遙感評估技術在南疆地區水土保持監測中的應用

張 攀

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 概 述

在20世紀50年代初，國內的水蝕面積約為153×104km2，到20世紀末，擴大到367×104km2。水土流失土地面積占全國土地面積的38.2%，已成為環境問題的重中之重。利用遙感技術可以研究人類無法接觸的危險區域，具有不受時間及空間的限制和靈活等優點，因此在水土保持領域具有廣泛的應用[1-2]。本文主要介紹遙感的應用特點，結合水土保持監測項目，總結遙感技術在水土保持動態監測中的具體應用，討論該技術在水土保持領域的重要性和發展前景。

2 遙感評估

不同生態系統類型的有機組成形成了一定區域的生態系統格局。重點調查南疆地區喀什地區以及克孜勒蘇柯爾克孜自治州兩地區16個縣市生態系統類型的空間分布、面積及比例等的變化。生態系統空間評價的目標是結合遙感、地面調查以及生態系統多年觀測數據，調查與評價兵團陸地生態系統類型、分布、比例與空間分布及其5年來的變化狀況，分析研究區生態系統相互轉化特征，整體把握研究區域生態分布以及水土流失的狀況。

2.1 遙感指標

大面積檢測與分析是遙感評估一個重要方面，通過設計一些指標，利用不同光譜波段反射系數的差異(植被指數)，從而可以對植被及其變化進行大量檢測，植被消失的區域可視為水土流失增加的區域，見圖1。植被指數旨在突出某些植被特性，它們來自兩個或多個表面反射波長，表示被觀測植被的反射特性。自太空時代開始以來，衛星從大片土地上探測到的反射率被用來推斷這些指數。圖2為遙感捕獲的一些多光譜圖像。我們將這些指數大致分為3類：寬綠帶、窄綠帶和其他。

圖1 遙感多波段圖像

圖2 植被指數遙感中使用的一些光譜帶

寬頻帶綠度指標主要是反映綠色植被數量和質量的簡單指標。組分反射率測量對葉面覆蓋、葉綠素濃度、樹冠面積和建筑結構敏感，他們比較了近紅外光譜和紅色光譜范圍內植被的反射峰。這些指數表明植被中存在光合活性成分，主要應用于土地利用研究、氣候影響評價和植被生產力。

窄帶綠色指數與寬帶指數類似，但更為敏感，因為它們使用光譜的紅色邊緣進行測量。寬頻帶指數趨于飽和，而窄頻帶指數克服了這一點。它們主要用于設計成像光譜儀。

這些指標在精確農業中，對于識別、分析和管理特定場地的土壤時空變化非常有用。

其他指標包括氮基和碳基指標。葉片中的氮濃度通過短波紅外區域的反射測量來檢測。碳元素存在于木質素和纖維素的干燥狀態，也在短波紅外區測量。植被碳指數的增加表明植被正在經歷衰老/老化。

2.2 數據源與數據處理

生態系統空間特征分析利用遙感解譯獲取的2015和2018年兩期生態系統空間分布數據集，精度要求至少到二級分類水平。此部分調查內容需要的數據全部來源于國家下發的遙感數據產品，不需要其它數據及相關處理過程。

主要計算方法如下：

1)生態系統結構比例。指土地覆被分類系統中，基于一級分類的各類生態系統面積比例。計算方法為：

(1)

式中：Pij為土地覆被分類系統中基于一級分類的第i類生態系統在第j年的面積比例；Sij為土地覆被分類系統中基于一級分類的第i類生態系統在第j年的面積；TS為評價區域總面積。

2)生態系統類型面積變化率。指研究區一定時間范圍內某種生態系統類型的數量變化情況。計算方法為:

(2)

式中：EV為研究時段內某一生態系統類型的變化率；EUa、EUb為研究期初及研究期末某一種生態系統類型的數量(如面積、斑塊數等)。

3 遙感在水土保持監測中的應用

3.1 水土保持生態治理工程監管中的應用

許多省級和國家級的水土保持生態治理的工程較大、范圍較廣、治理面積較大，在進行水土監管中具有較大的困難。因此，采用遙測技術能夠有效解決這一問題，能夠對大面積、大范圍的水土保持生態治理工程進行及時監督管理土地利用、采取水土保持措施、防止水土流失等[3]。

3.2 水土保持動態監測中的應用

根據遙感數據能夠有效計算和分析出該水土監管工程的面積、工程坡度、土地利用現狀以及水土流失狀況，并通過這些數據將土地的坡度圖、土地利用現狀圖、立體透視圖以及土壤侵蝕圖進行繪制，從而能夠及時地對水土流失狀況進行動態監督。

3.3 生產建設項目監管中的應用

遙感技術用于水土監測，主要通過ArcGIS空間分析功能來分析計算機上形成的三維圖像，從而獲得項目建設區域面積、挖土石方量、地表擾動面積、植被蓋度、水土保持措施類型及數量等數據。獲得的數據結果可用于計算6種土壤侵蝕控制指標，如排渣率、土壤侵蝕控制程度和土壤流失控制率等。在此基礎上，分析各種生產建設項目中水土流失防治的效果和水土流失維護措施的實施情況，從而為相關的政府監督部門提供有效的數據資料。

4 南疆水土保持檢測結果分析

4.1 水土流失面積監測結果與分析

研究區土壤侵蝕主要是水蝕和重力侵蝕，最嚴重的是坡耕地，特別是陡坡地和輪歇地。以2015年為基準年，2018為現狀年，采用以上兩年遙感解譯數據為基礎，根據生態系統分類，對南疆16個縣市的水土侵蝕進行監測。2018年南疆16個縣市具體流失面積見表1。

表1 南疆地區水土流失

4.2 水土流失量的計算

研究區為水力侵蝕，土壤侵蝕預測將以研究區原有地貌土壤侵蝕模數為基礎；然后考慮影響土壤侵蝕、降雨、植被、土壤、建筑和施工活動等的主要因素，確定原始地形擾動后的土壤侵蝕模數和研究區的自然恢復期，計算不同研究期內各單元的土壤侵蝕量和增量。

4.2.1 土壤侵蝕量計算公式

1)原生水土流失量公式：

(3)

式中：Wi為原地貌水土流失量，t；i為不同檢測單元；Mi為原地貌土壤侵蝕模數，t/km2·a；Fi為不同地貌單元面積，km2；Ti為水土流失監測時段。

2)擾動水土流失量計算。因工程建設擾動地表而產生的水土流失量的預測方法和原生水土流失量的預測方法相同，采用土壤侵蝕模數法進行預測，公式如下：

(4)

式中：Wij為擾動地表水土流失量，t；Fij為某時段某單元的預測面積，km2；Mij為某時段某單元的土壤侵蝕模數，t/km2·a；Tij為某時段某單元的預測時間，a；i為預測單元，i=1、2、3、…，n；j為預測時段，j=1、2，指施工期和自然恢復期等。

則新增水土流失量計算：

(5)

式中：ΔW為擾動地表新增水土流失量，t；Mij為擾動后土壤的侵蝕模數，t/km2·a；ΔMij為新增土壤的侵蝕模數，t/km2·a；Mi0為擾動前土壤的侵蝕模數，t/km2·a；Tij為監測時段(擾動時段)，a。

4.2.2 相關參數確定

根據新疆土壤侵蝕模數圖分布狀況，研究區地處輕度侵蝕區，侵蝕模數500～2 500 t/km2·a，根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)，確定項目區原生地貌侵蝕模數為500 t/km2·a。以喀什市某施工區為例進行水土流失計算，確定施工期內流失時段的土壤侵蝕模數為1 400 t/km2·a；施工期堤防和護岸區的土壤侵蝕模數為1 800 t/km2·a。水域景觀及綠化防治區自然恢復期土壤侵蝕模數取500 t/km2·a。具體參數確定見表2。

表2 監測參數確定

通過計算，在2015年7月至2018年7月，研究區水土流失總量為67 172 t，其中原地貌(擾動前)水土流失量為12 330 t，因工程建設新增水土流失量30 182 t。平均土壤侵蝕模數為908 t/km2·a。研究區水土流失量匯總見表3。

表3 水土流失量匯總

5 結 語

將遙感技術運用于水土保持監測中，因其高精度和直觀便捷的優勢在當前水土保持監管工作中得到廣泛的應用和發展，它彌補了傳統測量方法勞動和時間的不足，大大節省了水土保持監測的成本。而且由于遙感技術在性能以及體積方面的優勢，能更好地應對各種復雜環境。因此，采用遙感技術能夠使水土保持監管部門及時掌握區域水土流失規律，制定相應的水土流失防治措施，具有廣闊的應用前景。