縣域尺度水土流失抽樣監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

馬松增，何明月

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，鄭州 450008；2.河南省水利勘測(cè)有限公司，鄭州 450003)

在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，美國主要采用抽樣調(diào)查和模型法(USLE、WEQ)，澳大利亞及歐洲主要采用專家法和模型法(USLE、CEMS)[1,2]。我國從20世紀(jì)80年代開始，主要采用綜合評(píng)判法對(duì)全國水土流失狀況進(jìn)行了3次遙感調(diào)查；2010-2012年全國第1次水利普查水蝕區(qū)水土流失專項(xiàng)調(diào)查中，采用了抽樣調(diào)查與CSLE模型法，但該方法中部分參數(shù)因子的區(qū)域率定與計(jì)算仍需進(jìn)一步研究[3-5]。目前的常規(guī)區(qū)域監(jiān)測(cè)大多針對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，國家層面的遙感調(diào)查周期基本上是5 a甚至更長時(shí)間，省級(jí)層面開展一次全面系統(tǒng)的水土流失調(diào)查大約需要2 a時(shí)間。受自然因素和人為因素的共同作用，區(qū)域水土流失分布呈現(xiàn)空間異質(zhì)性。對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)人為干擾較弱、不易發(fā)生侵蝕、環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定不易發(fā)生變化的區(qū)域采取同樣的監(jiān)測(cè)方式，不但耗時(shí)長，而且需要?jiǎng)佑么罅咳肆ξ锪Α?/p>

本研究選擇濟(jì)源市作為試驗(yàn)研究范圍，提出空間異質(zhì)性區(qū)域劃分，將受人為活動(dòng)干擾、容易發(fā)生水土流失的區(qū)域，劃定為水土流失易發(fā)區(qū)。在劃定水土流失易發(fā)區(qū)與非易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將易發(fā)區(qū)域內(nèi)水土流失狀況容易發(fā)生變化、人為干擾強(qiáng)烈、自然和社會(huì)環(huán)境易發(fā)生改變的區(qū)域劃分為水土流失易變區(qū)。以區(qū)域劃分成果和近年最新水土流失遙感監(jiān)測(cè)成果為前提，通過3S技術(shù)和常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，采用單元抽樣等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究在不同抽樣方案條件下，以抽樣單元推算區(qū)域、以區(qū)域推算縣域尺度，快速準(zhǔn)確獲取區(qū)域乃至縣域水土流失情況的可行性及推算精度。

1 研究區(qū)域概況

濟(jì)源市位于河南省西北部，黃河北岸，與山西省為鄰，處于東經(jīng)112°02′-112°45′、北緯34°54′-35°17′，面積為1 908 km2。地勢(shì)呈西高東低、北高南低之勢(shì)，全市東部海拔最低，為120 m，北部為太行山脈，鰲背山、斗頂峰海拔高度分別為1 930、1 955 m。平原、臺(tái)地、丘陵、低山、中山地貌均有分布，其中山丘區(qū)面積占85.4%。暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，極端最高氣溫43.4 ℃，大于10 ℃的活動(dòng)積溫4 539.6 ℃，無霜期平均223 d，多年平均日 2 375.4 h，多年平均降水量641.7 mm，降水季節(jié)分布不均。境內(nèi)河流屬黃河水系，黃河自晉入豫，沿濟(jì)源市市南界流徑57 km，匯納逢石河、大峪河、硯瓦河、蟒河、沁河等15條一級(jí)支流。

研究區(qū)北部太行山區(qū)地質(zhì)剖面底部為片麻巖、片巖與石英巖，中部為石灰?guī)r、夾頁巖及部分砂巖，上部為厚層的石灰?guī)r；西部低山丘陵區(qū)主要為沙頁巖、灰?guī)r及泥巖，東南部黃土丘陵區(qū)大部分為新生界第四系黃土及黃土狀物質(zhì)；東部平面地面普遍為第四系黃土物質(zhì)覆蓋。土壤類型主要為褐土、粗骨土、石質(zhì)土。植被屬溫帶落葉闊葉林，除少部分原始森林，多為松柏林和灌木叢。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 水土流失基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

(1)地形、地貌數(shù)據(jù)。基于ArcGIS平臺(tái)，以DEM為基礎(chǔ)，提取海拔、起伏度、坡度等信息，構(gòu)建研究區(qū)地形地貌、坡度等本底信息數(shù)據(jù)。

(2)林草覆蓋、土地利用本底信息數(shù)據(jù)?；贏rcGIS、ENVI平臺(tái)，以1998年TM遙感影像為基礎(chǔ)，計(jì)算歸一化植被指數(shù)、植被覆蓋度，構(gòu)建研究區(qū)植被覆蓋度本底信息數(shù)據(jù)。根據(jù)解譯標(biāo)志，以1998年TM遙感影像為基礎(chǔ)，通過人機(jī)交互解譯方式，提取土地利用信息，構(gòu)建研究區(qū)8個(gè)一級(jí)類(耕地、園地、林地、草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地)，10個(gè)二級(jí)類的土地利用本底信息數(shù)據(jù)。

(3)水土流失本底信息數(shù)據(jù)?；贏rcGIS平臺(tái)，綜合分析1998年研究區(qū)地貌、坡度、土地利用、植被覆蓋度等因子，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)，采用綜合評(píng)判三因子法，判定水土流失強(qiáng)度，構(gòu)建研究區(qū)水土流失面積、強(qiáng)度和空間分布等本底信息數(shù)據(jù)。

(4)水土流失變化情況數(shù)據(jù)。以2009年TM遙感影像為基礎(chǔ)，采用上述方法，獲取2009年林草覆蓋、土地利用、水土流失等狀況數(shù)據(jù)；對(duì)比1998年本底信息數(shù)據(jù)，分析獲取林草植被覆蓋度、土地利用、水土流失變化趨勢(shì)、數(shù)量及空間分布等特征。

2.2 水土流失空間異質(zhì)性區(qū)域劃分

(1)水土流失易發(fā)區(qū)劃分。水土流失易發(fā)區(qū)劃分結(jié)合水土流失發(fā)生發(fā)展的特點(diǎn)，根據(jù)空間連續(xù)性、綜合性、地帶性、因地制宜性等原則，利用ArcGIS的空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理，矢量數(shù)量、柵格數(shù)據(jù)的空間分析等功能，對(duì)獲取的植被覆蓋度、坡度、地貌類型、土地利用等水土流失影響因子進(jìn)行疊置分析，并根據(jù)遙感影像的人為干擾跡象等因素進(jìn)行人工修正，最終將受人為活動(dòng)干擾、容易發(fā)生水土流失的區(qū)域，劃定為水土流失易發(fā)區(qū)[6，7]。

(2)水土流失易變區(qū)劃分。水土流失易變區(qū)劃分原則與易發(fā)區(qū)劃分原則相同，主要根據(jù)水土流失易發(fā)區(qū)內(nèi)2期對(duì)比數(shù)據(jù)的土地利用、植被覆蓋度、土壤侵蝕狀況變化疊置分析，結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證和當(dāng)?shù)赝恋乩靡?guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等進(jìn)行綜合分析進(jìn)行劃定。將易發(fā)區(qū)內(nèi)水土流失狀況容易發(fā)生變化、人為干擾強(qiáng)烈、自然和社會(huì)環(huán)境易發(fā)生改變的區(qū)域進(jìn)一步劃分水土流失易變區(qū)。

(3)異質(zhì)性最小單元構(gòu)建與優(yōu)化。在異質(zhì)性最小單元內(nèi)，土地利用、坡度等級(jí)、植被覆蓋度等級(jí)具有均一性，是本研究中的抽樣最小單元。以1998年土壤侵蝕圖斑數(shù)據(jù)為本底數(shù)據(jù)，根據(jù)土地利用、坡度和植被蓋度分級(jí)數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感影像、矢量化地形圖，初步構(gòu)建異質(zhì)性最小單元，即初始異質(zhì)性最小單元[8]。

對(duì)初始異質(zhì)性最小單元，進(jìn)行優(yōu)化處理，采用逐級(jí)拆分或合并的方式，將大的抽樣單元逐級(jí)拆分，小的單元逐級(jí)合并，最終形成面積分布集中于30～80 hm2的優(yōu)化單元，即優(yōu)化異質(zhì)性最小單元。

2.3 水土流失監(jiān)測(cè)抽樣方案

本研究通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間分析，劃分水土流失易發(fā)區(qū)、水土流失易變區(qū)，在區(qū)域內(nèi)，以初始異質(zhì)性最小單元和優(yōu)化異質(zhì)性最小單元作為抽樣樣本單元，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)樣本容量計(jì)算公式計(jì)算抽樣數(shù)量，確定抽樣位置，通過轉(zhuǎn)移概率矩陣外推獲取水土流失易發(fā)區(qū)、易變區(qū)的區(qū)域水土流失數(shù)據(jù)，并與2009年判讀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)其區(qū)域尺度的精度。將區(qū)域水土流失數(shù)據(jù)、非參與抽樣區(qū)域及本底水土流失數(shù)據(jù)疊加，外推獲取縣域尺度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并再次進(jìn)行縣域尺度的精度評(píng)價(jià)。

根據(jù)研究目的和要求[9-11]，共設(shè)定4種水土流失監(jiān)測(cè)抽樣方法及推算的對(duì)比研究方案，包括：基于易發(fā)區(qū)初始異質(zhì)性最小單元抽樣、基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣、基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元不等概抽樣、基于易變區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣。為保證抽樣單元的隨機(jī)性與代表性，每種方案均設(shè)置2～3組平行的抽樣單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失本底數(shù)據(jù)構(gòu)建

水土流失本底數(shù)據(jù)構(gòu)建內(nèi)容包括地形地貌、林草覆蓋、土地利用和水土流失本底信息等數(shù)據(jù)。

(1)地形地貌本底數(shù)據(jù)。濟(jì)源市地貌類型主要有平原、臺(tái)地、丘陵、低山、中山5種，呈現(xiàn)丘陵>低山>平原>中山>臺(tái)地的狀態(tài)，丘陵和低山為主。其中平原233.73 km2，占12.25%；臺(tái)地44.96 km2，占2.36%；丘陵929.24 km2，占48.69%；低山區(qū)615.83 km2，占32.27%；中山區(qū)84.49 km2，占4.43%。地貌類型見圖1。

圖1 地貌類型分布Fig.1 Geomorphologic type map

濟(jì)源市坡度整體坡度較緩，集中分布在0°～25°范圍內(nèi)，占縣域面積的80.38%，但仍有部分地勢(shì)較陡，大于25°的陡坡、急陡坡所占面積為374.52 km2，占19.62%。以平緩坡為主，面積為701.58 km2，占36.77%；其次為15°～25°陡坡和8°～15°斜坡，分別占20.61%和16.73%。坡度分級(jí)圖見圖2。

圖2 坡度分級(jí)分布Fig.2 Slope Degree classified Map

(2)林草覆蓋本底數(shù)據(jù)。 與1998年相比， 2009年濟(jì)源市林草面積增加53.55 km2。其中，中高覆蓋明顯增加，從1998年的451.31 km2增加到2009年的615.91 km2，增加了164.60 km2，所占林草面積比例增加了12.90%；其次為高覆蓋，增加了38.43 km2，變化幅度為27.28%；中覆蓋與中低覆蓋面積明顯減少，分別從1998年358.20 km2和71.85 km2減少到2009年的242.29 km2和37.65 km2，減少幅度分別為32.36%、47.60%；低覆蓋變化不顯著，1998-2009年僅存在0.63 km2的差異。2期林草覆蓋見圖3、圖4。

圖3 1998年林草覆蓋度分布Fig.3 Map of forest cover in 1998

圖4 2009年林草覆蓋度分布Fig.4 Map of forest cover in 2009

(3)土地利用本底數(shù)據(jù)。與1998年相比，2009年土地利用結(jié)構(gòu)仍以耕地、林地為主，新增園地、旱梯田。土地利用一級(jí)類中，耕地面積減少，其他土地利用類型所占面積均呈增加趨勢(shì)。2期土地利用見圖5、圖6。

圖5 1998年土地利用分布Fig.5 Land use map in 1998

圖6 2009年土地利用分布Fig.6 Land use map in 2009

(4)水土流失變化數(shù)據(jù)。1998-2009年，縣域總體土壤侵蝕呈下降態(tài)勢(shì)，侵蝕強(qiáng)度降低，水土流失面積減少。水土流失減少面積達(dá)201.37 km2，占全縣面積10.55%。其中：中度侵蝕面積變化最大，減少260.01 km2；輕度侵蝕變化次之，增加72.09 km2；強(qiáng)烈侵蝕減少13.46 km2，占其原面積的54.47%。

全縣有456.53 km2的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)發(fā)生變化，占全縣面積的23.92 km2，其中445.78 km2侵蝕強(qiáng)度降低，10.75 km2侵蝕強(qiáng)度升高。土壤侵蝕變化最為顯著的為中度侵蝕變化為輕度侵蝕，集中分布在西南丘陵區(qū)，尤其是小浪底水庫水利工程周邊，耕地退耕，林地面積增加，林地植被覆蓋增加的區(qū)域較多；在北部丘陵與中低山地貌過渡帶，耕地減少，林地增加的現(xiàn)象也很顯著。其次為輕度侵蝕變化為微度侵蝕，主要分布在城鎮(zhèn)周邊的耕地，坡耕地整治為梯田，侵蝕強(qiáng)度降低，涉及邵原鎮(zhèn)、王屋鄉(xiāng)、軹城鄉(xiāng)、克井鄉(xiāng)；部分變化在中低山區(qū)呈零散分布，主要是由于植被覆蓋度變化；同時(shí)受小浪底水利工程影響，部分耕地、林地變成水域及水利設(shè)施用地，侵蝕強(qiáng)度降低。中度侵蝕變?yōu)槲⒍惹治g，集中分布在小浪底水庫周邊，同樣是由于土地利用發(fā)生變化導(dǎo)致。其他侵蝕強(qiáng)度等級(jí)間的轉(zhuǎn)換較小，多小于5 km2，呈點(diǎn)狀分布。2期水土流失見圖7、圖8。

圖7 1998年土壤侵蝕強(qiáng)度分布Fig.7 Soil erosion intensity map in 1998

圖8 2009年土壤侵蝕強(qiáng)度分布Fig.8 Soil erosion intensity map in 2009

3.2 水土流失空間異質(zhì)性區(qū)域劃分

(1)結(jié)合濟(jì)源市實(shí)際狀況，劃分水土流失易發(fā)區(qū)面積1 167.2 km2，占全縣面積比為61.2%。分布高程范圍200～600 m，地貌以丘陵為主，此外還包括平原向丘陵的過渡帶、丘陵向低山的過渡地帶。土地利用以旱地、林地為主，林地植被覆蓋度以中覆蓋為主。主要涉及邵原鎮(zhèn)、王屋鄉(xiāng)、下冶鄉(xiāng)、大峪鄉(xiāng)、坡頭鄉(xiāng)、軹城鄉(xiāng)、承留鄉(xiāng)、思禮鄉(xiāng)、克井鄉(xiāng)、五龍口等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。劃分水土流失易變區(qū)面積為622.3 km2，占水土流失易發(fā)區(qū)面積的53.3%。水土流失易發(fā)區(qū)、易變區(qū)分布見圖9、圖10。

圖9 水土流失易發(fā)區(qū)分布Fig.9 Map of soil erosion prone area

圖10 水土流失易變區(qū)分布Fig.10 Map of soil erosion volatility area

(2)水土流失易發(fā)區(qū)構(gòu)建初始異質(zhì)性最小單元6 863 個(gè)。其中耕地2 435 個(gè)，林地4 364 個(gè)，草地27 個(gè)，園地37 個(gè)。最大單元面積為87 hm2，最小單元為3 hm2，平均單元面積為25 hm2。異質(zhì)性最小單元面積分布集中在10～40 hm2，以20～30 hm2面積區(qū)間內(nèi)數(shù)量最大，所占比例為37.2%。初始異質(zhì)性最小單元分布見圖11。

圖11 初始異質(zhì)性最小單元分布Fig.11 Map of initial heterogeneity minimum element

(3)在初始最小異質(zhì)性單元基礎(chǔ)上，分別對(duì)面積大于100、90和80 hm2的單元進(jìn)行逐級(jí)拆分優(yōu)化，得到優(yōu)化異質(zhì)性最小單元3 862 個(gè)，最大單元面積為85.9 hm2，最小單元面積為6.3 hm2，平均面積為44.6 hm2。面積分布在30～80 hm2范圍內(nèi)的異質(zhì)性最小單元所占比例為80.6%。優(yōu)化異質(zhì)性最小單元分布見圖12。

圖12 優(yōu)化異質(zhì)性最小單元分布Fig.12 Map of Optimal heterogeneity minimum element

3.3 基于易發(fā)區(qū)初始異質(zhì)性最小單元抽樣方案及其推算

以水土流失易發(fā)區(qū)作為抽樣監(jiān)測(cè)對(duì)象，初始異質(zhì)性最小單元為抽樣單元，計(jì)算抽樣數(shù)量，確定抽樣位置，通過抽樣單元內(nèi)2期侵蝕變化，建立轉(zhuǎn)移矩陣，通過面積外推法獲取易發(fā)區(qū)外推數(shù)據(jù)，并與判讀數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)行區(qū)域尺度的精度評(píng)價(jià)。將易發(fā)區(qū)外推數(shù)據(jù)、非參與抽樣數(shù)據(jù)與非易發(fā)區(qū)本底數(shù)據(jù)疊加分析，獲取縣域尺度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行縣域尺度的精度評(píng)價(jià)。

(1)抽樣數(shù)量。在耕地、林地、草地3種土地利用類型中按各級(jí)侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行抽樣。濟(jì)源市易發(fā)區(qū)抽樣單元總計(jì)245個(gè)，其中耕地108個(gè)，林地76個(gè)，草地61個(gè)。草地抽樣比例最大，為26.6%，耕地與林地的抽樣比例分別為14.8%、7.6%。

3組抽樣單元總面積分別為145.6、144.0、142.8 km2，抽樣單元總面積比較接近，組間相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算分析，3組抽樣精度分別為98.9%、94.4%、84.6%，擬合精度分別為98.8%、97.9%、97.3%，表明3組抽樣單元均能很好地代表樣本總體。

(2)區(qū)域尺度精度評(píng)價(jià)。以微度侵蝕相對(duì)誤差作為抽樣外推精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，以各級(jí)侵蝕強(qiáng)度相對(duì)誤差面積加權(quán)平均作為擬合度指標(biāo)。由表1可知，3組抽樣所對(duì)應(yīng)的抽樣外推精度為97.3%、73.6%、85.7%；擬合精度為94.8%、87.6%、92.4%。第1次抽樣外推精度較高，與第2次、第3次抽樣結(jié)果有一定差異，產(chǎn)生這種差異的原因是抽樣單元具有均一性和2期對(duì)比水土流失數(shù)據(jù)空間分布的規(guī)律性。

表1 基于易發(fā)區(qū)初始單元外推區(qū)域數(shù)據(jù)Tab.1 Extrapolation of regional data based on the initial element of the prone area

(3)縣域尺度精度評(píng)價(jià)。將水土流失易發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)與居民點(diǎn)水域及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地等非易發(fā)區(qū)本底數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取縣域監(jiān)測(cè)成果，并與2009年判讀數(shù)據(jù)對(duì)比分析進(jìn)行精度分析。由表2可以看出，3次抽樣的相對(duì)誤差均小于5%，推算精度大于95%，絕對(duì)誤差小于2%，各級(jí)侵蝕強(qiáng)度加權(quán)平均精度大于95%。表明該水土流失監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行水土流失估算是可行的，監(jiān)測(cè)成果的精度可以滿足要求。

表2 縣域尺度成果數(shù)據(jù)Tab.2 County scale data

3.4 基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣方案及其推算

該方法與基于易發(fā)區(qū)初始異質(zhì)性單元抽樣法相似，但抽樣單元采用優(yōu)化異質(zhì)性最小單元，減少了抽樣單元面積不均一所造成的影響。

(1)抽樣數(shù)量。設(shè)置2組抽樣，分別對(duì)面積大于90、80 hm2的初始單元進(jìn)行拆分優(yōu)化，優(yōu)化處理后再進(jìn)行基于易發(fā)區(qū)的優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣。2組抽樣單元數(shù)分別為245、241個(gè)，耕地抽樣比例分別為13.3%、11.8%，林地抽樣比例分別為7.0%、6.4%，草地抽樣比例分別為24.7%、21.7%。

(2)區(qū)域尺度精度評(píng)價(jià)。由表3可以看出，第1組推算精度大于第2組，即對(duì)面積大于90 hm2的初始單元拆分后抽樣的方法優(yōu)于對(duì)80 hm2的初始單元進(jìn)行拆分抽樣的方法。分析原因，進(jìn)一步拆分圖斑引起單元數(shù)量的增加，但由于抽樣單元的數(shù)量不會(huì)同步增加，進(jìn)而導(dǎo)致抽樣比例下降，非變化單元的抽中概率增加，因此反映在抽樣結(jié)果上就是樣本精度及推算精度均降低。

(3)縣域尺度精度評(píng)價(jià)。根據(jù)縣域尺度成果數(shù)據(jù)精度成果表4，第1組推算縣域尺度數(shù)據(jù)與2009年判讀數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差3.2%，外推精度為96.8%，絕對(duì)誤差為1.7%；各級(jí)侵蝕強(qiáng)度加權(quán)平均誤差3.5%，精度96.5%；水土流失誤差3.5%。第2組數(shù)據(jù)相對(duì)誤差4.7%，外推精度為95.3%，絕對(duì)誤差為2.4%；各級(jí)侵蝕強(qiáng)度加權(quán)平均誤差4.9%，精度95.1%；水土流失誤差5.1%。研究表明，抽樣精度的穩(wěn)定性受異質(zhì)性單元拆分面積的均一性的影響，拆分面積均一性高，抽樣精度更加穩(wěn)定；最優(yōu)拆分面積在40～50 hm2，單元集中分布在30～80 hm2。

表3 基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化單元外推區(qū)域尺度數(shù)據(jù)Tab.3 Extrapolation of regional scale data based on theoptimization unit of the prone area

表4 縣域尺度成果數(shù)據(jù)Tab.4 County scale data

3.5 基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元不等概抽樣方案及其推算

在水土流失易發(fā)區(qū)中的易變區(qū)和非易變區(qū)同時(shí)抽樣，為使抽樣單元盡可能多的落入侵蝕易變區(qū)，在抽樣過程中加入限制條件。分別對(duì)易變區(qū)、非易變區(qū)抽樣結(jié)果進(jìn)行外推計(jì)算，并將2者外推結(jié)果進(jìn)行求和處理，獲得該抽樣方法的外推結(jié)果，并與判讀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

易變區(qū)抽樣數(shù)目138個(gè)，占易變區(qū)總數(shù)的6.4%。其中耕地86個(gè)，抽樣比例7.4%，林地52個(gè)，抽樣比例5.1%。非易變區(qū)抽樣數(shù)目偏少，僅34個(gè)，占非易變區(qū)總數(shù)的2.0%。

3組抽樣研究結(jié)果表明，區(qū)域尺度精度分別為86.8%、87.9%和97.1%，縣域尺度精度分別為79.9%、81.9%、98.8%。在3組抽樣中，僅有1組抽樣滿足精度要求，整體水土流失面積判定誤差較大，說明偏向于易變區(qū)的抽樣方法已經(jīng)干擾了侵蝕變化概率，不能保證抽樣單元空間分布的隨機(jī)性與均勻性。同時(shí)該方法在外推過程中，各級(jí)強(qiáng)度外推數(shù)據(jù)與判讀數(shù)據(jù)誤差較大，不能完全保證縣域尺度外推數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.6 基于易變區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣方案及其推算

基于易變區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣僅在水土流失易變區(qū)進(jìn)行抽樣及外推計(jì)算，在非易變區(qū)不進(jìn)行抽樣，最終將侵蝕易變區(qū)侵蝕抽樣外推結(jié)果與非易變區(qū)侵蝕本底數(shù)據(jù)累加，構(gòu)成水土流失易發(fā)區(qū)推算結(jié)果。該結(jié)果進(jìn)而與非易發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總獲得縣域水土流失監(jiān)測(cè)成果。

(1)抽樣數(shù)量。由于草地單元數(shù)量不足以構(gòu)成抽樣樣本，因此將草地單元與林地單元合并抽樣。單元總數(shù)為1 129個(gè)，其中耕地517個(gè)，林草地612個(gè)。本次抽樣共抽取單元125塊，其中耕地71塊，抽樣比例為13.7%；林草地54塊，抽樣比例為8.8%。

(2)區(qū)域尺度精度評(píng)價(jià)。3組基于易變區(qū)的區(qū)域尺度外推精度分別為87.5%、87.0%、87.4%，平均外推精度87.3%。3組擬合精度分別為91.9%、93.0%、92.7%，平均擬合精度92.6%，擬合精度高于外推精度?？傮w而言，區(qū)域尺度精度滿足要求，可以與非易發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總進(jìn)行縣域尺度數(shù)據(jù)推算。

(3)縣域尺度精度評(píng)價(jià)。研究數(shù)據(jù)表5表明，第2組抽樣數(shù)據(jù)外推精度最高，相對(duì)誤差3.3%，外推精度為96.7%，絕對(duì)誤差為1.9%。3組抽樣相對(duì)誤差均小于5%，外推精度大于95%，絕對(duì)誤差小于2%，各級(jí)侵蝕強(qiáng)度加權(quán)平均精度大于90%。結(jié)果表明，該水土流失監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行水土流失估算是可行的，監(jiān)測(cè)成果的精度可以滿足要求。

表5 縣域尺度成果數(shù)據(jù)Tab.5 County scale data

4 結(jié)論與討論

(1)縣域尺度中最優(yōu)異質(zhì)性最小單元構(gòu)建是本研究水土流失監(jiān)測(cè)方法的關(guān)鍵。優(yōu)化異質(zhì)性最小單元的面積分布集中于30～80 hm2范圍內(nèi)為最優(yōu)情況。

(2)基于易變區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元抽樣既考慮了抽樣單元面積的均一性，又兼顧了人為干擾異質(zhì)性。該方法各類精度、擬合精度均高于其他2種抽樣方案，本研究推薦使用基于易變區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元。

(3)基于易發(fā)區(qū)優(yōu)化異質(zhì)性最小單元不等概抽樣，抽樣數(shù)據(jù)與本底數(shù)據(jù)吻合程度偏低，干擾了侵蝕變化概率，外推過程中各級(jí)侵蝕強(qiáng)度外推數(shù)據(jù)與判讀數(shù)據(jù)誤差較大，不能完全保證外推數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不建議采用該方法進(jìn)行水土流失監(jiān)測(cè)。

(4)易變區(qū)分布規(guī)律、易變區(qū)劃分、變化概率的掌握均是根據(jù)不同時(shí)期內(nèi)土壤侵蝕圖譜的疊置統(tǒng)計(jì)分析所得，本研究基于1998年、2009年2期節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)探索的結(jié)果，雖然驗(yàn)證了抽樣方法的可行性，獲得了水土流失易變區(qū)的分布規(guī)律，但僅靠2期節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)還是有限的，因此下一步研究將增加1～2個(gè)節(jié)點(diǎn)或者更多，探索分布規(guī)律、變化趨勢(shì)與特征。

(5)通過抽樣單元監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推算縣域尺度水土流失數(shù)據(jù)的方法，在河南省西部區(qū)域是可行的，但若將該監(jiān)測(cè)方法推廣至省內(nèi)或省外其他區(qū)域，是否適用，有待進(jìn)一步研究。

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