基于RS和GIS的水土流失敏感性評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

王紅巖, 李強(qiáng)子, 吳利橋, 丁雷龍,3, 張 磊, 杜 鑫

(1.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101;2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 廣州 510611; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 北京 100083)

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基于RS和GIS的水土流失敏感性評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

王紅巖1, 李強(qiáng)子1, 吳利橋2, 丁雷龍1,3, 張 磊1, 杜 鑫1

(1.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101;2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 廣州 510611; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 北京 100083)

以Landsat-5 TM影像為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合高精度的土地利用數(shù)據(jù)和DEM高程，基于遙感和GIS技術(shù)，通過(guò)選取關(guān)鍵影響因子，對(duì)紅水河干流區(qū)1990年，2000年和2010年的水土流失敏感性進(jìn)行了評(píng)價(jià)及其時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析。結(jié)果表明：紅水河干流區(qū)水土流失敏感性主要以輕度敏感和中度敏感為主，1990—2010年近30 a來(lái)水土流失敏感性總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；在水土流失不同敏感性等級(jí)變化中，以水土流失中度敏感轉(zhuǎn)為輕度敏感面積最大，1990—2000年和2000—2010年轉(zhuǎn)化面積分別為2 736.24 km2和2 462.09 km2，1990—2000年水土流失敏感性向輕度敏感、不敏感轉(zhuǎn)化的地區(qū)主要集中在紅水河干流區(qū)中段區(qū)域，但2000—2010年水土流失敏感性等級(jí)的變化區(qū)域與之明顯不同，主要發(fā)生在紅水河干流區(qū)的東段?？傮w看來(lái)，在響應(yīng)國(guó)家水土流失治理措施下，紅水河干流區(qū)水土流失防治效果顯著，生態(tài)環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)好。

水土流失; 敏感性評(píng)價(jià); 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè); 遙感; GIS

水土流失是當(dāng)今全球面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境與災(zāi)害問(wèn)題，嚴(yán)重的水土流失已造成了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。水土流失導(dǎo)致土壤表層營(yíng)養(yǎng)成分流失、生產(chǎn)力下降、土地退化、陸地生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題的發(fā)生，另外農(nóng)業(yè)用地的化肥農(nóng)藥殘留隨著水土流失進(jìn)入河道水庫(kù)，是水環(huán)境惡化的主要污染源之一[1-3]。水土流失敏感性是指自然狀態(tài)下發(fā)生土壤流失可能性的大小[4]，開展水土流失敏感性評(píng)價(jià)，有助于識(shí)別土壤侵蝕易形成的區(qū)域，評(píng)價(jià)土壤侵蝕對(duì)人類活動(dòng)的敏感程度[5]，同時(shí)也為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)安全維護(hù)、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)[6]。近年來(lái)隨著3S技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在土地植被覆蓋信息獲取方面具有大面積、多時(shí)相、多波段、低成本的特色和信息豐富、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的多要素相關(guān)空間分析的強(qiáng)大特點(diǎn)。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于3S技術(shù)，在水土流失敏感性評(píng)價(jià)及土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)等方面開展了大量研究工作[7-12]。但是在我國(guó)紅水河流域的研究相對(duì)較少，同時(shí)對(duì)于區(qū)域水土流失敏感性動(dòng)態(tài)變化研究較少。

紅水河流域資源富庶，自然條件復(fù)雜多樣，但生態(tài)環(huán)境很脆弱。紅水河流域是西南地區(qū)水土流失的重災(zāi)區(qū)，生產(chǎn)條件惡劣，生存環(huán)境惡化，改善生態(tài)環(huán)境已經(jīng)刻不容緩。在此背景下，本文基于遙感和GIS技術(shù)，選取關(guān)鍵影響因子，開展紅水河流域水土流失敏感性評(píng)價(jià)，探討了水土流失敏感區(qū)的空間分布格局，同時(shí)分析了1990—2010年水土流失敏感性動(dòng)態(tài)變化，以期為紅水河流域水土流失治理、有效控制該區(qū)域土壤侵蝕提出參考建議，為評(píng)價(jià)區(qū)域的水土保持規(guī)劃制定和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

紅水河是珠江流域西江水系干流，上游系發(fā)源于云南沾益縣的南盤江，在貴州省望謨縣庶香村與北盤江匯合后始稱紅水河，自西向東橫穿廣西中部，至象州縣石龍鎮(zhèn)三江口與柳江匯合后改稱黔江。紅水河干流全長(zhǎng)659 km，流域面積3.3萬(wàn)km2。河流流經(jīng)高原、低山和丘陵，其上游為三疊紀(jì)的砂頁(yè)巖，中下游為石炭紀(jì)、二疊紀(jì)的石灰?guī)r。紅水河流域是典型的巖溶地貌區(qū)，巖溶地貌面積占山地總面積的65.1%。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為16.9～21.0℃，年降水量達(dá)1 244.0～1 590.7 mm。土壤類型主要包括赤紅壤、紅壤、黃壤、石灰土等。紅水河流域礦產(chǎn)資源豐富，河川徑流量大，河流落差大，蘊(yùn)藏著豐富的水能資源。本文中研究區(qū)定義為紅水河干流區(qū)，其涵蓋干流區(qū)兩側(cè)第一道山脊線以內(nèi)的范圍，從大藤峽沿干流上朔至天生橋一級(jí)庫(kù)尾段，包括了紅水河上游10個(gè)梯級(jí)電站流域范圍，總面積為14 193 km2，跨越廣西、貴州、云南三個(gè)省區(qū)。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本文以Landsat-5 TM數(shù)據(jù)為基本遙感數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，收集整理了覆蓋紅水河干流區(qū)的1990年，2000年，2010年三個(gè)時(shí)期的影像。獲得紅水河干流區(qū)數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)，其分辨率為30 m。影像的預(yù)處理主要包括大氣校正和幾何校正兩個(gè)方面。大氣校正采用ENVI/IDL軟件提供的FLAASH大氣校正模塊進(jìn)行，其基本原理是改進(jìn)的MORTRAN4+模型。幾何校正參考1∶50 000比例尺地形圖，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行校正，RMS誤差控制在一個(gè)像元之內(nèi)。

2.2 水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)

紅水河干流區(qū)主要為水蝕分布區(qū)，水土流失主要受降雨侵蝕力、土壤可蝕性、土地利用類型、地形、植被覆蓋度、水土保持措施等因子的影響[13-14]。由于降雨侵蝕力和土壤可蝕性變化不大，本文主要選取坡度、植被覆蓋度和土地利用類型為水土流失敏感性評(píng)價(jià)及其動(dòng)態(tài)變化分析的指標(biāo)(表1)。

表1 水土流失敏感性評(píng)價(jià)因子及其分級(jí)

2.2.1 坡度因子提取 根據(jù)水土流失敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)坡度劃分為<8°,8°～15°,15°～25°,25°～35°,>35°共5個(gè)級(jí)別。通過(guò)獲取的紅水河干流區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)，在ArcGIS中Spatial Analysis工具條下的Surface Analysis中的坡度工具(Slope)功能來(lái)生成以度為單位的坡度圖，基于劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)劃分，獲得紅水河干流區(qū)坡度等級(jí)分布圖。

2.2.2 植被覆蓋度因子提取 歸一化植被指數(shù)(NDVI)與植被覆蓋度存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，本文基于紅水河干流區(qū)TM遙感影像，計(jì)算獲得NDVI分布圖，利用Gutman模型(見公式1)提取植被覆蓋度，基于水土流失劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了等級(jí)劃分，獲得研究區(qū)植被覆蓋度等級(jí)分布圖。

(1)

式中：其中FC——植被覆蓋度；NDVIsoil——完全是裸土或無(wú)植被區(qū)域的NDVI值；NDVIveg——完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。

2.2.3 土地利用類型因子提取 基于獲取的紅水河干流區(qū)1990年，2000年，2010年三個(gè)時(shí)期的影像數(shù)據(jù)，主要采用面向?qū)ο蟮腟VM自動(dòng)識(shí)別算法進(jìn)行研究區(qū)土地覆被信息提取[15-16]。通過(guò)空間數(shù)據(jù)層建立、分類劃分體系、專題信息提取及專題信息后處理等四大流程獲得高精度的紅水河干流區(qū)土地利用類型分布圖。根據(jù)紅水河干流區(qū)土地利用類型特點(diǎn)，研究區(qū)土地利用類型劃分為針葉林、闊葉林、灌木林、人工林、草地、水田、旱地、居住地、工礦地、河流、水庫(kù)/坑塘和裸露地12類。

2.3 水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)紅水河流域的實(shí)際情況及各個(gè)因子對(duì)水土流失影響的大小，參考前人研究結(jié)果，確定紅水河干流區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)各因子的權(quán)重，其中，坡度因子權(quán)重0.3，植被覆蓋度權(quán)重為0.4，土地利用類型權(quán)重為0.3[17]。利用ArcGIS空間分析模塊功能，采用多因子加權(quán)求和模型(見公式2),將各評(píng)價(jià)因子與其相應(yīng)的權(quán)重疊加分析和代數(shù)運(yùn)算，再采用自然分界法(Natural break)將運(yùn)算結(jié)果劃分5級(jí)(表2)，得到紅水河干流區(qū)1990年水土流失敏感性分級(jí)圖，其中，自然分界法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點(diǎn)，能夠使各級(jí)的內(nèi)部方差之和最小[18]。根據(jù)1990年研究區(qū)自然分界法的劃分閾值，對(duì)2000年和2010年的各因子加權(quán)求和結(jié)果進(jìn)行劃分，得到研究區(qū)2000，2010年水土流失敏感性分級(jí)圖。

(2)

式中：S——水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；Wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重；Ai——第i個(gè)指標(biāo)因子的數(shù)量化值；n——評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的個(gè)數(shù)(本文n=3)。

表2 水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 紅水河干流區(qū)水土流失敏感性空間分布

基于獲取的紅水河干流區(qū)的TM遙感數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，依據(jù)水土流失敏感性分級(jí)遙感評(píng)價(jià)方法，獲得1990年，2000年，2010年紅水河干流區(qū)水土流失敏感性等級(jí)分布圖，再分別對(duì)研究區(qū)水土流失不同敏感性等級(jí)的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表3。從表3中可以看出，紅水河干流區(qū)水土流失敏感性等級(jí)主要以輕度和中度為主，分別占了總面積的92.66%，94.83%，93.61%。在1990年代，水土流失中度敏感區(qū)所占比重最大，但在2000和2010年代，水土流失輕度敏感區(qū)所占比重最大，表明1990年代水土流失發(fā)生可能性要比2000年代、2010年代大。

從表3中可以看出，紅水河干流區(qū)1990年，2000年，和2010年三個(gè)年代水土流失敏感性空間分布存在較大變化。在紅水河干流區(qū)西段區(qū)域主要是原始闊葉林、灌木林和高山草地，人為擾動(dòng)相對(duì)較少，植被覆蓋度較高，在1990年代，水土流失輕度敏感區(qū)分布最多，在2000—2010近二十年來(lái)，水土流失敏感性等級(jí)變化不大，主要以輕度和中度水土流失為主。紅水河干流區(qū)中段區(qū)域2000年代和1990年代水土流失敏感性存在明顯變化，主要由原來(lái)的中度敏感區(qū)向水土流失輕度敏感區(qū)的轉(zhuǎn)化。紅水河干流區(qū)東段區(qū)域2010年代和2000年代水土流失敏感性等級(jí)存在明顯變化，主要由原來(lái)的水土流失中度敏感區(qū)向輕度敏感和不敏感的轉(zhuǎn)化。這主要是因?yàn)閲?guó)家對(duì)水土流失治理工作的重視，加強(qiáng)了水土流失的治理，以及紅水河流域的開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境治理保護(hù)相結(jié)合的開發(fā)戰(zhàn)略，在紅水河中、下游大力發(fā)展針葉、針闊混交林，建立速生豐產(chǎn)用林，在下游平原發(fā)展混農(nóng)林業(yè)等措施減小了水土流失發(fā)生的可能性。

從表3中可以看出，近三十年來(lái)紅水河干流區(qū)水土流失敏感性有所好轉(zhuǎn)，中度和高度敏感區(qū)面積減少，水土流失不敏感和輕度敏感區(qū)面積增加。其中1990—2000年代水土流失敏感性等級(jí)變化明顯，中度敏感區(qū)面積減少了1 388.12 km2，在2000—2010年代中度敏感區(qū)面積也有所減少，減少575.57 km2。同時(shí)，高度敏感區(qū)面積也存在較大幅度的減少，說(shuō)明紅水河干流區(qū)生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)，生態(tài)質(zhì)量得到較明顯的改善。

表3 1990，2000，2010年代紅水河干流區(qū)水土流失敏感性類型面積統(tǒng)計(jì)

3.2 紅水河干流區(qū)水土流失敏感性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)水土流失敏感性分級(jí)圖做了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，表4和表5分別為1990—2000年代和2000—2010年代不同水土流失敏感等級(jí)的轉(zhuǎn)移矩陣。從表4中可以得出，1990—2000年水土流失敏感性向輕度敏感、中度敏感和不敏感轉(zhuǎn)化明顯。1990—2000年，有2 736.24 km2的水土流失中度敏感區(qū)轉(zhuǎn)為輕度敏感，有276.74 km2的水土流失輕度敏感區(qū)轉(zhuǎn)為不敏感，并且主要分布在紅水河干流區(qū)的中段以及東部的大藤峽水電站區(qū)段，這些區(qū)域加強(qiáng)了水土流失治理工作，石山荒山綠化，加大了植樹造林的面積，控制了水土流失，改善了生態(tài)環(huán)境。同時(shí)2000年代的水土流失高度敏感區(qū)的增加主要是中度敏感區(qū)的轉(zhuǎn)移，增加的面積達(dá)247.40 km2，主要分布在紅水河干流區(qū)西段區(qū)域，說(shuō)明這些區(qū)域植被大面積遭破壞，植被覆蓋率下降，水土流失發(fā)生可能性大大增加。

從表5中可以得出，2000—2010年水土流失敏感性等級(jí)變化主要還是向輕度、不敏感和中度的轉(zhuǎn)化，與1990—2000年變化一致，但變化分布區(qū)域有所不同。2000—2010年水土流失敏感性等級(jí)變化中轉(zhuǎn)為不敏感和輕度敏感區(qū)域主要分布在紅水河干流區(qū)東段。其中：408.95 km2的水土流失輕度敏感區(qū)轉(zhuǎn)化為不敏感，但同時(shí)有256.17 km2不敏感區(qū)轉(zhuǎn)為水土流失輕度敏感區(qū)；有2 462.09 km2的中度敏感區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度敏感，同時(shí)水土流失高度敏感區(qū)中有60.42 km2轉(zhuǎn)為輕度敏感，有262.22 km2轉(zhuǎn)為水土流失中度敏感區(qū)?？傮w來(lái)說(shuō)，2000—2010年紅水河干流區(qū)水土流失得到控制，水土流失敏感性有所減輕，生態(tài)環(huán)境逐漸變好。

表4 紅水河干流區(qū)1990-2000年水土流失敏感性等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表5 紅水河干流區(qū)2000-2010年水土流失敏感性等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4 結(jié)論與討論

本文基于遙感和GIS技術(shù)，分析了紅水河干流區(qū)1990—2010年近30 a的水土流失敏感性分布及其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，研究結(jié)果為掌握該區(qū)域水土流失發(fā)生可能性及治理措施的實(shí)施提供一定的參考價(jià)值。研究結(jié)果表明：

1) 通過(guò)對(duì)紅水河干流區(qū)1990年，2000年，2010年水土流失不同敏感性等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，紅水河干流區(qū)水土流失敏感性主要以輕度和中度為主，分別占了總面積的92.66%，94.83%，93.61%。

2) 通過(guò)水土流失不同敏感性等級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣分析得出，1990—2010年來(lái)，紅水河干流區(qū)水土流失敏感性向輕度、中度和不敏感轉(zhuǎn)化明顯，水土流失持續(xù)好轉(zhuǎn)。式中：水土流失中度敏感區(qū)轉(zhuǎn)為輕度敏感面積最大，1990—2000年和2000—2010年轉(zhuǎn)化面積分別為2 736.24 km2和2 462.09 km2。但1990—2000年和2000—2010年水土流失敏感性向輕度敏感、不敏感轉(zhuǎn)化的地區(qū)分布不同，在1990—2000年，變化主要集中在紅水河干流區(qū)中段區(qū)域，而2000—2010年水土流失的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在紅水河干流區(qū)的東段。

3) 雖然近30 a來(lái)紅水河干流區(qū)水土流失敏感性有所改善，但在有些區(qū)域水土流失中度敏感轉(zhuǎn)為高度敏感，對(duì)于這些區(qū)域需要加大水土流失治理力度，采取植樹造林等措施進(jìn)一步有效的遏制研究區(qū)的水土流失發(fā)生的可能性。

4) 水土流失的影響因子是多方面的，本研究從地形坡度、植被覆蓋度及土地利用類型等3個(gè)因子考慮，參考前人研究結(jié)果定義了水土流失敏感性評(píng)價(jià)中三個(gè)因子的權(quán)重，研究結(jié)果有一定的片面性。在今后的研究中，將從自然演化和人為干預(yù)兩個(gè)方面，選取較為全面的影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索紅水河干流區(qū)水土流失敏感性影響因子的權(quán)重計(jì)算與評(píng)價(jià)方法。

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Dynamic Monitoring and Sensitivity Evaluation of Soil Erosion Based on RS and GIS

WANG Hongyan1, LI Qiangzi1, WU Liqiao2, DING Leilong1,3, ZHANG Lei1, DU Xin1

(1.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 2.ScientificInstituteofPearlRiverWaterResourcesProtection,Guangzhou510611,China; 3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

With the support of remote sensing and GIS, the sensitivity of soil erosion in Red River district was studied based on the Landsat-5 TM image and combining with high-precision land use data and DEM. Based on these, the dynamic monitoring of soil erosion sensitivity in 1990—2010 was analyzed. The results showed that the soil erosion sensitivity in Red River district was mainly at mild and moderate degree, the sensitivity of soil erosion had become better from 1990 to 2010. The largest change area of the soil erosion sensitivity was from moderate level to mild degree, the transformed areas of 1990—2000 and 2000—2010 were 2 736.24 km2and 2 462.09 km2, respectively. The soil erosion sensitivity conversion which was the other erosion sensitivity converted to mild, and micro soil erosion sensitivity from 1990 to 2000 mainly concentrated in the middle of the Red River district, however, the change area from 2000 to 2010 was different from that from 1990—2000, which was mainly in the east of the Red River district. Overall, in response to the national soil erosion control measures, the performed water and soil conservation measures in Red River district were very effective and the eco-environment gradually improved.

soil erosion; sensitivity evaluation; dynamic monitoring; RS; GIS

2014-04-28

2014-05-29

紅水河綜合利用規(guī)劃環(huán)境影響后評(píng)價(jià)研究(1261320610403)

王紅巖(1986—),女,山東省聊城市人,博士,助理研究員,主要從事生態(tài)遙感、荒漠化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究。E-mail:wanghy@radi.ac.cn

吳利橋(1970—),男,湖北通城人，高級(jí)工程師，主要從事水資源保護(hù)、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。E-mail:wulq2004@126.com

S157

1005-3409(2015)02-0064-05