基于地形信息的遙感生態(tài)指數(shù)在水土保持區(qū)域評(píng)估中的應(yīng)用

陳杭 顧哲衍 伊鑫 夏禹 程健

［關(guān)鍵詞］ 地形信息；遙感生態(tài)指數(shù)；水土保持；區(qū)域評(píng)估；西山島

［摘 要］ 科學(xué)評(píng)估區(qū)域水土流失狀況是有效防治水土流失的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵，然而因開發(fā)區(qū)面積較小，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間精度要求較高，故中國土壤流失方程較難在開發(fā)區(qū)尺度上運(yùn)用。以遙感生態(tài)指數(shù)RSEI為基礎(chǔ)，融入地形因子，構(gòu)建了基于地形信息的遙感生態(tài)指數(shù)TRSEI，并以太湖西山島為例，對(duì)比分析兩種遙感生態(tài)指數(shù)在平原區(qū)和山區(qū)兩種地貌類型區(qū)域的水土流失狀況評(píng)估能力，以期為水土保持區(qū)域評(píng)估提供新思路。結(jié)果表明：融入地形因子后的TRSEI能夠更清晰地還原出山區(qū)土壤侵蝕的形態(tài)特點(diǎn)，對(duì)于山脊、溝谷等水土流失易發(fā)區(qū)的紋理細(xì)節(jié)展現(xiàn)更加細(xì)致，更符合實(shí)際情況。

［中圖分類號(hào)］ TP79；S157? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A? ［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）05－0044－06

經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，開發(fā)區(qū)擾動(dòng)地表范圍廣、土石方挖填量大、施工周期長，導(dǎo)致開發(fā)區(qū)水土流失問題較為嚴(yán)重[1-2]?？茖W(xué)評(píng)估區(qū)域水土流失狀況是有效防治水土流失的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵?；谶b感技術(shù)的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測可以快速計(jì)算區(qū)域土壤侵蝕量，進(jìn)而分析區(qū)域水土流失狀況。水利部辦公廳于2018年印發(fā)了《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定（試行）》，明確了區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)基于中國土壤流失方程（CSLE）。運(yùn)用CSLE計(jì)算土壤侵蝕量時(shí)需要收集和處理氣象、水文、土壤、地形等多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-4]，而開發(fā)區(qū)面積較小，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間精度要求較高，運(yùn)用CSLE計(jì)算開發(fā)區(qū)土壤侵蝕量時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏的問題，故CSLE在開發(fā)區(qū)尺度上較難運(yùn)用。

基于遙感技術(shù)的各種遙感指數(shù)可以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)價(jià)，且所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲取。徐涵秋[5]構(gòu)建了基于綠度、濕度、熱度、干度指標(biāo)的遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing based ecology index，RSEI），可以快速監(jiān)測水土流失區(qū)的生態(tài)質(zhì)量及其變化。之后，為了提升RSEI在不同類型地區(qū)對(duì)生態(tài)質(zhì)量的表征能力，許多學(xué)者對(duì)RSEI進(jìn)行了改進(jìn)。例如，劉英等[6]針對(duì)空氣質(zhì)量較差的城市區(qū)，在RSEI指標(biāo)體系中引入了大氣渾濁度指標(biāo)，利用主成分分析法構(gòu)建了更全面的MRSEI，其監(jiān)測精度在空氣污染嚴(yán)重的城市區(qū)優(yōu)于RSEI；王杰等[7]針對(duì)沙漠化地區(qū)建筑面積極少、土地大面積鹽堿化的環(huán)境特點(diǎn)，在RSEI中舍去了建筑指數(shù)分量，引入鹽度與土地退化指標(biāo)，構(gòu)建了更適用于沙漠化地區(qū)的ARSEI。然而，當(dāng)前RSEI及其改進(jìn)指數(shù)對(duì)地表局部區(qū)域的地形特征表征不足。以坡度坡長（LS）因子為代表的地形因子可以很好地反映地表局部區(qū)域的地形特征，且是水土流失量計(jì)算中的重要指標(biāo)之一。本研究以RSEI為基礎(chǔ)融入了地形因子，構(gòu)建了基于地形信息的遙感生態(tài)指數(shù)TRSEI，并以太湖西山島為例，對(duì)比分析TRSEI和RSEI在平原和山區(qū)兩種地貌類型區(qū)域的水土流失狀況評(píng)估能力，以期為水土保持區(qū)域評(píng)估提供新思路。

1 研究區(qū)概況

太湖西山島位于江蘇省蘇州古城西南約40 km的太湖之中，面積82.13 km2。西山島地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均氣溫15.7 ℃，年均降水量1 128.9 mm。西山島以低山丘陵為主，植被茂盛，平均海拔20 m。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、DEM、土地利用、土壤侵蝕數(shù)據(jù)等。利用ENVI軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理，影像運(yùn)算導(dǎo)出時(shí)，均采用最近鄰采樣法，以有效避免光譜失真；大氣校正模型采用FLAASH模型，基于中緯度夏季的大氣模型與城市氣溶膠模型進(jìn)行校正，可最大程度地還原研究區(qū)地表實(shí)際反射率。研究數(shù)據(jù)及其來源見表1。

2.2 研究方法

2.2.1 RSEI的計(jì)算

RSEI是集成綠度、濕度、干度和熱度指標(biāo)4種遙感參數(shù)量、經(jīng)波段組合后形成的參數(shù)量［5］。

由表2可知：NDVI與NDSI、WET與NDSI呈顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.81和-0.76，這與太湖西山島植被主要分布于島內(nèi)山地，城鎮(zhèn)和裸地大多集中分布于山腳和東北部、南部平原地區(qū)，植被分布區(qū)與城鎮(zhèn)、裸地等相對(duì)獨(dú)立有關(guān)；Tb與WET呈顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.66，反映出西山島的熱度主要受濕度影響；其余指標(biāo)間的相關(guān)性不顯著。TRSEI所利用的NDVI、WET、NDSI及Tb分別能夠較準(zhǔn)確地反映太湖西山島綠度、濕度、干度及熱度信息，符合西山島的生態(tài)特征。

2.2.3 主成分分析

通過對(duì)TRSEI和RSEI進(jìn)行主成分分析（見表3），可以看出RSEI的第一主成分（PC1）特征值貢獻(xiàn)率達(dá)到了89.41%，PC1集合了4個(gè)指標(biāo)的絕大部分特征；TRSEI的PC1特征值貢獻(xiàn)率為64.44%，尚不能解釋5個(gè)指標(biāo)的特征，主要原因是融入的地形信息是基于OLI影像光譜信息提取的，不包含波譜信息；PC1和PC2的特征值貢獻(xiàn)率合計(jì)達(dá)到了93.94%，集合了5個(gè)指標(biāo)的絕大部分特征，將PC1和PC2按照貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，合計(jì)后作為TRSEI的最終結(jié)果，RSEI也作同樣的處理，增加結(jié)果的可比性。

2.2.4 RSEI和TRSEI的等級(jí)劃分

RSEI結(jié)果通常以0.2為步長分為差、較差、中、良、優(yōu)共5個(gè)等級(jí)，因TRSEI中融入了地形信息，故不宜套用RSEI的等級(jí)劃分方法。本研究采用Jenks自然斷點(diǎn)法對(duì)TRSEI結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果見表4。TRSEI和RSEI越接近1，代表生態(tài)環(huán)境狀況越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 地形地貌特征分析

太湖西山島屬低山丘陵區(qū)，其中山區(qū)面積41.48 km2，占總面積的50.51%；平原區(qū)面積40.65 km2，占總面積的49.49%。西山島盛產(chǎn)茶葉、水果，島內(nèi)分布有大面積的果園、茶園和有林地，果園、有林地、茶園面積分別為24.81、18.58、11.73 km2，分別占總面積的30.21%、22.63%、14.28%。茶園和有林地在山區(qū)分布較多，果園在山區(qū)和平原區(qū)分布比較均勻，西山島東北部和南部平原分布有耕地，面積6.72 km2，占總面積的8.18%。

在ArcGIS軟件中統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型在平原區(qū)和山區(qū)的平均高程、平均坡度和平均坡長（見表5）。平原區(qū)平均高程6.23 m，平均坡度1.53°，平均坡長2.83 km，整體地勢(shì)平緩、坡度差異較小，各土地利用類型的坡度均不超過3°，其中耕地和灌木林地高程較低，城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地、果園、茶園等高程較高；山區(qū)平均高程60.89 m，平均坡度8.66°，平均坡長1.90 km，整體地勢(shì)起伏較大，其中有林地和茶園高程較高，且坡度均超過14°，存在較多的陡坡和斜坡，耕地、果園、城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地等高程較低，地勢(shì)相對(duì)平緩。

3.2 遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果

3.2.1 山 區(qū)

太湖西山島山區(qū)與平原區(qū)界限較為清晰，且整體地勢(shì)相對(duì)高差較大，為更好地反映水土流失狀況，對(duì)西山島分山區(qū)與平原區(qū)分別進(jìn)行分析。由于山區(qū)植被茂盛，人類活動(dòng)較少，整體生態(tài)較好，因此TRSEI和RSEI結(jié)果均集中在優(yōu)和良等級(jí)，在差和較差等級(jí)分布較少。TRSEI結(jié)果中優(yōu)、良、中、較差等級(jí)面積分別為8.80、26.43、5.60、0.65 km2，分別占山區(qū)面積的21.22%、63.72%、13.50%、1.57%；RSEI結(jié)果中優(yōu)、良、中等級(jí)面積分別為26.88、13.90、0.70 km2，分別占山區(qū)面積的64.80%、33.51%、1.69%（見表6）。在融入地形因子后，RSEI結(jié)果中優(yōu)等級(jí)的部分區(qū)域被劃為了良等級(jí)，這些區(qū)域主要是坡度較大的山區(qū)果園、茶園、有林地等。

3.2.2 平原區(qū)

平原區(qū)TRSEI結(jié)果主要集中在較差和中等級(jí)上，優(yōu)、良、中、較差、差等級(jí)面積分別為0.03、6.02、13.39、18.22、2.99 km2，分別占平原區(qū)面積的0.07%、14.81%、32.94%、44.82%、7.36%；RSEI結(jié)果主要集中在中和良等級(jí)，優(yōu)、良、中、較差、差等級(jí)面積分別為5.18、17.00、14.47、1.00、3.00 km2，分別占平原區(qū)面積的12.74%、41.82%、35.60%、2.46%、7.38%（見表7）。在融入地形因子后，RSEI結(jié)果中優(yōu)、良等級(jí)的部分區(qū)域被劃為中和較差等級(jí)，這些區(qū)域主要是耕地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地、果園等。這些區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)會(huì)造成地形地貌的改變，而融入地形因子的TRSEI可以更好地表征出這些變化對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響。

3.3 遙感生態(tài)指數(shù)與土壤侵蝕特征

通過計(jì)算西山島的土壤侵蝕模數(shù)，可以看出西山島以微度侵蝕［土壤侵蝕模數(shù)＜ 500 t/（km2·a）］為主，輕度及以上侵蝕主要集中在山區(qū)的溝谷、山脊兩側(cè)坡面等區(qū)域。通過對(duì)比西山島土壤侵蝕模數(shù)與TRSEI、RSEI結(jié)果（見圖2），可以看出TRSEI能夠更清晰地還原出山區(qū)土壤侵蝕的形態(tài)特點(diǎn)，對(duì)于山脊、溝谷等水土流失易發(fā)區(qū)的紋理細(xì)節(jié)展現(xiàn)更加細(xì)致，而這些區(qū)域因植被茂盛，故在RSEI結(jié)果中大多表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境狀況較好，只有在加入地形因子后，才能更好地反映這些區(qū)域的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

此外，分別統(tǒng)計(jì)山區(qū)和平原區(qū)TRSEI和RSEI不同等級(jí)的平均土壤侵蝕模數(shù)（見表8），可以看出TRSEI在山區(qū)和平原區(qū)各等級(jí)的平均土壤侵蝕模數(shù)均高于RSEI，且各等級(jí)的土壤侵蝕模數(shù)變化梯度更加明顯，更符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論與討論

水土保持區(qū)域評(píng)估需要對(duì)區(qū)域水土流失現(xiàn)狀及風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估，以便科學(xué)合理地配置水土保持措施，然而在實(shí)際工作中缺少可以驅(qū)動(dòng)CSLE的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，迫切需要研發(fā)可以進(jìn)行區(qū)域水土流失狀況評(píng)估的遙感評(píng)價(jià)模型。本研究基于RSEI的綠度、濕度、干度、熱度指標(biāo)，引入地形因子，形成包含地形指標(biāo)的TRSEI，以期改善RSEI在山區(qū)特征明顯區(qū)域的應(yīng)用能力。結(jié)果表明：①在融入地形因子后，RSEI結(jié)果中優(yōu)等級(jí)的部分山區(qū)被劃為了良等級(jí)，主要是坡度較大的山區(qū)果園、茶園、有林地等；優(yōu)、良等級(jí)的部分平原區(qū)被劃為中和較差等級(jí)，主要是平原區(qū)耕地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地、果園等，這些區(qū)域由于地形陡峭或人類活動(dòng)頻繁，因此水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大。②西山島以微度侵蝕為主，輕度及以上侵蝕主要集中在山區(qū)的溝谷、山脊兩側(cè)坡面等區(qū)域，TRSEI可以更清晰地還原出山區(qū)土壤侵蝕的形態(tài)特點(diǎn)，對(duì)于山脊、溝谷等水土流失易發(fā)區(qū)的紋理細(xì)節(jié)展現(xiàn)更加細(xì)致。③TRSEI在山區(qū)和平原區(qū)各等級(jí)的平均土壤侵蝕模數(shù)均高于RSEI，且各等級(jí)的土壤侵蝕模數(shù)變化梯度更加明顯，更符合實(shí)際情況。

在進(jìn)行地形情況較為復(fù)雜區(qū)域的水土流失評(píng)估時(shí)，需要充分考慮地形因素的影響，構(gòu)建更加適用的指數(shù)模型，以提升結(jié)果的可信度和指導(dǎo)價(jià)值。本研究提出的TRSEI因融入了地形因子，故在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)RSEI的不足。然而，本研究采用的地形數(shù)據(jù)是基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)生成的30 m分辨率的DEM，對(duì)地形模擬的能力不如基于實(shí)測地形圖生成的DEM，且因基于DEM計(jì)算得到的LS因子不能直接融入TRSEI中，需要將超出人為設(shè)定的LS因子閾值之上的部分劃為“噪聲”，在去除“噪聲”后才能參與計(jì)算，故LS因子不能呈現(xiàn)全部的地形信息。人為設(shè)定的閾值受主觀因素影響，其取值將影響TRSEI對(duì)地形真實(shí)細(xì)節(jié)的表征能力，下一步可引入數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的置信度概念，建立相應(yīng)的區(qū)間估計(jì)方法確定最佳閾值，并采用基于實(shí)測地形圖生成的DEM參與計(jì)算，以增強(qiáng)TRSEI的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

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［作者簡介］ 陳杭（1976—），男，江蘇淮安人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作；通信作者顧哲衍（1990—），男，安徽滁州人，工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測工作。

［收稿日期］ 2023-03-28

（責(zé)任編輯 李佳星）