陜西榆林地區(qū)無定河流域淤地壩遙感解譯

馬煜棟， 楊 帥， 韓 靜， 曹江濤， 王子垚， 張文龍

（自然資源陜西省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心，陜西 西安 710119）

淤地壩是指在水土流失地區(qū)各級(jí)溝道中，以攔泥淤地為目的而修建的橫穿河床或溝渠，以控制水流和泥沙輸送為目的的橫向結(jié)構(gòu)壩工建筑物［1］。淤地壩作為溝道治理的水土保持工程措施，不僅能蓄水削洪、減蝕攔沙，而且能夠淤地造田，直接減少入河泥沙，在水土流失治理中具有不可替代的地位。淤地壩有400 多年的歷史，它的雛形和建設(shè)理念來源于“古聚湫”；20世紀(jì)60年代中期—70年代末期，淤地壩建設(shè)隨筑壩技術(shù)的發(fā)展而得到迅速推廣；2003 年水利部實(shí)施的“亮點(diǎn)工程”又一次大大推進(jìn)了淤地壩的建設(shè)規(guī)模［2］。2015 年，習(xí)總書記在陜北梁家河調(diào)研時(shí)，肯定了淤地壩在黃土高原水土治理與促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要意義：“淤地壩是流域治理的一種有效形式，既可以增加耕地面積，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行［3］?！?/p>

淤地壩等一系列水土保持措施的實(shí)施有效減少了水土流失的發(fā)生。準(zhǔn)確獲取淤地壩的數(shù)目、水面面積、控制面積（流域周圍分水線與壩口斷面之間所包圍的面積）、淤地壩位置及空間分布等信息是科學(xué)分析淤地壩減蝕（減少土壤侵蝕）和攔沙（攔截入黃泥沙）作用及其未來建設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)［3］。但由于受歷史條件限制，早期建設(shè)的淤地壩相關(guān)信息嚴(yán)重缺失，現(xiàn)在及過去的淤地壩信息很不對(duì)稱，傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計(jì)方法由于主觀及客觀原因的影響存在效率低及準(zhǔn)確性問題，而且無法獲得淤地壩空間分布及其動(dòng)態(tài)變化。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，因其具有大面積的同步觀測(cè)、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)在信息提取中發(fā)揮重要作用［4-5］。因而采用遙感技術(shù)，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，開展淤地壩的遙感解譯研究，就顯得十分必要。同時(shí)，淤地壩在影像中范圍較小，且部分自然堆土、田坎的影像特征與淤地壩相似，因此使用高精度、亞米級(jí)影像可降低解譯難度、增強(qiáng)解譯準(zhǔn)確率。

本文以無定河流域?yàn)槔?，整合相關(guān)影像數(shù)據(jù)，探索基于我國(guó)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的淤地壩信息提取技術(shù)與方法，為開展淤地壩主要信息提取提供支撐。

1 研究區(qū)概況

無定河流域（37°14′～39°35′N，108°06′～110°45′E；海拔600～1800 m）地處黃土高原與毛烏素沙漠的過渡帶。無定河發(fā)源于定邊縣白于山北麓，上游稱為紅柳河，流經(jīng)靖邊新橋后稱為無定河，由靖邊縣西部進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)，經(jīng)大夏統(tǒng)萬(wàn)城遺址后，在榆林市榆陽(yáng)區(qū)與橫山縣交界處的雷龍灣進(jìn)入陜北，由西北向東南在清澗縣河口村注入黃河。干流全長(zhǎng)491.2 km，流域面積為30261 km2，河道平均比降1.8‰。其中，位于陜西省界內(nèi)干流的河長(zhǎng)約442.8 km，流域面積為21737.53 km2，占流域總面積的71.84%［6］。主要流經(jīng)榆林市榆陽(yáng)、靖邊、米脂、綏德、橫山、定邊、子洲和清澗8個(gè)縣（區(qū)）（圖1）。

圖1 無定河流域地理概況圖Fig.1 Geographical map of Wuding River Basin

無定河為黃河的一級(jí)支流，是榆林地區(qū)最大河流，也是陜西輸出粗沙最多的河流，對(duì)陜北地區(qū)的水土流失及黃河夾帶泥沙的現(xiàn)象有重要影響［7］。同時(shí)，無定河流域的淤地壩數(shù)量眾多，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害防護(hù)和第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展占據(jù)重要地位。因此，本次對(duì)無定河流域的淤地壩狀況進(jìn)行遙感解譯會(huì)對(duì)環(huán)保、地災(zāi)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域起到相應(yīng)作用。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的是覆蓋無定河流域榆林8 個(gè)縣（區(qū)）的高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星影像。GF-2衛(wèi)星作為我國(guó)首顆分辨率達(dá)到亞米級(jí)寬幅的民用遙感衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率、多光譜綜合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)還具有高輻射精度、高定位精度、長(zhǎng)壽命、多角度測(cè)拍等特點(diǎn)［8］。GF-2 衛(wèi)星點(diǎn)像元分辨率為全色0.8 m、多光譜3.2 m，幅寬45 km。多光譜4 個(gè)譜段分別為：藍(lán)光0.45～0.52 μm，綠光0.52～0.59 μm，紅光0.63～0.69 μm，近紅外0.77～0.89 μm［9］。該數(shù)據(jù)源分辨率高，能夠精確識(shí)別出淤地壩壩體、水域、溝道和坡體等信息，且其重訪周期為5 d，在研究區(qū)內(nèi)覆蓋間隔為5 個(gè)月左右，能夠提供豐富的多時(shí)相數(shù)據(jù)，便于開展不同季節(jié)的淤地壩特征對(duì)比，提高提取準(zhǔn)確率。

GF-2衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)獲取的原始數(shù)據(jù)為L(zhǎng)1級(jí)別，經(jīng)過正射校正、融合、裁剪、鑲嵌、幾何校正共5個(gè)部分操作后用于淤地壩提取，具體流程如圖2所示。

圖2 GF-2衛(wèi)星影像處理流程Fig.2 Flow chart of Gf-2 satellite image processing

3 結(jié)果與分析

3.1 淤地壩遙感解譯結(jié)果

特征明顯的遙感解譯標(biāo)志的建立是快速、準(zhǔn)確地提取淤地壩遙感信息重要的前提和關(guān)鍵［10］。GF-2 衛(wèi)星影像優(yōu)于1 m 的分辨率使其展現(xiàn)出的地物細(xì)節(jié)更加清晰。通過遙感影像解譯和野外驗(yàn)證，初步掌握了工作區(qū)不同建筑特征及分布規(guī)律。結(jié)合前期成果，分析和調(diào)查淤地壩在遙感影像上呈現(xiàn)的色彩、紋形圖案、大小、形態(tài)、影像結(jié)構(gòu)、粗糙度等，建立直接解譯標(biāo)志。通過分析淤地壩的特征與地貌、環(huán)境、植被等關(guān)聯(lián)性，分析淤地壩與天然或人工坡體的影像差異，建立間接解譯標(biāo)志。根據(jù)解譯標(biāo)志，再結(jié)合具體情況，采用目視解譯（直判法、綜合分析法）和計(jì)算機(jī)圖像處理相結(jié)合的方法對(duì)榆林市8 縣流域區(qū)的淤地壩圖斑位置、坐標(biāo)、占地面積、經(jīng)緯度、水域面積、類型和規(guī)模進(jìn)行遙感解譯。

通過本次解譯，淤地壩特征總體如下：淤地壩多位于溝道中，形似水壩，上窄下寬；壩體至少有一側(cè)為淤積地、耕地或水域；一條溝道中可有多個(gè)淤地壩（表1、圖3）。

圖3 淤地壩現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Photo of check dams

表1 淤地壩遙感解譯標(biāo)志Tab.1 Signs for remote sensing interpretation of check dams

遙感解譯完成后，共抽取圖斑377個(gè)，占全部解譯圖斑個(gè)數(shù)的30%，進(jìn)行野外驗(yàn)證。經(jīng)過驗(yàn)證，共有336 個(gè)圖斑確定為淤地壩，準(zhǔn)確率約為89%（圖4）。剩余11%的圖斑，皆為自然堆土與田坎，其影像特征與淤地壩有相似之處，造成解譯錯(cuò)誤。

圖4 研究區(qū)淤地壩圖斑分布Fig.4 Distribution of check dams in the study area

本次遙感解譯共解譯出疑似淤地壩圖斑1257個(gè)（去除實(shí)地驗(yàn)證的41 個(gè)非淤地壩圖斑），占地349.58 hm2，水域面積1145.06 hm2；其中，榆陽(yáng)區(qū)60個(gè)，橫山區(qū)85個(gè)，定邊縣65個(gè)，靖邊縣19個(gè)，米脂縣470個(gè)，子洲縣99個(gè)，綏德縣316個(gè)，清澗縣143個(gè)。

3.2 淤地壩分布特征分析

本文將占地面積6.67 hm2以上劃分為大型淤地壩，3.33～6.67 hm2劃分為中型淤地壩，3.33 hm2以下劃分為小型淤地壩。經(jīng)過解譯，大型淤地壩79 個(gè)，占全部疑似淤地壩圖斑個(gè)數(shù)的6%；中型淤地壩228個(gè)，占全部疑似淤地壩圖斑個(gè)數(shù)的18%；小型淤地壩950個(gè)，占全部疑似淤地壩圖斑個(gè)數(shù)的76%（表2）。

表2 各縣（區(qū)）淤地壩圖斑情況Tab.2 Number of check dams in each county or district

整個(gè)無定河榆林流域中，淤地壩主要分布于米脂縣、綏德縣和清澗縣等下游區(qū)域（圖4），總數(shù)達(dá)929 個(gè)，占全部疑似淤地壩圖斑個(gè)數(shù)的73.9%；占地面積233.84 hm2，占全部疑似淤地壩圖斑面積的66.89%。其中大型和中型淤地壩主要分布于米脂縣，分別有48 個(gè)和94 個(gè)，占比分別為60.76%和41.23%。

利用年均降雨量、人口、群測(cè)群防點(diǎn)、農(nóng)作物耕種面積與淤地壩數(shù)量分布情況進(jìn)行對(duì)比（圖5、圖6），發(fā)現(xiàn)：（1）淤地壩分布情況與地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防點(diǎn)有部分關(guān)聯(lián)，在地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防點(diǎn)數(shù)量較多的米脂、子洲、清澗、綏德等縣，其淤地壩數(shù)量也多；（2）淤地壩分布情況與人口數(shù)呈反相關(guān)，人口較少地區(qū)，淤地壩數(shù)量較多；（3）淤地壩數(shù)量與農(nóng)作物耕種面積也呈反相關(guān)，農(nóng)作物耕種面積較少地區(qū)，淤地壩數(shù)量較多；（4）淤地壩數(shù)量與年均降雨量呈正相關(guān)，年均降雨量較多的地區(qū)，淤地壩數(shù)量較多；（5）淤地壩數(shù)量與年均降雨量和耕種面積比值呈正相關(guān)，比值越大，淤地壩數(shù)量越多。

圖5 各縣（區(qū)）淤地壩個(gè)數(shù)及其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Number of check dams and other data statistics in each county or district

圖6 各縣（區(qū)）年均降雨量與耕種面積比值Fig.6 Ratio of annual rainfall to cultivated area in each county or district

4 結(jié)論

本研究以國(guó)產(chǎn)GF-2 數(shù)據(jù)為信息源，提出了榆林地區(qū)無定河流域淤地壩解譯的技術(shù)方案，并進(jìn)行解譯研究；同時(shí)，對(duì)淤地壩的分布狀況特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）淤地壩在一條主溝可有多處淤地壩，多處支溝內(nèi)也有淤地壩，最后匯聚于主溝；從解譯標(biāo)志上觀察其溝道內(nèi)多有規(guī)律平整的耕地或水面；若溝道內(nèi)土地不平整，無耕地或水面特征，溝道內(nèi)可能不存在淤地壩。后期增加外業(yè)驗(yàn)證圖斑數(shù)量，結(jié)合實(shí)地特征，改進(jìn)解譯標(biāo)志。

（2）淤地壩主要分布于無定河下游的特征與當(dāng)?shù)氐牡匦螤顩r有關(guān)，上游區(qū)域的定邊縣、靖邊縣等地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，甚至部分地區(qū)為毛烏素沙漠南緣風(fēng)沙灘區(qū)，溝壑較少，因此淤地壩需求較小；下游區(qū)域的米脂、綏德等縣全境大部為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，人類的生產(chǎn)活動(dòng)主要位于溝道內(nèi)，所以需要修建大量淤地壩來增強(qiáng)生產(chǎn)活動(dòng)，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

（3）淤地壩分布情況與農(nóng)業(yè)發(fā)展、氣候、地質(zhì)災(zāi)害分布有關(guān)。耕種面積大的縣（區(qū)），耕地?cái)?shù)量充足，在農(nóng)業(yè)方面對(duì)淤地壩的需求較少；耕種面積較少的縣（區(qū)），耕地?cái)?shù)量少，在農(nóng)業(yè)方面對(duì)淤地壩的需求較大，導(dǎo)致淤地壩數(shù)量相對(duì)較多。年均降雨量和耕種面積比值較大的區(qū)域，其降水較大，區(qū)域面積小，地形可能不平坦，易發(fā)生洪澇災(zāi)害，對(duì)淤地壩需求較大。淤地壩對(duì)地質(zhì)災(zāi)害有防護(hù)作用，故地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域，淤地壩數(shù)量較多。