基于Landsat 8 OLI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的黃前水庫水源地保護區(qū)水土流失監(jiān)測

王延明 李勇剛 侯 蕾

(1.山東農(nóng)業(yè)大學勘察設計研究院，山東 泰安 271018；2.濟南市水文局，山東 濟南 250000；3.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

水土流失問題一直是黃河下游丘陵山區(qū)面臨的重要難題，也是全球環(huán)境學科的研究熱點[1]。近幾年，因遙感技術快捷、大范圍的空間監(jiān)測、多時相、多波段、低成本的特點，已成為水土流失監(jiān)測的重要技術手段，并得到了廣泛應用[2-3]。孫燕等[4]討論了EOS/MODIS遙感技術在我國區(qū)域水土流失調(diào)查監(jiān)測中的可用性，從定性遙感和定量遙感兩方面闡述了該技術在這一領域的應用前景和實現(xiàn)方法。劉艷[5]利用TM遙感數(shù)據(jù)對湞江流域南雄市內(nèi)的黃坑河小流域進行了研究，對小流域土壤侵蝕分布狀況及侵蝕程度有了更明確的了解，對小流域的水土流失治理提供了技術支撐?？弟堑萚6]在分析生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測研究現(xiàn)狀、遙感技術在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測中的應用現(xiàn)狀的基礎上，提出利用高空間分辨率遙感技術提取生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測中部分關鍵指標的監(jiān)測方法。張欣[7]利用TM數(shù)據(jù)研究了饒河流域水土流失風險評價。

水土流失不僅導致土地質(zhì)量下降、生態(tài)環(huán)境惡化，還使大量的顆粒態(tài)的污染物流入水域，導致河湖水質(zhì)惡化[8-9]。黃前水庫水源地是重要飲用水水源地，保障著泰安市主城區(qū)80%以上的用水供應，而保護區(qū)的非點源污染較為嚴重，其中水土流失是該區(qū)域非點源污染的一個重要方面[10]。本文采用Landsat 8衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合先進的遙感圖像處理技術，對該區(qū)域開展了水土流失遙感調(diào)查與監(jiān)測，闡明該區(qū)域的林草覆蓋度及水土流失的空間分布特征，為黃前水庫的生態(tài)保護和綜合治理提供依據(jù)。

1 黃前水庫水源地保護區(qū)概況

黃前水庫水源地位于黃河流域的下游大汶河水系，處于東經(jīng)117°4′～117°22′、北緯36°16′～36°28′之間，總控制流域面積292km2，流域內(nèi)共有4條河入庫，分別是麻塔河、下港河、石屋志河和紅河。流域地形起伏、高差變化大，平均海拔530m，地形為侵蝕構(gòu)造、中度切割的中低山及淺切割的低山丘陵，基巖裸露。該流域處于暖溫帶，屬半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13℃左右，年均降水量758mm，由于受季風氣候影響，年際降水變幅較大且年內(nèi)降水分布很不均衡，夏多冬少。水源地位于泰安市岱岳區(qū)黃前鎮(zhèn)黃前村北1km處，距離泰安城區(qū)23km，距離濟南市60km。黃前水庫流域主要包括泰安市岱岳區(qū)黃前鎮(zhèn)、下港鎮(zhèn)，泰山區(qū)大津口鄉(xiāng)，濟南市萊蕪區(qū)大王莊鎮(zhèn)的部分區(qū)域，總?cè)丝?.5萬左右，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)林畜業(yè)為主。根據(jù)《泰安市黃前水庫飲用水水源保護區(qū)調(diào)整方案》(2016年)，黃前水庫保護區(qū)分為一級保護區(qū)、二級保護區(qū)、準保護區(qū)。地理位置見圖1。

圖1 黃前水庫水源地地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

a.遙感數(shù)據(jù)。本研究采用lantsat 8 OLI衛(wèi)星2018年的遙感影像數(shù)據(jù)，9個波段，空間分辨率為30m，其中包括一個15m的全色波段。在遙感影像的季相選擇上，既要注意圖像覆蓋區(qū)域內(nèi)遙感信息獲取瞬間圖像本身的質(zhì)量，又必須顧及不同區(qū)域的時效性季相差異選擇，以滿足瞬間狀態(tài)下，最大限度地使圖像反映地表信息的要求。本研究選擇5月的遙感影像，主要用于研究區(qū)植被覆蓋因子的提取。

b.其他數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，分辨率為30m。該數(shù)據(jù)根據(jù)劉紀遠提出的中國科學院土地資源分類系統(tǒng)，利用2018年的Landsat 8遙感圖像，通過人機交互解譯生成，并利用野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行驗證和糾正，精度可靠。數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 遙感影像預處理

影像輻射定標、精校正:在ENVI5.3支持下，利用地形圖對影像進行幾何精校正，校正中采用WGS-1984坐標系，UTM投影，然后進行輻射定標(見圖2)和大氣校正(見圖3)。

圖2 輻射定標

圖3 大氣校正

去除紅色波段和近紅外波段的異常值，然后進行歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取，植被覆蓋度(FVC)的計算，見圖4。

圖4 歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取圖

2.2.2 植被覆蓋因子提取

植被覆蓋因子是判定土壤侵蝕是否存在及進行土壤侵蝕強度分級的一個重要指標，也是全球變化中最活躍、最有價值的環(huán)境影響因素和指示因子，同時也是遙感傳統(tǒng)的監(jiān)測對象。從空間分辨率來看，遙感既提供了在景觀尺度上刻畫植被特征變化模式的手段，也提供了反映小區(qū)域詳細植被信息的手段；從光譜分辨率來看，它提供了從可見光到近紅外、中紅外的信息：從時相特征來看，它可以反映植被覆蓋度的時空分異特征。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

FVC=[(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)]k

式中：FVC為植被覆蓋度;NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù):NDVImin、NDVImax為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值、最大值;k為經(jīng)驗系數(shù)。

基于ENVI5.3軟件，提取NDVI，計算FVC，根據(jù)研究區(qū)邊界，對預處理后影像進行裁剪得到研究區(qū)的植被覆蓋度。根據(jù)植被覆蓋分級編碼標準(見表1)進行分級。

表1 植被覆蓋分級編碼

基于landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)提取的植被覆蓋面積為167.40km2，而實際監(jiān)測的植被覆蓋面積為172.09km2，平均誤差約為2.73%，與實際情況相吻合。

2.2.3 坡度、海拔因子提取

在DEM基礎上，利用ArcGIS10.2軟件中的Spatial Analyst模塊，提取研究區(qū)的坡度信息。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[11]中臨界坡度分級方案，結(jié)合研究區(qū)實際情況，將坡度分為平緩坡、中等坡、斜坡、陡坡、急坡和急陡坡六級，見圖5。

圖5 黃前水庫流域坡度分級

2.2.4 土壤侵蝕分析方法

土壤侵蝕主要受氣候、土壤、地質(zhì)、地形、植被和人為6大因素的綜合影響，這6大因素又可再分為諸多次級影響因子，其中在氣候條件一定的情況下，土地利用類型、地面坡度和植被覆蓋度的作用尤為顯著，不同的組合方式導致不同的土壤侵蝕強度。

本研究以遙感影像為基本信息源，結(jié)合其他圖件資料，基于“3S”技術平臺，采用綜合評判法與實地調(diào)查驗證法相結(jié)合的研究方法，在獲取研究區(qū)土地利用類型、植被覆蓋和地面坡度三個主導因子的基礎上，利用主導因子與土壤侵蝕的相關關系，結(jié)合氣象、地質(zhì)、土壤、巖石等輔助因子，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[11]中土壤侵蝕強度及水力侵蝕強度分級標準，確定該區(qū)域土壤侵蝕強度的空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃前水庫水源地保護區(qū)林草植被覆蓋度分布特征

黃前水庫水源地保護區(qū)林草植被覆蓋度分布狀況見表2。通過2018年landsat 8遙感影像分析，黃前水庫水源地保護區(qū)低覆蓋度的面積為6.76km2，中低覆蓋度的面積為12.45km2，中覆蓋度的面積為20.48km2，中高覆蓋度的面積為29.86km2，高覆蓋度的面積為97.85km2；其中，準保護區(qū)中以林草地為主，總面積為114.64km2，林草覆蓋的高覆蓋度面積為62.67km2，所占的比例最大，達到了53.09%，依次為高覆蓋度>中高覆蓋度>中覆蓋度>中低覆蓋度>低覆蓋度>裸地；二級保護區(qū)中林草覆蓋的總面積為52.64km2。黃前水庫水源地保護區(qū)的高覆蓋度區(qū)域多集中于西麻塔河流域的上游，林草覆蓋的中低覆蓋度區(qū)域和裸地多集中于下港河以及石屋至河的上游流域，見圖6。

表2 黃前水庫水源地保護區(qū)林草植被覆蓋度分布

圖6 黃前水庫水源地保護區(qū)林草植被覆蓋度

3.2 黃前水庫水源地保護區(qū)水土流失分布特征

黃前水庫水源地保護區(qū)水土流失分布狀況見表3和表4。通過2018年landsat 8 OLI衛(wèi)星遙感影像分析，黃前水庫水源地水土流失面積為165.03km2，占土地總面積的55.30%。其中，輕度侵蝕66.87km2，中度侵蝕68.42km2，強烈侵蝕26.87km2，極強烈侵蝕2.68km2，劇烈侵蝕0.19km2，分別占侵蝕面積的40.52%、41.46%、16.28%、1.62%、0.12%；其中，準保護區(qū)土壤侵蝕面積為95.03km2，輕度侵蝕和中度侵蝕比例相當，都達到了25%左右；二級保護區(qū)土壤侵蝕面積為69.45km2，中度侵蝕比例較大，為27.47%，輕度侵蝕的比例為25.75%；一級保護區(qū)土壤侵蝕面積較小，為0.49km2，以輕度侵蝕為主。從空間分布角度分析，土壤侵蝕較嚴重的區(qū)域多集中于麻塔河、石屋志河、下港河、紅河的中下游河道周邊區(qū)域以及下港河上游區(qū)域，見圖7。

表3 黃前水庫水源地水土流失分布 單位：km2

表4 黃前水庫水源地保護區(qū)水土流失分布

圖7 黃前水庫水源地保護區(qū)水土流失分布

4 結(jié) 論

文中利用2018年landsat 8 OLI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對黃前水庫飲用水水源地保護區(qū)的林草覆蓋度和水土流失特征進行了監(jiān)測分析，為水源地保護區(qū)的綜合監(jiān)管和生態(tài)環(huán)境治理提供了技術支撐。形成以下主要結(jié)論：

黃前水庫飲用水水源地保護區(qū)的林草覆蓋度較高，其中低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度的面積為167.4km2，占保護區(qū)總面積的57.32%。但黃前水庫水源地保護區(qū)的水土流失較為嚴重，土壤侵蝕面積占總的土地面積的55.30%，輕度侵蝕和中度侵蝕占侵蝕總面積的81.98%，說明水土流失受地形、土壤等因素的影響較大。