“3S”技術(shù)在隆林至百色高速公路水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

盧寶鵬，張 燾，梁志鑫

(廣西壯族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站，廣西南寧530023)

近年來，在中國—東盟自由貿(mào)易區(qū)、泛珠三角區(qū)等區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中，廣西有著十分重要的區(qū)位優(yōu)勢。開展區(qū)域經(jīng)濟技術(shù)合作，交通必須先行并應(yīng)起到引領(lǐng)經(jīng)濟社會發(fā)展的作用。據(jù)統(tǒng)計，“十一五”期間廣西新開工和在建高速公路項目40 個，建設(shè)里程達4 622 km。高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，在促進沿線經(jīng)濟發(fā)展的同時，也不可避免地給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來巨大壓力，這種壓力主要表現(xiàn)為工程建設(shè)中擾動地表、破壞植被，產(chǎn)生了大量的棄土棄渣。與點狀、面狀工程建設(shè)項目不同，線狀工程建設(shè)項目一般具有時間跨度小、空間跨度大的特點，其水土流失的特點也因時因地而不相同［1］。因此，開展高速公路建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作，強化水土流失監(jiān)測、監(jiān)控和管理極其重要。

本研究對隆林至百色高速公路(以下簡稱“隆百高速公路”)建設(shè)工程及其引發(fā)的水土流失特點進行分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于“3S”技術(shù)的高速公路建設(shè)水土保持監(jiān)測的方法及技術(shù)路線。

1 項目及項目區(qū)概況

1．1 項目概況

隆百高速公路起于黔桂交界處的隆林縣平班，與貴州省安龍至板壩(黔桂界)高速公路相接，經(jīng)委樂、舊州、潞城、田林、汪甸、永樂、那務(wù)，止于百色市四塘，接南寧(壇洛)至百色高速公路，路線全長176．705 km，同步建設(shè)隆林連接線20．822 km、田林連接線4．699 km。全線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)互通式立交10 處、服務(wù)區(qū)3 處、停車區(qū)3 處。截至2009年8月底，工程建設(shè)水土保持防治責(zé)任范圍為8．02 km2，其中項目建設(shè)區(qū)7．19 km2，直接影響區(qū)0．83 km2。

1．2 項目區(qū)概況

(1)土壤。隆林縣沿線土壤主要為砂頁巖發(fā)育而成的黃紅壤、黃壤，其次為石灰?guī)r發(fā)育而成的棕色石灰土;田林縣沿線土壤以紅壤、黃壤、水稻土和山地灌叢草甸土為主;右江區(qū)沿線土壤以赤紅壤、紅壤、黃紅壤和黃壤為主。

(2)植被。工程區(qū)植被屬南亞熱帶常綠、落葉闊葉林帶，以亞熱帶旱生性和中生性植被為主。在工程沿線附近，田林縣和右江區(qū)的林草覆蓋度要高于隆林縣，田林縣和右江區(qū)的林草覆蓋度在65%～75%之間，隆林縣在45%～55%之間。工程沿線植被種類較多，原生林樹種主要有馬尾松、杉木、毛竹等，人工林樹種主要有桉樹、麻棟、云南松、油杉等。

(3)地形地貌。工程區(qū)地處云貴高原向桂中盆地過渡地帶，地勢總體西高東低，隆林縣境內(nèi)工程區(qū)以中山地貌為主、低山地貌為輔;田林縣屬云貴高原向東南延伸的部分，山脈屬都陽山系，地勢為東北、西北、西南和中部較高，并逐漸向東南和北部傾斜，工程區(qū)地貌以低山為主，沿河谷一帶則為低山、高丘;右江區(qū)中部為右江平原，四周環(huán)以山地或丘陵，呈西北—東南走向的低槽，海拔100～300 m，地貌以丘陵為主。

2 研究方法

利用隆百高速公路沿線區(qū)域不同時相的ALOS 數(shù)據(jù)和地形圖，應(yīng)用“3S”技術(shù)提取工程建設(shè)準(zhǔn)備期與建設(shè)期的土地利用、坡度和植被覆蓋度等因子，通過GIS 疊加、對比分析等，獲取項目建設(shè)區(qū)土壤侵蝕信息，詳見“3S”監(jiān)測技術(shù)路線(圖1)。

圖1 “3S”監(jiān)測技術(shù)路線

2．1 資料準(zhǔn)備

主要數(shù)據(jù)源為ALOS 數(shù)據(jù)、1 ∶1 萬地形圖，數(shù)據(jù)時相為2008年8月、2009年8月的ALOS 數(shù)據(jù)。

2．2 影像預(yù)處理

為了更好地利用影像進行信息提取，對2008、2009年ALOS數(shù)據(jù)進行的預(yù)處理包括正射校正、配準(zhǔn)、融合、圖像增強等，其中融合采用了在視覺效果、信息融入度、光譜保真度和融合后分辨率等幾方面都有較好表現(xiàn)的Brovey 融合算法［2］。

2．3 土壤侵蝕評價因子獲取

2．3．1 土地利用

依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》提取項目區(qū)土地利用信息。土地利用方式主要為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他用地。為了更好地應(yīng)用這種高分辨率的影像，采用目視解譯并結(jié)合實地調(diào)繪的方法，這樣不僅分類精度高，而且地物不零散、邊界分明。

判讀標(biāo)志的確定是目視解譯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了統(tǒng)一解譯標(biāo)準(zhǔn)、提高解譯精度，以影像上所反映出來的目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)(或色彩)、陰影、紋形圖案、位置布局及活動等特征，結(jié)合野外調(diào)繪，建立研究區(qū)土地利用的遙感影像判讀標(biāo)志。

2．3．2 坡 度

利用研究區(qū)1 ∶1 萬地形圖的等高線和高程點，在GIS 軟件支持下生成1 m 采樣間隔的規(guī)則格網(wǎng)DEM。根據(jù)三階反距離平方權(quán)差分法(Horn 算法)［3］獲得坡度因子，計算式為

《說文·力部· 》段玉裁注：“健者，伉也。此豪杰真字。自叚豪為之，而 廢矣?！蓖躞拊凇墩f文解字句讀》中也說“經(jīng)典作豪杰，借字也，故言此以關(guān)之”。《漢書·食貨志下》“故大賈畜家不得豪奪吾民矣?！鳖亷煿抛⒃疲骸昂雷直咀鳎w通用耳?！?/p>

式中:S 為坡度，(°);λ 為南北方向高程變化率，無量綱;γ 為東西方向高程變化率，無量綱。

因此，求解坡面某一點的坡度，關(guān)鍵是求解λ 和γ。柵格DEM 是以離散形式表示地面曲面的，而且曲面函數(shù)一般是不知道的，因此在柵格DEM 上對λ 和γ 求解一般是在局部范圍(3 ×3窗口，圖2)內(nèi)，通過數(shù)值微分方法或局部曲面擬合方法進行。g 為格網(wǎng)分辨率，zi(i =1，2，…，9)為中心點5 周圍各格網(wǎng)點的高程，λ、γ 均是對圖2 中的中心點5 的計算而言的。

圖2 DEM 3 ×3 局部移動窗口

λ、γ 的計算式為

式中:zi(i=1，2，…，9)為中心點5 周圍各格網(wǎng)點的高程，m。

為進行土壤侵蝕等級評定，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，將項目區(qū)坡度劃分為0°—5°、5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35、＞35° 共6 個等級。

2．3．3 植被覆蓋度

植被覆蓋度是通過歸一化植被指數(shù)(NDVⅠ)推算得到的［4］。根據(jù)植被的反射光譜特征，通常用植被紅光、近紅外波段的反射率和其他因子及其組合所獲得的植被指數(shù)來提取植被信息，這些波段常包含90%以上的有關(guān)植被的信息。NDVⅠ的計算式為

式中:NⅠR 為近紅外通道反射率;R 為紅色通道反射率。

研究表明，在一定的閾值范圍內(nèi)，NDVⅠ與植被覆蓋度存在線性相關(guān)，因此可以利用植被指數(shù)估算植被覆蓋度，其計算式為

式中:fc為植被覆蓋度;NDVⅠmin為研究區(qū)內(nèi)最小的NDVⅠ值;NDVⅠmax為研究區(qū)內(nèi)最大的NDVⅠ值。

通過(5)式獲得的植被覆蓋度值在－1 和+1 之間，為了利用其進行土壤侵蝕等級分類評定，需要對由(5)式獲得的植被覆蓋度進行等級劃分，等級劃分主要通過目視解譯和實地采樣調(diào)查進行。

2．4 土壤侵蝕等級劃分與評價

隆百高速公路沿線屬西南土石山區(qū)，以水力侵蝕為主。依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》，提出適合該區(qū)域土壤侵蝕分級的土壤侵蝕強度分級參考指標(biāo)。對于水域、城鎮(zhèn)與居民用地、建成的交通用地判定為微度侵蝕。

根據(jù)以上土壤侵蝕等級劃分判定規(guī)則，應(yīng)用GIS 的疊加分析功能，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域2008 和2009年度土壤侵蝕等級判定。

3 結(jié)果與分析

3．1 土地利用現(xiàn)狀變化分析

據(jù)監(jiān)測，項目區(qū)從2008年8月至2009年8月期間，耕地、草地、林地、水域分別減少了4．64、1．75、0．68 和0．12 km2，而建設(shè)用地和未利用地卻分別增加了5．28 和1．91 km2。對比分析表明，隆百高速公路建設(shè)中對耕地、草地、林地等占壓、破壞很明顯(圖3)，損毀水土保持設(shè)施面積為7．07 km2，在此期間內(nèi)至少有7．07 km2的區(qū)域未及時采取水土保持防護措施。

圖3 項目區(qū)土地利用變化情況

3．2 植被覆蓋度變化分析

監(jiān)測結(jié)果表明，項目區(qū)從2008年8月至2009年8月期間，植被覆蓋度降低非常明顯(圖4)，無明顯覆蓋面積從0．89 km2增加到6．75 km2，低覆蓋面積從2．56 km2增加到6．65 km2，這進一步驗證了隆百高速公路建設(shè)對植被破壞的嚴(yán)重性。

圖4 項目區(qū)植被覆蓋度變化情況

3．3 土壤侵蝕強度變化分析

監(jiān)測結(jié)果表明，項目區(qū)從2008年8月至2009年8月期間，中度侵蝕、強烈侵蝕面積增加明顯(圖5)，其中中度侵蝕面積從4．81 km2增加到8．08 km2，強烈侵蝕面積從1．79 km2增加到6．53 km2，表明隆百高速公路建設(shè)造成土壤侵蝕程度加劇明顯。

圖5 項目區(qū)土壤侵蝕強度變化情況

4 結(jié) 語

隆百高速公路建設(shè)中土壤侵蝕最嚴(yán)重的時段是項目建設(shè)期，預(yù)防和治理施工期內(nèi)的水土流失對于公路建設(shè)尤為重要。本研究對隆百高速公路建設(shè)項目及土壤流失特點進行了分析，在此基礎(chǔ)上對高速公路水土保持監(jiān)測方法以及技術(shù)路線進行了探討，認(rèn)為該方法能夠準(zhǔn)確地反映大型線性工程建設(shè)引發(fā)的土壤侵蝕問題，應(yīng)用“3S”技術(shù)評價區(qū)域土壤侵蝕強度是一種有效的方法。

［1］吳永紅．線形開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測技術(shù)［J］．水土保持通報，2003，23(4):33－35．

［2］柳文祎，何國金，張兆明，等．ALOS 全色波段與多光譜影像融合方法的比較研究［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(11):2864－2869．

［3］陳楠，王欽敏，湯國安，等．6 種坡度提取算法的應(yīng)用范圍分析——以在黃土丘陵溝壑區(qū)的研究為例［J］．測繪信息與工程，2006(4):20－22．

［4］程紅芳，章文波，陳鋒．利用植被指數(shù)來估算植被覆蓋度［J］．國土資源遙感，2008(1):13－18．