基于QuickBird影像的黃土丘陵區(qū)坡面淺溝侵蝕速率研究

張 巖 范聰慧 龔穎華 張佳華

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

基于QuickBird影像的黃土丘陵區(qū)坡面淺溝侵蝕速率研究

張 巖 范聰慧 龔穎華 張佳華

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

以陜西省吳起縣黃土丘陵溝壑區(qū)封禁流域(合溝小流域)為研究對象，通過野外實(shí)地測量60條淺溝形態(tài)參數(shù)，建立淺溝長度與體積回歸模型，使用2007年和2013年2期同時(shí)相QuickBird影像，提取245條淺溝的長度，計(jì)算淺溝侵蝕速率。結(jié)果表明：在2007—2013年的6 a內(nèi)，淺溝的數(shù)量基本不變，總長度從2007年的13.74 km增長到2013年的14.12 km，淺溝密度為36.21 km/km2。淺溝長度變化分為縮減與增長2類，縮減類淺溝占46.94%，溝口多數(shù)與切溝溝頭相連，由于切溝溯源侵蝕速率高于淺溝的發(fā)育速率，導(dǎo)致淺溝長度縮減。依據(jù)構(gòu)建的淺溝長度與體積回歸模型，基于影像解譯的245條淺溝在6 a間總侵蝕量從1 889.97 m3增加到1 961.49 m3，若不考慮體積減小的淺溝，平均每條淺溝每年增長0.20 m3，草本覆蓋的坡面淺溝平均侵蝕速率約為215 t/(km2·a)。

淺溝侵蝕； 高分遙感； 封禁流域； 黃土丘陵區(qū)

引言

淺溝侵蝕是介于細(xì)溝侵蝕和切溝侵蝕之間的一種過渡形態(tài)，不影響橫向耕作，但不能消除其形態(tài)痕跡[1]。淺溝侵蝕不僅是坡面主要的侵蝕產(chǎn)沙源[2]，而且導(dǎo)致土地退化[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者在淺溝侵蝕的監(jiān)測和發(fā)育機(jī)制等方面取得了大量研究成果[6]，但是較長時(shí)間尺度的淺溝侵蝕監(jiān)測仍有難度。早期的淺溝侵蝕測量以野外實(shí)測為主，研究的時(shí)空尺度較小。張永光等[7]在東北黑土區(qū)，以矩形模擬斷面面積計(jì)算各段體積后加和得單條淺溝體積。胡剛等[8]通過野外測量，研究黑土區(qū)淺溝形態(tài)參數(shù)特征以及淺溝體積估算模型。鑒于淺溝體積測量難度較大，CAPRA等[9]建立了淺溝侵蝕預(yù)測的概念性模型，強(qiáng)調(diào)了淺溝長度對預(yù)測侵蝕體積的重要性。很多學(xué)者先后在不同地區(qū)建立了淺溝長度與體積的關(guān)系模型[9-12]。

圖1 研究區(qū)位置示意圖和局部淺溝照片F(xiàn)ig.1 Location of study area and photo of ephemeral gullies

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，淺溝侵蝕研究不再局限于野外測量手段[13]，因而，某些地區(qū)在較大尺度上取得了淺溝侵蝕的測量結(jié)果。TEASDALE等[14]利用航空測量技術(shù)測量了美國西部農(nóng)耕地的淺溝侵蝕，平均為33.6～88.4 Mt/km2，占地表產(chǎn)沙量的2.3%～7.7%。FIORUCCI等[15]利用無人機(jī)和立體像對測量了意大利中部的科拉左內(nèi)48 km2范圍內(nèi)555條細(xì)溝和淺溝的長度、寬度和深度，由此計(jì)算淺溝侵蝕的體積在地塊尺度為28.4 Mg/hm2，在小流域尺度為0.68 Mg/hm2。

黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，淺溝侵蝕是黃土高原重要的侵蝕類型，也是導(dǎo)致溝狀侵蝕加劇的主要原因之一[16]。野外試驗(yàn)表明裸露黃土坡面淺溝侵蝕量達(dá)7 000～8 000 t/(km2·a)，占坡面總侵蝕量的66.2%～71.4%[17]。到目前為止，黃土高原區(qū)淺溝侵蝕研究主要局限于較小尺度[16,18-19]或者是僅限于研究淺溝的密度、分布特征及影響因子[20-21]，較大時(shí)空尺度上的黃土區(qū)淺溝侵蝕量或淺溝體積變化研究還未見報(bào)道。本文以陜西省吳起縣合溝小流域?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^實(shí)地測量，建立淺溝長度和體積的關(guān)系模型，使用2007年和2013年2期QuickBird遙感影像估算黃土丘陵區(qū)淺溝長度的發(fā)育速率，從而計(jì)算小流域尺度淺溝侵蝕量和侵蝕速率，以期為黃土區(qū)淺溝發(fā)育研究和水土流失治理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黃土高原中部陜西省吳起縣合溝小流域，位于36°53′23″～36°55′27″N、108°12′21″～108°13′55″E，屬典型的黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)。小流域總面積為4.3 km2，海拔高度在1 290～1 580 m之間，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫7.8℃，多年平均降水量478.3 mm，7—9月份降水量占全年降水量的64%以上，降水年際變化大。多年平均陸地蒸發(fā)量為400～450 mm，屬于半干旱區(qū)。主要土壤類型是在黃土母質(zhì)上發(fā)育起來的黃綿土，質(zhì)地為輕壤土[22]。研究區(qū)位置見圖1。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源與處理方法

使用2007年6月30日和2013年7月5日的QuickBird影像，包括0.61 m分辨率全色波段數(shù)據(jù)與2.4 m分辨率多光譜數(shù)據(jù)(0.45～0.90 μm)。首先，在ERDAS 9.3中，按主成分分析法分別將2期QuickBird遙感影像融合，以三次卷積法重采樣，進(jìn)行正射校正以及邊界銳化處理，最后按研究區(qū)范圍進(jìn)行掩模裁切，形成0.61 m分辨率的合溝小流域真彩圖像。然后確定淺溝位置，選取12個(gè)獨(dú)立坡面單元，勾繪坡面邊界，選擇2007年與2013年淺溝分布及特征較為清晰的區(qū)域，通過目視解譯，利用ArcGIS 9.3對淺溝進(jìn)行目視解譯和數(shù)字化，生成淺溝線狀圖層。共提取245條在2幅影像上都可識別的淺溝?；?∶10 000地形圖生成尺寸為10 m×10 m的DEM，提取坡度。采用屬性計(jì)算獲取淺溝投影長度，再除以對應(yīng)淺溝坡度的余弦，得到淺溝長度。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算2007—2013年淺溝密度和長度及其變化速率。

1.3 淺溝野外測量及其體積估算

在遙感解譯的基礎(chǔ)上，于2014年7月份對研究區(qū)部分易于識別和調(diào)查的淺溝進(jìn)行實(shí)地測量。根據(jù)野外觀察，淺溝橫截面接近U型，橫截面可以按照梯形計(jì)算。淺溝兩截面之間的容積可視為上下底面都為梯形的四棱臺，先估算其分段容積，進(jìn)而合計(jì)各段容積，即為每條淺溝侵蝕的體積。因此，需要將淺溝分段，使用測繩和卷尺實(shí)地測量各段的距離、截面深度、截面頂寬度、截面底寬度，才能計(jì)算每段四棱臺的體積。由于淺溝形態(tài)的不規(guī)則性致使精確測量淺溝體積存在一定的困難，如果選取截面過于稀疏會增加測量誤差。本次測量過程中，除溝頭和溝口為必測截面外，在每條淺溝內(nèi)，依據(jù)淺溝長度，平均選取2～4個(gè)截面。溝頭的判別標(biāo)準(zhǔn)是溝壁與坡面夾角超過30°。采用上述方法在研究區(qū)范圍內(nèi)實(shí)測淺溝60條，如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺溝長度發(fā)育速率

為了驗(yàn)證遙感解譯淺溝長度的精度，對比分析了60條淺溝的實(shí)測長度和解譯長度的差異。實(shí)測淺溝總長度2 514.11 m，平均溝長41.90 m，遙感解譯淺溝總長度2 655.64 m，平均長度44.26 m，每條淺溝長度絕對差值平均值為4.38 m。即使在高分影像上，精確確定溝頭的位置仍有一定難度，而且部分淺溝溝頭被植被覆蓋或發(fā)育了一些陷穴，也影響解譯淺溝長度的精度。

在研究區(qū)選取的12個(gè)獨(dú)立坡面單元總面積為0.39 km2，解譯淺溝共計(jì)245條，2007年淺溝總長13.74 km，密度35.23 km/km2，單溝平均溝長56.07 m；2013年淺溝總長14.12 km，淺溝密度36.21 km/km2，單溝平均溝長57.62 m。淺溝和坡面單元的空間分布見圖2。

對比2007年與2013年2期影像相對應(yīng)的245條淺溝可知，淺溝長度變化明顯。從淺溝長度變化的頻率分布(圖3)來看，淺溝長度在6 a間平均增長1.55 m，有53.06%的淺溝長度增長，其余46.94%的淺溝長度縮減，60%以上的淺溝長度變化集中在-5～5 m之間。進(jìn)一步可分為6種情況：淺溝長度重度縮減(差值ΔL<-10 m)、中度縮減(-10 m≤ΔL<-5 m)、輕度縮減(-5 m≤ΔL<0 m)、輕度增長(0 m≤ΔL<5 m)、中度增長(5 m≤ΔL<10 m)、重度增長(ΔL≥10 m)(圖4)。如果只考慮長度增長的淺溝，平均每條淺溝的長度發(fā)育速率為1.06 m/a。淺溝長度縮短，可能有3方面原因：①研究區(qū)淺溝的溝口多數(shù)與切溝溝頭相連，而部分切溝溯源侵蝕速率大于淺溝發(fā)育速率導(dǎo)致淺溝長度縮短。②個(gè)別切溝溝頭形成陷穴也造成淺溝長度的嚴(yán)重縮短。③ 2期影像配準(zhǔn)導(dǎo)致切溝長度解譯誤差。但無論哪種情況下，淺溝侵蝕仍然可能發(fā)生，只是無法準(zhǔn)確計(jì)算。

圖3 淺溝長度差異的頻率分布直方圖Fig.3 Frequency histogram of ephemeral gully length difference

圖4 6種類型淺溝數(shù)量分布和長度的年平均變化量Fig.4 Percentage of six types of ephemeral gullies and change rates of gully length

2.2 淺溝體積計(jì)算模型

60條野外實(shí)測淺溝的總長度為2.51 km，平均長度41.90 m，總體積為241.4 m3。60條淺溝體積均值為4.02 m3，標(biāo)準(zhǔn)差為3.32 m3。76%的單條淺溝體積集中在5 m3范圍內(nèi)，只有極少數(shù)(10%)淺溝體積超過10 m3。長度較長且寬度較寬的淺溝侵蝕量基本在5～10 m3范圍內(nèi)。

利用實(shí)測的60條淺溝建立淺溝長度與體積之間的回歸方程(圖5)，以便利用遙感解譯的淺溝長度計(jì)算淺溝侵蝕量以及侵蝕速率。由于在60條淺溝中存在2條淺溝的局部深度大于1 m，屬于淺溝和切溝的過渡類型，因此，在回歸分析中作為異常值，未予考慮。58條淺溝長度(L)與體積(V)之間的回歸方程表明，在一定程度上，淺溝長度與體積之間存在指數(shù)關(guān)系，即淺溝長度越長體積越大。研究可根據(jù)淺溝長度進(jìn)一步推算出淺溝的體積。

圖5 實(shí)測淺溝體積與長度的回歸模型Fig.5 Regression model of gully volume and gully length based on field measurements

2.3 淺溝侵蝕量和侵蝕速率估算

根據(jù)上述回歸模型，利用遙感影像解譯的245條淺溝的長度，估算出研究區(qū)每條淺溝在2007年和2013年的體積，進(jìn)而估算出6 a間研究區(qū)淺溝侵蝕量和侵蝕速率。結(jié)果表明，2007年245條淺溝總體積為1 889.97 m3，平均每條淺溝體積為7.71 m3；2013年總體積為1 961.49 m3，平均每條淺溝體積為8.01 m3。245條淺溝中，有53.06%呈現(xiàn)體積增長，其余呈現(xiàn)體積減小的情況，與淺溝長度變化是一致的。如前所述，即使淺溝長度縮短，侵蝕仍然可能發(fā)生，只是無法準(zhǔn)確計(jì)算。如果不考慮這部分體積減少的淺溝，6 a間平均每條淺溝體積增長1.21 m3，即平均每條淺溝每年增長0.20 m3(圖6)。進(jìn)一步計(jì)算得出，6 a間，長度增加的所有淺溝體積增加157.51 m3，平均每年增加26.25 m3。245條淺溝所在的12個(gè)獨(dú)立坡面單元，總面積為0.39 km2，坡面淺溝侵蝕速率為67.31 m3/(km2·a)。

圖6 基于遙感解譯的130條淺溝體積增長的頻率直方圖Fig.6 Frequency histogram of gully volume growth of 130 gullies based on QuickBird images

3 討論

CASALI等[23]總結(jié)了世界多地15項(xiàng)研究成果，淺溝侵蝕量變化范圍為0.09～6.49 kg/(m2·a)，而且大多數(shù)淺溝侵蝕研究是在耕作農(nóng)地上開展的。VALCARCEL等[24]在西班牙實(shí)測的農(nóng)地淺溝侵蝕量為1.06 m3/(hm2·a),CHENG等[25]在我國內(nèi)蒙古太仆寺旗農(nóng)地使用GPS監(jiān)測的淺溝侵蝕量為8.8 m3/(hm2·a)，CAPRA等[26]在意大利監(jiān)測的淺溝侵蝕量為0～10 m3/(hm2·a)，其中部分淺溝未監(jiān)測到侵蝕。在黃土高原區(qū)基于野外實(shí)測的淺溝侵蝕研究很少。ZHENG[17]在野外小區(qū)觀測無植被覆蓋的黃土坡面淺溝侵蝕量約為7 000～8 000 t/(km2·a)。本文基于陜北黃土丘陵區(qū)野外調(diào)查和遙感解譯，對245條淺溝進(jìn)行計(jì)算，得出2007—2013年封禁小流域中草本覆蓋的坡面淺溝中53%的長度增加，侵蝕速率為67.31 m3/(km2·a)，如果平均土壤容重按1.5 g/cm3計(jì)算，約為100.97 t/(km2·a)，假設(shè)其余47%的淺溝也具有相同的平均侵蝕速率，在坡面淺溝平均侵蝕速率為143.21 m3/(km2·a)，約215 t/(km2·a)，遠(yuǎn)低于ZHENG[17]在裸露黃土坡面的觀測結(jié)果，也低于其他區(qū)域大部分耕作土地上的研究成果[23]，說明在封禁條件下，即使是草本覆蓋，淺溝侵蝕也已經(jīng)得到有效控制。

本研究利用野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，建立了淺溝長度和體積的回歸模型(V=0.005 0L1.752 2，R2=0.42)，但與其他研究結(jié)果[9,11-12,27]相比，回歸模型的決定系數(shù)較低。實(shí)地調(diào)查表明黃土區(qū)淺溝的深度變化較大，而且有陷穴出現(xiàn)。野外調(diào)查60條淺溝的256個(gè)截面，平均深度0.19 m，標(biāo)準(zhǔn)差0.14 m，最大深度達(dá)1.22 m，淺溝深度變化大，導(dǎo)致相比于其他地區(qū)淺溝體積與長度的關(guān)系較差。

黃土丘陵區(qū)淺溝形成和發(fā)育受到坡度、坡長、匯流面積等多種因素影響[20]，而本文只研究了6 a內(nèi)草地覆蓋坡面淺溝侵蝕的總體狀況，還不能反映降水量、地貌閾值等因素對淺溝發(fā)育的影響，也不能代表退耕還林條件下黃土丘陵區(qū)總體淺溝侵蝕狀況，進(jìn)一步研究可以選擇多個(gè)研究區(qū)域、多種生態(tài)修復(fù)模式進(jìn)行淺溝侵蝕的對比研究，從而更好地分析黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝侵蝕的總體狀況。

通過遙感影像解譯監(jiān)測淺溝的長度變化會產(chǎn)生誤差，每條淺溝的解譯長度和測量長度絕對差值的平均值為4.38 m，約為10%。造成誤差的原因有：①研究區(qū)是封禁治理流域，對于植被覆蓋較好的淺溝溝頭，無論是在影像上還是在野外都很難確定，因此在影像解譯和野外測量的過程中都會產(chǎn)生較大的誤差。②部分淺溝上發(fā)育著大小不等的陷穴，對遙感解譯和野外測量的精度產(chǎn)生了較大的影響。③黃土高原地區(qū)土質(zhì)疏松，遭遇暴雨等情況，侵蝕溝形態(tài)可能會發(fā)生較大改變，而影像拍攝時(shí)間和野外測量時(shí)間相差1 a，也可能造成部分誤差。

4 結(jié)論

(1)在2007—2013年的6 a內(nèi)，單個(gè)淺溝平均溝長從56.07 m增長至57.62 m，淺溝密度由35.23 km/km2增加至36.21 km/km2，淺溝的數(shù)量基本不變。淺溝長度變化主要集中在-5～5 m之間，淺溝長度減小的主要原因是與切溝相連，切溝的溯源侵蝕導(dǎo)致的淺溝長度減小。

(2)根據(jù)實(shí)際測量的60條淺溝，建立了淺溝體積與長度的關(guān)系模型V=0.005 0L1.752 2，R2=0.42。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到245條淺溝在6 a間總侵蝕量從1 889.97 m3增加到1 961.49 m3。若不考慮體積減少的淺溝，平均每條淺溝每年增長0.20 m3，所在坡面的淺溝平均侵蝕速率為67.31 m3/(km2·a)。在封禁條件下，草本覆蓋坡面淺溝侵蝕已得到有效控制。

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Investigation on Ephemeral Gully Erosion Rate Based on QuickBird Images in Loess Hilly Region

ZHANG Yan FAN Conghui GONG Yinghua ZHANG Jiahua

(KeyLaboratoryofStateForestryAdministrationonSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Ephemeral gully is a common erosion process and represents one of the significant watershed sediment resources in the hilly region on the Loess Plateau of China. A watershed with closure measures implement in Wuqi County, Shaanxi Province was taken as case study to quantify the relationship between the lengths of ephemeral gullies and eroded volume and assess the erosion rate in six years period. A total of 60 ephemeral gullies were surveyed under field conditions, and lengths of 245 ephemeral gullies were identified by two QuickBird images with the same time phase in years of 2007 and 2013. Results revealed that ephemeral gully density was 36.21 km/km2in 2013 and the total length of ephemeral gullies was changed from 13.74 km in 2007 to 14.12 km in 2013. Among 245 ephemeral gullies interpreted from images, the lengths of 46.94% gullies were decreased owing to connecting with gully heads with larger erosion rate or measurement error. Assuming that the cross section of an ephemeral gully is quadrangular frustum pyramid, the volume of 60 investigated ephemeral gullies was ranged from 0.4 m3to 15.43 m3, which was 4.06 m3on average. Based on the built regression model, the volume change of 245 ephemeral gullies from 2007 to 2013 was 71.52 m3. For 53.06% of ephemeral gullies with longer length than previous conditions, the average increasing rate was 0.2 m3per year for each growing ephemeral gully and the total increased volume was 157.51 m3. The estimated erosion rate of ephemeral gullies was 67.31 m3/(km2·a) on the 12 slope units with area of 0.39 km2. The total eroded volume was about 100.97 t/(km2·a) if the average soil bulk density was taken as 1.5 g/cm3. Assuming that the average erosion rate of the other 46.94% ephemeral gullies was similar to those with increased length, the average erosion rate on the slope covered by herbal could be 215 t/(km2·a). The results showed that ephemeral gully erosion rate could be estimated using very high resolution remote sensing such as QuickBird images, which could provide reference for the soil and water conservation on hilly Loess Plateau.

ephemeral gully erosion; high resolution remote sensing; blockading watershed; loess hilly region

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.027

2017-01-21

2017-03-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501604-05)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671272)

張巖(1970—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，E-mail: zhangyan9@bjfu.edu.cn

S157

A

1000-1298(2017)08-0239-06