基于ArcGIS的河道水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

連 燕

(四會(huì)市宏禹水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 四會(huì) 526200)

0 引 言

水土流失是嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，容易導(dǎo)致水體污染、土壤退化、土地表層侵蝕、河道淤積，加劇洪澇災(zāi)害，降低土地生產(chǎn)力，減少耕地面積，生態(tài)系統(tǒng)惡化，制約著流域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1]。河道水土流失與多種環(huán)境因素密切相關(guān)，如地形復(fù)雜、植物覆蓋變化、雨水沖蝕、工程開(kāi)挖等。為保持河道水土，有必要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)水土流失，分析水土流失變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，為水土流失防治方案提供依據(jù)，并通過(guò)水土保持措施，改善河道生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2-3]。

現(xiàn)階段，水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展。文獻(xiàn)[4]提出基于USLE原理的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建土壤侵蝕綜合因子算法，包括RS、GPS、GIS，采集樣本數(shù)據(jù)和遙感影響，計(jì)算與水土流失關(guān)聯(lián)較大的生態(tài)因子，模擬水土流失實(shí)際情況。文獻(xiàn)[5]提出基于高分遙感影像的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)多時(shí)序、大尺度的水土流失，采集高分遙感影像、土地利用、地形地貌、植被覆蓋等信息，建立模型因子算法，檢測(cè)水土流失變化情況，利用GIS技術(shù)，編制土壤侵蝕和土地退化圖。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有的研究理論，本文提出基于ArcGIS的河道水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。ArcGIS是一個(gè)可伸縮的GIS，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、計(jì)算、顯示功能，用戶可以通過(guò)ArcGIS編輯地理數(shù)據(jù)，創(chuàng)建空間地圖和數(shù)據(jù)文檔。

1 水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1.1 基于ArcGIS預(yù)處理河道遙感影像

采集河道遙感影像，將遙感數(shù)據(jù)輸入ArcGIS平臺(tái)，發(fā)揮ArcGIS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、分析、可視化功能，預(yù)處理遙感影像。組合遙感影像的所有波段，幾何校正遙感影像，通過(guò)一個(gè)多項(xiàng)式進(jìn)行空間配準(zhǔn)，設(shè)像素點(diǎn)校正前后的坐標(biāo)為(x，y)、(u，v)，變換公式為：

(1)

其中：m為多項(xiàng)式階數(shù)；i∈(0，m)、j∈(0，m-i)；Aij、Bij為重采樣校正畸變函數(shù)的待定系數(shù)[6]。

通過(guò)式(1)，使遙感影像所有像素點(diǎn)的坐標(biāo)誤差小于一個(gè)象元，去除收縮、陰影、疊掩等地形因素的影響。對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行影像鑲嵌，選擇一張信息量豐富的圖像，將該圖像的灰度方差和均值作為標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)灰度直方圖，修正灰度直方圖的最高值和最低值，匹配相鄰圖像直方圖和修正后的灰度直方圖，變換相鄰圖像的灰度值，使灰度方差和均值接近標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)灰度調(diào)整，避免相鄰圖像色調(diào)差異過(guò)大[7]。采用黑暗像元法，大氣校正遙感影像，模擬大氣的輻射傳輸，把衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的大氣影響看作常量，設(shè)遙感影像第o個(gè)波段校正前后的灰度值分別為Co、Do，大氣校正公式為：

Do=Co-f

(2)

其中：f為大氣輻射影響的灰度偏差值[8]。

當(dāng)遙感信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，通過(guò)式(2)，令大氣輻射和天氣變化的影響降到最低。對(duì)遙感影像進(jìn)行云檢測(cè)和云剔除，處理圖像云層，選擇紅外通道的遙感圖像，分割圖像數(shù)據(jù)的矩形區(qū)域，得到一個(gè)按照溫度劃分的灰度直方圖，當(dāng)直方圖峰的寬度大于4℃、峰左邊界溫度大于6℃時(shí)，判斷整個(gè)矩形區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)有云。給定光波段一個(gè)反射率閾值，判斷高于閾值的云在熱紅外波段；低于閾值的云在藍(lán)綠波段，相加兩個(gè)波段反應(yīng)的云信息，得到值為0的完整云覆蓋圖，相乘原遙感影像，去除圖像數(shù)據(jù)的云信息[9]。利用ArcGIS提取河道流域水系圖，可視化河道流域的遙感影像，采用色彩標(biāo)準(zhǔn)化變換融合，融合遙感數(shù)據(jù)，分解遙感圖像的像素空間，得到每個(gè)像元的色彩成分和亮度成分，設(shè)光譜數(shù)據(jù)的紅、綠、藍(lán)波段分別為a、b、c，融合后的光譜圖像表達(dá)式為：

(3)

其中：a′、b′、c′分別為融合后的光譜數(shù)據(jù)紅、綠、藍(lán)波段；d為全色波段亮度[10]。

利用式(3)，融合同一河道區(qū)域的不同遙感圖像，獲取紋理、邊緣等復(fù)合特征。至此，完成基于ArcGIS河道遙感影像的預(yù)處理。

1.2 計(jì)算河道水土流失影響因子

根據(jù)預(yù)處理后的遙感影像，獲得河道流域水系信息，計(jì)算水土流失影響因子，包括植被覆蓋、坡度、土地利用、水體等。由ArcGIS獲取河道流域的土地利用面積，分析不同土地類型的面積變化，包括林地、耕地、居民地、建設(shè)用地、水域、裸地。計(jì)算河道流域的植被指數(shù)E，公式為：

(4)

其中：e1、e2分別為遙感數(shù)據(jù)的近紅外波段和紅外波段。

植被指數(shù)E越高，植物覆蓋度越大，土壤侵蝕的抑制效果越好[11]。利用ArcGIS平臺(tái)，提取河道流域坡度圖，通過(guò)表征地貌因子的數(shù)字高程圖，包括坡度變化率、坡向、坡度等，計(jì)算地表流域的坡度因子F，公式為：

(5)

其中：G為坡度。坡度因子F越大，河道流域地形越復(fù)雜，土壤侵蝕和水土流失越嚴(yán)重。

計(jì)算河道流域水體指數(shù)g，公式為：

(6)

其中：e3、e4分別為遙感數(shù)據(jù)的綠光波段、中紅外波段[12]。水體指數(shù)g越高，表示河道水域面積越大，水土保持越好。

計(jì)算河道流域的建筑指數(shù)H，公式為：

(7)

建筑指數(shù)H反映建筑用地信息，H值越高，建筑用地面積越大，包括樓房、道路、工廠、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)等，越不利于河道水域的水土保持。

提取河道流域的耕地信息，計(jì)算耕地的差值和比值植被指數(shù)h1、h2，公式為：

(8)

由于河道流域的耕地面積大多以小斑塊形式存在，h1值和h2值越大，表明耕地和林地的混淆效果越好，有利于抑制水土流失[13]。

提取光譜數(shù)據(jù)的裸地信息，計(jì)算裸土指數(shù)灰度值I，公式為：

(9)

其中：e5為光譜圖像的藍(lán)光波段。

河道流域的裸土指數(shù)J表達(dá)式為：

(10)

計(jì)算河道流域的降雨侵蝕力K1和土壤可蝕性K2，公式為：

(11)

其中：n為一年內(nèi)的暴雨次數(shù)；LO、kO分別為第O次降雨的總能量和最大強(qiáng)度，O∈(1，n)；M、N分別為土壤的沙含量和有機(jī)物含量；l、P分別為土壤的結(jié)構(gòu)等級(jí)和滲透性等級(jí)。K1值和K2值越大，對(duì)水土流失的防治起負(fù)面作用。

將以上參數(shù)作為水土流失影響因子，至此完成河道水土流失影響因子的計(jì)算。

1.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)河道水土流失

疊加分析各個(gè)水土流失影響因子，劃分河道流域的水土流失強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)水土流失變化情況。由于水土流失影響因子在不同時(shí)相上存在差異，為此結(jié)合差值關(guān)系和最小二乘多項(xiàng)式，對(duì)影響因子的季相差異進(jìn)行歸一化處理。設(shè)時(shí)相數(shù)據(jù)的差值增量為p，第q個(gè)影響因子Rq的差值為Sq，則Sq值計(jì)算公式為：

Rq=Sq+p

(12)

最小二乘多項(xiàng)式采用二次項(xiàng)，得到影響因子Rq的歸一化值rq表達(dá)式為：

(13)

其中：Q、s、U均為擬合系數(shù)[15]。

判斷正面影響水土流失的影響因子為正、負(fù)面影響的因子為負(fù)，得到流域各個(gè)區(qū)域的水土流失強(qiáng)度V，計(jì)算公式為：

(14)

V值越大，流域內(nèi)的水土流失越嚴(yán)重。根據(jù)水土流失強(qiáng)度V，將河道水土流失劃分為6個(gè)等級(jí)，分別為劇烈、極強(qiáng)度、強(qiáng)度、中度、輕度、微度，統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的土地面積，得到水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

至此，完成河道水土流失的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于ArcGIS的河道水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

以某河道為例，河道位于N30°57′- N31°13′，E115°8′-E115°27′，總面積為1 380 km2，年降雨量為850 mm，水資源豐富。土壤類型為紅壤和黃壤，丘陵多、溝道深且多、河谷不貫通、盆底穿插、塬小山大，母巖多為容易侵蝕的花崗巖。由于雨量充沛且分配不均，水土流失以水力侵蝕為主，面積可達(dá)785.22 km2，主要表現(xiàn)為河床抬高、水庫(kù)淤積、溝壑加深、土地肥力降低、洪澇頻繁。

當(dāng)前，該河道成為國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，采用上游、中游、下游的分流域治理，實(shí)施了蓄水池、坡改耕地、結(jié)構(gòu)性調(diào)整土地利用方式、整治坡地、退耕還林等治理項(xiàng)目，生態(tài)環(huán)境得到一定改善。針對(duì)這一情況，對(duì)各個(gè)流域的水土流失情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 水土流失情況分析

使用Landsat衛(wèi)星，采集河道遙感影像，Landsat衛(wèi)星性價(jià)比高，光譜信息豐富，圖像覆蓋范圍為180 km2×180 km2，具有藍(lán)、綠、紅等7個(gè)波段，光譜信息和地表信息豐富。利用TM專題制圖儀，跟蹤Landsat衛(wèi)星，將Landsat衛(wèi)星獲得的遙感影像傳輸至地面。設(shè)置Landsat衛(wèi)星的軌道傾角為98.4°，地面觀測(cè)寬度為180 km2，高度為700 km2，重訪周期為15 d，瞬時(shí)視場(chǎng)為35 m。把TM專題制圖儀搭載在Landsat衛(wèi)星上，通過(guò)TM專題制圖儀，改進(jìn)Landsat衛(wèi)星各個(gè)波段的空間分辨率，并增加一個(gè)20 m分辨率的全色波段，獲得圖1所示的河道遙感信息。

圖1 河道原始遙感影像

由圖1可以看出，遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，大氣影響較為均勻，但圖像上散落一些云朵，有必要進(jìn)行影像數(shù)據(jù)預(yù)處理。設(shè)置m值為3，校正后的像素點(diǎn)坐標(biāo)(u,v)誤差小于0.047個(gè)像元。調(diào)取河道2016、2018、2020年的遙感影像和氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)年份的水土流失影響因子，結(jié)果見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 河道上游水土流失影響因子歸一化值

表2 河道中游水土流失影響因子歸一化值

表3 河道下游水土流失影響因子歸一化值

由表1-表3可知，隨著水土流失治理項(xiàng)目的實(shí)施，各個(gè)流域正面影響水土流失的因子有所增加，負(fù)面影響因子有所降低，但降水侵蝕力和土壤可蝕性基本不變。將表1-表3數(shù)據(jù)代入式(12)-式(14)，得到流域范圍內(nèi)的水土流失強(qiáng)度。根據(jù)V值整體分布，獲得各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水土流失面積，見(jiàn)表4。

表4 河道各年份水土流失面積 /km2

借助ArcGIS平臺(tái)，輸出2021年河道水土流失強(qiáng)度等級(jí)圖，具體見(jiàn)圖2。

圖2 河道水土流失強(qiáng)度分布

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果討論

由以上動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，截止2021年，河道各流域水土流失微度面積占比增加，上游、中游、下游的水土流失微度面積分別達(dá)到83.80%、77.72%和72.53%；輕度～極強(qiáng)度面積占比降低，上游水土流失總面積相比2016年減少39.8 km2，中游水土流失總面積減少59.41 km2，下游減少66.66 km2；輕度～極強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)換為微度面積，河道的水土流失程度得到明顯改善，水土流失整治工程取得成效。由表1-表3數(shù)據(jù)可知，河道的差值和比值植被指數(shù)仍較低，今后應(yīng)通過(guò)耕地和林地的混淆，進(jìn)一步治理河道水土流失情況。

綜上所述，此次設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，能夠反映河道水土流失的時(shí)間變化情況。

3 結(jié) 語(yǔ)

此次研究應(yīng)用ArcGIS，設(shè)計(jì)了一種河道水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，掌握河道水土流失變化情況，判斷水土流失治理工程的效果。但此次設(shè)計(jì)方法仍存在一定不足，在今后的研究中，將采集降雨量、地面坡長(zhǎng)、地面坡度等遙感數(shù)據(jù)，分析降雨量季節(jié)變化，計(jì)算對(duì)水土流失造成影響的降雨侵蝕力因子，進(jìn)一步評(píng)估河道的水土流失強(qiáng)度。