基于遙感的川滇生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究

徐 慶，李 亮，李國明，申學(xué)林

（1.自然資源部第六地形測量隊(duì)；2.四川省地理國情與資源環(huán)境承載力監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，成都 610500）

川滇生態(tài)屏障是重要的長江上游生態(tài)安全屏障，位于川滇西部及四川盆地的過渡地帶，是長江流域的生態(tài)屏障，在川滇高山峽谷水土流失控制、秦嶺生物多樣性保護(hù)等方面具有重要作用[1-2]。由于該區(qū)域本身的脆弱性，加之人類不合理的資源開發(fā)利用，其生態(tài)屏障功能未能充分發(fā)揮。

遙感影像具有覆蓋面積大、獲取周期短的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度監(jiān)測、水土流失監(jiān)測等領(lǐng)域[3-4]。在植被覆蓋度監(jiān)測領(lǐng)域，有人利用多光譜遙感影像計(jì)算歸一化差異植被指數(shù)，在此基礎(chǔ)上生成植被覆蓋度[5]。在水土流失監(jiān)測領(lǐng)域，許多學(xué)者提出了不同的水土流失監(jiān)測模型。徐涵秋等提出度量水土流失強(qiáng)度的遙感生態(tài)指數(shù)，在福建省長汀縣水土流失區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用[6]。

為監(jiān)測川滇生態(tài)屏障區(qū)自然生態(tài)狀況，本文提出一種基于遙感的川滇生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法，選取植被覆蓋、水土流失兩個指標(biāo)度量川滇生態(tài)屏障區(qū)的自然生態(tài)狀況，利用歸一化差異植被指數(shù)構(gòu)建植被覆蓋度，采用中國土壤流失方程計(jì)算反映區(qū)域水土流失現(xiàn)狀的土壤侵蝕強(qiáng)度[7]。

1 試驗(yàn)區(qū)及遙感數(shù)據(jù)源

川滇生態(tài)屏障區(qū)位于中國西南的四川和云南兩省，其地理位置為東經(jīng)98°35′～104°59′、北緯26°36′～34°19′，土地總面積約19.4 萬km2。該區(qū)域在地貌上屬于青藏高原的東延部分，地形西北高、東南低。區(qū)域內(nèi)河流較多，水系發(fā)育多呈樹枝狀或羽毛狀分布，主要有金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等。氣候以高原山地溫帶、寒溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎瑢儆诟咴降卮怪斌w系。

本文使用的主要遙感數(shù)據(jù)源為2015年和2016年Landsat8 遙感衛(wèi)星影像，空間分辨率為30 m。對原始影像進(jìn)行相對輻射校正，然后進(jìn)行影像拼接。

2 研究方法

本文以遙感影像為基礎(chǔ)，從地表覆蓋、植被覆蓋、水土流失3 個方面評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。其間利用遙感影像分類方法獲取地表覆蓋結(jié)果；計(jì)算歸一化差異植被指數(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建植被覆蓋度；結(jié)合氣象、土壤等專題數(shù)據(jù)，利用中國土壤流失方程度量土壤侵蝕強(qiáng)度。具體方法流程如圖1所示。

圖1 方法流程

2.1 植被覆蓋度

利用遙感影像的近紅外波段與紅波段，依據(jù)式（1）計(jì)算歸一化差異植被指數(shù)，即

式中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，其介于[-1，1]；NIR、R分別為近紅外波段與紅波段的灰度值。

基于歸一化差異植被指數(shù)值，采用式（2）計(jì)算植被覆蓋度，即

式中，VEG、NDVI分別為植被覆蓋度、歸一化差異植被指數(shù)；NDVImin、NDVImax分別為區(qū)域內(nèi)歸一化差異植被指數(shù)的最小值與最大值。VEG值介于[0，1]。

遙感影像上植被覆蓋越密集的地方植被覆蓋度越大，反之則越小。在影像上，分別選取20 個無植被覆蓋的裸土區(qū)和沙漠區(qū)以及高植被覆蓋的植被區(qū)，每處區(qū)域像元個數(shù)不少于4 個。無植被覆蓋區(qū)域NDVI的平均值即為NDVImin，高植被覆蓋區(qū)域NDVI的平均值即為NDVImax。

依據(jù)植被覆蓋度，采用表1的分級方法將區(qū)域劃分為劣蓋度、低蓋度、中蓋度和高蓋度四類。

表1 植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 水土流失

采用中國土壤流失方程計(jì)算表征水土流失現(xiàn)狀的土壤侵蝕強(qiáng)度，其公式如下：

式中，SE為土壤侵蝕強(qiáng)度，R、K、LS、B、E、T分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子。

依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度，將區(qū)域劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈六大類。表2為具體分級方式，其中土壤侵蝕強(qiáng)度的單位為t/（km2·a）。

表2 水土流失分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 降雨侵蝕力

本研究采用日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算各站點(diǎn)半月降雨侵蝕力，在此基礎(chǔ)上得到年平均降雨侵蝕力，利用各站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，采用克里金內(nèi)插方法進(jìn)行降雨侵蝕力空間插值，得到降雨侵蝕力空間分布圖。計(jì)算公式如下：

式中，Rihom為當(dāng)年第i個半月的降雨侵蝕力（1 ≤i≤24）；mi為當(dāng)年第i個半月內(nèi)侵蝕性降雨日數(shù)，當(dāng)日降雨量大于12mm 時，該日判定為侵蝕性降雨日；Pi k為第i個半月內(nèi)第k個侵蝕性降雨日的降雨量；Pyear為當(dāng)年侵蝕性降雨量的平均值；Pyears為多年侵蝕性降雨量的平均值；Ryear為當(dāng)年降雨侵蝕力。

2.2.2 土壤可蝕性

土壤可蝕性采用式（8）計(jì)算：

式中，S為坡度因子；θ為坡度值。

坡長因子計(jì)算如下：

式中，L為坡長因子；θ為坡長；m為坡長指數(shù)。

2.2.4 生物措施

式中，K為土壤可蝕性；SAN、SIL、CLA、C分別為砂礫、粉粒、黏粒和有機(jī)碳的百分比含量，并且SNI=1-SAN/100。

2.2.3 坡度坡長坡度因子計(jì)算如下：

依據(jù)地表覆蓋類型與植被覆蓋度，賦予不同的生物措施因子值，具體對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 生物措施因子與植被覆蓋、地表覆蓋對照表

2.2.5 工程措施

工程措施因子的計(jì)算公式如下：

式中，E為工程措施因子；St為梯田面積；Sd為淤地壩控制面積；St、Sd分別為梯田面積與淤地壩控制面積；S為土地面積。α、β分別為梯田和淤地壩的減沙系數(shù)，其值分別為0.763 和1。

2.2.6 耕作措施

耕作措施因子取決于坡度值，如表4所示。

表4 不同坡度條件下的耕作措施因子T 值

3 試驗(yàn)及分析

3.1 植被覆蓋度監(jiān)測

2015年、2016年川滇生態(tài)屏障區(qū)的植被覆蓋度空間分級圖如圖2所示。從圖中可以直觀看出，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋良好，以高蓋度、中蓋度為主，劣蓋度、低蓋度占少數(shù)。2015年劣蓋度區(qū)域集中在中部區(qū)域，2016年劣蓋度區(qū)域集中在北部區(qū)域。

圖3為植被覆蓋度分級占比圖。從圖中可以看出，2015-2016年，川滇生態(tài)屏障區(qū)的植被覆蓋度變化較小。區(qū)域內(nèi)高蓋度比重較大，2015年為89%，2016年達(dá)到90%。

3.2 水土流失監(jiān)測

川滇生態(tài)屏障區(qū)2015年、2016年水土流失空間分級圖如圖4所示。從圖中可以看出，區(qū)域內(nèi)水土流失總體情況較好，以微度、輕度為主。

從侵蝕總量上看，2015年該區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)為481.22 t/（km2·a），年土壤侵蝕總量為0.94 億t； 2016年該區(qū)域的平均土壤侵蝕模數(shù)為597.78 t/（km2·a），年土壤侵蝕總量為1.2 億t，土壤侵蝕總量呈增大趨勢。

從侵蝕級別上看，2015-2016年，微度侵蝕土壤面積呈增大趨勢，增加7 013 km2；輕度土壤侵蝕面積呈減少趨勢，減少8 740 km2；強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈級土壤侵蝕區(qū)域有所增加，共增加1 814 km2。圖5為2015年、2016年川滇生態(tài)屏障區(qū)微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈6 類水土流失的面積圖，單位為平方千米（km2）。

圖3 川滇生態(tài)屏障區(qū)2015年、2016 植被覆蓋度 分級占比圖

圖4 川滇生態(tài)屏障區(qū)2015年、2016 水土流失 空間分級圖

圖5 2015年、2016年川滇生態(tài)屏障區(qū)水土流失 面積對比

4 結(jié)論

遙感是一種重要的生態(tài)監(jiān)測手段。本文以川滇生態(tài)屏障區(qū)為研究區(qū)域，提出了一種基于遙感的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法。其間利用歸一化差異植被指數(shù)構(gòu)建植被覆蓋度，采用中國土壤流失方程計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明了自然生態(tài)遙感監(jiān)測方法的有效性，筆者可以據(jù)此得出以下結(jié)論。

川滇生態(tài)屏障區(qū)植被覆蓋度總體穩(wěn)定，呈現(xiàn)變好趨勢。2015年、2016年各類植被覆蓋度的變化較小，變化幅度約為1%。高植被覆蓋度區(qū)域面積比重較大，達(dá)到89%左右。與2015年相比，2016年高植被覆蓋度比重提升1%，呈現(xiàn)變好趨勢。川滇生態(tài)屏障區(qū)水土流失情況總體好轉(zhuǎn)。與2015年相比，2016年微度土壤侵蝕區(qū)域呈增大趨勢，增大7 013 km2，水土流失整體略有好轉(zhuǎn)。但是，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈土壤侵蝕區(qū)域呈增大趨勢，水土流失綜合治理工作仍然有待加強(qiáng)。