基于SPOT5的密云水庫上游土壤侵蝕風險空間格局分析

張喜旺,吳炳方

（1.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院,河南開封475004;2.中國科學院遙感應用研究所,北京 100101）

土壤侵蝕是發(fā)生在特定時空條件下的土體遷移過程,是世界范圍內最重要的土地退化問題[1]。它通過影響農作物產量、土壤結構以及水質[2-3]而劇烈地影響著環(huán)境,并直接影響著人們的生活;通過對江河、庫塘、湖泊的淤積影響著人類的安全[4-5]。此外,侵蝕導致土壤以CO2、CH4的形式向大氣中散射有機碳,從而影響全球變暖[6],而全球變暖又反過來增強土壤侵蝕率[7]。而對侵蝕問題的適當評估非常依賴于空間、經濟、環(huán)境和文化之間的相互聯系[8]。

隨著人們對土壤侵蝕機理認識的不斷深入,研究模型從經驗統計模型發(fā)展到物理過程模型;隨著科學技術的不斷發(fā)展,各種新的技術也不斷得到應用,如元素示蹤[9-11]、多時相DEM[12-13]、神經網絡[14]等。雖然定量方法可以給出具體的侵蝕量,但其主要困難在于結果的驗證與標定,而且精確的測量通常非常昂貴、耗時,且標準的設備也很難獲取[15],所以定性的方法仍然被廣泛使用。定性方法中指標綜合方法是綜合多個影響因子,按照特定的規(guī)則評估土壤侵蝕風險,因其受人為因素干擾較少,并且與GIS技術結合可以快速高效地進行土壤侵蝕監(jiān)測。侵蝕影響因子中,植被覆蓋、坡度、土壤和土地利用/土地覆蓋等都是非常重要的土壤侵蝕影像因子,常用于土壤侵蝕評價[16-18]。例如“土壤侵蝕分類分級標準SL190-96”是我國水土保持部門最常用的一種評價土壤侵蝕風險的方法,采用植被覆蓋、坡度與植被覆蓋三個因子的綜合判讀進行侵蝕風險評價。1999-2001年,在此方法的基礎上利用TM影像進行第二次全國土壤侵蝕遙感調查[19]。

遙感具有大面積重復觀測能力[20-21],可以深刻地了解地表的特征及其變化[22],已經成為區(qū)域土壤侵蝕研究的重要數據源。本文利用2004年SPOT5-10 m多光譜數據,按照指標綜合方法SL190-96評價研究區(qū)域2004年土壤侵蝕風險現狀,并與第二次全國土壤侵蝕遙感調查數據進行對比分析,研究密云水庫上游土壤侵蝕的變化,同時分析不同高程帶與坡度帶的侵蝕風險空間格局情況,為管理部門進行土壤侵蝕治理提供基礎數據。

1 方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域 位于東經 115°24′-117°35′,北緯40°19′-41°38′,涉及密云、懷柔 、延慶、興隆 、欒平、赤城、豐寧、沽源和崇禮等9個縣(部分)。研究區(qū)面積約為15 388 km2,位于北京市北大約80 km。

地貌以丘陵為主,地勢西北高,東南低,東南部多低山丘陵。潮、白兩河順勢而下,河網呈樹枝狀。該區(qū)位于歐亞大陸東部中緯度地區(qū),屬大陸性季風氣候,四季分明。冬季受蒙古高壓控制,寒冷干燥,夏季受海洋氣團影響,盛行東南季風,年內氣溫變化顯著,流域降水量主要集中在6-9月。區(qū)內分布最廣的為褐土,遍布150～1 000 m的低山丘陵,面積占流域的60.3%。棕壤分布于海拔600 m(陰坡)至1 000 m(陽坡)以上中低山,占總面積的34.4%。草甸土分布在潮、白兩河河谷,占總面積的1.9%,多已開墾為耕作土壤。栗鈣土分布在壩根一帶,占總面積的2.2%,是重要的牧業(yè)用地。

1.2 數據

本文影像為10景SPOT5(2004年)多光譜衛(wèi)星數據,完全覆蓋研究區(qū),空間分辨率10 m。輔助數據有研究區(qū)界線、1∶5萬DEM 數據、2000年土壤侵蝕圖(第二次全國土壤侵蝕遙感調查數據),用以提高數據處理精度,改善數據質量。2000年土壤侵蝕是全國土壤侵蝕調查數據,在國內普遍得到承認,可以作為基準數據;而選擇2004年是因為海委立項利用該年的遙感數據對前期治理成果進行監(jiān)測,因此也是比較典型的時間,所以我們選擇這兩年數據進行對比分析。

為了建立解譯標志,分兩組對研究區(qū)域進行為期15天的調查,調查內容主要有土地利用/土地覆蓋類型、植被覆蓋狀況、地貌特征、地形信息、水土流失狀況等,建立地面信息與影像光譜信息、紋理信息以及輔助數據之間的關聯,為信息提取提與結果驗證提供參考。

1.3 土壤侵蝕評價

土壤侵蝕是在降雨和徑流等外營力作用下的水土流失,強降雨與有限植被覆蓋的結合導致侵蝕過程發(fā)生在有一定坡度的可蝕性土壤上[23]。土壤侵蝕的影響因子主要包括降雨、植被覆蓋、地形等[24]。降雨的強度、歷時與頻率影響土壤侵蝕量,是水土流失的外營力。土壤的組分與粘合力決定著土地表面的可侵蝕性,可以間接地通過土地覆蓋來表示。因此侵蝕風險可定義為區(qū)域環(huán)境變化在這些因子上的響應[25-26]。水利部部頒標準“土壤侵蝕分類分級標準SL190-96”(如表1)給出了各侵蝕等級的定義,所使用的指標包括植被覆蓋度、坡度和土地覆蓋,將土壤侵蝕風險分為6類。

表1 水力侵蝕強度分級參考指標

植被覆蓋度是衡量地表水土流失狀況的一個最重要指標,是計算土壤侵蝕的必要參數,指植被冠層在地面上的垂直投影面積所在的百分比。本文采用像元二分模型計算植被覆蓋度。其中NDVI是比值植被指數的歸一化,比值處理可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云/陰影和大氣條件有關的輻照度條件變化(大氣程輻射)等的影響,同時使因遙感器定標衰退對單波段的影響從10%～30%降到的0～6%,并減輕地表二向反射和大氣效應造成的角度影響[27]。又由于NDVI可以很好地反映地表植被,可以利用NDVI代替假設中的光譜信息,從而計算植被覆蓋度,計算時首先去除不理想極值的干擾,在置信區(qū)間內選取純土壤和純植被的NDVI值。利用實測值進行檢驗,校正相關參數,使計算值能反映真實的植被覆蓋信息。

在土壤侵蝕研究中坡度是一個重要的地形因子,本文通過數字化研究區(qū)1∶5萬的地形圖建立數字高程模型(DEM)。通過ERDAS軟件在柵格數字高程模型的基礎上提取研究區(qū)坡度信息。土地利用與人類活動密切相關,是影響土壤侵蝕的主要因素之一。通過實地調查建立研究區(qū)的土地利用解譯標志,利用面向對象的分類軟件eCognition對影像進行解譯并進行人工修改。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕

植被覆蓋度以15%,30%,45%,60%,75%為間隔制作專題圖,如附圖 4a。坡度以 5°,8°,15°,25°,35°為間隔制作專題圖,如附圖4b。土地利用圖如附圖4c所示。將植被覆蓋度、坡度和土地利用按照表1進行交叉疊置分析,同時根據實地觀測數據,充分分析土壤環(huán)境、氣候環(huán)境、植被環(huán)境、物質文化環(huán)境以及地形地貌的基礎上,進行人機交互,形成土壤侵蝕現狀圖,如附圖4d。從侵蝕圖可以看出2004年密云水庫土壤侵蝕風險整體較低,大部分地區(qū)處于微度和輕度侵蝕;沒有劇烈侵蝕,極強度侵蝕也很少;中度和強度侵蝕主要分布在赤城縣和豐寧縣。

2.2 土壤侵蝕變化分析

2000年與2004年土壤侵蝕各等級面積統計對比如表2所示。

2000年土壤侵蝕數據是全國第二次遙感調查結果,所利用的方法也是水利部部頒標準,與本文所用方法一致,因此研究結果具有可比性。從表2可知,密云水庫上游地區(qū)的微度侵蝕面積從7 652.19 km2(占總面積49.72%)增加到7 736.29 km2(占總面積50.27%),微度以上侵蝕面積從7 738.23 km2(占總面積 50.28%)減少到 7 654.13 km2(占總面積49.73%),說明從整體上來看,區(qū)域的侵蝕狀況有所好轉;但極強度侵蝕面積卻從0增加到6.68 km2,劇烈侵蝕面積從0增加到了0.03 km2。研究區(qū)內雖然土壤侵蝕面積減小了84.10 km2,但出現了極強度侵蝕和劇烈侵蝕。說明研究區(qū)侵蝕狀況整體趨于好轉的同時,部分區(qū)域存在惡化現象,且比較明顯。在以前的治理中,考慮的因素不夠周全,致使出現嚴重的土壤侵蝕,雖然這些嚴重惡化的面積占總面積的比例很小。

2.3 土壤侵蝕空間分布

土壤侵蝕是在一定環(huán)境背景下發(fā)生的,對土壤侵蝕發(fā)生的環(huán)境背景及其空間格局進行分析有利于進行水土保持,制定土壤侵蝕防治策略,并檢驗其實施的成效[28]。侵蝕面積是檢驗一個地區(qū)侵蝕狀況的重要指標,根據水利部部頒標準,微度等級以上的面積之積為侵蝕面積。本文將高程以500,800,1 100,1 400,1 700 m 為界限將高程分為6帶;以5°,8°,15°,25°,35°為界限將坡度分為6帶。通過分析各帶內的侵蝕狀況,了解研究區(qū)內的侵蝕風險空間格局,計算結果見表3-4。

表2 兩期土壤侵蝕數據對比表

表3 2004年各高程帶內侵蝕分布情況

如表3所示,6個高程帶中大于1 700 m的高程帶侵蝕面積最小,230.54 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的3.01%;其次是1 400～1 700 m高程帶,侵蝕面積860.70 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的11.25%;第三是小于500 m高程帶,侵蝕面積1 004.61 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的13.13%;500～800 m高程帶侵蝕面積最大,1 955.88 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的25.55%。一個規(guī)律是,從500 m開始向上侵蝕呈遞減趨勢。

表4 2004年各坡度帶內侵蝕分布情況

如表4所示,小于5°高程帶侵蝕面積最小,19.18 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的0.25%;其次為5°～ 8°高程帶侵蝕面積296.15 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的3.87%;第三為大于35°帶,侵蝕面積384.61 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的5.03%;最大侵蝕面積出現在15°～25°坡度帶,面積3 325.56 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的43.45%。

3 結論

研究表明采用水利部部頒標準可以方便快速地進行土壤侵蝕評價,通過與GIS的結合將幾個土壤侵蝕指標進行自動疊加處理可以減少大量的人力物力。本文基于2004年的SPOT5遙感影像,對密云水庫上游地區(qū)進行土壤侵蝕評價,并利用449個野外調查樣點進行驗證,通過分析樣點位置的侵蝕強度是否被正確評估,而確定解譯精度(92.38%),最后與全國第二次遙感調查結果進行對比分析,發(fā)現研究區(qū)侵蝕面積雖然有所減少,但卻出現了極強度和劇烈侵蝕,說明很有可能在前期的侵蝕治理中考慮的因素不全面,因此在今后的治理中要更加注重侵蝕變化趨勢及其空間分布格局。

通過對不同高程帶與坡度帶的分析發(fā)現:(1)高程帶中,從500 m開始向上,侵蝕情況逐漸遞減。因為高程越高,越不易受到人類干擾,自然植被生長就更旺盛;另外,隨著高程的增加,易侵蝕性土壤也在減少,即使沒有植被也不會形成侵蝕。(2)隨著坡度增加,發(fā)生侵蝕的風險也會增加,然而在研究區(qū)侵蝕面積比例最大的坡度帶卻是15°～25°帶,說明侵蝕并不總是隨坡度呈正相關,是各種因子綜合影響的結果。

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