基于高分辨率影像的沖溝發(fā)育及其時空變化研究

高丙艦，何福紅，王 瑞，唐彥君

（1.魯東大學(xué) 地理與規(guī)劃學(xué)院，山東 煙臺 264025）

土壤侵蝕是世界上普遍關(guān)注的重大環(huán)境問題之一。朱顯謨[1]從土壤侵蝕的角度將黃土的水蝕分為溶蝕、片蝕和溝蝕（或線狀侵蝕）；對于溝蝕，則根據(jù)其發(fā)育階段、演變時期和侵蝕強度等劃分為細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕。而溝蝕作為一種常見的土壤侵蝕類型已成為近些年研究的熱點[2]。

溝蝕雖不如面蝕涉及的面廣，但因其侵蝕量大、速度快，且會把完整的坡面切割成溝壑密布、面積零散的小塊坡地，使耕地面積減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害十分嚴(yán)重[1，3]。研究表明，沖溝侵蝕是一種重要的土壤侵蝕方式，以沖溝為主的溝谷產(chǎn)沙可占流域產(chǎn)沙總量的10%～94%[2，4]。同片蝕和細(xì)溝侵蝕相比，沖溝侵蝕研究仍然比較薄弱，國內(nèi)外對此方向的研究較少，目前亟需開展沖溝侵蝕速率估算、不同發(fā)育階段切溝發(fā)展定量研究、沖溝侵蝕速率研究、沖溝侵蝕預(yù)報模型、切溝侵蝕研究方法與途徑及沖溝侵蝕防治等[5]。

目前，對于溝蝕地貌的定量研究主要是利用3S技術(shù)。中國科學(xué)院西北水土保持研究所的徐國禮等曾用地面立體攝影測量的方法獲取溝蝕地形數(shù)據(jù)，但該方法精度較低，僅適用于小比例尺模型的建立[6]；西北農(nóng)林科技大學(xué)的張鵬等在實驗室利用高精度 GPS 動態(tài)監(jiān)測了溝蝕發(fā)育過程[7]；北京師范大學(xué)的胡剛利用GPS和GIS監(jiān)測了東北區(qū)沖溝的短期發(fā)展變化[8]；中國科學(xué)院的閆業(yè)超等利用遙感影像目視解譯了東北黑土區(qū)沖溝發(fā)展的變化并進(jìn)行了定量分析，但影像分辨率較低，精度有待驗證[9]。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)域概況

棲霞市地處膠東半島中心，位于東經(jīng)120°33'～121°15'、北緯37°05'～37°32'之間，年平均氣溫11.3 ℃，降雨量650 mm左右，無霜期為207 d，年日照總時為2 690 h，屬暖溫帶季風(fēng)型半濕潤氣候。研究所選小流域位于棲霞城區(qū)西北，距市區(qū) 3 km左右。該區(qū)域總體為低山丘陵地貌，有多處溝谷侵蝕地貌發(fā)育，海拔高度在110～320 m，總面積為8.62 km2，溝的切割深度為 5～10 m，地形坡度范圍為0°～58°，屬剝蝕堆積區(qū)。溝兩側(cè)有大量人工修筑的梯田，破壞了原始侵蝕的地貌形態(tài)。溝中部底部由于坡度較大，呈未開發(fā)的原始狀態(tài)，其間以酸棗等灌木為主，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)所在位置及地形信息

1.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是1996年和2008年航片，地面分辨率為5 m的1∶10 000 DEM數(shù)字高程模型。其中，2008年航片是經(jīng)過嚴(yán)格校正的正射影像，空間分辨率為0.25 m；以2008年航片為基準(zhǔn)，對1996年航片進(jìn)行幾何精校正、重采樣，從而符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了計算要求，以上數(shù)據(jù)均采用西安80坐標(biāo)系3°帶40'區(qū)，高斯克呂格投影，中央經(jīng)線是120°E。

由于小流域的范圍較小，對沖溝的發(fā)展變化能產(chǎn)生影響的因素不多。根據(jù)對區(qū)域概況的分析和數(shù)據(jù)有效性的判斷，將對沖溝的發(fā)展能產(chǎn)生影響的因素歸納為高程、坡度、坡向和土地利用等4方面。國內(nèi)對沖溝發(fā)展的時空變異規(guī)律大多采用侵蝕溝密度來分析，但該地區(qū)范圍小，影像分辨率高，用侵蝕溝密度這個指標(biāo)存在明顯的誤差。本文用沖溝面積所占比重來分析近10 a來棲霞小流域沖溝發(fā)展的時空變化規(guī)律。

首先在1996年和2008年航片上通過目視解譯的方法提取沖溝，沖溝的解譯標(biāo)志根據(jù)侵蝕溝發(fā)育與分類理論[10，11]，借助專家經(jīng)驗和區(qū)域特點進(jìn)行界定；利用GIS工具統(tǒng)計出2期影像的沖溝數(shù)量和分布，計算出溝蝕區(qū)面積并作統(tǒng)計。其次，因為研究區(qū)的沖溝發(fā)育主要受高程、坡度、土地利用類型等影響，所以在這里利用DEM提取高程、坡度、坡向，利用高分辨率影像提取土地利用類型。最后，利用GIS軟件ArcGIS與2期影像的沖溝區(qū)進(jìn)行疊加，分析該地區(qū)近10 a來沖溝發(fā)展的時空變化規(guī)律。

2 沖溝發(fā)育及其時空變化規(guī)律

2.1 沖溝發(fā)育的定量化

在高分辨率影像中通過目視解譯的方法提取沖溝面積和溝長。由于研究區(qū)受人為影響比較大，地形地貌復(fù)雜多樣，提取沖溝面難度比較大，這里主要是采用對比方法，利用1996年影像和2008年影像之間的對比關(guān)系來提取各自沖溝：1996年影像為黑白影像，沖溝區(qū)因地勢較低，在光線的影響下顯示為黑色，但一些地勢高的地區(qū)因為陰影的存在也顯示為黑色不好區(qū)分，在這里借助2008年影像分辨率高、且是3波段彩色影像的優(yōu)勢來鑒別；而2008年影像雖然分辨率高、色彩豐富，但因為是夏季拍攝的，一些沖溝在植被的覆蓋下也不好區(qū)分，就需要借助1996年的影像來鑒別到底是不是沖溝區(qū)。經(jīng)整理，提取的沖溝參數(shù)如表1所示。

表1 1996年和2008年沖溝定量及變化統(tǒng)計表

從表1中可以看出，2008年比1996年沖溝面積及溝長都有所增加，但沖溝數(shù)量卻有所減少。從影像上可以得知，1996年的一些小的沖溝經(jīng)過近10 a的發(fā)展演化和人為的影響逐漸合并為1條大的沖溝，但也有大的沖溝經(jīng)過人為改造演變成幾條小的沖溝，一些小的沖溝到了2008年被改造成耕地或其他土地利用類型。經(jīng)過分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在2008年的沖溝中有16條沖溝是合并而來，42條沖溝來自大的沖溝分割，1996年沖溝中的18條在2008年消失。由此可見，在這10 a中，該小區(qū)域的沖溝變化還是比較劇烈的。

2.2 沖溝發(fā)育的時空變化規(guī)律

2.2.1 沖溝發(fā)育的高程分異特征

為了考察在沖溝面積變化規(guī)律，對該區(qū)域的DEM進(jìn)行高程的重分類，根據(jù)數(shù)據(jù)特點劃分為110～120 m、120～130 m、…、180～190 m、190～320 m等9個高程帶，通過與沖溝面的疊加，得到不同年份的沖溝面積在不同高程所占的比例，如圖2所示。

圖2 不同年份的沖溝面積在不同高程所占比例

隨著海拔的增加，1996年和2008年沖溝的面積也不斷增加，當(dāng)海拔增加到150～160 m時，沖溝面積不斷減少。從圖中不難看出，沖溝主要集中在海拔高程130～160 m之間，這主要是因為低海拔地區(qū)人類活動量大，對沖溝多采取填埋掩蓋的方式處理，而高海拔地區(qū)植被茂盛，土層淺薄，不利于沖溝的產(chǎn)生和發(fā)展。而從2年變化率來看，2008年沖溝在160 m以下的區(qū)間所占比例不如1996年的高，而當(dāng)海拔在160 m以上時，2008年沖溝所占比例比1996年沖溝所占比例高，這說明在這10 a里低海拔地區(qū)的沖溝由于經(jīng)濟(jì)需要被人為改造的多，而高海拔地區(qū)人類活動少，沖溝有所發(fā)展，這也從側(cè)面反映出人類活動對沖溝的影響。

2.2.2 沖溝發(fā)育的坡度分異特征

研究區(qū)地處低山丘陵地帶，坡度分異較大，這里將小流域的坡度分為0°～5°、5°～10°、 …、25°～30°、30°～60°等7個坡度等級，將坡度圖重分類并矢量化后與沖溝區(qū)疊加計算，分別計算不同坡度等級上的沖溝區(qū)所占面積比例，如圖3所示。

圖3 不同年份的沖溝面積在不同坡度所占比例

從圖3中可以看出，2個年份的沖溝在坡度為10°～15°之間所占面積最大，最容易形成沖溝；以15°為轉(zhuǎn)折點，沖溝面積所占比重向兩邊越來越??；從坡度等級為7的30°～60°坡度所占比重來看，研究區(qū)在坡度30°以上的地區(qū)人類影響很小，植被覆蓋良好。從2年的變化率來看，總體變化不大，說明坡度對沖溝面積的發(fā)展影響不大；但在0°～5°之間2008年沖溝所占面積有明顯減少，而其他坡度2008年略有增大或不變，也說明了人類對于緩坡下的沖溝的改造利用更加迫切，而對于較陡的坡度人類改造較少；降雨侵蝕等作用下沖溝有所發(fā)展就理所當(dāng)然了。

2.2.3 沖溝發(fā)展的坡向分異特征

將研究區(qū)分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北等8個坡向，而研究區(qū)存在的平地也作為1種坡向，共9種坡向分異。將這9種坡向與沖溝區(qū)疊加后，分別計算各個坡向中沖溝所占面積比重，如圖4所示。

圖4 不同年份的沖溝面積在不同坡向所占比例

從圖4中可以看出，正北、東北、正西、西北4個方向的沖溝所占比重最高，平地上的沖溝所占比重最?。ㄒ驗镈EM和影像分辨率不同，所以平地上存在沖溝也是合理的）。從方向上來看，比重最高的坡向?qū)儆陉幤?，因為該地區(qū)屬于季風(fēng)典型區(qū)，夏秋季節(jié)的降雨多，而該時節(jié)的降水多來自冷空氣的影響，尤其以大到暴雨為主，伴隨偏西北風(fēng)的影響使得陰坡的沖溝發(fā)展更快。從2年的變化率來看，比重較高的陰面2008年的沖溝面積呈下降趨勢，而陽面呈上升趨勢，平地上沖溝面積比重也稍有下降。從短期來看，這種變化也是可以解釋的，陰坡的沖溝發(fā)展到一定階段必定趨于穩(wěn)定，而陽坡的土地受人類影響更大，土質(zhì)更加疏松，沖溝有所發(fā)展也是必然。

2.2.4 沖溝發(fā)展的土地利用變化特征

通過現(xiàn)場調(diào)查和對影像的目視解譯，把該地區(qū)的土地利用類型分為坡耕地、林地、草地、人工用地、道路、水體和裸地等7類。其中人工用地、道路、水體對沖溝無影響，而裸地所占比重又小，所以在此主要是對坡耕地、林地、草地這3種類型土地對沖溝的影響進(jìn)行分析。通過與沖溝區(qū)的疊加分析，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同年份的沖溝面積在不同坡向所占比例

從圖5中可以看出，2008年坡耕地中的沖溝所占比重降低，而林地中的沖溝所占比重增大，草地中的沖溝所占比重保持不變。坡耕地受人為影響較大，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使會對某些小溝掩蓋填埋，而林地的植被覆蓋度較低，植株稀疏；通過國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，稀疏林地的地表受降雨影響更大，動能更強，易產(chǎn)生沖溝。

3 結(jié) 語

本文利用GIS和RS技術(shù)對2期影像的沖溝進(jìn)行了定量化研究，并分析了近10 a來棲霞小流域地區(qū)沖溝發(fā)育的高程分異特征、坡度分異特征、坡向分異特征和土地利用變化特征，得出如下結(jié)論：①研究區(qū)沖溝總體呈增大趨勢，但趨勢不明顯，尤其是近10 a來沖溝總面積只增加了13.3%，沖溝數(shù)量還有所減少；②研究區(qū)沖溝發(fā)展受自然和人為雙重影響，但總體上人為影響要大過自然影響，這一方面是因為該地區(qū)沖溝發(fā)育已趨穩(wěn)定，另一方面也說明在人口密度比較大的東部地區(qū)，水土侵蝕受人為影響較大，要特別注意采用合適的耕作方式避免更嚴(yán)重的水土侵蝕；③基于近10 a來的沖溝發(fā)育時空變化特征，要特別注意沖溝在地勢較高、坡度較大的林地間的發(fā)展，還要注意人工改造過的地區(qū)不發(fā)生大的水土侵蝕。

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