基于GIS技術的全國水土流失動態監測與公告項目成果的應用與數據挖掘

姬俊虎，韓鳳翔，周樂群，吳勇前

(1.長江流域水土保持監測中心站，湖北 武漢 430010；2.長江水利委員會 水土保持局，湖北 武漢 430010；3.秭歸縣水土保持局，湖北 秭歸 443600)

全國水土流失動態監測與公告項目(以下簡稱“公告項目”)是由水利部水土保持監測中心會同七大流域機構實施的經常性專項業務費項目，自2013年實施以來，不僅獲得了全國各水土流失重點防治區大量抽樣縣具有準確對應關系的關于土地利用、林草植被覆蓋、林緣線、土壤侵蝕等數據成果，而且收集了大量基礎資料。公告項目的數據成果采用統一的技術標準，獲得的數據豐富、全面、具有時間連續性，各單項數據應用領域廣，而且基于GIS平臺可實現對具體對象的運算和統計，從而發掘成果數據的應用潛力。以三峽庫區重點治理區抽樣縣——湖北省秭歸縣為例，介紹了單項數據的功能性和拓展應用，以探索多期單項成果的挖掘應用價值和同期多項成果的綜合應用價值。

1 公告項目單項數據成果

(1)土地利用數據。土地利用數據是通過遙感影像解譯得到的，遙感技術的日新月異使得獲取的土地利用數據更加高效和準確，能更好地服務于水利前期規劃[1]、小流域水土流失治理[2]和土壤侵蝕計算等。

(2)林草植被覆蓋數據。林草植被覆蓋數據在林業、牧業上應用廣泛，常用于土壤侵蝕量計算和水土保持效益評價[3]，還可通過分析林草植被覆蓋度，服務于農業產業結構調整[4]。

(3)林緣線數據。確定林緣線是植物空間劃分的重要手段，可應用于林業上的防火帶設計，有助于重要生態功能紅線劃定，還可應用于城市建設方面，如《大連市關于加強林地綠地保護嚴格審批監管程序的若干規定》中規定“今后任何單位和個人不得毀壞和侵占城市林地綠地，新建建設項目應與山體保持一定距離，城市林地林緣線5米內不得進行開發建設”。

(4)DEM數據。數字高程模型(DEM)是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。應用GIS技術可以從DEM數據中獲取坡度、坡向、坡長等數據，其中坡度常用于土壤侵蝕計算，坡度、坡長、坡向多用于分析對土壤侵蝕的影響[5-6]。此外，DEM還用于林業調查圖斑界線的提取[7]。

(5)土壤侵蝕數據。土壤侵蝕數據是根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，應用土地利用現狀、林草植被覆蓋度、坡度等數據，通過空間運算獲得的。數據成果不僅能反映土壤侵蝕在時間、空間上的分布特點，還能夠反映土壤侵蝕現狀和變化趨勢，為生態文明建設提供技術支撐。

2 公告項目成果的功能性應用

2.1 服務于《中國水土保持公報》編制

公告項目自2013年實施以來一直為《中國水土保持公報》編制提供土地利用、林草植被覆蓋、林緣線、土壤侵蝕等基礎數據。2018年8月，《中國水土保持公報(2017年)》向社會發布，至此公告項目已經連續5年為《中國水土保持公報》編制提供數據支持。

2.2 服務于各項規劃

水土流失動態監測覆蓋范圍廣、數據時效性強，監測成果適合應用于各項規劃，比如：長江流域水土保持監測中心站應用15 m影像解譯完成的10萬km2丹江口庫區第一期水土流失動態監測成果，曾直接服務于丹江口庫區25個縣的丹江口庫區及上游水土保持“十一五”規劃[8]，在后續的小流域水土流失治理的可研、初設、施工設計(包括典型設計)等過程中也有應用；10萬km2丹江口庫區第二期水土流失動態監測成果曾應用于丹江口庫區及上游水土保持“十二五”規劃控制單元指標權重計算，以確定水土保持重點區域；丹江口庫區及上游水土保持“十三五”規劃也應用水土流失遙感監測成果計算控制單元指標權重[1]。

湖北省秭歸縣在進行2014年度三峽庫區生態屏障區規劃設計過程中，為使規劃設計成果能更加貼近實際情況，使用了2013年度全國水土流失動態監測與公告項目長江流域秭歸縣的監測成果，完成了沙鎮溪鎮、梅家河鄉、周坪鄉、屈原鎮等4個鄉鎮所涉及的屏障區的土地利用圖和土壤侵蝕圖，以及屏障區的調查、復核和規劃，提升了工作效率，節省了財力和人力。

2.3 服務于水土流失治理

公告項目數據服務于水土流失治理，可輔助工程片區選址、措施布設等，使工作的推進做到有據可依、有的放矢。湖北省秭歸縣全國坡耕地水土流失綜合治理工程羅圈荒項目區在2014年項目片區選址時，利用GIS平臺對公告項目2013年土地利用數據和坡度數據、鄉鎮區劃數據進行空間運算，按坡耕地占比對各村進行排序，選擇坡耕地比例較高的村作為擬選片區，根據坡耕地集中連片、近水近路、利于產業調整的原則選擇羅圈荒、賀坪、徐家山、蔡家坡、周家坡和后坪共6個片區。在工程措施布設時，調用GIS平臺上之前的空間運算成果，以片區內坡耕地圖斑為對象，按坡度條件選定5°～15°區間的坡地作為工程措施主要布設區域，再結合現場調查地塊的立地條件設計梯坎，布設攔蓄排灌設施等。

3 公告項目成果的擴展應用

3.1 服務于政府職能部門日常管理

公告項目有土地利用、林草植被覆蓋、土壤侵蝕等多期單項成果，經數據挖掘后可以發揮出更大的技術支撐作用。以多期土地利用年度監測成果為例，經GIS平臺進行數據挖掘后，建立同名地物不同期次土地利用圖斑之間的關聯，追蹤其年際演變關系，查找影響年度土地利用變化的主要因素，可以為政府職能部門的日常管理提供技術支撐。以湖北省秭歸縣2013、2014年公告項目遙感監測的土地利用成果為例，應用GIS平臺可以追蹤同名地物土地利用圖斑的年際演變并建立一一對應的關聯關系，進而分析變化的持續情況和造成變化的主因，判斷土地利用變化對土壤侵蝕的影響，還可以進一步結合項目資料確定落實水土流失防治責任的責任主體，有助于政府職能部門有針對性地督促責任主體落實防護責任，提升水土保持日常管理的效率。

3.2 服務于政府水土保持目標考核

土壤侵蝕是土地退化和生態環境惡化的重要原因。為貫徹落實黨中央、國務院關于生態文明建設的決策部署和水土保持法的要求，更好地發揮水土保持在改善生態環境、推動脫貧攻堅、增進民生福祉等方面的作用，水利部下發了《水利部關于加快推進水土保持目標責任考核的指導意見》(水保〔2017〕108號)，其中水土保持目標責任考核的指標體系由各省(自治區、直轄市)結合當地實際情況具體確定。公告項目數據的時效性、序列性、豐富性和標準性有助于其服務于政府水土保持目標考核，利用GIS平臺對公告項目基礎數據庫進行空間運算，經數據挖掘建立多源數據間的關聯，以水土流失面積、消長變化和分布變化為考核內容，以變化主因為治理(督查)導向，最終的治理成果又反饋到年度水土保持目標考核上，不僅有助于數據成果服務于各級政府的水土保持目標考核，使考核指標具體化，而且有助于項目成果有針對性地服務于水土流失治理，治理前后的效果對比可體現政府應對目標考核的作為，從而可更好地體現考核的初衷。應用流程見圖1。

圖1 公告項目成果服務于政府水土保持目標考核應用流程

(1)應用層一(本底數據)。從公告項目的遙感信息源入手，根據《水土保持遙感監測技術規范》(SL 592—2012)，對遙感影像進行遙感解譯獲取土地利用現狀和林草植被覆蓋度成果，應用地形數據獲取坡度數據，輔以地形地貌、巖性、土壤、降水等基礎數據構成用于空間運算的本底數據庫，同時注重野外調查數據及地面監測數據的采集和整理，充實基礎數據庫，為空間運算成果的復核和后續應用奠定基礎。如：調查災害事件的范圍，用以降低偶發災害對水土保持考核指標的影響；分析三級區內監測點的地面監測數據及地形地貌、巖性、土壤、降水等條件，通過GIS平臺圈定與監測點條件耦合的范圍，以便用地面監測數據對該范圍內的空間運算成果進行復核。

(2)應用層二(目標考核)。應用土地利用現狀、林草植被覆蓋度、坡度等本底數據，根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)獲取土壤侵蝕數據，再疊加各基礎數據，整理得到土壤侵蝕等級、面積及其所對應的坡度、土地利用類型或林草植被覆蓋度數據，以及巖性、土壤、降水等基礎數據。以該成果為基礎，結合《水利部關于加快推進水土保持目標責任考核的指導意見》(水保〔2017〕108號)文件精神，在非偶發自然災害區域以年度水土流失面積及其消長變化和分布變化作為評價內容，與其他指標共同來考核年度水土保持目標落實情況。

(3)應用層三(開展治理)。首先利用GIS軟件分析出各土壤侵蝕等級地塊所對應的巖性、土壤、降水、坡度、土地利用現狀和林草植被覆蓋度等數據，測算這些數據對各地塊水土流失消長變化的影響值并排序，確定影響水土流失消長變化的主要因素；其次應用小流域邊界數據，以土壤侵蝕等級和面積為主要指標，參考巖性、土壤、植被等基礎數據，將各小流域進行治理優先順序方面的排序；最后根據各地塊的詳細信息，結合資金情況確定治理范圍和地塊，設計水土流失治理措施。

(4)應用層四(效果展現)。通過對比治理前后的影像資料(包括照片、視頻)和年度監測數據，展現治理效果，反映水土保持目標責任的落實情況。

上述應用層，以GIS平臺和基礎數據庫為支撐，以數據間的關聯為紐帶，以考核指標為導向，以治理(督查)為手段，使水土流失現狀、水土保持目標責任落實情況和治理工作之間環環相扣、互為關聯，也使整個水土保持目標考核過程更加有據可循。

4 結 論

公告項目成果不僅為《中國水土保持公報》編制提供基礎數據，還被廣泛應用于相關規劃、設計、治理過程中，經數據處理后可以更好地服務于政府職能部門的日常管理和政府的水土保持目標考核。隨著公告項目的滾動實施、全覆蓋型大數據的生成、數據處理技術的進步，公告項目成果未來將更好地服務于社會經濟發展和生態文明建設。