基于SOFM神經網絡的湖南省水土流失重點防治區劃分

宋 楠

(湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007)

湖南省水土流失重點防治區劃分是湖南省水土保持規劃的核心內容，也是落實《中華人民共和國水土保持法》和《湖南省實施〈中華人民共和國水土保持法〉辦法》的重要舉措[1]。水土流失的發生及其防治是一個動態變化的過程，反應水土流失重點區域的水土流失重點防治區也應隨之調整[2]。為滿足新形勢下湖南省水土保持工作的需求，亟需開展境內重點防治區的劃分工作。

近年來，越來越多的專家學者從不同角度對重點防治區劃分進行深入研究，其內容主要包含指標體系的構建和指標閾值的確定[3- 5]。現階段我國不同省區在水土流失重點防治區劃分過程中，由于自然社會條件相差各異，其劃分指標不盡相同[6- 13]，本次劃分根據湖南省的自然社會條件，提出了湖南省水土流失重點防治區劃分指標體系。當前省域水土流失重點防治區劃分主要是定性指標與定量指標相結合，但以定性為主劃分，少量定量指標也多是人為判讀，存在很大的主觀性，劃分過程科學性、客觀性還存在一定不足[14- 15]。因此，為提高湖南省水土保持規劃劃分水土流失重點防治區的定量化水平，本次劃分創新的運用SOFM神經網絡法進行了指標閾值的確定。

1 研究區概況

湖南省地處我國中部、長江中游地區，是長江中下游地區水土流失較為嚴重的省份之一。侵蝕類型以水蝕為主，部分地區存在滑坡、泥石流等重力侵蝕。根據湖南省第三次土壤侵蝕遙感調查數據，全省現有輕度以上土壤侵蝕面積37357.47km2，占全省土地總面積的17.63%。其中，輕度侵蝕面積25498.07km2，中度侵蝕面積9337.44km2，強烈侵蝕面積1298.02km2，極強烈侵蝕面積925.89km2，劇烈侵蝕面積298.05km2。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本研究涉及有水土流失現狀、土地利用、地形坡度、坡耕地分布、植被覆蓋度等數據。其中，水土流失數據采用湖南省水土保持監測總站2015年發布的湖南省第三次土壤侵蝕遙感監測數據；土地利用數據采用2015年湖南省第二次土地調查數據。同時，運用ArcGIS軟件空間分析功能，基于數字高程模型DEM數據生成湖南省坡度以及坡耕地空間分布圖，并計算出各鄉鎮坡度和坡耕地面積比；使用湖南省TM影像，獲得本次劃分所需要的植被覆蓋和植被類型數據，并計算出各鄉鎮森林覆蓋率。

2.2 技術路線

湖南省水土流失重點防治區劃分技術路線詳如圖1所示。

圖1 湖南省水土流失重點防治區劃分技術路線圖

2.3 劃分方法

2.3.1水土流失重點防治區劃分指標體系

湖南省劃分水土流失重點防治區的指標體系是在國家級水土流失重點防治區劃分的基礎上，從水土保持學科和行業特點出發，結合湖南省實際情況進一步細化確定，包括定性指標與定量指標。

(1)重點預防區劃分指標體系

定性指標：①是否涉及湘、資、沅、澧四水及其他江河源頭；②是否涉及國家級和省級的自然保護區、風景名勝區、森林公園、地質公園、重要濕地、城市群生態綠心地區等生態功能區及國家級蓄滯洪區；③是否涉及25°以上的陡坡地和20°以上的風化花崗巖、紫色砂頁巖、紅砂巖、泥質頁巖坡。

定量指標：①集中連片面積；②森林覆蓋率。

劃分標準：定性指標中滿足任意一項均可劃入水土流失重點預防區，定量指標中①～②項需同時滿足方可劃入水土流失重點預防區。

(2)重點治理區劃分指標體系

定性指標：①水土流失危害程度；②水土流失治理緊迫性。

定量指標：①集中連片面積；②水土流失面積比；③中度以上水土流失面積比；④坡耕地面積比。

劃分標準：符合定性因素中的任意一項，并同時滿足定量指標中①～③項或第④項的方可劃入省級水土流失重點治理區。

2.3.2基于SOFM的指標閾值確定

指標閾值的確定是將準備好的重點預防區與治理區劃分定量指標數據導入MatLab7.0中運行，運行SOFM神經網絡程序進行自動分類，從而得出具體的指標閾值，見表1。

表1 基于SOFM的水土流失重點防治區劃分定量指標閾值確定

3 劃分結果與分析

根據確定的水土流失重點防治區劃分指標體系和定量指標閾值，基于GIS平臺開展多因子空間疊置分析，得出基于SOFM的水土流失重點防治區定量劃分方案，隨后根據定性指標進行數據修正，得出最終的湖南省水土流失重點防治區劃分成果。

3.1 湖南省水土流失重點預防區劃分結果

根據劃分成果，湖南省共劃定6個省級水土流失重點預防區，涉及45個縣(其中含重復縣市區8個)，重點預防面積16193.53km2，詳見表2。

3.2 湖南省水土流失重點治理區劃分結果

根據劃分成果，全省共劃定5個省級水土流失重點治理區，涉及37個縣(其中含重復縣市區18個)，重點治理面積10686.63km2，詳見表3。

表2 湖南省省級水土流失重點預防區劃分結果表

3.3 湖南省水土流失重點防治區劃分情況匯總

涉及湖南省的國家級水土流失重點防治面積為14749.69km2，其中國家級重點預防面積7164.24km2，國家級重點治理面積7585.45km2；本次省級水土流失重點防治面積為26880.16km2，其中省級重點預防面積16193.53km2，省級重點治理面積10686.63km2。共計重點防治總面積41629.85km2，占全省國土總面積的19.65%。

4 結論

本研究確定了湖南省水土流失重點防治區劃分指標體系，并創新的選用SOFM方法進行指標閾值的確定，提高了劃分結果的客觀性和準確性。劃分方法為湖南省各市縣區和正處于探索階段的其他省份開展水土流失重點防治區劃分工作提供了借鑒和參考，劃分成果為《湖南省水土保持規劃》的編制和指導全省水土保持生態建設工作奠定了重要的基礎。

表3 湖南省省級水土流失重點治理區劃分結果表