東北漫川漫崗和山地丘陵黑土區(qū)侵蝕溝形態(tài)特征遙感分析

李 鎮(zhèn)，秦 偉，齊志國，尚國琲，馬慶濤，郭乾坤，殷 哲

東北漫川漫崗和山地丘陵黑土區(qū)侵蝕溝形態(tài)特征遙感分析

李 鎮(zhèn)1,2，秦 偉1,3※，齊志國2，尚國琲2，馬慶濤2，郭乾坤1,3，殷 哲1,3

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048； 2. 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，石家莊 050031；3. 水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

侵蝕溝形態(tài)特征反映其侵蝕發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，探究侵蝕溝形態(tài)參數(shù)特征及空間分異規(guī)律對深入理解侵蝕溝的侵蝕進(jìn)程具有重要意義。該文選擇漫川漫崗和山地丘陵2個典型黑土地貌類型區(qū)，基于高分遙感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview 2（0.5 m））和地形數(shù)據(jù)（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目視解譯法提取計算侵蝕溝溝長、溝寬、周長和面積等形態(tài)參數(shù)值，分析侵蝕溝形態(tài)特征；探究地形因子影響下侵蝕溝形態(tài)參數(shù)的分異規(guī)律。研究結(jié)果顯示：1）2個典型區(qū)的各形態(tài)參數(shù)間存在顯著性差異，漫川漫崗區(qū)侵蝕溝各形態(tài)參數(shù)均大于山地丘陵區(qū)；2）侵蝕溝形態(tài)呈現(xiàn)“細(xì)長狀”，和漫川漫崗區(qū)相比，山地丘陵區(qū)侵蝕溝更細(xì)長，溝緣位置更復(fù)雜；3）侵蝕溝形態(tài)參數(shù)隨坡度的增加總體上呈先增大后減小的趨勢，在3°～6°范圍內(nèi)參數(shù)值達(dá)到最大，坡度越小侵蝕溝溝緣位置越復(fù)雜；坡向上，漫川漫崗區(qū)和山地丘陵區(qū)的侵蝕溝的形態(tài)參數(shù)值在SE或SW上值最大，說明陽坡或半陽坡侵蝕溝發(fā)育強(qiáng)烈。該研究結(jié)果對于侵蝕溝易發(fā)區(qū)確定及防治具有重要意義。

遙感；侵蝕；形態(tài)特征；侵蝕溝；地形因子；漫川漫崗區(qū)；山地丘陵區(qū)

0 引 言

東北黑土區(qū)是中國重要的商品糧基地，由于自然因素及人類活動（不合理耕作和過度墾殖），導(dǎo)致該地區(qū)水土流失嚴(yán)重[1]。侵蝕溝是嚴(yán)重水土流失后的典型地貌形態(tài)，其在溝頭溯源侵蝕，溝壁橫向擴(kuò)張，溝底下切等侵蝕形式作用下，不斷蠶食黑土資源，影響大型機(jī)械耕作效率[2-4]，威脅生態(tài)及糧食安全[5]。第一次全國水利普查侵蝕溝道數(shù)據(jù)顯示[6]，東北黑土區(qū)存在侵蝕溝約295 663條，其中，活躍侵蝕溝數(shù)量近26.3萬條，約占總侵蝕溝的88.9%。東北黑土區(qū)侵蝕溝防治與治理已成為當(dāng)前乃至今后中國水土保持的重中之重，因此，探究東北黑土區(qū)侵蝕溝空間分布規(guī)律，確定侵蝕溝易發(fā)區(qū)，采取科學(xué)方法阻礙侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展，將有助于促進(jìn)黑土資源保護(hù)和糧食安全保障。

侵蝕溝形態(tài)特征反映其侵蝕發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件[7-8]，探究侵蝕溝形態(tài)參數(shù)分異規(guī)律對深入理解侵蝕溝侵蝕進(jìn)程具有重要意義[9]。傳統(tǒng)的實地監(jiān)測方法限制了大空間尺度獲取侵蝕溝形態(tài)參數(shù)的效率[10]。RS技術(shù)的進(jìn)步，遙感影像被廣泛應(yīng)用于區(qū)域侵蝕溝定量研究中[11-12]，尤其數(shù)字地球等資源的出現(xiàn)，為研究者提供了免費侵蝕溝二維形態(tài)參數(shù)信息數(shù)據(jù)[13-14]，利用遙感影像數(shù)據(jù)源探究東北黑土區(qū)侵蝕溝空間分異規(guī)律逐漸成為研究的熱點[4,9,15-18]，數(shù)據(jù)源主要包括Corona影像（2.75 m）、SPOT影像（2.5 m）、Pleiades影像（0.7 m）等。最初，由于分辨率的限制，溝長是最易從遙感影像中準(zhǔn)確獲取的形態(tài)參數(shù)，因此，溝壑密度（m/km2）成為評價侵蝕溝空間分異的重要指標(biāo)[4,9,15]。高分遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，為精確提取侵蝕溝溝緣線提供條件，使得準(zhǔn)確獲取侵蝕溝面積等參數(shù)成為現(xiàn)實，因此，評價指標(biāo)亦發(fā)展為溝壑裂度[16-19]。然而表征侵蝕溝形態(tài)的其他參數(shù)，如溝寬、周長、形狀指數(shù)等，在東北黑土區(qū)已有的研究中未見報道。此外，漫川漫崗區(qū)和山地丘陵區(qū)是東北黑土兩大典型地貌類型區(qū)，地形特征差異可能導(dǎo)致侵蝕溝形態(tài)及空間分布規(guī)律不同，而當(dāng)前關(guān)于侵蝕溝的形態(tài)特征研究主要集中于漫川漫崗區(qū)[5,20-21]，對山地丘陵區(qū)鮮有報道。因此，分析東北黑土不同地貌區(qū)侵蝕溝空間分異規(guī)律，確定侵蝕溝易發(fā)區(qū)，對于侵蝕溝的防治具有重要意義。

按發(fā)展過程及形態(tài)變化，溝蝕的完整序列可分為細(xì)溝、淺溝、切溝和沖溝[22-23]，本研究中的侵蝕溝是指侵蝕嚴(yán)重的切溝和沖溝。選擇漫川漫崗和山地丘陵2個典型黑土地貌類型區(qū)，基于高分遙感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview2（0.5 m））和地形數(shù)據(jù)（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目視解譯的方法提取侵蝕溝溝緣線，計算溝長、溝寬、周長和面積等形態(tài)參數(shù)值，結(jié)合變異系數(shù)、形狀指數(shù)等分析侵蝕溝形態(tài)特征，探究地形因子影響下侵蝕溝形態(tài)參數(shù)的分異規(guī)律，為侵蝕溝治理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 遙感圖像處理

分別選取位于東北黑土漫川漫崗的嫩江縣（48.94°～49.06°N，125.23°～125.37°E）、克山縣（47.89°～47.98°N，125.98°～126.12°E）和賓縣（45.89°～46.01°N，126.97°～127.11°E），山地丘陵區(qū)的林口縣（45.63°～45.72°N，130.02°～130.02°E）和穆棱市（44.57°～44.65°N，129.86°～129.98°E）的高分遙感影像為數(shù)據(jù)源(圖1)，遙感影像數(shù)據(jù)類型分別為QuickBird（2.44 m，0.61 m）、GeoEye-1（1.65 m，0.5 m）和Worldview 2（1.8 m，0.5 m），影像拍攝時間分別為2011年10月、2010年11月、2002年4月、2012年2月和2010年10月?；贓RDAS 軟件，將多光譜數(shù)據(jù)和全色波段數(shù)據(jù)按主成份分析法融合，以線性內(nèi)插法重采樣，再進(jìn)行正射校正，最后得到分辨率為0.61 m和0.5m的真彩色圖像，用于侵蝕溝溝緣線提取。所有圖層數(shù)據(jù)采用橫軸墨卡托投影和WGS84坐標(biāo)。

注：Ι-1-1hw:大興安嶺山地水資源涵養(yǎng)生態(tài)維護(hù)區(qū)；Ι-1-2wt:大興安嶺山地丘陵生態(tài)維護(hù)保土區(qū)；Ι-2-1wn:三江平原-興凱湖生態(tài)維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)；Ι-2-2hz:長白山山地水資源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)；Ι-2-3st:長白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)；Ι-3-1t:東北漫川漫崗?fù)寥辣Ｗo(hù)區(qū)；Ι-4-1fn:松遼平原防沙農(nóng)田防護(hù)區(qū)；Ι-5-1t:大興安嶺東南低山丘陵土壤保持區(qū)；Ι-6-1fw:呼倫貝爾丘陵平原防沙生態(tài)維護(hù)區(qū)

1.2 侵蝕溝形態(tài)參數(shù)提取及表征

目視解譯法是提取侵蝕溝的一種常用方法，盡管其效率較低，但其易操作、高精度等特點，并未被基于像元[24]、對象[25]、場景[26]等分類方法的侵蝕溝自動提取方法所代替，仍被視為一種有效的方法被廣泛應(yīng)用。已有研究結(jié)果顯示[27]，基于高分遙感影像（QuickBird，0.61 m）目視解譯提取侵蝕溝（指切溝）溝長、面積、周長等參數(shù)時，溝長的平均絕對誤差能控制在2個像元內(nèi)，相對誤差可控制在5%以內(nèi)；溝緣線邊界偏差大于1個像元的面積比例能控制在4%范圍內(nèi)；侵蝕溝規(guī)模越大，相對誤差越小。本研究基于融合后的遙感影像，選擇發(fā)育在農(nóng)地上的侵蝕溝，其中，漫川漫崗區(qū)113條，山地丘陵區(qū)74條，采用目視解譯法提取溝緣線，參考李鎮(zhèn)等研究方法[27]，分別計算侵蝕溝的溝長（）、周長（）、面積（）等形態(tài)參數(shù)值（圖1）；為了分析各侵蝕溝的溝寬變化，依據(jù)“斷面法”確定各侵蝕溝斷面的頂寬（W），其中，漫川漫崗區(qū)1130個斷面，山地丘陵區(qū)740個斷面，然后分別計算各侵蝕溝平均溝寬（）及斷面頂寬的變異系數(shù)（），公式如下