基于GIS 和RS 技術進行水土流失評估研究

何宏，李洪濤

（沈陽市規(guī)劃設計研究院有限公司，沈陽110004）

1 引言

人類在地球上賴以生存的最基本的條件是土壤和水分。近年來，隨著人口的大量增長以及不合理的經(jīng)濟活動，造成地面上大量水土分離。水土流失不僅會破壞地面的完整性，造成土壤耕作層被侵蝕和破壞，使土地沙化、硬化，影響農(nóng)作物的生長，導致干旱等自然災害的發(fā)生，而且會嚴重影響人們的生活，對人類社會和經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展構成威脅，也是地區(qū)不平衡發(fā)展的重要因素。因此，如何控制并監(jiān)測水土流失引起了社會的高度關注。隨著科技的發(fā)展，應用GIS（地理信息系統(tǒng)）與RS（遙感）技術為水土流失的評估及動態(tài)監(jiān)測提供了強大的技術支持，能夠準確、客觀、實時、動態(tài)地反映水土流失情況，為同類地區(qū)水土保持工作提供可靠依據(jù)。

2 研究方法

本文綜合運用GIS 和RS 技術，以SPOT5（多波段融合后）遙感影像（2.5m×2.5m）分辨率為數(shù)據(jù)基礎，以某地山體區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域面積3.12km2，主要地類有采礦用地、耕地、林地、草地，采用土壤流失公式（RUSLE）和ArcGIS 軟件計算得出該區(qū)域的水土流失量，對水土流失進行分級評估，并提出綜合治理水土流失一些建議。

2.1 土壤流失類型

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融或重力等外力的作用下發(fā)生的土壤被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程。土壤在外力的作用下產(chǎn)生位移的物質量，被稱為土壤侵蝕量。根據(jù)外力的種類，土壤侵蝕類型通常分為水力侵蝕、風力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕、山洪侵蝕和泥石流侵蝕等。其中，水力侵蝕是最主要的一種形式。

2.2 土壤流失公式（RUSLE）

土壤流失公式（RUSLE）是由美國農(nóng)業(yè)部在USLE 公式基礎上加以改進而來，相比較通用的USLE 公式，修正版的RUSLE 中的影響因子不再各自獨立，而是有相應的關系，彼此影響。

土壤流失公式（RUSLE）基本公式為：

式中，A為年均土壤流失總量，t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕度，mj·mm/（hm2·h·a）；K為土壤侵蝕度，t·hm2·h/（mj·mm·hm2）；L為坡長因子；S為坡度因子（LS合稱為地形因子）；C為覆蓋和管理因子（CS為像元大?。?；P為水土保持因子。

2.3 RUSLE因素介紹及計算方法

2.3.1R計算w

降雨侵蝕度是指在一定區(qū)域內(nèi)，當?shù)氐慕涤炅恐率沟乇硗寥婪蛛x或者移動的指標因素。該因子采用Wischmeier 提出的經(jīng)驗公式：

式中，Pi為各月平均降雨量，mm；P1為年雨量，mm。本文采用研究區(qū)域公布2013 年降雨量數(shù)據(jù)，計算得出R=143.636mm。

2.3.2K值計算

土壤侵蝕度是指不同類型土壤受到侵蝕的可能性，在同樣的環(huán)境條件下，K值越大，說明土壤更容易受到侵蝕。影響因素主要有土壤質地，土壤有機質含量，土壤結構還有土壤的透水性能等因素。本文運用Williams 等人提出的EPIC 模型，近似確定出不同土壤類型的可侵蝕因子，本文在項目區(qū)內(nèi)隨機選取42 個樣點，通過空間插值法（IDW）獲得研究區(qū)域內(nèi)的土壤可侵蝕因子。

2.3.3 地形因素

地形因素包含坡長和坡度因子，是指因為地形變化引起的土壤流失可能性[1～4]。本文地形因子計算公式主要采用Moore和Burch 的計算公式。

式中，F(xiàn)A為匯流累積量；θ 為地形坡度角。

坡度應用項目區(qū)內(nèi)高程點坐標（原有地形圖采用圖解法獲得）通過ArcGIS 制作DEM，通過其表面分析模塊提取，匯流累積量通過GIS 中水流分析模塊流量工具計算得出。LS最終利用柵格計算器通過公式計算得出。

2.3.4C值計算

植被覆蓋與管理因子是評價土壤植被因素抵抗土壤受侵蝕能力的重要因素。C值主要受地表植被覆蓋度和地表現(xiàn)狀用地類型影響。

C值公式采用D.E.Jone 提出的土壤侵蝕公式：

式中，nir 為近紅外波段；r為紅外波段。ndvi 為植被指數(shù)，從上述公式中可以看出，ndvi 的值域范圍為[-1，1]，ndvi 值越小說明該區(qū)域植被覆蓋度越低，相反越大說明覆蓋度較大；α 和β為曲線形狀參數(shù)，賦值為2 和1，采用ERDAS 軟件提取近紅外波段和紅外波段，計算得出ndvi，通過ARCGIS 軟件中柵格計算器得出C值。

2.3.5P值計算

P值即水土保持因子是指采用相應措施后，土壤流失總量與順坡土地耕種時土壤流失量的比值。本文P值的確定主要以參考文獻的研究結果，不同地類的P值如表1 所示[5]。

表1 不同地類P 值列表

3 結果分析

綜上所述，結合式（1）計算方法，應用ArcGIS 的柵格計算器，將各個因子圖層相乘，同時依據(jù)SL 190—2007《土壤侵蝕分級標準》的要求，得到實驗區(qū)域的水土流失分布（見表2）。

表2 水土侵蝕類型列表

4 結論

從以上數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)域內(nèi)，18%的地區(qū)水土流失嚴重，且水土流失量的大小受地形、降雨量等各方面綜合因素的影響。本文通過基于GIS 和RS 技術，結合地形、覆蓋度、降雨量等數(shù)據(jù)可以快速、準確地實現(xiàn)對水土流失范圍的評估，為同類地區(qū)水土保持的政策制定提供有效借鑒。