3S集成技術(shù)監(jiān)測福建省水土流失研究

楊一帆，黃 偉

（福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州350000）

1 福建省水土流失狀況

1.1 福建省氣候特征

我國南方地區(qū)地跨熱帶和亞熱帶，以福建省為例，位于我國北緯23°33′～28°20′，該地區(qū)夏季氣溫高、降水多、光照強(qiáng)、空氣濕潤、氣象災(zāi)害頻繁。年降水量平均在1000～2000mm，強(qiáng)降雨對于地面侵蝕能力強(qiáng)，尤其是在植被覆蓋不完全的裸露紅壤地區(qū)，降雨直接對地表土產(chǎn)生擊濺侵蝕，形成大量細(xì)溝狀侵蝕溝，造成的水土流失非常嚴(yán)重。數(shù)據(jù)表明，2012年福建省的降水量超過正常年份的40%，降雨量的增加對土地的壓力將變大。因此必須對流失區(qū)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，防治水土流失造成泥石流等災(zāi)害。

1.2 福建省水土流失地區(qū)

據(jù)2013年最新統(tǒng)計福建省水土流失總面積仍有12253.77km2，占全省土地總面積的10.01%。而經(jīng)過之前的調(diào)查，進(jìn)而繪制出2007年福建省水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計表如表1，來自福建省水文站。從統(tǒng)計表可以發(fā)現(xiàn)福建省的水土流失率經(jīng)過7年的治理的，減少了一些，但仍舊流失嚴(yán)重。

表1 2007年福建省水土流失現(xiàn)狀統(tǒng)計

2 通過GIS對水土流失量動態(tài)監(jiān)測

2.1 繪制土壤侵蝕強(qiáng)度圖

繪制水土流失地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度圖，首先是查詢《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》確定土壤侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)，再利用GIS對每一個侵蝕等級相近像元進(jìn)行分類合并，最后通過繪制出土壤侵蝕強(qiáng)度圖，見圖1。

2.2 水土流失區(qū)數(shù)據(jù)庫建立

2.2.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計需求

基于GIS的流失地區(qū)的研究，需要大量的數(shù)據(jù)，并且要具備以下特點(diǎn)：類型多樣化、更新速度快，數(shù)據(jù)樣式多等特點(diǎn)。因此在建立數(shù)據(jù)庫必須要做到數(shù)據(jù)容易進(jìn)行擴(kuò)充和更新。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的整體結(jié)構(gòu)需要包括對數(shù)據(jù)的前期采集、數(shù)據(jù)的中期處理、數(shù)據(jù)的后期使用與評價。數(shù)據(jù)的前期采集主要是通過RS進(jìn)行收集，然后利用計算機(jī)將信息輸入到GIS進(jìn)行管理與處理。通過在ARCGIS中建立數(shù)據(jù)庫，形成一個完整的系統(tǒng)，再利用ARCVIWEW進(jìn)行編輯處理。

圖1 福建省土壤侵蝕強(qiáng)度

2.2.3 數(shù)據(jù)庫采集內(nèi)容

對于水土流失區(qū)GIS建立需要采集土地利用圖，降雨，坡度，土壤顆粒組成，植被狀況，DEM，遙感影像。

3 流失區(qū)侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測

3.1 設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)采集

在流失區(qū)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)時，通過野外實(shí)地調(diào)查，了解當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，土地利用形勢，農(nóng)田經(jīng)營模式，植被耕作制度，土壤顆粒組成，水文情況。在流失區(qū)通過設(shè)置多個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)。并在流失區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，通過設(shè)置多個不同條件的徑流小區(qū)，在植被覆蓋程度和降雨因子大致一致的條件下，研究坡度在不同條件下，侵蝕區(qū)的降雨－產(chǎn)沙－侵蝕規(guī)律，從而獲取坡度、降雨量對土壤侵蝕的影響程度。

3.2 遙感土壤分析

在水土流失地區(qū)做好了監(jiān)測點(diǎn)之后，可以利用遙感對土壤進(jìn)行分析。可以利用土壤的波譜特性運(yùn)用遙感，對水土流失區(qū)的土壤進(jìn)行遙感分析。通過衛(wèi)星的拍攝的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS中，轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理分析之后，解譯出來。通過多次對同一流失區(qū)進(jìn)行分析，疊加數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析所在流失地區(qū)的水土流失情況，這樣就可以做到對水土流失地區(qū)的土壤侵蝕做到動態(tài)分析。

3.3 定量模型——美國農(nóng)業(yè)部通用土壤流失方程式

對于土壤侵蝕的監(jiān)測要做到定量分析，就必須在監(jiān)測的基礎(chǔ)上確定一個模型。通過對這個模型的進(jìn)行計算。而美國通用土壤流失方程式在經(jīng)過長久的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐中證明，這個模型具有很重要的意義。它為土壤侵蝕的定量監(jiān)測提供了一個很好的模型，并且科學(xué)的闡述了土壤侵蝕的規(guī)律。我們本次研究基于美國土壤流失方程式，通過數(shù)學(xué)計算來描述土壤侵蝕規(guī)律?；谒亮魇ьl繁地區(qū)或者小流域地區(qū)建立了許多土壤侵蝕定量監(jiān)測模型，這種模型的建立是以美國歐洲為代表。美國農(nóng)業(yè)部通用土壤流失方程式（USLE）其表達(dá)式為：

A＝R×K×L×S×C×P

式中：A為任一坡耕地在特定的降雨、作物管理制度及所采用的水土保持措施下，單位面積年平均土壤流失量，t／hm2；R為降雨侵蝕力因子，是單位降雨侵蝕指標(biāo)，如果融雪徑流顯著，需要增加融雪因子，MJ×mm／（hm2×h）；K為土壤可蝕性因子，標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕指標(biāo)的土壤流失率；L為坡長因子；S為坡度因子，等于其他條件相同時實(shí)際坡度與9%坡度相比土壤流失比值；由于L和S因子經(jīng)常影響土壤流失，因此，稱LS為地形因子，以示其綜合效應(yīng)；C為植被覆蓋和經(jīng)營管理因子，等于其他條件相同時，特定植被和經(jīng)營管理地塊上的土壤流失與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失之比；P為水土保持措施因子，等于其他條件相同時實(shí)行等高耕作，等高帶狀種植或修地埂、梯田等水土保持措施后的土壤流失與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上土壤流失之比。

通過參考（USLE）模型，可以利用RS和GIS的優(yōu)勢，快速收集流失地區(qū)的影像資料，通過分析該地區(qū)的植被、土壤、坡長、坡度等因子，通過模型，描述所研究地區(qū)的土壤侵蝕規(guī)律，為水土保持的決策提供合理依據(jù)。通過遙感影像獲得的資料并不完全式準(zhǔn)確的，受天氣、云、傳感器等因素的影響，會產(chǎn)生一定的誤差，這個時候就需要大量的野外實(shí)測數(shù)據(jù)提供參考，從而對遙感所形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些校正，以提高研究的精確度。

3.4 地面監(jiān)測

很長一段時期，我國的土壤侵蝕調(diào)查都停留在各個地區(qū)的水文站的人工紀(jì)錄方式來收集，這很大程度上降低了效率，而且各個地方水文站測試的方式不同，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計的方式也出現(xiàn)很大偏差，不利于地區(qū)做統(tǒng)一的總結(jié)，耗費(fèi)大量的人力物力，這些都是地面監(jiān)測的缺點(diǎn)，當(dāng)引入遙感監(jiān)測，既提高了效率，也提高了精確性，在人無法到達(dá)的地方也可以用遙感輕易的得到數(shù)據(jù)，這是一個大的突破。

3.5 遙感監(jiān)測

隨著3S技術(shù)（GPS、GIS、RS）技術(shù)的進(jìn)步，我國目前對全國進(jìn)行水土流失調(diào)查大面積的采用了遙感技術(shù)，這個方法成為水土保持動態(tài)監(jiān)測一個很好的手段。為我國監(jiān)測水土流失提供了很大幫助，隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙感監(jiān)測的成本也在不斷降低，這對于水土保持事業(yè)來說是一個福音，在地方的水土保持試驗(yàn)站也可以采用這一新的技術(shù)，對水土流失重災(zāi)區(qū)實(shí)行動態(tài)監(jiān)測和預(yù)報。還可以通過遙感監(jiān)測對植被的生長狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為水土保持提供了可靠的依據(jù)。

感監(jiān)測方法需要在土壤侵蝕過程機(jī)理定量研究基礎(chǔ)上，從影響水土流失的因子著手分析，建立水土流失量與因子之間的關(guān)系，并且可以通過遙感技術(shù)以外的其他途徑獲取信息，如，土地利用率、坡度和植被覆蓋等在次基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤侵蝕分類分級指標(biāo)進(jìn)行邏輯綜合分析和剖解得出土壤侵蝕強(qiáng)度信息監(jiān)測。

4 遙感定量監(jiān)測改善措施

通過運(yùn)用遙感技術(shù)對水土流失地區(qū)進(jìn)行定量監(jiān)測，然后根據(jù)解譯的影像資料通過人為的判斷分析，從而來決定土壤侵蝕的強(qiáng)度。受限于人的知識程度，不同人的主觀上判斷會有所差別，這就需要建立一定的量化來自動判斷水土流失強(qiáng)度，從而更加客觀準(zhǔn)確的為水土保持監(jiān)測所用。

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