基于“3S”技術(shù)的水土流失信息提取與評(píng)價(jià)

劉玉龍,田萍萍,武 征,孫 愿,王曉娟,張小衛(wèi)

(1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,陜西 西安 710054;2.西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,陜西西安 710054)

“3S”技術(shù)是指遙感(R S)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(G I S)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)(G P S)技術(shù),其中遙感技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)周期短、視域廣、信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度較高和成本低的特點(diǎn),地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的信息管理、處理和分析功能,全球定位系統(tǒng)可進(jìn)行高精度的全球定位[1]。傳統(tǒng)的水土流失調(diào)查采取手工操作的方式,效率低、工期長(zhǎng)、定位精度低,成果可復(fù)制性和變更性差,難以滿足信息化時(shí)代的要求[2-3]。應(yīng)用“3S”技術(shù)開(kāi)展區(qū)域水土流失信息提取與評(píng)價(jià),可綜合利用“3S”技術(shù)宏觀、快速、準(zhǔn)確、客觀等特點(diǎn)[4-5],是一種科學(xué)準(zhǔn)確地掌握區(qū)域水土流失現(xiàn)狀、開(kāi)展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的新的重要的技術(shù)手段。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川木里藏族自治縣縣城西北部約 60 k m的梭羅溝和如米溝一帶,行政區(qū)劃上屬木里縣沙灣鄉(xiāng)所轄。地質(zhì)構(gòu)造屬甘孜 -理塘成礦構(gòu)造帶南段,褶皺發(fā)育較弱,地層系總體向南或南南東傾斜的單斜構(gòu)造,斷層構(gòu)造較為復(fù)雜,以近東西向、近南北向、北西向、北東向四組斷裂組成基本構(gòu)造格架。地貌屬雅礱江構(gòu)造侵蝕高山峽谷地貌,山脈和河谷走向近于南北向,地勢(shì)東高西低,海拔 3640—4551 m。屬高原寒溫氣候,氣候寒冷,垂直差異較為明顯,據(jù) 2005年6—10月簡(jiǎn)易氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(標(biāo)高 4052 m),觀測(cè)期間最高氣溫 27℃,最低氣溫 -7.0℃,平均氣溫 9.1℃,7月均溫8.2℃,年降水量 953.4 mm,最大日降水量為 59.0 mm,最大積雪厚度 60 mm。土壤主要為褐土、山地棕壤、山地棕色針葉林土、高山草甸土,土壤類型隨海拔的不同而呈垂直分布的特征。植被屬中亞熱帶濕潤(rùn)山地植被,其類型主要有亞高山針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、高山草甸灌叢等四類,受山地地形制約,植被垂直帶譜明顯。

2 水土流失信息提取

2.1 技術(shù)要求

(1)選用近 3年內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為遙感信息源,衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率不低于 15 m,解譯比例尺為 1∶25000。

(2)解譯范圍為研究區(qū)邊界外延 2000 m,解譯圖斑精度為 4 mm2,圖斑不宜過(guò)大。

(3)根據(jù)野外驗(yàn)證結(jié)果,建立土地利用、植被覆蓋度等生態(tài)環(huán)境要素的遙感解譯標(biāo)志,采用目視和人機(jī)交互相結(jié)合的解譯方法,同時(shí)對(duì)解譯結(jié)果與實(shí)地野外驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比對(duì),保證平均判對(duì)率大于 85%。

(4)根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(S L 190—2007)》,采用 1∶10000地形圖建立的 D E M數(shù)據(jù)制作研究區(qū)坡度分級(jí)圖,在 MA P G I S中與土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋圖進(jìn)行疊加,最終制作出土壤侵蝕強(qiáng)度圖。

(5)在 MA P G I S中對(duì)土壤侵蝕圖件進(jìn)行分類面積統(tǒng)計(jì),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和收集的資料,分析土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布特征。

2.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集主要包括遙感信息源選取、地形圖和輔助解譯資料收集等。

(1)遙感信息源選取。遙感信息源選自日本A L O S對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的 A V N I R-2數(shù)據(jù),多光譜為可見(jiàn)光及近紅外 4個(gè)波段,空間分辨率為 10m,成像時(shí)間為 2008年 12月 27日;全色波段分辨率為 2.5 m,成像時(shí)間為 2009年 2月 11日,多光譜與全色數(shù)據(jù)同源而不同期。選用遙感影像的時(shí)間、分辨率和光譜數(shù)據(jù)能夠滿足水土流失信息提取的要求,以保證解譯結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

(2)地形圖。收集研究區(qū) 1∶10000數(shù)字化地形圖。

(3)輔助解譯資料。輔助解譯資料包括研究區(qū)地質(zhì)圖、土壤圖、植被圖以及氣象、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水土流失治理等觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理工作流程

數(shù)據(jù)處理工作流程見(jiàn)圖1。

(1)利用 MA P G I S軟件的空間分析模塊功能,將數(shù)字化地形圖在構(gòu)建 D E M數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行坡度分級(jí),將坡度分為 ＜5°、5°— 8°、8°— 15°、15°— 25°、25°— 35°、 ＞35°共 6個(gè)等級(jí),制作研究區(qū)坡度分級(jí)圖并填入相應(yīng)的屬性信息。

(2)運(yùn)用遙感圖像處理軟件E RDAS Imagine,對(duì)遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、融合、校正、增強(qiáng)等處理,制作出研究區(qū) A L O S衛(wèi)星遙感影像圖。

(3)為了增加目視判讀的準(zhǔn)確性,在 ERDA SImag ine中將D E M數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合,制作出具有 3D效果的立體影像圖。

(4)利用 MAPGIS軟件的圖形處理模塊功能,根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和建立的解譯標(biāo)志,制作出研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋度分級(jí)圖,同時(shí)輸入相應(yīng)的屬性信息。

(5)根據(jù)遙感解譯的研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋度圖及坡度分級(jí)圖,參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中地類、植被覆蓋度、坡度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算確定各個(gè)圖斑的土壤侵蝕強(qiáng)度,編輯輸出最終得到土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖,通過(guò)空間分析模塊統(tǒng)計(jì)得到土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)面積統(tǒng)計(jì)表。

圖1 數(shù)據(jù)處理工作流程

3 水土流失信息提取結(jié)果與評(píng)價(jià)

3.1 地形坡度的提取結(jié)果與評(píng)價(jià)

由研究區(qū)地形坡度分級(jí)圖和表 1地形坡度分級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,研究區(qū)地形坡度以 15°— 25°為主,其次為 25°— 35°和 8°—15°,其余坡度面積較小。各坡度分級(jí)空間分布呈以下特征:①＜5°的地形主要分布于研究區(qū)的溝谷和坡頂?shù)貛?。?°—8°的地形主要分布于研究區(qū)的溝谷緩坡地帶和坡頂緩坡地帶。③8°—15°的地形主要分布于研究區(qū)的溝谷邊坡地帶和坡頂緩坡下部。④15°—25°的地形大多分布于研究區(qū)的坡腰地帶,空間分布最廣。⑤25°—35°的地形主要分布于研究區(qū)北部坡度較大的山坡坡腰。⑥＞35°的地形主要分布于研究區(qū)北部坡度陡峭的山坡坡腰。

表1 研究區(qū)地形坡度分級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 土地利用類型的提取結(jié)果與評(píng)價(jià)

由土地利用類型遙感解譯圖和表 2土地利用類型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,研究區(qū)土地利用類型以天然草地為主,其次為有林地和灌木林地,其余土地利用類型面積較少。各土地利用類型空間分布呈以下特征:①有林地主要分布于研究區(qū)的坡腳和海拔較低的坡腰、坡頂?shù)貛?。②灌木林地主要分布于研究區(qū)海拔較低的坡腰、坡頂?shù)貛?。③天然草地主要分布于河谷兩?cè)平緩地帶和海拔較高的坡腰、坡頂?shù)貛?。④疏林地主要分布于研究區(qū)海拔較低的坡腰地帶,屬有林地和灌木林地的過(guò)渡地帶。⑤旱地分布于河流兩側(cè)的坡度平緩地帶。⑥工業(yè)用地和采礦地分布在采礦區(qū)的山坡坡腰和坡頂?shù)貛?。⑦沙地和裸巖石礫地分布于海拔較高、植被覆蓋度極低的坡頂?shù)貛А?/p>

表2 研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 植被覆蓋度的提取結(jié)果與評(píng)價(jià)

由植被覆蓋度類型分級(jí)遙感解譯圖和表 3植被覆蓋度類型分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,研究區(qū)植被覆蓋度類型以 30%—45%的非耕地林草地為主,其次為覆蓋度 45%—60%的非耕地林草地和覆蓋度 60%—75%的非耕地林草地。各植被覆蓋度的空間分布特征是:①覆蓋度＜30%的非耕地林草地主要分布于區(qū)內(nèi)地勢(shì)相對(duì)較陡的坡腰地帶和近坡頂?shù)貛?主要為天然草地的分布區(qū),其中梭羅溝以東海拔 4000 m以上的坡腰及坡頂?shù)貛Х植济娣e較大。②覆蓋度 30%—45%的非耕地林草地主要分布于研究區(qū)內(nèi)溝谷支流兩岸的平緩地帶以及坡頂?shù)貛?主要為天然草地。③覆蓋度 45%—60%的非耕地林草地主要分布于研究區(qū)內(nèi)陡坡的坡腰及近坡頂?shù)貛?主要為灌木林地和疏林地。④覆蓋度 60%—75%的非耕地林草地主要分布于研究區(qū)溝谷兩側(cè)的坡腳及坡腰地帶,主要為灌木林地和有林地。⑤覆蓋度＞75%的非耕地林草地主要分布于研究區(qū)內(nèi)溝谷兩側(cè)海拔較低的坡腳及坡腰地帶,主要為灌木林地和有林地。

表3 研究區(qū)植被覆蓋度類型分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.4 土壤侵蝕強(qiáng)度提取結(jié)果與評(píng)價(jià)

由土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖和表 4土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度以中度侵蝕為主,其次為微度侵蝕和輕度侵蝕。研究區(qū)土壤侵蝕空間分布的特征是:①微度侵蝕和輕度侵蝕主要分布于地形平緩、植被覆蓋較好的坡腳及坡頂?shù)貛А＂谥卸惹治g主要分布于地形坡度中等、植被覆蓋一般的坡腰及坡頂?shù)貛?。③?qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕主要分布于地形坡度較陡、植被覆蓋度較低的坡腳及坡腰地帶。

表4 研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)收集的當(dāng)?shù)厮２块T(mén)的水土流失資料,經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)水土流失信息提取結(jié)果與實(shí)際水土流失現(xiàn)狀相吻合,提取結(jié)果能夠客觀地反映研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀,能滿足研究區(qū)水土流失評(píng)價(jià)的要求。

(2)R S是G I S的重要信息源,R S著眼于空間數(shù)據(jù)的采集和分類,可實(shí)時(shí)、快速地記錄區(qū)域的空間信息及各種變化參數(shù),提供實(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的定量數(shù)據(jù),并能對(duì)各種信息進(jìn)行定量分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)成圖,R S已成為區(qū)域水土流失信息提取高效、穩(wěn)定的信息源。

(3)G I S側(cè)重于空間數(shù)據(jù)的分析管理,是 R S信息提取與分析的重要手段。G I S可精確地對(duì)遙感信息源進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,有效地對(duì)水土流失信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、管理和綜合分析,實(shí)現(xiàn)水土流失G I S數(shù)據(jù)的及時(shí)更新。

(4)“3S”技術(shù)作為一種重要的水土流失研究技術(shù)手段,可以準(zhǔn)確、快速、連續(xù)地提取區(qū)域水土流失的主要特征指標(biāo),能夠滿足區(qū)域水土流失現(xiàn)狀信息提取的要求,使區(qū)域水土流失信息得到有效的分析和使用,為水土流失信息提取提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。隨著衛(wèi)星技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,遙感信息的分辨率、準(zhǔn)確性和現(xiàn)勢(shì)性將大幅提高,將使 G I S的空間數(shù)據(jù)高效動(dòng)態(tài)更新成為可能。

(感謝四川省地質(zhì)調(diào)查院汪友明、楊磊、游麗君等同志在遙感解譯中給予的支持與幫助!)

[1]廖純艷,黃健.3S技術(shù)在丹江口水庫(kù)水源區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水土保持通報(bào),2007,27(1):58-61.

[2]胡良軍.淺談地理信息系統(tǒng)(G I S)在水土流失中的應(yīng)用領(lǐng)域[J].綏化師專學(xué)報(bào),2004,24(2):138-140.

[3]龔杰,羅麟,王疆霞,等.基于GPS與GIS的水土流失因子提取方法研究[J].人民黃河,2008,30(9):69-70.

[4]錢(qián)銘杰,吳芳芳,童立強(qiáng),等.基于RS與GIS的水土流失監(jiān)測(cè)方法實(shí)證研究[J].中國(guó)水土保持,2009(2):23-24.

[5]李曉松,姬翠翠,曾源,等.基于遙感和GIS的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)——以河北省赤城縣為例[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(9):1723-1729.