基于抽樣調(diào)查法的水土流失普查技術(shù)問(wèn)題解析

王愛(ài)娟(水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京 100055)

基于抽樣調(diào)查法的水土流失普查技術(shù)問(wèn)題解析

王愛(ài)娟
(水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京 100055)

抽樣調(diào)查；小流域；制圖；遙感調(diào)查

在總結(jié)前四次全國(guó)水土流失調(diào)查的方法和取得成果的基礎(chǔ)上，全面介紹了第四次全國(guó)水土流失調(diào)查采用的抽樣調(diào)查方法，并從分層不等概抽樣、水土保持措施落地、與“3S”技術(shù)高度融合和土壤侵蝕因子量化等方面分析了抽樣調(diào)查方法的代表性和先進(jìn)性；分析了以小流域?yàn)閷?duì)象開(kāi)展野外調(diào)查的依據(jù)、代表性以及抽樣方法的制圖精度，進(jìn)行了抽樣調(diào)查單元與遙感調(diào)查和全域計(jì)算方法的對(duì)比分析?？偨Y(jié)認(rèn)為，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平條件下，采用抽樣調(diào)查方法開(kāi)展普查能夠滿(mǎn)足表征水土保持措施的作用、準(zhǔn)確掌握全國(guó)水土流失面積和分布的需要，同時(shí)對(duì)于縣級(jí)水土流失分布制圖需采用更高密度的布點(diǎn)開(kāi)展調(diào)查。

自20世紀(jì)50年代至今，我國(guó)已開(kāi)展了4次全國(guó)水土流失調(diào)查。第一次全國(guó)水土流失調(diào)查是在20世紀(jì)50年代，采用人工調(diào)查的方法，統(tǒng)計(jì)了全國(guó)水力侵蝕的面積、強(qiáng)度和分布，為黃河中游、長(zhǎng)江中上游地區(qū)水土流失治理提供了依據(jù)；1983年第二次全國(guó)水土流失調(diào)查采用遙感調(diào)查和地面監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，查清了全國(guó)水土流失的類(lèi)型和分布；1999年第三次全國(guó)水土流失調(diào)查采用高分辨率遙感影像解譯、三因子綜合判讀的方法，查清了全國(guó)水土流失分布狀況并劃分出水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)；2010年第四次全國(guó)水土流失調(diào)查采用抽樣調(diào)查的方法，量化了土壤侵蝕因子，獲得了不同侵蝕類(lèi)型的土壤侵蝕模數(shù)，分析了水土流失的分布、面積和強(qiáng)度。第四次全國(guó)水土流失調(diào)查綜合采用野外分層抽樣調(diào)查、遙感解譯、統(tǒng)計(jì)報(bào)送、模型計(jì)算等多種技術(shù)方法和手段，基于“3S”技術(shù)和我國(guó)資源環(huán)境領(lǐng)域最新調(diào)查和研究成果，更新了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了野外調(diào)查，獲取了精確的水土保持措施類(lèi)型與分布、植被覆蓋度等第一手基礎(chǔ)資料；應(yīng)用我國(guó)自主研發(fā)的模型開(kāi)展土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算和侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)，其中水力侵蝕采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，風(fēng)力侵蝕采用耕地、草(灌)地和沙地風(fēng)力侵蝕模型，凍融侵蝕采用凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型。下面分5個(gè)方面就第四次全國(guó)水土流失調(diào)查中抽樣調(diào)查法的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 抽樣調(diào)查方法介紹

抽樣調(diào)查單元布設(shè)采用分層不等概系統(tǒng)空間抽樣方法。分層是指在全國(guó)統(tǒng)一劃分四級(jí)網(wǎng)格，分別為40 km×40 km的縣級(jí)區(qū)、10 km×10 km的鄉(xiāng)級(jí)區(qū)、5 km×5 km的控制區(qū)和1 km×1 km的基本調(diào)查單元。以第四層的基本調(diào)查單元(1 km×1 km)為基礎(chǔ)，按1%密度抽樣，即在每個(gè)鄉(xiāng)級(jí)區(qū)中心抽取一個(gè)1 km×1 km網(wǎng)格的系統(tǒng)抽樣，避免了人為隨意定點(diǎn)的影響。不等概是指水蝕野外調(diào)查單元在水蝕區(qū)和風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)以1%密度布設(shè)，風(fēng)蝕野外調(diào)查單元在風(fēng)蝕區(qū)和水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)以0.25%密度布設(shè)，在水蝕凍融、風(fēng)蝕凍融侵蝕交錯(cuò)區(qū)參照凍融侵蝕區(qū)調(diào)查單元布設(shè)原則；在新疆和西藏的“一江兩河”流域，按0.25%密度布設(shè)水蝕野外調(diào)查單元；在面積較大的縣，布設(shè)的野外調(diào)查單元總數(shù)不超過(guò)50個(gè)；在平原區(qū)、城區(qū)、林區(qū)等要降低布設(shè)密度[1-2]。

抽樣調(diào)查方法的代表性和先進(jìn)性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是采用不等概系統(tǒng)空間抽樣方法開(kāi)展高密度布點(diǎn)、分層抽樣符合統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，形成的樣本具有系統(tǒng)性，能夠代表水土流失面積特征。二是結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感技術(shù)(RS)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲取精確的水土保持措施類(lèi)型與分布、植被覆蓋度、地表粗糙度等第一手基礎(chǔ)資料，為信息化建設(shè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。三是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)計(jì)算，不僅真正實(shí)現(xiàn)了與“3S”技術(shù)的結(jié)合，而且從精度上保證了調(diào)查單元數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，形成了全國(guó)37 199個(gè)調(diào)查單元的基礎(chǔ)信息檔案，保證了未來(lái)開(kāi)展水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可重復(fù)性和監(jiān)測(cè)結(jié)果的可比性。更為重要的是，抽樣調(diào)查設(shè)計(jì)方法不僅可以根據(jù)不同條件和要求改變抽樣密度，而且可以實(shí)現(xiàn)固定抽樣點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分析。四是結(jié)合已有資源環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果、攝影測(cè)量技術(shù)、地理信息系統(tǒng)計(jì)算和地面實(shí)地觀(guān)測(cè)資料，發(fā)展了多個(gè)土壤侵蝕影響因子計(jì)算方法。如：采用基于地面典型植被類(lèi)型植被覆蓋度全年季節(jié)變化的攝影測(cè)量方法，得到全國(guó)典型植被類(lèi)型植被冠層覆蓋與林下地表覆蓋的季節(jié)變化曲線(xiàn)，成為植被覆蓋度與生物措施因子計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；根據(jù)小流域坡面與溝道分布特點(diǎn)，自主研發(fā)了分段坡坡長(zhǎng)因子的柵格計(jì)算程序，解決了現(xiàn)有GIS軟件對(duì)坡長(zhǎng)高估的問(wèn)題；融合高空間分辨率和高時(shí)間分辨率遙感影像，實(shí)現(xiàn)全年24個(gè)半月高空間和高時(shí)間分辨率植被覆蓋度的獲得，提高了土壤侵蝕模型計(jì)算精度，等等。

2 以小流域?yàn)閱卧_(kāi)展工作的依據(jù)

小流域是指以分水嶺和出口斷面為界形成的面積比較小的閉合集水區(qū)。抽樣調(diào)查單元布局給出了所在1∶1萬(wàn)地形圖圖幅編號(hào)，抽樣單元處于所在地形圖相對(duì)中心的方里網(wǎng)格。在丘陵區(qū)和山區(qū)，在中心網(wǎng)格內(nèi)勾繪面積0.23.0 km2的小流域邊界，受地形限制，保證部分小流域在該網(wǎng)格內(nèi)即可。以小流域?yàn)閱卧_(kāi)展野外調(diào)查，是基于水文學(xué)原理、土壤侵蝕和水土保持原理等提出來(lái)的。首先，小流域體現(xiàn)了降水引起的徑流產(chǎn)生、發(fā)展、匯流的全過(guò)程。其次，一個(gè)小流域就是一個(gè)水土流失單元，伴隨徑流的發(fā)生發(fā)展，土壤剝離、搬運(yùn)、沉積等發(fā)生發(fā)展全過(guò)程都在小流域內(nèi)，且具有一定的規(guī)律性，能夠代表當(dāng)?shù)赝恋乩?、耕作管理?xí)慣、水土保持措施等產(chǎn)生的水土流失現(xiàn)狀。最后，以小流域?yàn)閱卧_(kāi)展水土流失綜合治理是我國(guó)在長(zhǎng)期實(shí)踐中提出的理論與實(shí)踐結(jié)合的成功經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)小流域既是一個(gè)獨(dú)立的自然集水單元，又是一個(gè)發(fā)展農(nóng)、林、牧生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)單元，可形成綜合防治體系[3]。

3 制圖精度的問(wèn)題

水土流失分布圖包括各水土流失強(qiáng)度等級(jí)、面積分布圖和侵蝕模數(shù)分布圖。1%密度抽樣意味著10 km×10 km網(wǎng)格內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)，調(diào)查的小流域面積為0.23.0 km2。根據(jù)試點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果交叉驗(yàn)證，基于抽樣單元平均侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)插值形成的侵蝕模數(shù)分布圖分辨率為500 m×500 m，對(duì)應(yīng)的制圖比例尺為1∶10萬(wàn)。根據(jù)該試點(diǎn)結(jié)果，基于1%密度的抽樣單元分析計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)結(jié)果，不僅可以依據(jù)《土壤侵蝕分級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)劃分侵蝕強(qiáng)度等級(jí)，用不同侵蝕強(qiáng)度等級(jí)水土流失面積比例插值獲得每個(gè)500 m×500 m像元的不同侵蝕強(qiáng)度水土流失面積比例，而且可以計(jì)算得到這個(gè)像元的平均侵蝕模數(shù)。 但是，抽樣密度主體以1%為主，對(duì)縣級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度、面積及其空間分布的表征尚存在疑問(wèn)。以縣為對(duì)象開(kāi)展試點(diǎn)工作發(fā)現(xiàn)，基于4%密度抽樣單元信息進(jìn)行空間插值能夠反映未調(diào)查區(qū)域的水蝕特征，且分土地利用插值的精度更高，因此在進(jìn)行縣級(jí)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)采用4%密度進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，較1%密度布點(diǎn)精度要高[4]。

4 與遙感調(diào)查法的對(duì)比

第二次和第三次全國(guó)水土流失調(diào)查采用的影像最高分辨率為30 m，是基于三因子(土地利用、地形和植被覆蓋度)綜合評(píng)判法，根據(jù)土壤侵蝕分級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，判定5°以上地形的土壤侵蝕強(qiáng)度，這在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平條件下滿(mǎn)足要求。隨著新技術(shù)新方法的應(yīng)用，第四次全國(guó)水土流失調(diào)查全面考慮了影響土壤侵蝕的各因子，不僅獲得了不同土壤侵蝕強(qiáng)度的水土流失面積，還獲得了土壤侵蝕模數(shù)，發(fā)現(xiàn)和解決了很多目前遙感調(diào)查不能解決的問(wèn)題：一是獲取了速成林、園地等林下地表覆蓋度，而遙感調(diào)查只能獲得喬木林的郁閉度；二是通過(guò)野外調(diào)查，將水土保持措施落到圖斑，在土壤侵蝕分析評(píng)價(jià)中全面反映了水土保持措施的作用；三是采用1∶1萬(wàn)地形圖，采用分段坡公式，量化了坡度、坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響；四是采用資源環(huán)境數(shù)據(jù)成果，結(jié)合第四次全國(guó)水土流失調(diào)查應(yīng)用的中國(guó)土壤流失方程、風(fēng)力侵蝕模型、凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型，發(fā)展了土壤侵蝕因子的計(jì)算方法；五是全面考慮了5°以下緩坡農(nóng)地侵蝕的問(wèn)題；六是全面考慮了農(nóng)地輪作制度，并區(qū)分了南北方農(nóng)地侵蝕的差異。

5 全覆蓋和抽樣調(diào)查法的對(duì)比

全覆蓋計(jì)算是指在普查對(duì)象范圍內(nèi)如全省或全縣，獲取覆蓋全域的土壤侵蝕因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，采用模型計(jì)算獲得覆蓋全域的土壤侵蝕模數(shù)并進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求，如覆蓋全域的1∶1萬(wàn)地形圖、全域水土保持措施分布圖、高分遙感影像數(shù)據(jù)、一年24期高時(shí)間分辨率地表反射率產(chǎn)品或可獲得林下植被覆蓋度等，在普查范圍內(nèi)直接采用土壤侵蝕模型計(jì)算土壤流失量是最為科學(xué)、精確和有效的方法?；?∶5萬(wàn)比例尺地形圖計(jì)算地形因子，會(huì)造成地形緩化，低估坡度，高估坡長(zhǎng)。根據(jù)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，土壤侵蝕對(duì)坡度的反應(yīng)較敏感，在其他條件保持不變的情況下，每降低1°會(huì)導(dǎo)致土壤流失量減少35.7%；不考慮林下覆蓋，會(huì)使得計(jì)算結(jié)果最大相差10倍，不考慮水土保持措施的作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)果最大相差12倍。數(shù)據(jù)精度不夠，水土流失評(píng)價(jià)結(jié)果將產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，綜合考慮當(dāng)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工作量和技術(shù)水平等的情況下，反映水土保持措施對(duì)水土流失的影響，提高地形因子量化的精度，準(zhǔn)確反映郁閉度和植被覆蓋度對(duì)水土流失的影響等，抽樣調(diào)查方法是較好的選擇。

[1] 李智廣,符素華,劉寶元.我國(guó)水力侵蝕抽樣調(diào)查方法[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2012,10(1):77-81.

[2] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)水利普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第一次全國(guó)水利普查培訓(xùn)教材之六：水土保持情況普查[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:9-151.

[3] 劉震.水土保持思考與實(shí)踐[M].鄭州:黃河水利出版社,2016:184-200.

[4] 鄒叢榮,齊雯,張慶紅,等.CSLE模型應(yīng)用中不同抽樣密度和推算方法的比較[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2016,14(3):130-138.

S157

C

1000-0941(2018)01-0025-03

王愛(ài)娟(1981—)，女，寧夏銀川市人，高級(jí)工程師，博士后，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)管理與水土流失研究工作。

2017-09-10

(責(zé)任編輯 李楊楊)