基于QuickBird影像的艾比湖及周邊土壤風(fēng)蝕研究

崔 龍，陳 平，張紅忠，董文明，黃 靜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆水利廳 頭屯河流域管理處，新疆 昌吉831100）

風(fēng)力侵蝕（簡稱風(fēng)蝕）是地球表面的一種重要的土壤侵蝕形式。日照強(qiáng)烈、氣溫日較差年較差大、物理風(fēng)化盛行，降水量少、蒸發(fā)量大、土壤干燥，地表徑流貧乏、流水作用微弱，植被覆蓋率低、疏松的砂質(zhì)地表裸露的地區(qū)是風(fēng)力侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域，強(qiáng)勁、頻繁、持續(xù)的大風(fēng)是風(fēng)蝕荒漠化形成主要營力，是塑造沙漠地表形態(tài)的動力［1］。地處新疆著名的阿拉山口下風(fēng)口的艾比湖，由于近些年來湖面發(fā)生嚴(yán)重萎縮，湖底大面積裸露，特別是每年春天，來自阿拉山口的強(qiáng)勁大風(fēng)吹起艾比湖的裸露沙塵，直上1 000m的高空，這股沙塵在新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、北京等地緩緩降落，成為上述地區(qū)沙塵暴的主要策源地之一［2］。因此，對艾比湖湖泊區(qū)域應(yīng)用遙感的多波段、多時(shí)相特點(diǎn)研究其風(fēng)蝕強(qiáng)弱程度，可為土壤風(fēng)蝕的研究工作，進(jìn)而區(qū)域的水土流失治理和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)［3－4］。本文基于高分辨率的QuickBird影像數(shù)據(jù)研究艾比湖湖泊及周邊的風(fēng)蝕程度，為艾比湖確定保障水位，減小干涸湖底的沙源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖位于北緯44°34′—45°08′，東經(jīng)82°35′—83°16′，新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)，湖泊呈西北—東南走向，長度約35km，寬度約18km。全年約有165d出現(xiàn)大風(fēng)，常年干旱少雨，氣候干燥，降水稀少，光熱充足，蒸發(fā)量大，年均氣溫8.3℃，年均降水90.9mm，而艾比湖的入湖水量基本依靠博爾塔拉河、精河和部分地下水補(bǔ)給，引發(fā)湖泊干縮、荒漠化速度加劇，導(dǎo)致干涸湖底轉(zhuǎn)向湖區(qū)的西北部，直接暴露于風(fēng)口之下，為風(fēng)沙天氣創(chuàng)造有利條件［5］。據(jù)遙感監(jiān)測結(jié)果，艾比湖地區(qū)的土壤侵蝕類型是以風(fēng)力侵蝕為主［6］，特別是近年來受全球氣候變化和人類活動的影響，分布在湖四周地表的鹽漬土和芒硝等大面積裸露，淪為鹽漠，地下水位下降，湖濱周邊植被衰敗，土地荒漠化面積增加，為沙塵暴營造了豐富的沙源［7－10］。風(fēng)蝕已成為困擾艾比湖地區(qū)的嚴(yán)重問題，就風(fēng)蝕本身而言，風(fēng)蝕的成本無疑大于控制風(fēng)蝕的成本［11］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)選用

QuickBird影像的分辨率高，同時(shí)費(fèi)用也較為昂貴。為滿足本次研究，選購覆蓋整個(gè)艾比湖湖泊及湖岸周邊1km左右區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，并考慮判讀和分析的需要，選擇能見度較高，植被發(fā)育好的時(shí)間段采集影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要來源：（1）2009年8月30日的編程數(shù)據(jù)和2008年6月2日存檔數(shù)據(jù)，分辨率為0.6m的全色數(shù)據(jù)，分辨率為2.4m的多光譜數(shù)據(jù)；（2）2007，2008年的艾比湖湖泊周邊GPS控制測量數(shù)據(jù)和斷面測量數(shù)據(jù)。

2.2 影像處理

為滿足研究工作，需要對不同時(shí)相的兩期QuickBird影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先利用外業(yè)實(shí)測的61個(gè)像控點(diǎn)，應(yīng)用遙感軟件Erdas Imagine 9.1的相關(guān)模塊工具對影像進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)，制作能夠直觀、逼真表示地物及其平面位置，詳盡反映各類地物的形狀、性質(zhì)和相互關(guān)系的正射影像；為使影像反差適中，色彩豐富，對影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，獲得接近實(shí)際色調(diào)、目視效果較好的真彩色正射影像圖，以便于影像分析；因艾比湖湖域含鹽量高，影像色調(diào)差異小，植被不易判讀，為提高植被的解譯精度，對多波段Quick－Bird影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得假彩色影像。

2.3 土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度現(xiàn)狀

已有的研究成果證明，艾比湖地區(qū)的土壤侵蝕以風(fēng)力侵蝕為主。為進(jìn)一步證實(shí)該結(jié)論，利用艾比湖湖岸周邊的地形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)80%的地面坡度在0.1%以內(nèi)，大約98%以上的地面坡度在0.5%以內(nèi)，均為非耕地，植被覆蓋度很低。根據(jù)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中水蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)：地面坡度＜5%，非耕地林草覆蓋度在75%以下，均為微度侵蝕。艾比湖湖岸的坡度、植被覆蓋度遠(yuǎn)小于該指標(biāo)，發(fā)生水蝕的可能性很小，而艾比湖所具有的風(fēng)力大，刮風(fēng)日數(shù)多和干旱少雨等氣候特點(diǎn)，為風(fēng)力侵蝕的營造條件。

坡度和植被覆蓋度與土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的相關(guān)性很顯著，因此，對于坡度非常平緩的艾比湖湖岸周邊，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的調(diào)查可以轉(zhuǎn)化為對地面植被覆蓋度的間接指標(biāo)調(diào)查。應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行艾比湖湖岸周邊土壤風(fēng)蝕現(xiàn)狀的調(diào)查，獲取信息量大，數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣。

2.3.1 植被圖 采用QuickBird數(shù)據(jù)融合后的假彩色影像，提取不同類型植被的圖斑，為提高植被的判讀精度，通過野外實(shí)地調(diào)查與人工解譯相結(jié)合，獲取植被信息（表1）。

表1 植被解譯標(biāo)志

與正射影像進(jìn)行疊加生成植被圖（附圖5）。研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度最高的為蘆葦（大于95%），其次為胡楊（60%）、梭梭和防護(hù)林（50%～30%）、紅柳（25%）和無植被覆蓋的區(qū)域。

2.3.2 土壤風(fēng)蝕現(xiàn)狀圖 艾比湖湖岸周邊風(fēng)蝕強(qiáng)度，依據(jù)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)蝕強(qiáng)度因子匹配模型（表2）進(jìn)行分級。

表2 風(fēng)蝕強(qiáng)度因子匹配模型

根據(jù)風(fēng)蝕強(qiáng)度的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際調(diào)查，研究區(qū)域是以沙地為主的地表形態(tài)，但沒有大片流動沙丘。因此，不考慮劇烈侵蝕，將艾比湖湖岸周邊的風(fēng)蝕強(qiáng)度分為極強(qiáng)度、強(qiáng)度、中度、輕度和微度5個(gè)級別，根據(jù)植被圖和相應(yīng)植被的覆蓋度，制作完成艾比湖湖岸周邊土壤風(fēng)蝕現(xiàn)狀圖（附圖6）。

3 結(jié)果與分析

3.1 艾比湖湖岸周邊風(fēng)蝕現(xiàn)狀分析

艾比湖湖岸周邊土壤風(fēng)蝕現(xiàn)狀圖反映出湖岸的風(fēng)蝕程度相當(dāng)嚴(yán)重，強(qiáng)度以上的風(fēng)蝕約占63%，主要分布在湖域的東部和西部的無植被覆蓋區(qū)域，處于阿拉山口的風(fēng)向方向。而湖泊西北部的地面多為礫石層，QuickBird影像呈顆粒狀的淺黑色調(diào)，均為面狀分布；西南地面多為砂礫石層，呈均勻的深灰色調(diào)。這是由于含沙質(zhì)的礫石和不含沙質(zhì)的礫石對光譜的反射不同，色調(diào)上產(chǎn)生差別。湖泊東部地面沉積大量的鹽粒，呈現(xiàn)淺灰色到白色色調(diào)的變化；東北部受到風(fēng)力吹蝕作用大，影像呈現(xiàn)明暗相間條狀紋理；東南沉積的鹽層較厚，光譜反射強(qiáng)烈，呈現(xiàn)均勻的白色色調(diào)，此區(qū)域成為主要的積鹽地。通過對高分辨率影像上地貌形態(tài)的色調(diào)、紋理變化分析可知，艾比湖湖岸的北部受到風(fēng)力影響較南部要大。

微度風(fēng)蝕和中度風(fēng)蝕面積約占37%，主要分布在湖泊南北兩岸有植被覆蓋區(qū)域。在湖泊南岸精河和博河的入湖段植被的覆蓋度相對要高，特別是博河兩岸地下水位較高，生長大面積的蘆葦，土地鹽堿化程度嚴(yán)重；北岸有地下水補(bǔ)給，呈現(xiàn)帶狀的植被覆蓋區(qū)；西南角由于灌渠的尾水流入形成一片濕地，植被較為集中。

艾比湖湖岸的整體情況反映植被覆蓋度較低，植被相對集中于水源區(qū)附近。由此看來，水是艾比湖植被恢復(fù)的關(guān)鍵因素，只要有水，就能為植被提供良好的生存環(huán)境，減小風(fēng)力侵蝕的影響。

3.2 艾比湖干涸湖底的土壤風(fēng)蝕分析

2009年艾比湖湖泊的QuickBird正射影像圖顯示出西北部裸露的干涸湖底，其面積達(dá)到430km2。從影像的色調(diào)、形狀和紋理發(fā)生的變化，反映了干涸湖底的地貌形態(tài)和風(fēng)系的方向。西北是裸露區(qū)最低洼的地帶，由于沉積大量淤泥，影像呈現(xiàn)暗灰色色調(diào)，色調(diào)均勻，表明低洼處的地勢較為平坦；坡腳地帶的地形發(fā)生變化，造成風(fēng)對地面吹蝕的變化，影像呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒狀的灰白色調(diào)；到達(dá)坡面后，由于受風(fēng)的吹蝕較為均勻，影像上呈現(xiàn)較均勻、面狀的灰白色色調(diào)（圖1a），說明坡度緩、坡面長；坡頂邊緣，由于風(fēng)向的變化，影像從灰白色過渡到白色色調(diào)；到達(dá)坡頂后風(fēng)的強(qiáng)度發(fā)生變化，影像由片狀白色色調(diào)變?yōu)殚L條狀的白色色調(diào)（圖1b），靠近北部條帶長而寬，向南部逐漸由短、窄變?yōu)榫€條狀，表明北部受到風(fēng)力的影響相比南部要大，同時(shí)在坡頂有一條邊界明顯、南北走向的淺灰色色調(diào)的條帶，表明坡的頂部較為寬敞，而在其南側(cè)，由于靠近博樂火車站，地表水的滲入，影像呈現(xiàn)暗灰色色調(diào)；背風(fēng)的坡面上，順坡而下的水流，在風(fēng)力作用下，形成了猶如河道漫灘中相互交織的小溝壑和心灘，充足的陽光照射下，水分蒸發(fā)、鹽堿沉積，影像呈現(xiàn)為白色的樹枝狀（圖1c）。

為驗(yàn)證通過影像紋理分析所反映出干涸湖底的地貌形態(tài)變化，根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，由湖泊西北向東南方向提取干涸湖底的縱向斷面圖（圖2）。

圖1 艾比湖干涸湖底的風(fēng)蝕影像

由圖2可以看出，湖底低洼處地勢平坦，寬度在4.5km左右；迎風(fēng)面為長度約10km的1／5 000平緩的坡面；坡頂明顯凸起，寬度約0.5km；背風(fēng)面坡度趨于平緩，坡度約為1／10 000。由此說明，艾比湖的湖底地形整體趨于平緩，裸露后的干涸湖底易于鹽漠的發(fā)育。因此，以阿拉山口持久的強(qiáng)勁大風(fēng)為動力條件，干涸湖底的鹽漠造就豐富沙源地為物質(zhì)條件，艾比湖干旱區(qū)域的不穩(wěn)定空氣為熱力條件，三者的同時(shí)出現(xiàn)，為沙塵暴的發(fā)生創(chuàng)造了有利的條件。保證艾比湖有充足水量，是有效控制沙塵，抑制沙塵暴的重要因素，而水位控制的關(guān)鍵位置是此干涸湖底最高處的高程。

圖2 艾比湖干涸湖底斷面

4 結(jié)論

高分辨率QuickBird數(shù)據(jù)豐富的影像信息、細(xì)膩的紋理變化等，對于自然環(huán)境惡劣、采用常規(guī)方法難以調(diào)查的艾比湖土壤風(fēng)蝕狀況，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。

（1）艾比湖的干涸湖底是這一地區(qū)形成風(fēng)蝕的主要沙源地。沉積的鹽塵顆粒直徑多在0.001～0.5mm（粉砂和中細(xì)砂）［11］，在風(fēng)力的作用下懸浮于空氣中，形成懸移運(yùn)動，漂浮在幾百米甚至上千米的高空。

（2）艾比湖干涸湖底在風(fēng)力作用下形成了具有一定起伏的地形，若干涸湖底長期處于裸露狀態(tài)，隨著風(fēng)的吹蝕，干涸湖底的中部必然會抬升，勢必造成艾比湖湖底暴露，擴(kuò)大沙源地面積。

（3）減小風(fēng)蝕沙源地是控制風(fēng)力侵蝕的關(guān)鍵。針對艾比湖干涸湖底的現(xiàn)狀，關(guān)鍵要保障艾比湖有充足的入水量，使干涸湖底完全處于水下。所以要從根本上解決艾比湖的水量問題，應(yīng)以艾比湖流域?yàn)閱卧鳛橐粋€(gè)整體生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行綜合治理［12］。

（4）湖岸周邊要逐步恢復(fù)梭梭、紅柳等適應(yīng)于該地區(qū)的耐鹽植被，堅(jiān)決抑制人為對原始地貌擾動，以真正達(dá)到減少風(fēng)蝕程度的目的。

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