我國(guó)東北黑土區(qū)侵蝕溝道的普查方法與成果

李智廣，王巖松，劉憲春，劉建祥

(1．水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，100053，北京;2．水利部松遼水利委員會(huì)松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，130021，長(zhǎng)春)

土壤侵蝕過程包括濺蝕、片蝕和溝蝕［1］，溝蝕表現(xiàn)為地表徑流集中沖刷土壤及其母質(zhì)并下切形成溝道，在土壤侵蝕發(fā)展過程中是最嚴(yán)重的一個(gè)階段，它破壞坡面、蠶食耕地，對(duì)土地資源危害極大［2］。溝蝕所形成的線性排水排沙渠道為侵蝕溝道［3］。

東北黑土區(qū)糧食產(chǎn)量占全國(guó)的1/5，是我國(guó)重要的商品糧基地。該區(qū)水土流失日趨嚴(yán)重，目前每年流失土層厚度為0.3～1.0 cm，按照目前土壤侵蝕速率，40～70年內(nèi)黑土將流失殆盡［4］，水土流失很大程度上制約了本區(qū)經(jīng)濟(jì)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。侵蝕溝道是土壤侵蝕最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式，在黑土區(qū)分布廣泛，影響巨大。為全面調(diào)查東北黑土區(qū)侵蝕溝道現(xiàn)狀，掌握侵蝕溝道的分布、面積和幾何特征，為水土保持生態(tài)建設(shè)提供決策依據(jù)，我國(guó)在2010—2012年開展的第1次全國(guó)水利普查水土保持情況普查中首次對(duì)東北黑土區(qū)的侵蝕溝道進(jìn)行了調(diào)查。筆者對(duì)本次普查的技術(shù)方法與成果進(jìn)行重點(diǎn)介紹，以期探討東北黑土區(qū)侵蝕溝道提取方法，并為侵蝕溝道治理提供基礎(chǔ)信息。

1 普查的對(duì)象和范圍

東北黑土區(qū)侵蝕溝道普查對(duì)象為長(zhǎng)度不小于100 m、不大于5 000 m的侵蝕溝道;若溝道跨過50 km2小流域，則不作為侵蝕溝道。普查范圍涉及內(nèi)蒙古、遼寧、吉林和黑龍江4個(gè)省(自治區(qū))的36個(gè)市(地、盟、州)171個(gè)縣(市、區(qū)、旗)，總面積為94.49萬(wàn)km2。普查指標(biāo)包括侵蝕溝道的起訖經(jīng)緯度、面積、長(zhǎng)度、縱比和類型(分為發(fā)展溝和穩(wěn)定溝)。

2 普查方法與技術(shù)規(guī)定

東北黑土區(qū)侵蝕溝道普查以2.5 m分辨率遙感影像和1∶5萬(wàn)數(shù)字線劃圖(DLG)為主要信息源，采取人機(jī)交互的方式進(jìn)行溝道識(shí)別。整個(gè)工作過程分為基礎(chǔ)資料收集與處理、溝道提取、野外核查、普查登記表填寫和數(shù)據(jù)匯總5個(gè)階段。由省級(jí)普查機(jī)構(gòu)完成基礎(chǔ)資料收集與處理、溝道提取、普查登記表填寫和省內(nèi)數(shù)據(jù)匯總工作，縣級(jí)普查機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成野外核查工作，流域普查機(jī)構(gòu)完成整個(gè)區(qū)域的省際數(shù)據(jù)審核、接邊和匯總工作。

2.1 基礎(chǔ)資料收集與處理

省級(jí)普查機(jī)構(gòu)收集完成本省侵蝕溝道普查范圍內(nèi)的2.5 m分辨率遙感影像和1∶5萬(wàn)數(shù)字線劃圖(DLG)。

將遙感影像按照數(shù)字線劃圖的投影進(jìn)行轉(zhuǎn)換，按省份拼接分別形成全省(自治區(qū))的全圖。完成省份全圖后，根據(jù)設(shè)備配備和人員情況分別采取以下工作方式開展侵蝕溝道信息提取工作:一是在服務(wù)器和局域網(wǎng)環(huán)境下，采用客戶端軟件在線提取侵蝕溝道，直接形成全省份的侵蝕溝道圖;二是分幅裁剪，每幅分別提取侵蝕溝道，再進(jìn)行接邊形成全省侵蝕溝道圖。

2.2 溝道提取

侵蝕溝道提取以GIS軟件為主要工具采取人機(jī)交互的方式進(jìn)行，分為溝道識(shí)別、溝道指標(biāo)提取、溝道解譯矢量圖生成3個(gè)環(huán)節(jié)。

2.3 溝道識(shí)別

在遙感影像上，侵蝕溝道表現(xiàn)為條狀和樹枝狀，不同發(fā)展階段的侵蝕溝道表現(xiàn)出的顏色、亮度和紋理等特征有所不同。處于發(fā)育初期的淺溝在7—8月的影像上表現(xiàn)為白色的細(xì)線狀(圖1(a))。穩(wěn)定溝的紋理一般比較粗糙，邊緣線比較模糊(圖1(b))。土壤母質(zhì)為黃土狀物質(zhì)，機(jī)械組成以粉砂、黏粒為主的土壤上侵蝕溝道在影像上則表現(xiàn)為亮白色(圖1(c))。

東北黑土區(qū)的侵蝕溝道分為發(fā)展溝和穩(wěn)定溝2種類型。可參考1∶5萬(wàn)DLG、侵蝕溝道內(nèi)植被覆蓋，并結(jié)合水土流失重點(diǎn)治理情況判斷侵蝕溝道類型。穩(wěn)定溝是指溝谷不再下切加深，溝頭、溝邊不再發(fā)展，植被蓋度常大于30%的侵蝕溝道，除此之外的溝道為發(fā)展溝。

圖1 東北黑土區(qū)侵蝕溝道識(shí)別圖Fig．1 Identification images about erosion gullies in the black soil areas of northeastern China

2.3.1 溝道指標(biāo)提取

1)溝道面積。建立面圖層，沿溝緣線勾畫侵蝕溝的形狀，計(jì)算面圖層面積。要求溝道勾繪偏差不超過2個(gè)像元(即5 m)，在溝寬低于2個(gè)像元時(shí)，不勾畫溝緣線，在計(jì)算溝道面積時(shí)利用溝道長(zhǎng)度與5 m相乘得到溝道面積。

2)溝道長(zhǎng)度。建立線狀圖層，從主溝或者支溝溝頭中心至溝口中心沿溝底中線畫線，要求溝道勾繪偏差不超過2個(gè)像元(即5 m)，曲線的長(zhǎng)度即為主溝或者支溝的長(zhǎng)度，一條侵蝕溝道的長(zhǎng)度為主溝和各支溝的長(zhǎng)度之和。

3)溝道縱比。溝道的縱比為侵蝕溝道主溝溝頭和溝口的高差與長(zhǎng)度的比值。高差值可以通過2種方法獲取:一是在GIS軟件中將DLG數(shù)據(jù)和侵蝕溝道疊加，直接獲得溝頭和溝口的高程值，從而計(jì)算高差;二是利用等高線數(shù)據(jù)差值的方法獲得溝頭與溝口高程值，計(jì)算高差。

4)起訖經(jīng)緯度。在GIS軟件中可以直接讀取溝頭或者溝口經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.3.2 溝道解譯矢量圖生成

將提取的侵蝕溝道主溝道圖(線圖層)、溝道長(zhǎng)度圖(線圖層)和溝道界線圖(面圖層)生成解譯矢量圖，并為其賦各指標(biāo)的屬性值，建立空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。坐標(biāo)系采用數(shù)字線化圖數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，投影采用地理投影。

2.4 野外核查

在每個(gè)縣份，隨機(jī)選取10條侵蝕溝道作為野外核查對(duì)象(若某縣份侵蝕溝道少于10條，則全部作為核查對(duì)象)。打印疊加有侵蝕溝道矢量圖、標(biāo)注相關(guān)指標(biāo)數(shù)值的影像圖，作為野外核查的圖件資料。

對(duì)侵蝕溝道的真實(shí)性、長(zhǎng)度、溝道類型等進(jìn)行野外核查驗(yàn)證。溝道客觀存在、長(zhǎng)度誤差不超過5%、溝道類型正確，表明溝道提取及矢量圖生成合格;否則，應(yīng)該對(duì)溝道提取、類型識(shí)別及矢量圖等進(jìn)行修改。

2.5 普查登記表填寫

經(jīng)野外核查合格后，對(duì)每條侵蝕溝道填寫普查登記表。

2.6 數(shù)據(jù)匯總

對(duì)侵蝕溝道解譯矢量圖進(jìn)行省內(nèi)、省際接邊，解決跨界溝道的提取、合并，即:將跨越省級(jí)行政邊界的同一條溝道連接起來(lái)，對(duì)達(dá)到普查長(zhǎng)度下限的溝道進(jìn)行補(bǔ)充提取，合并后溝道面積超出普查范圍的剔除。

為保證統(tǒng)計(jì)上的不重不漏，按照補(bǔ)充提取或者合并后的侵蝕溝道溝頭所在地確定溝道所在的省份，即:將侵蝕溝道統(tǒng)計(jì)在溝頭所在的省份。

在全面完成接邊、審核后，按照侵蝕溝道類型對(duì)東北黑土區(qū)、各省份和各流域的侵蝕溝道進(jìn)行匯總和分析。

3 普查質(zhì)量控制

侵蝕溝道普查的質(zhì)量控制按照溝道指標(biāo)提取、數(shù)據(jù)填報(bào)和成果審核匯總3個(gè)階段進(jìn)行，其中:溝道指標(biāo)提取階段質(zhì)量控制分別由縣級(jí)、省級(jí)、流域普查機(jī)構(gòu)完成，數(shù)據(jù)填報(bào)階段由省級(jí)普查機(jī)構(gòu)完成，成果審查由流域和國(guó)家級(jí)普查機(jī)構(gòu)完成。

3.1 指標(biāo)提取階段

嚴(yán)格按照要求進(jìn)行侵蝕溝道提取，對(duì)符合要求的侵蝕溝道全部識(shí)別，不得遺漏和誤判，對(duì)每條侵蝕溝道建立屬性表并為指標(biāo)賦值。流域普查機(jī)構(gòu)對(duì)省級(jí)普查機(jī)構(gòu)提取的結(jié)果進(jìn)行抽查，抽查侵蝕溝道數(shù)量不少于總數(shù)量的5%。抽查內(nèi)容包括2方面:一是檢查侵蝕溝道識(shí)別的正確性，遺漏、誤判的侵蝕溝道數(shù)量超過2%時(shí)需重新識(shí)別;二是檢查侵蝕溝道勾繪精度，溝道和溝緣線勾繪精度達(dá)不到要求(勾繪偏差超過2個(gè)像元(即5 m))的圖斑數(shù)量超過5%時(shí)需重新勾繪。

在縣級(jí)進(jìn)行野外核查時(shí)，提取的溝道與實(shí)際溝道長(zhǎng)度誤差不超過5%時(shí)，該侵蝕溝道提取結(jié)果為合格，否則為不合格。某縣份出現(xiàn)不合格溝道時(shí)，須重新提取該縣侵蝕溝道。

3.2 數(shù)據(jù)填報(bào)階段

該階段的質(zhì)量控制包括普查員自審、普查指導(dǎo)員復(fù)核、省級(jí)普查機(jī)構(gòu)審查3個(gè)環(huán)節(jié)。填表人員自審時(shí)，要保證普查表指標(biāo)項(xiàng)填報(bào)齊全，保證普查表數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)侵蝕溝道屬性表數(shù)據(jù)一致。普查指導(dǎo)員復(fù)核時(shí)，要檢查普查表指標(biāo)項(xiàng)填報(bào)是否齊全，檢查普查表數(shù)據(jù)填報(bào)是否準(zhǔn)確。省級(jí)普查機(jī)構(gòu)審查采取會(huì)審的方式，組織相關(guān)專業(yè)的專家及國(guó)土、水利和水土保持等部門的代表對(duì)結(jié)果進(jìn)行論證，必要時(shí)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察。

3.3 成果審核匯總階段

省級(jí)普查機(jī)構(gòu)初步完成普查工作、向所在流域普查機(jī)構(gòu)提出檢查申請(qǐng)后，流域普查機(jī)構(gòu)組織審核、接收和匯總分析工作。審核時(shí)，要對(duì)數(shù)據(jù)提取、接邊和野外核查等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面檢查，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1)數(shù)據(jù)提取。根據(jù)省級(jí)侵蝕類型區(qū)或縣級(jí)行政區(qū)劃，按面積均勻抽取不少于5%的影像和DLG，詳細(xì)審核侵蝕溝道提取情況，檢查勾繪精度、漏判和誤判情況、數(shù)據(jù)的完整性和正確性。當(dāng)漏判、誤判的侵蝕溝道數(shù)量超過2%時(shí)，需要重新識(shí)別;當(dāng)溝道線和溝緣線的勾繪偏差超過2個(gè)像元的圖斑數(shù)量超過5%時(shí)，認(rèn)定為勾繪精度不能達(dá)到要求，需要重新勾繪。

2)數(shù)據(jù)接邊。按照各省(自治區(qū))提取侵蝕溝道時(shí)的工作單元，抽取不少于10%的工作單元邊界，詳細(xì)審核侵蝕溝道數(shù)據(jù)接邊情況，檢查接邊處是否存在重復(fù)勾繪、1條溝道被截成2條溝道等錯(cuò)誤。接邊準(zhǔn)確率應(yīng)不小于98%。

3)野外核查。全面檢查野外核查工作情況，詳細(xì)審核野外核查侵蝕溝道的選取、野外核查資料與結(jié)論以及數(shù)據(jù)修正情況等。

在數(shù)據(jù)檢查合格后，開展省際數(shù)據(jù)接邊和匯總分析工作。接邊準(zhǔn)確率應(yīng)不小于98%。

在全面進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和分析、完成普查報(bào)告后，組織自然地理、水土流失、遙感等相關(guān)專業(yè)的專家及國(guó)土、水利、水土保持等部門的代表對(duì)侵蝕溝道數(shù)量、特征及其分布情況進(jìn)行論證，然后上報(bào)國(guó)家級(jí)普查機(jī)構(gòu)。

4 普查成果

東北黑土區(qū)侵蝕溝道的總數(shù)量為29萬(wàn)5 663條，總長(zhǎng)度為19萬(wàn)5 512.64 km，總面積36萬(wàn)4 842 hm2，平均溝壑密度為0.21 km/km2。其中:發(fā)展溝的數(shù)量 26萬(wàn) 2 177條，占 88.67%;長(zhǎng)度 16萬(wàn)8 382.36 km，占 86.12%;面積 30 萬(wàn) 3 606 hm2，占83.22%;穩(wěn)定溝的數(shù)量3萬(wàn)3 486條，占11.33%;長(zhǎng)度2萬(wàn)7 130.28 km，占13.88%;面積6萬(wàn)1 236 hm2，占 16.78%(表 1)。

表1 東北黑土區(qū)侵蝕溝道統(tǒng)計(jì)表Tab．1 Quantity of erosion gullies in the black soil areas of northeastern China

從流域分布情況來(lái)看，松花江流域侵蝕溝道占區(qū)域總數(shù)量的75.94%，其中，發(fā)展溝占區(qū)域發(fā)展溝總數(shù)量的76.21%，穩(wěn)定溝占區(qū)域穩(wěn)定溝總數(shù)量的73.85%。侵蝕溝道總長(zhǎng)度占區(qū)域侵蝕溝道總長(zhǎng)度的81.93%。侵蝕溝道總面積占區(qū)域侵蝕溝道總面積的91.10%。遼河流域侵蝕溝道占區(qū)域總數(shù)量的24.06%，其中，發(fā)展溝占區(qū)域發(fā)展溝道總數(shù)量的23.79%，穩(wěn)定溝占區(qū)域穩(wěn)定溝總數(shù)量的26.15%。侵蝕溝總長(zhǎng)度占區(qū)域侵蝕溝道總長(zhǎng)度的18.07%。侵蝕溝道總面積占區(qū)域侵蝕溝道總面積的8.90%。

從各省分布情況來(lái)看:黑龍江省侵蝕溝道數(shù)量最多，占區(qū)域侵蝕溝道總數(shù)量的39.08%;遼寧省最少，占15.96%。內(nèi)蒙古自治區(qū)侵蝕溝道長(zhǎng)度最長(zhǎng)，占56.14%;吉林省最短，占10.11%。內(nèi)蒙古自治區(qū)侵蝕溝道面積最大，占區(qū)域侵蝕溝道總面積的58.85%;遼寧省最小，占5.44%。

5 討論

據(jù)中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察數(shù)據(jù)，東北黑土區(qū)侵蝕溝道總數(shù)量在25萬(wàn)條左右［5］，本次普查結(jié)果為29萬(wàn)5 663條，二者數(shù)據(jù)相近;松遼流域水利委員會(huì)在2008—2009年采用實(shí)地調(diào)查與3S技術(shù)相結(jié)合對(duì)烏裕爾河和諾謨爾河流域的侵蝕溝道進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示這2個(gè)流域溝壑密度為 0.19 km/km2［6］，本次普查該區(qū)溝壑密度結(jié)果為0.14 km/km2，產(chǎn)生差異的原因主要是本次普查小于100 m和大于5 000 m的侵蝕溝道沒有納入普查范圍;中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所以SPOT5影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在黑龍江省克東縣共提取侵蝕溝道2 246條［7］，本次普查提取侵蝕溝2 445條，二者相差199條。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，可以說(shuō)明本次普查結(jié)果較為準(zhǔn)確、能夠反映出東北黑土區(qū)侵蝕溝道的分布情況。

本次普查給出了東北黑土區(qū)侵蝕溝道類型劃分方法，為編制東北黑土區(qū)侵蝕溝道分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。普查獲得的侵蝕溝道數(shù)量、面積、分布和幾何特征等成果對(duì)侵蝕溝道治理有一定的借鑒意義。侵蝕溝道在本區(qū)分布較多，且發(fā)展迅速，建議在不同類型區(qū)設(shè)立觀測(cè)場(chǎng)，對(duì)不同類型、不同級(jí)別的典型侵蝕溝道進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，掌握和研究侵蝕溝道的發(fā)育規(guī)律及其對(duì)土地資源的危害方式，提出治理方法和模式，為全面控制溝道發(fā)育、保護(hù)黑土資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］ 朱顯謨．黃土區(qū)土壤侵蝕的分類［J］．土壤學(xué)報(bào)，1956，4(2):99-115

［2］ 陳永宗，景可，蔡強(qiáng)國(guó)．黃土高原現(xiàn)代侵蝕與治理［M］．北京:科學(xué)出版社，1988

［3］ 景可．黃土高原溝谷侵蝕研究［J］．地理科學(xué)，1986，6(4):340-347

［4］ 閻百興，沈波，劉寶元，等．東北黑土區(qū)水土流失與生態(tài)安全研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2007

［5］ 閻百興，沈波，劉寶元．中國(guó)水土流失防治與生態(tài)安全:東北黑土區(qū)卷［M］．北京:科學(xué)出版社，2010

［6］ 李建偉，孟令欽，白建宏．東北典型黑土區(qū)侵蝕溝動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及實(shí)踐［J］．東北水利水電，2012(3):4-7

［7］ 王文娟，張樹文，鄧榮鑫．東北黑土區(qū)溝蝕現(xiàn)狀及其與景觀格局的關(guān)系［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(10):192-198