基于GIS與QuickBird影像的小流域土壤侵蝕定量評價_圖文

1、基于GIS 與QuickBird 影像的小流域土壤侵蝕定量評價潘竟虎1, 董曉峰2(1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 甘肅蘭州 730070; 2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅蘭州730000摘要:基于G IS 技術(shù)和Q u i ckB ird 遙感影像, 采用修正的通用土壤流失方程RU SLE 作為評價模型, 計算了清水溝小流域土壤侵蝕量, 并結(jié)合土壤侵蝕強度分級標準, 生成流域土壤侵蝕強度等級圖; 利用G IS 的疊置分析功能, 定量分析了土壤侵蝕與坡度和土地利用之間的關(guān)系, 并針對不同水保措施預(yù)測了水土保持治理效果。結(jié)果表明:清水溝小流域土壤侵蝕模數(shù)為75. 02t #hm -2

2、#a -1, 屬強度侵蝕區(qū), 年水土流失量2. 6104t ; 流域64. 5%的泥沙來自于占流域面積僅28%的極強度和劇烈侵蝕區(qū)域; 經(jīng)分析, 流域土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈顯著正相關(guān), 不同土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)大小排序依次為:難利用地>建設(shè)用地>坡耕地>園地>草地>林地; 退耕還林是降低土壤侵蝕強度與減少水土流失量的主要途徑。關(guān)鍵詞:土壤侵蝕; 土壤流失方程; Q u i ckB ird 影像; 小流域; 遙感中圖分類號:S157. 1; Q 149 文獻標識碼:A 文章編號:1673-4831(2006 02-0001-05G IS -and -Q u ic

3、kB ird -Based Q uan titative A ssess m ent of Soil E rosion i n S m all W atershed . PAN J ing-hu 1, D ONG X i ao-f eng 2(1. Co lleg e o f G eograph ic and Env iron m en tal Sc i ence , N orthwest N o r m al U n i versity , Lanzhou 730070, Ch i na ; 2. College o f R esou rce and Env ironmenta l Sc i

4、 ence , L anzhou U niversity , L anz hou 730000, Ch i naAbstract :So il and w ater l oss unde r m ines g rave l y the susta i nab le deve l op m ent o f the reg i on . Based on the techno logy of G IS and Q u i ckB ird re m ote -sensi ng i m age , vo l u m e o f the so il erosi on i n the wa ters he

5、d of Q i ngshu i gou was eva l uated , us i ng the rev ised un i ve rsal so il loss equa ti on(RU SLE. R e l a tionsh i ps o f so il erosion w ith l and use and l and sl ope grad i ent w ere ana l yzed by m eans o f spatial ove rlay of GR ID . O n s uch a basis , e ffecti v e counter m easures for c

6、ontro lli ng t he so il eros i on w ere discussed . R esults show that the annua l average vo lu m e of so il e rosion i n Q i ngshu i gou w ate rshed reached 75. 02t #h m -2#a -1, wh ich is i n the range o f i ntensive eros i on . A so il ero si on intensity m ap w as thus obta i ned based on c l a

7、ssif-i ca ti on o f so il e rosion i n tensity , show ing about 28%of the w atershed suffers ser i ous so il ero si on , w i th sedi m ent be i ng h i gher than 16780t #a -1and contr i buted 64. 5%t o t he wa tershed c s . A si gn ifi can tly positive re lati onshi p of so il erosion w ithsl ope g r

8、ad i ent was observed . So il e rosion var ied sha rply w ith type of l and use in a decreasi ng order o f unusable l and>con -structi on l and>culti va ted slope land>garden fi e l d>grass land>fo rest l and . /G rai n f o r G reen 0is one o f t he m a j o r strate -g ies to reduce s

9、oil eros i on and so il and w ater l o ss . K ey word s :so il erosion ;un i versa l so il l o ss equation ; Q uickB ird i m age ;s ma llw atershed ;re m ote sensing水土流失及其導(dǎo)致的土地退化是生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因之一1。小流域是水土流失發(fā)生和發(fā)展的最基本單元, 對小流域土壤侵蝕量的定量預(yù)測、評價是制定水土保持規(guī)劃, 確定治理方案、方法和措施的基礎(chǔ)2。傳統(tǒng)的土壤侵蝕定量監(jiān)測方法費時耗力, 而且定點監(jiān)測無法確定整個流域及其不同地理單

10、元的侵蝕量, 更無法適時定量監(jiān)測水土保持效果。GIS 與遙感相結(jié)合的分布式方法由于運用柵格數(shù)據(jù)分析功能, 可計算出每個柵格的土壤侵蝕量, 便于管理者找出較為嚴重的土壤侵蝕區(qū), 從而有針對性地提出最佳管理措施; 利用GIS 能夠?qū)ν寥狼治g的各個因子進行有效的管理和綜合計算。但由于小流域土壤侵蝕研究的成果表達一般要求1B 1萬甚至更大比例尺成圖, 這對于分辨率相對較低的衛(wèi)片如TM /ETM 和SPOT 影像來說是很難實現(xiàn)的; 若采用航片, 則存在航攝周期長、處理難度大的問題。QuickB ird 衛(wèi)片是目前分辨率最高的資源衛(wèi)星影像, 在國內(nèi)該影像的應(yīng)用尚未普及, 可供參考的文獻不基金項目:國家社科

11、基金項目(04BSH 027; 甘肅省黃土高原水保世行貸款監(jiān)測評價項目(050321-1; 西北師范大學(xué)青年基金資助項目(NWNU-QN-05-41 收稿日期:2005-11-25生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報 2006, 22(2:1-5J ournal of Ecology and R ural Environ m ent多。本文以A rc V ie w G IS 3. 3為操作平臺, 以Qu ick -B ird 影像作為數(shù)據(jù)源, 采用修正的通用土壤流失方程RUSLE 來估算清水溝小流域土壤侵蝕量, 并在此基礎(chǔ)上定量分析土壤侵蝕與土地利用和坡度的關(guān)系, 模擬估算不同水保措施下的土壤侵蝕模數(shù), 以期為

12、黃土丘陵區(qū)小流域水土保持規(guī)劃和治理提供科學(xué)依據(jù)。1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)1. 1 研究區(qū)概況清水溝位于北緯35b 33c 36d 35b 34c 48d 與東經(jīng)105b 42c 36d 105b 43c 48d 之間, 溝口距甘肅省靜寧縣城5. 6km, 屬葫蘆河二級支流, 主溝長2. 9km, 呈東北 西南走向, 海拔17001981m, 流域面積約346. 67hm 2。地貌類型屬黃土丘陵溝壑區(qū)第3副區(qū), 地形破碎, 溝壑縱橫, 溝壑密度0. 77km #km -2, 現(xiàn)代侵蝕溝發(fā)育活躍頻繁。氣候具有明顯的由半濕潤向半干旱過渡特征, 年平均降雨量442. 8mm, 蒸發(fā)量1371. 8mm,

13、10e 積溫2551e 。土壤類型主要為黃綿土, 土質(zhì)疏松, 抗蝕抗沖性差, 侵蝕類型屬水力侵蝕。天然植被稀疏, 以針茅、蒿類為主, 人工植被由刺槐、沙棘、楊樹、紫花苜蓿等構(gòu)成。農(nóng)村經(jīng)濟以大農(nóng)業(yè)為主體, 農(nóng)林牧并舉。1. 2 數(shù)據(jù)和軟件遙感影像為標準產(chǎn)品的單張全色和多光譜Qu ickB ird 衛(wèi)片, 獲取時間為2004年10月12日, 其全色波段地面分辨率為0. 61m, 多光譜波段為2. 44m 。數(shù)字圖像處理軟件為ERDAS I M AGI NE 8. 5, A rc V i e w GIS 3. 3用于屏幕矢量化及地圖代數(shù)運算, A rc G I S 8用于面元拓撲關(guān)系建立及空間數(shù)據(jù)庫

14、建庫。輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)氣象、土壤、土壤侵蝕實測數(shù)據(jù)、1B 1萬地形圖和數(shù)字高程模型(DE M 等。2 研究方法與技術(shù)路線2. 1 土地利用數(shù)據(jù)庫生成ERDAS 8. 5尚未提供對Qu ickB ird 衛(wèi)片作正射糾正嚴格的物理模型, 而且難以獲得研究區(qū)1B 500地形圖或數(shù)字正射模型(DOM 。為提高精度, 采用多項式校正方法進行幾何精校正, 均方根誤差約為0. 42m, 最大點位誤差0. 75m, 能滿足小流域土地利用分類的精度要求。對多光譜影像的校正控制點是從經(jīng)過校正的全色影像上采集的。采用主成分變 富色彩信息的圖像(圖1 。變換前全色影像與第1主成分進行直方圖匹配。圖1 清水溝小流域Q

15、 u ickB ird 影像(局部 F i g . 1 Q uickB ird i m age of Q i ngshuigou W atershed土地利用分類依照國土資源部全國土地分類(過渡期間適用 的分類系統(tǒng), 并根據(jù)研究區(qū)實際情況進行取舍、綜合。其中一級地類分為耕地、建設(shè)用地、林地、園地、草地和難利用地6類, 二級地類分為19類, 結(jié)果以二級地類統(tǒng)計, 一級地類匯總。大比例尺的土地利用調(diào)查對分類的精度要求較高, 故采用人工目視判讀。對融合后的高分辨率多光譜影像采用4(紅, 3(綠, 2(蘭 波段組合, 在Arc -V ie w 中進行屏幕矢量化, 得到shapefile 數(shù)據(jù), 最后進

16、行圖斑綜合、屬性生成等解譯后處理。解譯前后曾3次到現(xiàn)場實地調(diào)查, 根據(jù)誤差矩陣計算得總體判讀精度為97. 53%, 其中農(nóng)村道路和坡耕地的判讀精度很高, 而荒草地、未成林造林地等地類的精度較低。2. 2 數(shù)學(xué)模型通用土壤流失方程(USLE 由W I SC H E M I ER 和S M I T H 于1958年提出, 由于方程中各因子參數(shù)的復(fù)雜性, 美國農(nóng)業(yè)部針對提高各因子計算的通用性又提出了修正方程RU SLE 。從技術(shù)性和因子的算法2方面使RUSLE 得到改進, 從而具有更廣泛的應(yīng)用范圍和更高的精度3。RU SLE 表達式為:A =f #R #K #L #S #C #P(1式(1 中:A

17、為年土壤流失量, t #km -2#a -1; R 為降雨和徑流因子; K 為土壤可蝕性因子; L 為坡長因子; S 為坡度因子; C 為植被與經(jīng)營管理因子; P 為水土保持措施因子, C 與P 為無量綱單位。f 為使A ( -2#2# 生 態(tài) 與 農(nóng) 村 環(huán) 境 學(xué) 報 第22卷a -1的常數(shù), 其值為224. 24。應(yīng)用RUSLE 的關(guān)鍵是確定方程各因子指標值, 應(yīng)用GIS 和RUSLE 模型測定土壤侵蝕量的關(guān)鍵則是各因子圖的生成。2. 3 土壤流失方程各因子提取2. 3. 1 L #S 因子提取參考在黃土丘陵地區(qū)觀測試驗小區(qū)多年土壤年侵蝕量5以及標準徑流小區(qū)土壤侵蝕量推導(dǎo)出的L #S 計

18、算公式:L #S =1. 07(K 20 0. 28(A 101. 45(2利用研究區(qū)DE M, 在A rc V ie w 擴展模塊SpatialAna-lysis 和H ydro 支持下, 提取坡長K 形成L 圖層。坡度A 可直接在Arc V ie w 的Surface 分析功能下提取, 形成S 圖層。2. 3. 2 R 因子提取采用W I SC H E M I E R 等提出的直接利用多年各月平均降雨量推求R 值的經(jīng)驗公式6:R =E 12i =11. 73510(1. 5P2-0. 8188(3式(3 中:P i 為各月平均降雨量, mm; P 為年降雨量, mm 。由于研究區(qū)的面積不大

19、, 根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)1960 2003年降雨數(shù)據(jù)的平均值和公式(3 計算出唯一R 值, 求得R =86. 69728, 以常數(shù)形式輸入模型中進行計算。2. 3. 3 K 因子提取根據(jù)黃土地區(qū)的試驗, K 因子由下式確定7:100K =2. 110-4M1. 14(12-a +3. 25(b -2 +2. 5(c -3 (4 式(4 中:M 為粘土和細粉沙(粒徑0. 50. 05mm 質(zhì)量分數(shù); a 為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù); b 為土壤分類中的結(jié)構(gòu)編碼; c 為土壤剖面滲透等級。根據(jù)靜寧縣土壤普查數(shù)據(jù), 清水溝小流域土壤類型為梯黃綿土、坡黃綿土、坡灰黃綿土、坡紅膠土等, 按公式(4 計算4種土類的K

20、值, 分別取0. 72、0. 73、0. 76和0. 81, 并以土壤質(zhì)地為成圖單元, 形成K 圖層。2. 3. 4 C 因子提取蔡崇法等8通過坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度相關(guān)關(guān)系的研究, 建立了C 因子值與植被覆蓋度c 之間的回歸方程:C =0. 6508-0. 3436lg c(5各地類C 因子估算值如下:水田0. 18, 坡耕地0. 31, 園地0. 24, 林地0. 006, 疏林地0. 017, 草地0. 05, 荒草地0. 06, 居民地0. 2, 工礦地0. 22, 難利用地0. 36。2. 3. 5 P 因子提取通常, 自然植被和順坡耕作的P 值為1, 在我國, 最基本的水土保持工程

21、措施是修建梯田, 農(nóng)耕梯地不同耕作方式下P 因子值見表1。將P 因子值對土地利用現(xiàn)狀圖進行賦值得P 因子圖。表1 不同耕作方式下P 因子值9T ab le 1 P val u es for d ifferen t cu ltivation prac tice s坡度/(b 等高帶狀耕作草田帶狀間作水平溝等高壟作050. 30. 10. 010. 15100. 50. 10. 050. 1>100. 60. 20. 100. 3根據(jù)RULSE 模型各因子的取值, 生成各因子?xùn)鸥駡D層, 柵格大小采樣確定為0. 61m 0. 61m, 統(tǒng)一投影系。利用A rc V ie w Spatial A

22、nalysis 模塊的 M ap A l g ebra 功能, 將各因子圖相乘, 預(yù)測土壤侵蝕量, 并生成土壤侵蝕圖層。根據(jù)中國土壤侵蝕強度等級劃分標準10, 利用土壤侵蝕圖層生成小流域土壤侵蝕強度等級圖(圖2 。圖2 清水溝小流域土壤侵蝕強度等級F ig . 2 C lassificat i on m ap of soil erosion i n tensity ofQ i ngshu i gou W atershed3 結(jié)果與分析3. 1 土壤侵蝕總量與侵蝕強度等級清水溝小流域土壤侵蝕強度等級分布見表2。該流域土壤侵蝕(不含微度侵蝕 面積為301. 95hm 2, 占流域總面積的87. 1

23、%, 中度以上的侵蝕面積占總面積的75%。該流域年侵蝕總量為26007. 141. #3# 第2期 潘竟虎等:基于G IS 與Q uickB ird 影像的小流域土壤侵蝕定量評價極強度和劇烈侵蝕區(qū)域, 這部分侵蝕區(qū)主要是人為活動干預(yù)強烈的陡坡耕地和難利用地, 是需要重點治理的區(qū)域。中度和強度侵蝕區(qū)域的土壤侵蝕量占年侵蝕總量的31. 82%, 這部分侵蝕區(qū)主要是坡度較小的坡耕地和荒草地, 其治理也不容忽視。輕度侵蝕區(qū)域的土壤侵蝕量占年侵蝕總量的2. 81%, 而微度侵蝕(無明顯侵蝕 區(qū)域的土壤侵蝕量僅占年侵蝕總量的0. 84%。清水溝小流域土壤侵蝕模數(shù)為75. 02t #h m-2#a -1,

24、按照土壤侵蝕強度等級劃分標準, 屬于強度侵蝕區(qū)。筆者將模型計算數(shù)據(jù)與甘肅省世行水保項目辦提供的實測數(shù)據(jù)進行了精度對比驗證(表3, 侵蝕模數(shù)和輸沙量的精度均在96%以上, 侵蝕面積的精度為89. 30%, 說明上述研究方法是可行和有效的。表2 清水溝小流域土壤侵蝕強度等級Table 2 C l assif i cation of soil erosion i n ten sity of Q ings hu-i gou W atersh ed侵蝕類別侵蝕模數(shù)/(t #hm -2#a -1面積/h m 2比例/%侵蝕量/(t #a -1 比例/%微度侵蝕<1044. 7212. 90218.

25、530. 84輕度侵蝕102542. 0312. 12731. 742. 81中度侵蝕255097. 4828. 123689. 8914. 19強度侵蝕5010065. 1918. 814586. 2517. 63極強度侵蝕10020071. 4120. 6010284. 8539. 55劇烈侵蝕>20025. 847. 456495. 8824. 98合計346. 67100. 0026007. 14100. 00表3 清水溝小流域土壤侵蝕狀況計算值與實測值的對比Table 3Co mparison b et w een calculated va l ue and ob -serv

26、ed value of soil erosi on of Q i ngshu i gou W atershed指標侵蝕模數(shù)/(t #hm -2#a -1輸沙量/(104t 輕度以上的土壤侵蝕面積/hm 2計算值75. 022. 60301. 95實際值77. 502. 69338. 12精度/%96. 7796. 6589. 303. 2 土壤侵蝕模數(shù)與坡度之間的相關(guān)分析將土壤侵蝕圖層與DE M 柵格圖層作疊置分析, 求得小流域各坡度級土壤侵蝕量(表4 。由表4可知, 地形是影響小流域土壤侵蝕量的最顯著因素, 小流域土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈顯著正相關(guān)。當坡度為05b 時, 土壤侵蝕模數(shù)為9. 41

27、t #hm -2#a -1; 隨坡度增加, 土壤侵蝕模數(shù)增大; 當坡度大于35b 時, 土壤侵蝕模數(shù)達395. 44t #hm -2#a -1; 最大則高達-2-1的cur ve esti m ation 功能作回歸分析, 擬合得到侵蝕模數(shù)(y 與坡度(x 的回歸方程:y =0. 023x 3-0. 908x 2+13. 826x -23. 674(r 2=0. 976 。表4 清水溝小流域不同坡度級土壤侵蝕量T ab le 4 Vo l um e of soil erosi on of sl op es differen t i n grad-i ent i n Q i ngshu i go

28、u W atershed坡度/(b 面積/hm 2侵蝕量/(t #a -1 侵蝕模數(shù)/(t #hm -2#a -1054. 2339. 819. 41515125. 535850. 5246. 611525193. 5816824. 2786. 91253523. 243256. 16140. 09 >350. 2436. 33395. 443. 3 土壤侵蝕與土地利用關(guān)系分析將土壤侵蝕圖層與土地利用圖層作疊置分析, 求得清水溝小流域各土地利用類型的土壤侵蝕量(表5 。由表5可知, 不同土地利用類型土壤侵蝕狀況差異較大, 難利用地侵蝕模數(shù)高達155. 42t #hm-2#a -1, 屬極

29、強度侵蝕?？傮w來看, 土壤侵蝕程度大小排序依次為:難利用地>建設(shè)用地>坡耕地>園地>草地>林地。就產(chǎn)沙量而言, 難利用地(主要是陡坡荒地、裸土地、沙地、田坎、撂荒地等 侵蝕量最大, 占流域土壤侵蝕總量的64. 04%, 小流域水土流失治理主要針對這些地類進行植被恢復(fù)和調(diào)節(jié)坡面徑流; 其次是坡耕地, 占侵蝕總量的30. 60%。局部侵蝕模數(shù)最大值出現(xiàn)在陡坡耕地中, 柵格最大侵蝕模數(shù)達881. 79t #hm -2#a -1。建設(shè)用地(包括居民點、交通用地和工礦用地 侵蝕模數(shù)為85. 01t #hm -2#a -1, 屬強度侵蝕, 應(yīng)加強居民建設(shè)用地的水土流失防治,

30、減輕建設(shè)用地對水土資源的破壞。表5 清水溝小流域各土地利用類型的土壤侵蝕量T ab le 5 Volu m e of soil erosion of lands d ifferent in l and use in Q i ngs hu igou W atershed土地利用類型面積/hm 2侵蝕模數(shù)/(t #hm -2#a -1侵蝕總量/(t #a -1 建設(shè)用地10. 5585. 01896. 53坡耕地181. 7843. 777957. 18林地40. 538. 08327. 45園地1. 7140. 2669. 00草地4. 9420. 66102. 09難利用地107. 16155

31、. 4216655. 07#4# 生 態(tài) 與 農(nóng) 村 環(huán) 境 學(xué) 報 第22卷4 水土流失治理措施為了防止流域水土流失及其導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降和下游河道水庫的泥沙淤積, 必須采取合理有效的防治措施。土壤侵蝕量的大小是降雨、地形、植被、土壤等因子綜合作用的結(jié)果。小流域在短時間尺度上的降雨、土壤因子可視為定值, 土壤侵蝕量大小主要由植被和坡度2個因子決定。進行水土保持規(guī)劃實際上是C 值和P 值的調(diào)節(jié)與確定, 運用本文所述方法可方便地預(yù)測出C 值和P 值改變后的土壤侵蝕量。清水溝小流域難利用地侵蝕模數(shù)為155. 42t #h m-2#a -1, 屬極強度侵蝕, 如能將其降低至中度侵蝕, 則流域產(chǎn)沙量

32、至少可減少1. 13104, t 侵蝕模數(shù)下降至42. 43t #hm -2#a -1, 整個流域的侵蝕強度將下降一個等級, 由強度侵蝕下降到中度侵蝕。假設(shè)未來難利用地生態(tài)恢復(fù)至中等植被覆蓋情景下(覆蓋度35%, 按照公式(5, 可將C 值降至0. 12,流域侵蝕模數(shù)將降至22. 72t #hm -2#a -1, 減少土壤侵蝕70%以上, 侵蝕等級降至輕度侵蝕, 因此應(yīng)加大難利用地的生態(tài)恢復(fù)治理措施。坡耕地是小流域水土流失的另一策源地, 故流域內(nèi)坡耕地的合理利用也是水土流失治理的關(guān)鍵。筆者模擬了以下情景下流域的侵蝕模數(shù):(1 等高帶狀耕作, 可將P 值從1降至0. 30. 6(表1, 流域侵蝕

33、模數(shù)下降至63. 17t #hm -2#a -1, 減少土壤侵蝕18%; (2 草田帶狀間作, 將P 值降至0. 10. 3, 流域侵蝕模數(shù)下降至55. 82t #hm-2#a -1, 減少土壤侵蝕26%; (3 退耕還林, 將C 值降至0. 017或0. 006, 流域侵蝕模數(shù)下降至48. 12t #hm -2#a -1, 減少土壤侵蝕36%以上, 侵蝕等級從強度侵蝕降至中度侵蝕。顯然, 退耕還林是降低侵蝕強度與減少流失量的主要途徑。5 結(jié)語本研究以QuickB ird 遙感影像為主要信息源來計算流域土壤侵蝕模數(shù), 解決了由于分辨率限制而導(dǎo)致因子提取準確性不高的問題, 并且將監(jiān)測結(jié)果落實到點上, 能體現(xiàn)出小流域土壤侵蝕的空間差異。在獲得豐富的地物光譜信息的同時還可以獲取更多的地物結(jié)構(gòu)、形狀和紋理信息, 使在較小的空間尺度上觀察地表的細節(jié)變化、進行大比例尺遙感制圖以及監(jiān)測人為活動對水土流失的影響成為可能。與利用TM 或SPOT 影像監(jiān)測的結(jié)果比較, 利用Qu ic k -B ird 遙感影像不僅增加了提取的變化信息總量, 而且變化區(qū)域的辨識性大大增加, 如在水保工程措施監(jiān)測中可以精確區(qū)分等高帶狀耕作、間作、等高壟作、水平溝等措施, 獲取淤地壩、集雨池、溝頭防護等人工地物信息, 識別樹種等, 表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。同時, 筆者也發(fā)現(xiàn)隨著空間分辨率的提高,