基于GIS和遙感的臨汾市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

胡苗苗

(山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

水土流失是目前比較嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。定量評(píng)價(jià)研究區(qū)水土流動(dòng)態(tài)變化及其空間分布特征，對(duì)于控制水土流失惡化、合理利用土地資源具有重要的意義。在3S技術(shù)發(fā)展趨于一體化、集成化的同時(shí)，也將為動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取土地利用狀況提供重要手段。全國(guó)土地二次調(diào)查是綜合應(yīng)用3S技術(shù)的成功案例，為國(guó)家宏觀調(diào)控、科學(xué)國(guó)土決策提供了必要的依據(jù)。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，遙感已經(jīng)成為進(jìn)行環(huán)境和災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段。自上世紀(jì)70年代，人們開(kāi)始應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)測(cè)和調(diào)查方面快速應(yīng)用發(fā)展。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家很早以前就認(rèn)識(shí)到水土流失的危害。建國(guó)后，我國(guó)相當(dāng)重視水土流失研究，并產(chǎn)生了很多理論成果，如1960年后編制了我國(guó)土壤侵蝕類(lèi)型圖，促進(jìn)了了我國(guó)水土流失研究工作。所以，對(duì)臨汾市的水土流失研究有很重要現(xiàn)實(shí)的意義。

本文綜合運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，通過(guò)多時(shí)相遙感影像對(duì)臨汾市植被覆蓋度、地形坡度、土地利用情況三個(gè)因子進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析。得出水土流失面積大小并且確定它們?cè)诳臻g上的分布情況，研究導(dǎo)致水土流失發(fā)生變化的原因，有利于為控制水土流失，改善環(huán)境并進(jìn)一步為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠性依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

臨汾市地理坐標(biāo)為北緯35°23'～36°57'，東經(jīng) 110°22'～112°34'之間，南北跨度170多千米，東西占地約200Km，位于山西省南部，汾水之濱，土地總面積約20000K㎡。全境分山地、丘陵、盆地三大地形單元還有少量平原分布在汾河兩側(cè)。空間上山川橫貫研究區(qū)，有“二川三山五丘陵”的說(shuō)法，南北向的三列山 (東部由北向南為太岳山、中條山，西部是呂梁山脈)、境內(nèi)有7條河流 (黃河、汾河、聽(tīng)水河、沁河、澮河、鄂河、清水河)是該研究區(qū)典型的特征。山地、丘陵是研究區(qū)主要地形特征占總研究區(qū)面積的50%以上，有部分平原位于汾河兩側(cè)的汾河谷地上，平原以耕地為主，而耕地面積約占20%左右。

研究區(qū)土地利用類(lèi)型復(fù)雜多樣，由于該地區(qū)高原是黃土高原的一部分，地處黃河?xùn)|岸的土地利用類(lèi)型多為荒山，植被覆蓋很少，大量的鹽堿荒地、沙荒地、沼澤地，水土流失嚴(yán)重，而位于汾河兩岸的研究區(qū)則土壤肥沃，是主要的農(nóng)耕區(qū)。研究區(qū)地形坡度多在7～25°以下，又植被覆蓋度比較低所以水土流失比較嚴(yán)重，對(duì)臨汾市的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重阻礙。全市黃土較厚，土質(zhì)疏松，植被稀疏，降雨量分配不均偏少且集中，極易形成水土流失。全市水土流失面積極大，占總土地面積的70.9%，是山西省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，年均輸入黃河泥沙9000多萬(wàn)噸。

2.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。本文研究所用數(shù)據(jù)有臨汾市DEM數(shù)據(jù)模型和臨汾市兩期遙感影像。其中DEM數(shù)據(jù)集的空間分辨率為30米，成像比例尺為1:10萬(wàn)。兩期遙感影像分別來(lái)自于美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat－72002年9月份的ETM和Landsat－52007年9月份的TM數(shù)據(jù)，由于臨汾市所處位置特殊故每期影像需要帶號(hào)分別為125－35、126－34、126－35三張同時(shí)期影像經(jīng)過(guò)鑲嵌、裁剪等操作才能得出完整臨汾市全市完整遙感數(shù)據(jù)。

2.2 技術(shù)路線

圖1 技術(shù)流程圖Fig1 techniquef1owcharts

3.數(shù)據(jù)處理和信息提取

3.1 DEM數(shù)據(jù)處理。根據(jù)水土流失方程 (USLE)，坡長(zhǎng)和坡度可以合在一起作為一個(gè)因子研究。本文利用研究區(qū)30M分辨率的臨汾市DEM高程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在ArcGIS中生成UTM(WGS－84)投影下臨汾市坡度圖，并根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定把坡度分為≤5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°六個(gè)等級(jí)。

3.2 遙感影像數(shù)據(jù)處理

3.2.1 遙感影像預(yù)處理。根據(jù)臨汾市所處的地理位置與陸地衛(wèi)星Landsat取景的特點(diǎn)，單幅TM或ETM影像不能全部覆蓋全部市區(qū)，故根據(jù)兩者的特點(diǎn)在對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心上下載了相關(guān)的三張同時(shí)期影像，經(jīng)過(guò)鑲嵌然后用同一投影 (WGS－84)狀態(tài)下的臨汾市矢量面經(jīng)ENVI的裁剪功能得到。由于傳感器自身因素和地形起伏的影響對(duì)影像做了幾何校正;由于大氣條件和太陽(yáng)高度角的影響使影像上產(chǎn)生一定的噪聲和誤差，故對(duì)裁剪前每幅影像進(jìn)行了傳感器定標(biāo)和大氣校正;經(jīng)過(guò)上述操作后雖然得到的臨汾市影像基本滿足條件，但為了方便后續(xù)工作的處理方便又對(duì)影像進(jìn)行了圖像增強(qiáng) (直方圖匹配、線性拉伸)，使圖像目視效果更加清晰。

3.2.2 植被覆蓋度信息提取。植被對(duì)水土流失的影響主要體現(xiàn)在植被覆蓋度的多少上，根據(jù)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)植被覆蓋度對(duì)水土流失的影響結(jié)果特別是張巖等對(duì)黃土高原植被因子和水土流失關(guān)系研究顯示:植被覆蓋度越高水土流失強(qiáng)度越弱。

植被覆蓋度作為衡量地表植被狀況最重要的指標(biāo)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握植被覆蓋度及其變化對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土流失治理工作具有重要意義。傳統(tǒng)的遙感影像植被指數(shù)提取大都是都是以像元為單位的提取方法，一個(gè)像元對(duì)應(yīng)一種地物，但當(dāng)遙感影像分辨率不高時(shí)，存在一個(gè)像元有兩種或者以上地物類(lèi)型，就有了混合像元，為了解決這個(gè)問(wèn)題有些學(xué)者提出了“混合像元法”植被指數(shù)提取方法計(jì)算植被所占比例以提高計(jì)算精度。將整景影像的地類(lèi)大致分為水體、植被和建筑，具體的計(jì)算公式 (公式1):

其中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVI=0.80和NDVIS=0.00，且有，當(dāng)某個(gè)像元的 NDVI大于0.80時(shí)，F(xiàn)V取值為1;當(dāng)NDVI小于0.00，F(xiàn)V取值為0。

生成圖像后再采用ENVI的密度分割功能根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)，把植被覆蓋度分成:0 ～30.0%、30.0% ～45.0%、45.0% ～60.0%、60.0% ～75.0%、75.0% ～1.0 五類(lèi)，然后計(jì)算各類(lèi)的面積。

3.2.3 土地利用類(lèi)型信息提取。不同土地類(lèi)型造成水土流失的等級(jí)強(qiáng)度劃分不同。土地利用變化信息的實(shí)時(shí)更新對(duì)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)很有意義。根據(jù)國(guó)家土地一級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，把研究區(qū)的土地類(lèi)型分為林地、灌木林地、草地、耕地、居民用地、水體、裸地七大類(lèi)。

本文采用監(jiān)督分類(lèi)的方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分類(lèi)。由于Landsat遙感影像波段組合的特點(diǎn)，根據(jù)前人分類(lèi)經(jīng)驗(yàn)采用了波段組合為3、2、1的真彩色波段合成，主要用于裸地、林地的識(shí)別;波段組合為5、4、3的假彩色合成主要用于水體、灌木和居民地的識(shí)別;而波段組合為7、4、2彩色合成則用于和3、2、1真彩色合成和5、4、3假彩色合成結(jié)合作輔助性分析，用于區(qū)分草地、耕地、灌木林地的劃分，提高分類(lèi)的精確度，分類(lèi)后計(jì)算各類(lèi)型變化結(jié)果。

4.水土流失等級(jí)劃分與結(jié)果

4.1 水土流失等級(jí)的劃分

4.1.1 定量等價(jià)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重的確定。本文在前人對(duì)黃土高原水土流失指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，參考通用水土流失方程 (USLE)的指標(biāo)因子，綜合考慮了研究區(qū)的地形、地貌、植被覆蓋等信息確定本文研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)因子為:坡度因子、植被覆蓋度因子、土地利用類(lèi)型因子三個(gè)因子。

(1)坡度因子的確定。黃土塬、梁、峁地形是今天黃土高原基本的地貌類(lèi)型，溝壑縱橫，形態(tài)復(fù)雜，發(fā)展速度快，由于坡度陡坡長(zhǎng)短土質(zhì)疏松，每到雨季它們是河流泥沙的供給地和初期搬運(yùn)通道，所以坡度坡長(zhǎng)因子是很重要的評(píng)價(jià)因子。中科院地理科學(xué)與資源研究所的和繼軍和蔡強(qiáng)國(guó)等的研究表明，坡度在小于45°時(shí)，隨著坡度的增大水土流失強(qiáng)度顯著增加，所以本文對(duì)坡度為≤5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°的六個(gè)等級(jí)分別賦予值為1、2、3、4、5、6的六個(gè)權(quán)重值參與等級(jí)評(píng)定。

(2)植被覆蓋度因子的確定。植被減緩甚至阻止水土流失。在裸露的土地上，通過(guò)植被覆蓋在泥土上，間接減少雨水對(duì)土層的沖刷，在阻止雨水對(duì)土層沖刷的同時(shí)，利用植物的根系對(duì)土層的保護(hù)作用，使得土層更加穩(wěn)定。

黃土高原植被稀疏，是重要的影響水土流失的因素。中科院水保所楊勤科等人的研究表明:植被影響水土流失 (減少水土流失強(qiáng)度)一個(gè)重要因素是植被覆蓋度。而NDVI指數(shù)和侵蝕強(qiáng)度正相關(guān)，可作為最佳的指示因子，所以可以作為區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)的植被因子。所以，我們采用植被覆蓋度為0～30.0%、30.0% ～ 45.0%、45.0% ～ 60.0%、 60.0% ～75.0%、75.0% ～1.0的五類(lèi)分別賦予值為1、2、3、4、5的權(quán)重加以運(yùn)算。

(3)土地利用類(lèi)型因子的確定。對(duì)土地利用類(lèi)型因子的確定實(shí)質(zhì)上是對(duì)研究區(qū)土壤類(lèi)型和植被因子綜合考慮，黃土高原的土壤主要是黃土和粉沙土，疏松不易粘結(jié)，水易被侵蝕，蝕力很低，產(chǎn)生水土流失。Wischmeier等提出了物理意義明確和操作性強(qiáng)的土壤可侵蝕性指標(biāo)，根據(jù)該指標(biāo)把水體、林地、灌木林地、草地、耕地、居民用地、裸地七大類(lèi)分別賦予0、1、2、3、4、5、6參與等級(jí)評(píng)定。

4.1.2 等級(jí)劃分模型的確定。根據(jù)通用水土流失方程(USLE)和張巖等對(duì)黃土高原各因子參數(shù)的修訂的研究結(jié)果，及本文的研究的模型和各種對(duì)水土流失的影響因子評(píng)定。最終按照水利部《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190－2007)確定本文水土流失等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)模型:G=C+LS+K

其中，G為等級(jí)，C植被覆蓋度因子，LS為坡度因子，K土地利用類(lèi)型因子。

4.2 結(jié)果

根據(jù)水土流失通用方程 (USLE)水土流失是在植被覆蓋度、坡度坡長(zhǎng)、土地利用類(lèi)型共同作用的結(jié)果，所以需要運(yùn)用通用公式進(jìn)行疊加分析，所以我們運(yùn)用ArcGIS的空間分析功能把植被覆蓋度信息圖、坡度信息圖、土地利用類(lèi)型信息圖三幅柵格信息圖在ArcGIS中經(jīng)重分類(lèi)、柵格運(yùn)算等疊加分析并按照本文確定等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)加以歸類(lèi)，得到水土流失動(dòng)態(tài)變化結(jié)果 (表1)。

表1 臨汾市水土流失動(dòng)態(tài)變化情況Table1 Thedynamicchangeofsoilerosionoflinfen

5.結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論。基于RS和GIS臨汾市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示2007年較2002年臨汾市水土流失輕度級(jí)別面積有所增加而重度水土流失面積減少。

2007年較2002年植被覆蓋度在75%的類(lèi)型同比增長(zhǎng)11.69%，面積增加了3953.03平方千米，植被覆蓋度在50%以上增加了13.263%。這是水土流失減少的重要原因之一。2007年較2002年土地利用類(lèi)型變化為裸地減少4.448%，而灌木林地增加5.807%，其他類(lèi)型變化較小，所以土地類(lèi)型對(duì)水土流失強(qiáng)度變化影響較小。可以看出水土流失強(qiáng)度大的地區(qū)坡度都在25°以上，水土流失中度地區(qū)都在15°～25°。以上結(jié)果表明，水土流失與植被，地形坡度，以及當(dāng)?shù)氐慕邓疇顩r有著密切的聯(lián)系，在治理水土流失的措施中，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡匦吻闆r，控制植被覆蓋率，是最為行之有效的方法。

5.2 展望。本論文研究表明，利用RS和GIS技術(shù)提取水土流失因子信息是切實(shí)可行的，達(dá)到了預(yù)期效果。本論文在以下方面取得明顯進(jìn)展和新認(rèn)識(shí):(1)針對(duì)研究區(qū)地理地質(zhì)環(huán)境，利用RS數(shù)據(jù)和地形圖，形成了一套基于RS和GIS的從數(shù)據(jù)采集——遙感圖像的處理——水土流失因子信息提取——GIS空間分析——水土流失強(qiáng)度分等定級(jí)及分析，較為完整的水土流失因子提取、分析的研究方法、技術(shù)路線和工作流程。這套工作方法和技術(shù)體系對(duì)中國(guó)山區(qū)水土流失的調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究，有一定的參考借鑒價(jià)值。(2)從本文研究可以看出本文采用的新的水土流失劃分原則精度較高與實(shí)際符合，這證明了新劃分原則的可行性。而新劃分原則較以往劃分標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單方便，基于RS和GIS的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有時(shí)效性與同步性，易于相關(guān)部門(mén)及時(shí)制定防范措施與政策。

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