基于QuickBird影像的艾比湖及周邊土壤風蝕研究

2013-12-17 09:41:40張紅忠董文明

水土保持通報 2013年5期

崔龍，陳平，張紅忠，董文明，黃靜

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆昌吉831100）

風力侵蝕（簡稱風蝕）是地球表面的一種重要的土壤侵蝕形式。日照強烈、氣溫日較差年較差大、物理風化盛行，降水量少、蒸發量大、土壤干燥，地表徑流貧乏、流水作用微弱，植被覆蓋率低、疏松的砂質地表裸露的地區是風力侵蝕嚴重的區域，強勁、頻繁、持續的大風是風蝕荒漠化形成主要營力，是塑造沙漠地表形態的動力［1］。地處新疆著名的阿拉山口下風口的艾比湖，由于近些年來湖面發生嚴重萎縮，湖底大面積裸露，特別是每年春天，來自阿拉山口的強勁大風吹起艾比湖的裸露沙塵，直上1 000m的高空，這股沙塵在新疆天山北坡經濟帶、青海、甘肅、內蒙古、北京等地緩緩降落，成為上述地區沙塵暴的主要策源地之一［2］。因此，對艾比湖湖泊區域應用遙感的多波段、多時相特點研究其風蝕強弱程度，可為土壤風蝕的研究工作，進而區域的水土流失治理和可持續發展規劃提供參考依據［3－4］。本文基于高分辨率的QuickBird影像數據研究艾比湖湖泊及周邊的風蝕程度，為艾比湖確定保障水位，減小干涸湖底的沙源提供科學依據。

1 研究區概況

艾比湖位于北緯44°34′—45°08′，東經82°35′—83°16′，新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內，湖泊呈西北—東南走向，長度約35km，寬度約18km。全年約有165d出現大風，常年干旱少雨，氣候干燥，降水稀少，光熱充足，蒸發量大，年均氣溫8.3℃，年均降水90.9mm，而艾比湖的入湖水量基本依靠博爾塔拉河、精河和部分地下水補給，引發湖泊干縮、荒漠化速度加劇，導致干涸湖底轉向湖區的西北部，直接暴露于風口之下，為風沙天氣創造有利條件［5］。據遙感監測結果，艾比湖地區的土壤侵蝕類型是以風力侵蝕為主［6］，特別是近年來受全球氣候變化和人類活動的影響，分布在湖四周地表的鹽漬土和芒硝等大面積裸露，淪為鹽漠，地下水位下降，湖濱周邊植被衰敗，土地荒漠化面積增加，為沙塵暴營造了豐富的沙源［7－10］。風蝕已成為困擾艾比湖地區的嚴重問題，就風蝕本身而言，風蝕的成本無疑大于控制風蝕的成本［11］。

2 研究方法

2.1 數據選用

QuickBird影像的分辨率高，同時費用也較為昂貴。為滿足本次研究，選購覆蓋整個艾比湖湖泊及湖岸周邊1km左右區域的影像數據，并考慮判讀和分析的需要，選擇能見度較高，植被發育好的時間段采集影像數據。數據主要來源：（1）2009年8月30日的編程數據和2008年6月2日存檔數據，分辨率為0.6m的全色數據，分辨率為2.4m的多光譜數據；（2）2007，2008年的艾比湖湖泊周邊GPS控制測量數據和斷面測量數據。

2.2 影像處理

為滿足研究工作，需要對不同時相的兩期QuickBird影像數據進行處理。首先利用外業實測的61個像控點，應用遙感軟件Erdas Imagine 9.1的相關模塊工具對影像進行糾正、配準，制作能夠直觀、逼真表示地物及其平面位置，詳盡反映各類地物的形狀、性質和相互關系的正射影像；為使影像反差適中，色彩豐富，對影像進行增強處理，獲得接近實際色調、目視效果較好的真彩色正射影像圖，以便于影像分析；因艾比湖湖域含鹽量高，影像色調差異小，植被不易判讀，為提高植被的解譯精度，對多波段Quick－Bird影像數據進行融合，獲得假彩色影像。

2.3 土壤風蝕強度現狀

已有的研究成果證明，艾比湖地區的土壤侵蝕以風力侵蝕為主。為進一步證實該結論，利用艾比湖湖岸周邊的地形測量數據進行了統計分析，結果表明，研究區內80%的地面坡度在0.1%以內，大約98%以上的地面坡度在0.5%以內，均為非耕地，植被覆蓋度很低。根據水利部行業標準中水蝕強度分級指標：地面坡度＜5%，非耕地林草覆蓋度在75%以下，均為微度侵蝕。艾比湖湖岸的坡度、植被覆蓋度遠小于該指標，發生水蝕的可能性很小，而艾比湖所具有的風力大，刮風日數多和干旱少雨等氣候特點，為風力侵蝕的營造條件。

坡度和植被覆蓋度與土壤風蝕強度的相關性很顯著，因此，對于坡度非常平緩的艾比湖湖岸周邊，土壤風蝕強度的調查可以轉化為對地面植被覆蓋度的間接指標調查。應用遙感技術進行艾比湖湖岸周邊土壤風蝕現狀的調查，獲取信息量大，數據覆蓋范圍廣。

2.3.1 植被圖采用QuickBird數據融合后的假彩色影像，提取不同類型植被的圖斑，為提高植被的判讀精度，通過野外實地調查與人工解譯相結合，獲取植被信息（表1）。

表1 植被解譯標志

與正射影像進行疊加生成植被圖（附圖5）。研究區內植被覆蓋度最高的為蘆葦（大于95%），其次為胡楊（60%）、梭梭和防護林（50%～30%）、紅柳（25%）和無植被覆蓋的區域。

2.3.2 土壤風蝕現狀圖艾比湖湖岸周邊風蝕強度，依據水利部行業標準風蝕強度因子匹配模型（表2）進行分級。

表2 風蝕強度因子匹配模型

根據風蝕強度的分級標準，結合實際調查，研究區域是以沙地為主的地表形態，但沒有大片流動沙丘。因此，不考慮劇烈侵蝕，將艾比湖湖岸周邊的風蝕強度分為極強度、強度、中度、輕度和微度5個級別，根據植被圖和相應植被的覆蓋度，制作完成艾比湖湖岸周邊土壤風蝕現狀圖（附圖6）。

3 結果與分析

3.1 艾比湖湖岸周邊風蝕現狀分析

艾比湖湖岸周邊土壤風蝕現狀圖反映出湖岸的風蝕程度相當嚴重，強度以上的風蝕約占63%，主要分布在湖域的東部和西部的無植被覆蓋區域，處于阿拉山口的風向方向。而湖泊西北部的地面多為礫石層，QuickBird影像呈顆粒狀的淺黑色調，均為面狀分布；西南地面多為砂礫石層，呈均勻的深灰色調。這是由于含沙質的礫石和不含沙質的礫石對光譜的反射不同，色調上產生差別。湖泊東部地面沉積大量的鹽粒，呈現淺灰色到白色色調的變化；東北部受到風力吹蝕作用大，影像呈現明暗相間條狀紋理；東南沉積的鹽層較厚，光譜反射強烈，呈現均勻的白色色調，此區域成為主要的積鹽地。通過對高分辨率影像上地貌形態的色調、紋理變化分析可知，艾比湖湖岸的北部受到風力影響較南部要大。

微度風蝕和中度風蝕面積約占37%，主要分布在湖泊南北兩岸有植被覆蓋區域。在湖泊南岸精河和博河的入湖段植被的覆蓋度相對要高，特別是博河兩岸地下水位較高，生長大面積的蘆葦，土地鹽堿化程度嚴重；北岸有地下水補給，呈現帶狀的植被覆蓋區；西南角由于灌渠的尾水流入形成一片濕地，植被較為集中。

艾比湖湖岸的整體情況反映植被覆蓋度較低，植被相對集中于水源區附近。由此看來，水是艾比湖植被恢復的關鍵因素，只要有水，就能為植被提供良好的生存環境，減小風力侵蝕的影響。

3.2 艾比湖干涸湖底的土壤風蝕分析

2009年艾比湖湖泊的QuickBird正射影像圖顯示出西北部裸露的干涸湖底，其面積達到430km2。從影像的色調、形狀和紋理發生的變化，反映了干涸湖底的地貌形態和風系的方向。西北是裸露區最低洼的地帶，由于沉積大量淤泥，影像呈現暗灰色色調，色調均勻，表明低洼處的地勢較為平坦；坡腳地帶的地形發生變化，造成風對地面吹蝕的變化，影像呈現不規則鋸齒狀的灰白色調；到達坡面后，由于受風的吹蝕較為均勻，影像上呈現較均勻、面狀的灰白色色調（圖1a），說明坡度緩、坡面長；坡頂邊緣，由于風向的變化，影像從灰白色過渡到白色色調；到達坡頂后風的強度發生變化，影像由片狀白色色調變為長條狀的白色色調（圖1b），靠近北部條帶長而寬，向南部逐漸由短、窄變為線條狀，表明北部受到風力的影響相比南部要大，同時在坡頂有一條邊界明顯、南北走向的淺灰色色調的條帶，表明坡的頂部較為寬敞，而在其南側，由于靠近博樂火車站，地表水的滲入，影像呈現暗灰色色調；背風的坡面上，順坡而下的水流，在風力作用下，形成了猶如河道漫灘中相互交織的小溝壑和心灘，充足的陽光照射下，水分蒸發、鹽堿沉積，影像呈現為白色的樹枝狀（圖1c）。

為驗證通過影像紋理分析所反映出干涸湖底的地貌形態變化，根據實際測量的數據，由湖泊西北向東南方向提取干涸湖底的縱向斷面圖（圖2）。

圖1 艾比湖干涸湖底的風蝕影像

由圖2可以看出，湖底低洼處地勢平坦，寬度在4.5km左右；迎風面為長度約10km的1／5 000平緩的坡面；坡頂明顯凸起，寬度約0.5km；背風面坡度趨于平緩，坡度約為1／10 000。由此說明，艾比湖的湖底地形整體趨于平緩，裸露后的干涸湖底易于鹽漠的發育。因此，以阿拉山口持久的強勁大風為動力條件，干涸湖底的鹽漠造就豐富沙源地為物質條件，艾比湖干旱區域的不穩定空氣為熱力條件，三者的同時出現，為沙塵暴的發生創造了有利的條件。保證艾比湖有充足水量，是有效控制沙塵，抑制沙塵暴的重要因素，而水位控制的關鍵位置是此干涸湖底最高處的高程。