基于RS和GIS的水土流失敏感性評價及動態監測

王紅巖, 李強子, 吳利橋, 丁雷龍,3, 張 磊, 杜 鑫

(1.中國科學院 遙感與數字地球研究所, 北京 100101;2.珠江水資源保護科學研究所, 廣州 510611; 3.中國地質大學, 北京 100083)

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基于RS和GIS的水土流失敏感性評價及動態監測

王紅巖1, 李強子1, 吳利橋2, 丁雷龍1,3, 張 磊1, 杜 鑫1

(1.中國科學院 遙感與數字地球研究所, 北京 100101;2.珠江水資源保護科學研究所, 廣州 510611; 3.中國地質大學, 北京 100083)

以Landsat-5 TM影像為主要數據源，結合高精度的土地利用數據和DEM高程，基于遙感和GIS技術，通過選取關鍵影響因子，對紅水河干流區1990年，2000年和2010年的水土流失敏感性進行了評價及其時空動態監測分析。結果表明：紅水河干流區水土流失敏感性主要以輕度敏感和中度敏感為主，1990—2010年近30 a來水土流失敏感性總體呈現好轉趨勢；在水土流失不同敏感性等級變化中，以水土流失中度敏感轉為輕度敏感面積最大，1990—2000年和2000—2010年轉化面積分別為2 736.24 km2和2 462.09 km2，1990—2000年水土流失敏感性向輕度敏感、不敏感轉化的地區主要集中在紅水河干流區中段區域，但2000—2010年水土流失敏感性等級的變化區域與之明顯不同，主要發生在紅水河干流區的東段。總體看來，在響應國家水土流失治理措施下，紅水河干流區水土流失防治效果顯著，生態環境逐漸轉好。

水土流失; 敏感性評價; 動態監測; 遙感; GIS

水土流失是當今全球面臨的一個嚴峻的環境與災害問題，嚴重的水土流失已造成了生態環境的急劇惡化，受到了越來越多的關注。水土流失導致土壤表層營養成分流失、生產力下降、土地退化、陸地生態環境惡化等問題的發生，另外農業用地的化肥農藥殘留隨著水土流失進入河道水庫，是水環境惡化的主要污染源之一[1-3]。水土流失敏感性是指自然狀態下發生土壤流失可能性的大小[4]，開展水土流失敏感性評價，有助于識別土壤侵蝕易形成的區域，評價土壤侵蝕對人類活動的敏感程度[5]，同時也為區域生態環境保護、生態安全維護、生態環境規劃和管理提供科學依據[6]。近年來隨著3S技術的發展，遙感技術在土地植被覆蓋信息獲取方面具有大面積、多時相、多波段、低成本的特色和信息豐富、動態性強的優勢，GIS技術具有強大的多要素相關空間分析的強大特點。鑒于此，國內外學者基于3S技術，在水土流失敏感性評價及土壤侵蝕潛在危險度評價等方面開展了大量研究工作[7-12]。但是在我國紅水河流域的研究相對較少，同時對于區域水土流失敏感性動態變化研究較少。

紅水河流域資源富庶，自然條件復雜多樣，但生態環境很脆弱。紅水河流域是西南地區水土流失的重災區，生產條件惡劣，生存環境惡化，改善生態環境已經刻不容緩。在此背景下，本文基于遙感和GIS技術，選取關鍵影響因子，開展紅水河流域水土流失敏感性評價，探討了水土流失敏感區的空間分布格局，同時分析了1990—2010年水土流失敏感性動態變化，以期為紅水河流域水土流失治理、有效控制該區域土壤侵蝕提出參考建議，為評價區域的水土保持規劃制定和生態環境建設提供重要的科學依據和技術支撐。

1 研究區概況

紅水河是珠江流域西江水系干流，上游系發源于云南沾益縣的南盤江，在貴州省望謨縣庶香村與北盤江匯合后始稱紅水河，自西向東橫穿廣西中部，至象州縣石龍鎮三江口與柳江匯合后改稱黔江。紅水河干流全長659 km，流域面積3.3萬km2。河流流經高原、低山和丘陵，其上游為三疊紀的砂頁巖，中下游為石炭紀、二疊紀的石灰巖。紅水河流域是典型的巖溶地貌區，巖溶地貌面積占山地總面積的65.1%。屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫為16.9～21.0℃，年降水量達1 244.0～1 590.7 mm。土壤類型主要包括赤紅壤、紅壤、黃壤、石灰土等。紅水河流域礦產資源豐富，河川徑流量大，河流落差大，蘊藏著豐富的水能資源。本文中研究區定義為紅水河干流區，其涵蓋干流區兩側第一道山脊線以內的范圍，從大藤峽沿干流上朔至天生橋一級庫尾段，包括了紅水河上游10個梯級電站流域范圍，總面積為14 193 km2，跨越廣西、貴州、云南三個省區。

2 數據及方法

2.1 遙感數據及其預處理

本文以Landsat-5 TM數據為基本遙感數據源，該數據的空間分辨率為30 m，收集整理了覆蓋紅水河干流區的1990年，2000年，2010年三個時期的影像。獲得紅水河干流區數字高程模型DEM數據，其分辨率為30 m。影像的預處理主要包括大氣校正和幾何校正兩個方面。大氣校正采用ENVI/IDL軟件提供的FLAASH大氣校正模塊進行，其基本原理是改進的MORTRAN4+模型。幾何校正參考1∶50 000比例尺地形圖，采用二次多項式進行校正，RMS誤差控制在一個像元之內。

2.2 水土流失敏感性評價指標

紅水河干流區主要為水蝕分布區，水土流失主要受降雨侵蝕力、土壤可蝕性、土地利用類型、地形、植被覆蓋度、水土保持措施等因子的影響[13-14]。由于降雨侵蝕力和土壤可蝕性變化不大，本文主要選取坡度、植被覆蓋度和土地利用類型為水土流失敏感性評價及其動態變化分析的指標(表1)。

表1 水土流失敏感性評價因子及其分級

2.2.1 坡度因子提取 根據水土流失敏感性評價分級標準，將研究區坡度劃分為<8°,8°～15°,15°～25°,25°～35°,>35°共5個級別。通過獲取的紅水河干流區DEM柵格數據，在ArcGIS中Spatial Analysis工具條下的Surface Analysis中的坡度工具(Slope)功能來生成以度為單位的坡度圖，基于劃分標準進行等級劃分，獲得紅水河干流區坡度等級分布圖。

2.2.2 植被覆蓋度因子提取 歸一化植被指數(NDVI)與植被覆蓋度存在顯著的正相關關系，本文基于紅水河干流區TM遙感影像，計算獲得NDVI分布圖，利用Gutman模型(見公式1)提取植被覆蓋度，基于水土流失劃分標準進行了等級劃分，獲得研究區植被覆蓋度等級分布圖。

(1)

式中：其中FC——植被覆蓋度；NDVIsoil——完全是裸土或無植被區域的NDVI值；NDVIveg——完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。

2.2.3 土地利用類型因子提取 基于獲取的紅水河干流區1990年，2000年，2010年三個時期的影像數據，主要采用面向對象的SVM自動識別算法進行研究區土地覆被信息提取[15-16]。通過空間數據層建立、分類劃分體系、專題信息提取及專題信息后處理等四大流程獲得高精度的紅水河干流區土地利用類型分布圖。根據紅水河干流區土地利用類型特點，研究區土地利用類型劃分為針葉林、闊葉林、灌木林、人工林、草地、水田、旱地、居住地、工礦地、河流、水庫/坑塘和裸露地12類。

2.3 水土流失敏感性綜合評價

根據紅水河流域的實際情況及各個因子對水土流失影響的大小，參考前人研究結果，確定紅水河干流區水土流失敏感性評價各因子的權重，其中，坡度因子權重0.3，植被覆蓋度權重為0.4，土地利用類型權重為0.3[17]。利用ArcGIS空間分析模塊功能，采用多因子加權求和模型(見公式2),將各評價因子與其相應的權重疊加分析和代數運算，再采用自然分界法(Natural break)將運算結果劃分5級(表2)，得到紅水河干流區1990年水土流失敏感性分級圖，其中，自然分界法是利用統計學的Jenk最優化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小[18]。根據1990年研究區自然分界法的劃分閾值，對2000年和2010年的各因子加權求和結果進行劃分，得到研究區2000，2010年水土流失敏感性分級圖。

(2)

式中：S——水土流失敏感性綜合評價結果；Wi——第i個評價指標因子的權重；Ai——第i個指標因子的數量化值；n——評價指標因子的個數(本文n=3)。

表2 水土流失敏感性綜合評價分級

3 結果與分析

3.1 紅水河干流區水土流失敏感性空間分布

基于獲取的紅水河干流區的TM遙感數據及DEM數據，依據水土流失敏感性分級遙感評價方法，獲得1990年，2000年，2010年紅水河干流區水土流失敏感性等級分布圖，再分別對研究區水土流失不同敏感性等級的面積進行統計分析，分析結果見表3。從表3中可以看出，紅水河干流區水土流失敏感性等級主要以輕度和中度為主，分別占了總面積的92.66%，94.83%，93.61%。在1990年代，水土流失中度敏感區所占比重最大，但在2000和2010年代，水土流失輕度敏感區所占比重最大，表明1990年代水土流失發生可能性要比2000年代、2010年代大。

從表3中可以看出，紅水河干流區1990年，2000年，和2010年三個年代水土流失敏感性空間分布存在較大變化。在紅水河干流區西段區域主要是原始闊葉林、灌木林和高山草地，人為擾動相對較少，植被覆蓋度較高，在1990年代，水土流失輕度敏感區分布最多，在2000—2010近二十年來，水土流失敏感性等級變化不大，主要以輕度和中度水土流失為主。紅水河干流區中段區域2000年代和1990年代水土流失敏感性存在明顯變化，主要由原來的中度敏感區向水土流失輕度敏感區的轉化。紅水河干流區東段區域2010年代和2000年代水土流失敏感性等級存在明顯變化，主要由原來的水土流失中度敏感區向輕度敏感和不敏感的轉化。這主要是因為國家對水土流失治理工作的重視，加強了水土流失的治理，以及紅水河流域的開發利用與生態環境治理保護相結合的開發戰略，在紅水河中、下游大力發展針葉、針闊混交林，建立速生豐產用林，在下游平原發展混農林業等措施減小了水土流失發生的可能性。

從表3中可以看出，近三十年來紅水河干流區水土流失敏感性有所好轉，中度和高度敏感區面積減少，水土流失不敏感和輕度敏感區面積增加。其中1990—2000年代水土流失敏感性等級變化明顯，中度敏感區面積減少了1 388.12 km2，在2000—2010年代中度敏感區面積也有所減少，減少575.57 km2。同時，高度敏感區面積也存在較大幅度的減少，說明紅水河干流區生態環境逐漸好轉，生態質量得到較明顯的改善。

表3 1990，2000，2010年代紅水河干流區水土流失敏感性類型面積統計

3.2 紅水河干流區水土流失敏感性的動態監測

對水土流失敏感性分級圖做了進一步統計分析，表4和表5分別為1990—2000年代和2000—2010年代不同水土流失敏感等級的轉移矩陣。從表4中可以得出，1990—2000年水土流失敏感性向輕度敏感、中度敏感和不敏感轉化明顯。1990—2000年，有2 736.24 km2的水土流失中度敏感區轉為輕度敏感，有276.74 km2的水土流失輕度敏感區轉為不敏感，并且主要分布在紅水河干流區的中段以及東部的大藤峽水電站區段，這些區域加強了水土流失治理工作，石山荒山綠化，加大了植樹造林的面積，控制了水土流失，改善了生態環境。同時2000年代的水土流失高度敏感區的增加主要是中度敏感區的轉移，增加的面積達247.40 km2，主要分布在紅水河干流區西段區域，說明這些區域植被大面積遭破壞，植被覆蓋率下降，水土流失發生可能性大大增加。

從表5中可以得出，2000—2010年水土流失敏感性等級變化主要還是向輕度、不敏感和中度的轉化，與1990—2000年變化一致，但變化分布區域有所不同。2000—2010年水土流失敏感性等級變化中轉為不敏感和輕度敏感區域主要分布在紅水河干流區東段。其中：408.95 km2的水土流失輕度敏感區轉化為不敏感，但同時有256.17 km2不敏感區轉為水土流失輕度敏感區；有2 462.09 km2的中度敏感區轉變為輕度敏感，同時水土流失高度敏感區中有60.42 km2轉為輕度敏感，有262.22 km2轉為水土流失中度敏感區。總體來說，2000—2010年紅水河干流區水土流失得到控制，水土流失敏感性有所減輕，生態環境逐漸變好。

表4 紅水河干流區1990-2000年水土流失敏感性等級轉移矩陣 km2

表5 紅水河干流區2000-2010年水土流失敏感性等級轉移矩陣 km2

4 結論與討論

本文基于遙感和GIS技術，分析了紅水河干流區1990—2010年近30 a的水土流失敏感性分布及其時空動態變化，研究結果為掌握該區域水土流失發生可能性及治理措施的實施提供一定的參考價值。研究結果表明：

1) 通過對紅水河干流區1990年，2000年，2010年水土流失不同敏感性等級面積統計分析發現，紅水河干流區水土流失敏感性主要以輕度和中度為主，分別占了總面積的92.66%，94.83%，93.61%。

2) 通過水土流失不同敏感性等級面積轉移矩陣分析得出，1990—2010年來，紅水河干流區水土流失敏感性向輕度、中度和不敏感轉化明顯，水土流失持續好轉。式中：水土流失中度敏感區轉為輕度敏感面積最大，1990—2000年和2000—2010年轉化面積分別為2 736.24 km2和2 462.09 km2。但1990—2000年和2000—2010年水土流失敏感性向輕度敏感、不敏感轉化的地區分布不同，在1990—2000年，變化主要集中在紅水河干流區中段區域，而2000—2010年水土流失的轉化主要發生在紅水河干流區的東段。

3) 雖然近30 a來紅水河干流區水土流失敏感性有所改善，但在有些區域水土流失中度敏感轉為高度敏感，對于這些區域需要加大水土流失治理力度，采取植樹造林等措施進一步有效的遏制研究區的水土流失發生的可能性。

4) 水土流失的影響因子是多方面的，本研究從地形坡度、植被覆蓋度及土地利用類型等3個因子考慮，參考前人研究結果定義了水土流失敏感性評價中三個因子的權重，研究結果有一定的片面性。在今后的研究中，將從自然演化和人為干預兩個方面，選取較為全面的影響因子進行評價，探索紅水河干流區水土流失敏感性影響因子的權重計算與評價方法。

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Dynamic Monitoring and Sensitivity Evaluation of Soil Erosion Based on RS and GIS

WANG Hongyan1, LI Qiangzi1, WU Liqiao2, DING Leilong1,3, ZHANG Lei1, DU Xin1

(1.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 2.ScientificInstituteofPearlRiverWaterResourcesProtection,Guangzhou510611,China; 3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

With the support of remote sensing and GIS, the sensitivity of soil erosion in Red River district was studied based on the Landsat-5 TM image and combining with high-precision land use data and DEM. Based on these, the dynamic monitoring of soil erosion sensitivity in 1990—2010 was analyzed. The results showed that the soil erosion sensitivity in Red River district was mainly at mild and moderate degree, the sensitivity of soil erosion had become better from 1990 to 2010. The largest change area of the soil erosion sensitivity was from moderate level to mild degree, the transformed areas of 1990—2000 and 2000—2010 were 2 736.24 km2and 2 462.09 km2, respectively. The soil erosion sensitivity conversion which was the other erosion sensitivity converted to mild, and micro soil erosion sensitivity from 1990 to 2000 mainly concentrated in the middle of the Red River district, however, the change area from 2000 to 2010 was different from that from 1990—2000, which was mainly in the east of the Red River district. Overall, in response to the national soil erosion control measures, the performed water and soil conservation measures in Red River district were very effective and the eco-environment gradually improved.

soil erosion; sensitivity evaluation; dynamic monitoring; RS; GIS

2014-04-28

2014-05-29

紅水河綜合利用規劃環境影響后評價研究(1261320610403)

王紅巖(1986—),女,山東省聊城市人,博士,助理研究員,主要從事生態遙感、荒漠化遙感監測與評價研究。E-mail:wanghy@radi.ac.cn

吳利橋(1970—),男,湖北通城人，高級工程師，主要從事水資源保護、環境規劃、環境影響評價工作。E-mail:wulq2004@126.com

S157

1005-3409(2015)02-0064-05