基于多尺度影響因子的水土保持措施布局研究

蘇長(zhǎng)芳

(朝陽(yáng)縣水土保持監(jiān)督站，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

水土流失不僅集中反映我國(guó)各類(lèi)生態(tài)問(wèn)題，而且是制約社會(huì)健康發(fā)展與人類(lèi)生存的關(guān)鍵性問(wèn)題。在不同尺度條件水保措施的分布格局存在一定差異，主要體現(xiàn)在演變過(guò)程及其影響因子差異等方面[1]。目前，定量化半方差分析和自相關(guān)法為多尺度影響因子計(jì)算的常用手段，對(duì)于特定的尺度范圍這兩種手段無(wú)法準(zhǔn)確的獲取，僅僅對(duì)區(qū)域空間尺度具有一定的適用性[2]。實(shí)踐表明，小波分析法的自適應(yīng)平移與伸縮功能可從不同尺度細(xì)化分析信號(hào)，能夠從信號(hào)中有效提取信息，為突出局部特征信號(hào)利用信息變換功能來(lái)完成，在特征信息突變識(shí)別和分布范圍尺度分析等方面具有較強(qiáng)的實(shí)用性。傅麗華等[3]對(duì)樣地最為顯著的變化范圍和特征尺度利用一維小波變換法進(jìn)行計(jì)算分析；胡云峰等[4]對(duì)歸一化的地形、植被指數(shù)關(guān)鍵性因子的特征范圍利用相關(guān)分析和小波變化法進(jìn)行研究；陳江平等[5]采用小波分析法分析了武漢市兩個(gè)不同實(shí)際遙感影像的土地類(lèi)型作用范圍，在宏觀和微觀兩個(gè)層面揭示了其主要影響因子。鑒于此，本文以遼寧省朝陽(yáng)縣為例，對(duì)水保措施布局影響因子及其作用關(guān)系采用多尺度分析和統(tǒng)計(jì)量化法進(jìn)行研究。

1 區(qū)域概況

遼寧省朝陽(yáng)縣位于遼西山地丘陵區(qū)，以山地為主，河流沖積，山脈縱貫，地形起伏，地勢(shì)特征呈自西北向東南逐漸降低的變化特征。屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四級(jí)分明、雨熱同期且日照充足。該區(qū)域降水集中且土層較薄，土壤抗蝕力差，保水保肥能力低，受流水侵蝕和斷裂控制作用坡度變化較大，加之人口密度大以及生產(chǎn)活動(dòng)頻繁極易發(fā)生水土流失，屬于國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理區(qū)。近年來(lái)，為減輕當(dāng)?shù)厮亮魇顩r并改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，保障區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，水土保持部門(mén)開(kāi)展了水土流失治理、坡耕地改造等工程措施[6- 10]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影響因子的選擇應(yīng)盡可能的遵循定量化、空間化、代表性、科學(xué)性等原則，綜合考慮數(shù)據(jù)的可靠性和各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)及自然因素。水保措施空間格局變化與自然環(huán)境因子密切相關(guān)，加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)難以獲取且可靠性差，所以本研究選擇自然環(huán)境作為重點(diǎn)研究因子。

大量實(shí)踐表明，遼寧省朝陽(yáng)縣水保措施空間分布格局的演變與形成受居民點(diǎn)、道路、土地類(lèi)型、植被覆蓋因子、水土流失強(qiáng)度及地形因子等直接或間接影響。各影響因子分析之前應(yīng)先對(duì)原始數(shù)據(jù)作如下處理：

(1)坡度。根據(jù)ArcGIS10.2的Slope函數(shù)和1∶1萬(wàn)DEM模型數(shù)據(jù)計(jì)算坡度，結(jié)合坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究成果，將研究區(qū)坡度劃分為90°～35°、35°～25°、25°～15°、15°～8°、8°～5°、5°～0°分級(jí)。

(2)土地類(lèi)型。對(duì)土地利用多時(shí)期TM/ETM遙感影像考慮采用基于分層分析提取法進(jìn)行識(shí)別判讀，從而提取各專(zhuān)題有效信息。然后拼接提取結(jié)果并評(píng)價(jià)分析其精度，將土地類(lèi)型歸并為裸地、建設(shè)用地、疏林地、有林地、火燒跡地和農(nóng)用地6種不同的一級(jí)土地利用。

(3)植被覆蓋度。將多時(shí)期的遼寧省TM/ETM+遙感影響進(jìn)行大氣校正和幾何校正，采用土地類(lèi)型圖、ERDAS軟件計(jì)算并切割NDVI圖，確定各類(lèi)土地利用的概率分布及其在一定范圍內(nèi)的極值。對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)范圍的植被覆蓋度利用相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，生成5m×5m的蓋度土層。

(4)水土流失強(qiáng)度。根據(jù)USLE模型各因子參數(shù)及其計(jì)算方程確定在空間分布上朝陽(yáng)縣土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其分為輕度、劇烈、中度、極強(qiáng)烈與強(qiáng)烈等級(jí)，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果確定強(qiáng)度分布。

(5)離最近道路的距離。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的遙感影響按照灰度形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的切割，經(jīng)過(guò)二值計(jì)算處理確定道路基本輪廓，提取網(wǎng)絡(luò)并做成單獨(dú)圖層，其中網(wǎng)絡(luò)提取方法為線(xiàn)段特征匹配法。最后，將測(cè)區(qū)內(nèi)距離最近道路的各點(diǎn)距離利用ArcGIS10.2軟件確定。

(6)離村莊居民點(diǎn)距離。采用信息圖像多波段模型和TM影響提取光譜相近的地物，如居民點(diǎn)、道路等，根據(jù)不同的形態(tài)特征提取村莊居民點(diǎn)，并輸入相應(yīng)的圖層。將測(cè)區(qū)內(nèi)最近村莊居民點(diǎn)距離利用ArcGIS10.2軟件的Near工具確定。

(7)土壤可蝕性因子。參考遼寧省土壤可蝕性因子的已有研究成果和朝陽(yáng)縣土壤類(lèi)型分布圖，對(duì)朝陽(yáng)縣不同的土壤類(lèi)型賦予合適的K值并得到該因子的分布圖。

(8)勞動(dòng)力密度。依據(jù)地形特征和河流分布情況將研究區(qū)分為若干小流域，對(duì)每個(gè)小流域內(nèi)的面積、人口數(shù)結(jié)合生態(tài)建設(shè)規(guī)劃資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算確定單位面積上的人口數(shù)。

為解決各數(shù)據(jù)來(lái)源及其尺寸規(guī)模不同帶來(lái)的影響，有必要網(wǎng)格化處理初始數(shù)據(jù)。在ArcGIS軟件中設(shè)定矢量網(wǎng)格單元的空間分辨率為30m×30m，分別采用MATLAB編程和SPSS相關(guān)性分析軟件計(jì)算確定所有數(shù)據(jù)的小波方差，利用Excel2010完成標(biāo)準(zhǔn)化尺度-回歸系數(shù)圖和尺度-小波方差圖。

2.2 小波分析

2.2.1選取樣帶

空間分辨率為30m×30m的一個(gè)網(wǎng)格單元的6條樣帶沿經(jīng)線(xiàn)(120°10'～20°20')和緯線(xiàn)(41°16'～41°45')方向設(shè)置樣帶寬度，數(shù)據(jù)樣點(diǎn)按順序連續(xù)選取448、232、280、186、255、164個(gè)。將選取的樣帶作進(jìn)一步深入分析，朝陽(yáng)縣水保措施主要分布在六家子鎮(zhèn)、瓦房子鎮(zhèn)、七道嶺鄉(xiāng)及王營(yíng)子鄉(xiāng)等，在經(jīng)線(xiàn)、緯線(xiàn)方向上分別設(shè)置具有代表性和針對(duì)性的3條樣帶。即：樣帶1、2、3分別代表東大道鄉(xiāng)低山景觀、六家子鎮(zhèn)地貌景觀以及七道嶺鄉(xiāng)半山區(qū)景觀，樣帶5和4、6分別代表六家子鎮(zhèn)河谷盆地景觀與低山高丘景觀。

2.2.2小波尺度方差

在位置b、尺度a上信號(hào)f(n)的變換系數(shù)表示為W(a，b)，采用下式計(jì)算確定其小波尺度方差，即：

(1)

在小波分解已確定的情況下，方差反映了各數(shù)據(jù)小波系數(shù)離開(kāi)平均位置的程度，可用于全局結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)分析。變異信號(hào)在所對(duì)應(yīng)的尺度下的特征強(qiáng)度可利用小波系數(shù)表征，結(jié)構(gòu)信息的豐富程度和小波方差的大小呈正相關(guān)性，即方差越大則信息豐富度越高，從而揭示監(jiān)測(cè)突變信息和特征尺度大小。所以，對(duì)于空間格局的特征尺度或研究尺度的選擇可借助小波尺度方差來(lái)確定。

2.3 多元統(tǒng)計(jì)分析方法

對(duì)水保措施布局影響顯著的因子運(yùn)用逐步回歸法進(jìn)行分析，其中回歸模型的建立主要是依據(jù)空間分布與水保措施較為密切的影響因子確定，其表達(dá)式如下：

Measurei，c=β+β1·Facti，1+
β2·Facti，2+…+βn·Facti，n

(2)

式中，Measurei，c—水保措施c在網(wǎng)格單元i中的面積占比；Facti，n—網(wǎng)格單元i中影響因子n的面積百分比或歸一化值；βn—標(biāo)準(zhǔn)化的影響因子n的回歸系數(shù)。

從簡(jiǎn)便性和可靠性的角度分析，模型的解釋能力在更多的影響因子下并未得到顯著的提升。因此，影響因子或分量選擇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為顯著性水平為0.05，由此確定前9個(gè)貢獻(xiàn)率最大的因子作為逐步回歸分析結(jié)果。構(gòu)建不同作用范圍內(nèi)影響因子和某一類(lèi)水土保持措施的回歸方程，其中各自變量對(duì)因變量的相對(duì)重要性利用標(biāo)準(zhǔn)化的回歸系數(shù)來(lái)衡量，從而確定水保措施空間分布與各影響因子的相對(duì)重要度及其影響范圍。

3 結(jié)果分析

3.1 特征尺度檢驗(yàn)分析

根據(jù)上述小波方差公式和小波細(xì)節(jié)系數(shù)提取方法對(duì)6條樣帶數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)朝陽(yáng)縣各項(xiàng)水保措施在不同地理位置的變化特點(diǎn)及其空間格局特征尺度進(jìn)行檢驗(yàn)。設(shè)定s、var分別為特征尺度和方差值，則研究區(qū)各樣帶的方差變換曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 各樣帶的方差變化曲線(xiàn)

從圖1可以看出，小波方差變換曲線(xiàn)在徑線(xiàn)方向上的走勢(shì)保持較好的一致性，在單元移動(dòng)窗口中1～3樣帶的小波方差存在極大值。所以，水保措施空間格局的特征尺度即為方差局部極大值所對(duì)應(yīng)的尺度。隨后，因尺度上升形成信息合并從而引起小波方差突然變大，該段不屬于特征尺度。對(duì)于兩個(gè)及以上尺度的格局，尺度域即為所對(duì)應(yīng)的特征尺度，因此1～3樣帶在緯線(xiàn)方向上的水保措施分布的特征尺度域即為分辨率為30m的200～410m范圍內(nèi)的單元。

經(jīng)線(xiàn)上尺度特征存在于兩個(gè)范圍內(nèi)，這可能與朝陽(yáng)縣境內(nèi)大凌河及其支流的流向相關(guān)，因獨(dú)特的地形使得地塊嚴(yán)重破碎，因此其特征信息在不同尺度上存在一定差異。因此，800～1200m和120～350m為經(jīng)線(xiàn)方向上朝陽(yáng)縣各項(xiàng)水保措施的分布特征尺度[11]。

3.2 主要影響因子多尺度分析

設(shè)水土保持主要影響因子為coef，則不同聚合規(guī)模尺度上空間分布主要影響因子的標(biāo)準(zhǔn)化回歸如圖2所示。綜合考慮多尺度序列數(shù)據(jù)土層和研究區(qū)的面積范圍，設(shè)定特征尺度域?yàn)?40～410m。采用平均聚合法和空間分辨率為30m×30m的網(wǎng)格單元，生成以30m為尺度間隔的一系列410m×410m～140m×140m的數(shù)據(jù)土層，并用于多尺度計(jì)算分析。

3.2.1封禁措施多尺度分析

根據(jù)圖2(a)可知，封禁措施空間分布的重要因子主要有25°～35°范圍、植被覆蓋度為0.75、高植被覆蓋區(qū)、輕度求是率以及離居民點(diǎn)的距離，且隨著尺度的增大其重要性程度逐漸提升；擬合的標(biāo)準(zhǔn)化歸回系數(shù)在封禁措施與小于30%植被覆蓋度之間為負(fù)，而且1.00～0.75范圍為正，可見(jiàn)封禁措施適用于1.00～0.75之間，封禁措施的實(shí)施在小于0.3植被覆蓋度條件下的抑制作用較為強(qiáng)烈；封禁措施的空間分布在35°～25°之間受坡度因子的影響最為顯著，且在研究尺度區(qū)間內(nèi)較為穩(wěn)定，擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)在封禁措施與離村莊居民點(diǎn)的距離因子之間為正，可見(jiàn)封禁措施的適宜性隨距離居民點(diǎn)距離的增大而增加，可在一定程度上降低生態(tài)環(huán)境受人為因素的影響[12]。

從回歸系數(shù)正負(fù)、大小的角度分析，離村莊居民點(diǎn)較遠(yuǎn)、植被生長(zhǎng)良好、中度流失且立地條件較好區(qū)、植被覆蓋度大于0.75以及輕度流失為封禁措施空間分布的適宜地區(qū)。

3.2.2低效林改造措施多尺度分析

根據(jù)圖2(b)可知，該措施空間分布的重要因子主要有土壤可蝕性因子和中度水土流失，且隨著尺度的增大其影響程度呈波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)；隨著尺度的增大，在特征尺度域內(nèi)低植被覆蓋區(qū)土地利用的影響程度趨于穩(wěn)定；低效林改造措施在植被覆蓋度為0.60～0.45、坡度為25°～15°范圍內(nèi)的受影響程度較大，且隨著尺度的增大其影響程度逐漸達(dá)到穩(wěn)定[13]。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，中度流失且立地條件差和強(qiáng)度流失且立地條件好的區(qū)域?yàn)榈托Я指脑齑胧?shí)施的適用范圍；在林草覆蓋度在0.60～0.45區(qū)間

圖2 不同聚合規(guī)模尺度上影響因子的回歸系數(shù)

內(nèi)可有效防止土壤侵蝕，其坡度適宜范圍在25°～15°之間。

3.2.3經(jīng)濟(jì)果林措施多尺度分析

根據(jù)圖2(c)可知，經(jīng)濟(jì)林果措施空間分布的重要因子主要有離最近道路距離、0.60～0.75植被覆蓋度、輕度水土流失以及農(nóng)村勞動(dòng)力密度，且隨著尺度的增大其影響程度呈波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)；隨著研究尺度的增大，在特征尺度域內(nèi)5°～8°坡度因子及低植被覆蓋區(qū)因子的影響程度逐漸增大并趨于平穩(wěn)。

從擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的正負(fù)、大小的角度分析，坡度為5°～8°的緩坡區(qū)和輕中度水土流失區(qū)為經(jīng)濟(jì)林果空間分布的適宜地區(qū)，對(duì)于該項(xiàng)措施的實(shí)行要求具有較大的勞動(dòng)力密度和便利的交通條件；經(jīng)濟(jì)林果措施適用于低植被覆蓋區(qū)，可提升林草覆蓋率和土壤養(yǎng)分保持能力[12]。

3.2.4生態(tài)林草措施多尺度分析

根據(jù)圖2(d)可知，生態(tài)林草措施空間分布的重要因子主要有低植被覆蓋的土地類(lèi)型、15°～25°坡度以及強(qiáng)烈水土流失，且隨著研究尺度的增大其影響程度呈現(xiàn)出快速增大的變化特征；生態(tài)林草空間分布還受低于0.30植被覆蓋度因子的影響，且隨著尺度的增大其影響程度逐漸達(dá)到平穩(wěn)[14]。

從擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的正負(fù)、大小的角度分析，劇烈、極強(qiáng)烈以及強(qiáng)烈水土流失區(qū)為朝陽(yáng)縣生態(tài)林措施空間分布的適宜地區(qū)，且在15°～25°坡度區(qū)具有更加的使用條件；砂石地、火燒跡地和疏林地等為小于30%植被覆蓋度水土流失的主要地塊[15]。

4 結(jié)論

(1)本文通過(guò)構(gòu)建多元回歸模型，揭示了隨研究尺度變化水保措施主要影響因子的變化特征，探討了各影響因子在不同作用區(qū)間內(nèi)與水保措施之間的關(guān)系。根據(jù)研究尺度變化特征和標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，水保措施的不同其影響因子的區(qū)間范圍存在一定差異，由此可反映主要影響因子對(duì)不同水保措施的作用范圍。

(2)對(duì)于給定變量的解釋受分析尺度差異的影響，任何解釋必須以研究尺度為基本前提。因此，對(duì)空間分布格局特征尺度的識(shí)別分析不僅考慮了研究尺度結(jié)構(gòu)信息的豐富性，而且有效解決了個(gè)人隨意性對(duì)尺度選取的影響。為便于在特征尺度范圍內(nèi)研究隨尺度的增大水保措施空間分布主要因子的變化特征，將空間分辨率為30m×30m的網(wǎng)格單元聚合生成大尺度序列數(shù)據(jù)；為了衡量各變量之間在多元線(xiàn)性回歸中的相對(duì)重要性引入標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，可直觀的判定適宜水保措施的作用范圍及其關(guān)鍵性影響因子。

(3)由于特征尺度域研究區(qū)間相對(duì)較小，所以隨著特征尺度的變化影響因子及其回歸系數(shù)的波動(dòng)程度較小，在大中尺度范圍內(nèi)無(wú)法宏觀的把控水保措施空間分布的主要因子及其變化規(guī)律。