評定，需要對由(5)式獲得的植被覆蓋度進行等級劃分，等級劃分主要通過目視解譯和實地采樣調查進行。

2．4 土壤侵蝕等級劃分與評價

隆百高速公路沿線屬西南土石山區，以水力侵蝕為主。依據《土壤侵蝕分類分級標準》，提出適合該區域土壤侵蝕分級的土壤侵蝕強度分級參考指標。對于水域、城鎮與居民用地、建成的交通用地判定為微度侵蝕。

根據以上土壤侵蝕等級劃分判定規則，應用GIS 的疊加分析功能，實現監測區域2008 和2009年度土壤侵蝕等級判定。

3 結果與分析

3．1 土地利用現狀變化分析

據監測，項目區從2008年8月至2009年8月期間，耕地、草地、林地、水域分別減少了4．64、1．75、0．68 和0．12 km2，而建設用地和未利用地卻分別增加了5．28 和1．91 km2。對比分析表明，隆百高速公路建設中對耕地、草地、林地等占壓、破壞很明顯(圖3)，損毀水土保持設施面積為7．07 km2，在此期間內至少有7．07 km2的區域未及時采取水土保持防護措施。

圖3 項目區土地利用變化情況

3．2 植被覆蓋度變化分析

監測結果表明，項目區從2008年8月至2009年8月期間，植被覆蓋度降低非常明顯(圖4)，無明顯覆蓋面積從0．89 km2增加到6．75 km2，低覆蓋面積從2．56 km2增加到6．65 km2，這進一步驗證了隆百高速公路建設對植被破壞的嚴重性。

圖4 項目區植被覆蓋度變化情況

3．3 土壤侵蝕強度變化分析

監測結果表明，項目區從2008年8月至2009年8月期間，中度侵蝕、強烈侵蝕面積增加明顯(圖5)，其中中度侵蝕面積從4．81 km2增加到8．08 km2，強烈侵蝕面積從1．79 km2增加到6．53 km2，表明隆百高速公路建設造成土壤侵蝕程度加劇明顯。

圖5 項目區土壤侵蝕強度變化情況

4 結 語

隆百高速公路建設中土壤侵蝕最嚴重的時段是項目建設期，預防和治理施工期內的水土流失對于公路建設尤為重要。本研究對隆百高速公路建設項目及土壤流失特點進行了分析，在此基礎上對高速公路水土保持監測方法以及技術路線進行了探討，認為該方法能夠準確地反映大型線性工程建設引發的土壤侵蝕問題，應用“3S”技術評價區域土壤侵蝕強度是一種有效的方法。

［1］吳永紅．線形開發建設項目水土保持監測技術［J］．水土保持通報，2003，23(4):33－35．

［2］柳文祎，何國金，張兆明，等．ALOS 全色波段與多光譜影像融合方法的比較研究［J］．科學技術與工程，2008，8(11):2864－2869．

［3］陳楠，王欽敏，湯國安，等．6 種坡度提取算法的應用范圍分析——以在黃土丘陵溝壑區的研究為例［J］．測繪信息與工程，2006(4):20－22．

［4］程紅芳，章文波，陳鋒．利用植被指數來估算植被覆蓋度［J］．國土資源遙感，2008(1):13－18．