基于3S 技術(shù)的庫區(qū)水土流失分級研究

葉 紅

( 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 永安366000)

水土流失問題是環(huán)境保護的重要研究課題之一，是全球變化的重要研究內(nèi)容．水土流失會毀壞土地資源，淤積江河湖庫，加重水土污染，加劇水旱災(zāi)害，水土流失嚴重會對當?shù)剞r(nóng)業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展造成極大破壞［1］．目前對庫區(qū)水土流失的研究較多，主要有對水土流失量的計算［2］，庫區(qū)水土流失成因分析［3］，水土流失防治措施［4］，水土流失程度分級［5］，水土流失趨勢預(yù)測［6－7］等．這些研究往往通過地籍調(diào)查法、制圖學方法、遙感法等手段進行研究［8］．水土流失主要受降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形、植被覆蓋、水土保持措施幾個因子的影響［9］．本文以福清市東張水庫及龍江流域為研究對象，利用3S(GIS、RS、GPS)技術(shù)，ENVI 和ArcGIS 軟件，通過對水土流失影響因子分析分級，實現(xiàn)快速監(jiān)測水土流失現(xiàn)狀，直觀顯示水土流失分布，輔助水土流失進一步定量監(jiān)測及做出科學合理防治方案．

1 研究區(qū)

福清市位于福建省東北沿海，位于東經(jīng)119°21'，北緯25°34'，與臺灣隔海相望．境內(nèi)地形以丘陵為主，地勢西北高、東南低，龍江由西向東貫穿全境．龍江上游東張水庫植被良好，下游地產(chǎn)東南沿海，人口密集，人類活動較為頻繁，地表植被破壞嚴重，水土流失現(xiàn)象較為突出，因此研究區(qū)域選為東張水庫及以東的龍江流域(圖1)．龍江流域地形呈西北向東南傾斜，屬山溪性河流，流域植被良好，兩岸曲折，水流平緩，河床多淤泥．

圖1 研究區(qū)域概況Fig．1 Overview of the study area

考慮龍江流域上游多為侵蝕低山，山脈走向北東，多受華夏系構(gòu)造控制，大部分為裸露型火山巖地帶;中下游為沖擊平原和海積平原即為山間盆地受溪流沖擊物和古海灣接受海積物形成．土壤以磚紅性紅壤、紅壤、水稻土、鹽土為主．其中磚紅性紅壤和紅壤占主流域總土地面積的70%以上，表層質(zhì)地疏松，含砂礫量高，下層質(zhì)地粘重，結(jié)構(gòu)緊，透水性差，極容易引起地表徑流形成嚴重的水土流失，再經(jīng)與濕熱中亞熱帶季風氣候作用，尤其是3～9 月的雨季，夏季的臺風，集中暴雨，地表一旦失去植物保護，水力侵蝕導(dǎo)致表土流失，嚴重者還產(chǎn)生崩塌、滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害．加之中下游森林采伐過度，毀林開荒，輪墾亂種現(xiàn)象較多，保護措施不當?shù)葘?dǎo)致水土流失問題突出．

2 方法

水土流失受人為因素和自然因素影響，褚英敏［10］對土壤侵蝕因子進行了歸納．水土流失影響因子非常多，完全獲取這些影響因子資料非常困難，本文選取降水影響因子中的年降雨量，植被影響因子中的覆蓋度，地形影響因子中的坡度，土壤類型及土地利用類型作為水土流失影響因子進行土壤水土流失分析．獲取遙感及GIS 數(shù)據(jù)后，首先在ENVI 和ArcGIS 平臺下進行數(shù)據(jù)處理獲取研究區(qū)域各因子的分級圖，采用重分類方法對各因子打分，然后通過主成分分析獲取各因子與主成分的關(guān)系并對主成分根據(jù)其特征值比重疊獲得最終水土流失程度分級結(jié)果．

2．1 植被覆蓋度分級

水土流失受植被覆蓋度影響顯著，是水土流失影響的重要因子．植被緩沖了雨水對地表的直接侵蝕且植被根系保護了土壤不易被水流帶走，因此，植被覆蓋越好的地區(qū)越不容易發(fā)生水土流失．

采用Landsat－8 遙感衛(wèi)星2014 年1 月27 日的衛(wèi)星影像，通過遙感影像紅光波段和近紅外波段進行植被指數(shù)(NDVI)計算:(band5－band4)/(band5+band4)獲得植被指數(shù)覆蓋圖，采用Gutman［11］提出的歸一化插值植被數(shù)簡化模型:Fg=(NDVI－NDVImin)/(NDVImax－NDVImin)(其中Fg 為植被覆蓋度)．通過ArcGIS 對植被覆蓋度進行分類，分類標準為［12－13］:小于30%、30%～45%、45%～60%、60%～75%、大于75%．圖2 是通過遙感衛(wèi)星影像進行植被覆蓋度分級的結(jié)果圖．

2．2 坡度分級

地面坡度是水力侵蝕面方式造成水土流失的主要指標之一．傅伯杰［14］等針對梁茆丘陵實驗分析指出坡度與土地侵蝕量呈指數(shù)相關(guān)，其臨界值一般在25°左右，小于25°侵蝕量隨坡度增加呈直線上升，大于25°，侵蝕量增加幅度變小甚至減少．對坡度分級，采用SRTM 90m DEM 圖，在Arcgis 中進行坡度分析，將坡度分為6 級［12］:小于5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、大于35°．圖3 為地面坡度分級圖．從坡度分級圖中可以直觀的發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的坡度變化，區(qū)域以丘陵、平原為主，水土流失與坡度成正相關(guān)關(guān)系．東張水庫周圍坡度較高，坡度大于35°，龍江流經(jīng)地區(qū)地勢平坦，坡度較低．

2．3 降水因子

水土流失通常受降水侵蝕主導(dǎo)，降雨量是水土流失的動力因素．降水的強度和頻度都會影響水土流失．本文對福建省20 個降水觀測站點(站點坐標采用GPS 方式獲取)從2001 年1 月1 日到2010 年8 月31 日的日平均降水和日最大降水進行普通克里金插值［15］分析，由于各觀測站點存在各別天數(shù)的缺省，缺省天數(shù)不參與考慮，各測站的缺省情況如表1．

圖2 植被覆蓋分級圖Fig．2 The classification of the earth by vegetation－cover

圖3 地面坡度分級圖Fig．3 The classification of the earth by slope

表1 降水觀測數(shù)據(jù)缺省分析Tab．1 Precipitation observational data analysis by default

圖4 為福建省日平均降水普通克里金插值結(jié)果圖，由于研究區(qū)域較小，東張水庫及其龍江流域同屬日平均降水43．75～46．36 mm，說明研究區(qū)域雨量充沛，考慮該地區(qū)屬沿海季風氣候，多臺風和暴雨，非常容易造成水土流失現(xiàn)象發(fā)生．

2．4 土地利用類型分類

土地利用類型屬于人為干預(yù)造成水土流失的范疇，采用Landsat－8 遙感衛(wèi)星(分辨率為30 m)，采用4、3、2 波段組合，影像信息豐富、鮮明、層次好，便于植被、水體及各土地利用類型分類．

運用ENVI 進行東張水庫及龍江流域土地類型分類，采用監(jiān)督分類方式，選取訓(xùn)練樣本進行分類，并選取評價樣本進行精度評定，制圖精度和用戶精度如表2 所示．分類的總精度為90．315 1% ，Kappa 系數(shù)為0．871 2，說明分類效果較好．從各土地類型分類精度可以看出對林地、水土、建筑分類精度較高，草地用戶分類精度略差，但制圖精度較好，達到83．4%，裸地的分類用戶精度較好，制圖精度略差，但研究區(qū)域總體分類精度較好，可以滿足本文對水土流失分析的需要．

圖4 福建省日平均降水普通克里金插值圖Fig．4 The kriging of the average daily rainfall in Fujian province)

表2 分類的評價指標Tab．2 The classification of evaluation indexes

3 影響因子疊合分析

由于研究區(qū)域較小，故認為研究區(qū)域內(nèi)土壤類型和降雨均為一致．采用植被覆蓋度、坡度、土地利用類型進行重分類，并賦予不同的水土流失影響權(quán)重，在ArcGIS 空間分析中柵格計算疊合處理，獲取該區(qū)域水土流失等級圖．

具體的分級方式參考《土壤侵蝕強度分級參考指標》體系，首先對各個影響因素打分:對應(yīng)植被覆蓋度5級，從植被覆蓋度由大到小賦分值為2、4、6、8、10;對應(yīng)坡度6 個等級，從大到小賦分值為12、10、8、6、4、2;對應(yīng)土地利用類型，林地賦分值4，草地賦分值6，裸地賦分值8，水體賦分值0，居民地賦分值2．

為減少土地利用類型各影響因子之間的關(guān)系冗余，明確各影響因子對水土流失影響權(quán)重大小，運用主成分分析法定級［16］，主成分的特征值及各圖層與主成分關(guān)系如表3 所示．

表3 主成分分析結(jié)果Tab．3 The results of principal component analysis

根據(jù)特征值比重，選擇3 個主成分構(gòu)建表達式:P 值為評價結(jié)果，J1為第一主成分，J2為第二主成分，J3為第三主成分．3 個主成分包含了100%的信息量，具有很好的可信度，而且消除了數(shù)據(jù)間的冗余．表3 明確了各主成分與植被覆蓋、土地利用類型、坡度打分后的關(guān)系，可以獲得坡度對第一主成分影響最大，影響系數(shù)為0．866 97，土地利用類型對第二主成分影響程度最大，影響系數(shù)為－0．81436，植被覆蓋對第三主成分影響程度最大，影響系數(shù)為0．83666．根據(jù)式(1)權(quán)重對主成分析疊合獲得水土流失程度，并根據(jù)統(tǒng)計直方圖進行分級，劃分水土流失等級如圖5 所示．

圖5 水土流失分級圖Fig．5 Classification of the soil erosion

觀測分級結(jié)果，將水土流失分為無流失、輕度流失、中度流失、較重流失和重度流失5 個級別，從圖5 左圖中對重度水土流失地區(qū)開窗如圖5 右圖，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域主要為裸露的坡耕地，植被覆蓋度小、坡度大較容易發(fā)生水土流失現(xiàn)象．從東張水庫及龍江流域下游的水土流失分級結(jié)果可以看出，水土流失區(qū)域在東張水庫東岸山地區(qū)域較為嚴重，該區(qū)域應(yīng)該是水土流失治理的重點地區(qū)，龍江流域下游地勢平坦地區(qū)水土保持情況較好，靠山部位水土流失較為嚴重．為保障水質(zhì)及河流通暢，庫區(qū)岸邊及龍江流域沿岸坡度較大區(qū)域為水土流失的重點防范區(qū)域．

4 結(jié)語

本文從眾多水土流失影響因子中選擇若干比較重要的因子來考慮，且遙感方法中采用了許多定性描述的方式，因此水土流失分級相較外業(yè)實地勘察誤差較大些．但是這種方法進行水土流失程度分級具有獨特優(yōu)點:能夠?qū)崿F(xiàn)大區(qū)域的水土流失分級檢測;并且因遙感影像定期更新，方便實現(xiàn)動態(tài)檢測水土流失情況;水土流失初步分級后，可以輔助專家針對性的實地考察水土流失情況，大大降低野外工作量和成本．

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