基于遙感數(shù)據(jù)的土壤侵蝕強(qiáng)度快速估測(cè)方法研究

基于遙感數(shù)據(jù)的土壤侵蝕強(qiáng)度快速估測(cè)方法研究

1植被覆蓋遙感研究進(jìn)展植被具有減少降水、緩解地表徑流、保護(hù)和加固土壤等生態(tài)功能，尤其是在控制土壤侵蝕方面。植被覆蓋率（尤其是土壤覆蓋率）的大小直接影響土壤侵蝕的程度。已有的大量對(duì)比觀測(cè)和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),植被防治土壤侵蝕的能力隨植被覆蓋度的增加而增強(qiáng)。在其它條件一定時(shí),侵蝕量與植被覆蓋度成反比關(guān)系。因此,進(jìn)行植被覆蓋調(diào)查和監(jiān)測(cè),是預(yù)測(cè)水土流失和制定水土保持規(guī)劃的最基礎(chǔ)的工作。但是,常規(guī)的植被覆蓋地面調(diào)查費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高,而且不利于大范圍的植被監(jiān)測(cè)調(diào)查。近些年來(lái),遙感技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為植被覆蓋信息的提取提供了可靠的技術(shù)途徑。相對(duì)于傳統(tǒng)的地面調(diào)查,遙感方法具有耗資少、周期短、覆蓋廣等特點(diǎn),遙感信息已成為無(wú)實(shí)測(cè)資料的廣大地區(qū)植被覆蓋估算的一種極其重要的信息源。目前,有關(guān)植被覆蓋的遙感研究主要集中在植被類型分類制圖方面,而對(duì)植被覆蓋度的應(yīng)用研究相對(duì)不足。應(yīng)用遙感技術(shù)能夠及時(shí)、快速地獲取流域內(nèi)的大范圍區(qū)域植被覆蓋和土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布狀況,為流域水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),加強(qiáng)水源涵養(yǎng)型植被建設(shè),改善水源區(qū)生態(tài)環(huán)境,增強(qiáng)植被的水源涵養(yǎng)與土壤保護(hù)功能。因此,本文以北京市延慶縣的媯水河流域?yàn)槔?試圖提出一種基于遙感數(shù)據(jù)的土壤侵蝕強(qiáng)度快速估測(cè)方法,包括流域植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)、流域土壤侵蝕強(qiáng)度圖繪制、流域年平均侵蝕模數(shù)計(jì)算等環(huán)節(jié)。2測(cè)試區(qū)及其數(shù)據(jù)的獲取2.1北京市合江州延懷盆地官?gòu)d水庫(kù)是北京市僅次于密云水庫(kù)的第二大水源,是首都水資源保護(hù)和水環(huán)境治理的重點(diǎn)地區(qū)。媯水河是官?gòu)d水庫(kù)的一級(jí)流域和主要水源之一,主要分布在北京市延慶縣境內(nèi),代表著華北半干旱區(qū)的水源地,具有相對(duì)豐富的前期調(diào)查研究基礎(chǔ),開(kāi)展華北半干旱區(qū)水源涵養(yǎng)型植被研究較為理想。媯水河流域是官?gòu)d水庫(kù)主要水源之一,位于北京延慶縣境內(nèi)。延慶縣屬延懷盆地的一部分,北、東、南三面環(huán)山,一般海拔600～800m,西面是官?gòu)d水庫(kù)。平原面積5.4萬(wàn)hm2,占總面積的27.2%,山區(qū)面積14.5萬(wàn)hm2,占總面積的72.8%,是華北平原到壩上高原的過(guò)渡地帶?？h內(nèi)山脈大致走向北東與東西向,由中部北起佛爺頂,經(jīng)九里梁至鳳坨梁,形成一自然分水嶺,分水嶺以西為山前平原區(qū),以東為山后區(qū)。平原區(qū)的高程均在510m以下,由東北至西南傾斜,媯水河從東向西流入官?gòu)d水庫(kù),總流域面積1073.64km2,地形上構(gòu)成一個(gè)典型的開(kāi)啟式盆地。除平原谷地耕作區(qū)外,延慶縣大部分地區(qū)植被屬落葉闊葉林向針闊混交林過(guò)渡的植被帶,除落葉闊葉林外,還有暖性針葉林,次生的落葉灌叢和草本群落,其中以次生的落葉灌叢占最大面積。其分布特點(diǎn)為:盆地邊緣有喜溫耐旱的灌草植物,南部有少量喜溫的果、柿樹(shù)種。淺山丘陵大部分陽(yáng)坡植被稀疏,覆蓋度小,35°以上陡坡巖石裸露,少灌無(wú)草,水土流失嚴(yán)重,溝壑縱橫,人為破壞嚴(yán)重,植被殘破,為稀疏植被。2.2土地類型的檢測(cè)獲取遙感圖像時(shí),時(shí)相的選擇至關(guān)重要,因?yàn)樽罴褧r(shí)相的選擇是提高侵蝕調(diào)查與監(jiān)測(cè)質(zhì)量的基礎(chǔ)和保障。因此,我們選用了2001年5月19日的Landsat5TM多波段遙感圖像(空間分辨率30m)和全色波段圖像(15m)。5月中下旬的北京延慶地區(qū)喬灌木樹(shù)種已展葉并開(kāi)始旺盛生長(zhǎng),而農(nóng)作物尚未覆蓋地表,坡耕地在此季節(jié)較易從圖像上判讀出來(lái),故土地類型的分類效果會(huì)最佳。以最新版的1∶5萬(wàn)的地形圖為基準(zhǔn),采用人機(jī)交互方式選擇地面控制點(diǎn),利用二次多項(xiàng)式和最近鄰內(nèi)插法對(duì)圖像進(jìn)行幾何精度糾正,經(jīng)重新選點(diǎn)檢驗(yàn),將誤差控制在一個(gè)像元內(nèi)。利用媯水河流域的邊界線對(duì)遙感影像進(jìn)行掩膜,得媯水河流域的TM圖像。將TM多波段圖像與全色波段圖像融合,獲得15m空間分辨率的多波段圖像。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和目視判讀相結(jié)合的方法從遙感圖像中提取土地利用類型信息,利用植被指數(shù)模型求算植被覆蓋度。2.3dem模型生成從延慶縣水利局獲得了數(shù)字化的媯水河流域1∶1萬(wàn)等高線數(shù)據(jù),利用遙感圖像處理軟件中的地形分析工具生成了媯水河流域的數(shù)字高程模型(DEM),空間分辨率采樣為與TM圖像一樣大小的15m;再由DEM數(shù)據(jù)生成坡度圖。3技術(shù)方法和方法3.1dem坡度圖的生成以輻射糾正和幾何糾正的媯水河流域遙感圖像為信息源,提取土地利用類型信息和植被覆蓋度信息;利用遙感影像處理軟件由1∶1萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)生成坡度圖。最后,結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo),將坡度等級(jí)圖與土地類型圖和植被覆蓋度等級(jí)圖分別進(jìn)行空間疊加,最后生成土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖,統(tǒng)計(jì)各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積,并計(jì)算年平均侵蝕模數(shù)(如圖1所示)。3.2植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法植被覆蓋度是指植被冠層的垂直投影面積與土地面積之比,它是描述森林植被覆蓋特征的一個(gè)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),廣泛應(yīng)用于森林水文、森林生態(tài)等方面的研究,也是許多生態(tài)模型中的基本參數(shù)。準(zhǔn)確、快速地獲取地表植被覆蓋度及其變化信息,對(duì)揭示地表特征時(shí)空變化規(guī)律、探討變化的驅(qū)動(dòng)因子、分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)方法分為地面實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)兩類。由于植被覆蓋度具有顯著的時(shí)空分異特性,大范圍內(nèi)森林植被覆蓋的高密度地面動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)的方法是不現(xiàn)實(shí)的,因而遙感監(jiān)測(cè)已成為區(qū)域植被覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要手段。遙感估算植被覆蓋度的方法大致可歸納為兩種:經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê椭脖恢笖?shù)轉(zhuǎn)換法。其中,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ饕峭ㄟ^(guò)建立實(shí)測(cè)植被覆蓋度數(shù)據(jù)與植被指數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)求取大面積植被覆蓋。由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ɑ谔囟▍^(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在局地使用效果可能較好,但在大面積推廣應(yīng)用時(shí)則受到限制。植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法則是在對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立植被指數(shù)和植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)直接估算植被覆蓋度。由于植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法不依賴于植被覆蓋度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因而實(shí)際工作中使用較多。目前比較廣泛使用的是Gutman提出的一種根據(jù)歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)來(lái)計(jì)算植被覆蓋度的方法。其基本原理是根據(jù)健康植被在紅光波段有一個(gè)吸收峰,在近紅外波段有一個(gè)高反射峰,而土壤在可見(jiàn)光到近紅外波段呈近似線性變化的差異,首先計(jì)算出植被指數(shù)NDVI,然后再假設(shè)遙感器所測(cè)得的反射輻射R完全由植被總反射輻射和土壤總反射輻射構(gòu)成,即:R=fRv+(1-f)Rs(1)其中:Rv、Rs分別為植被、土壤的總反射輻射;f為植被覆蓋度。則:f1=(R-Rs)/(Rv-Rs)或f2=(ρ-ρs)/(ρv-ρs)(2)其中:ρ為植被與土壤混合光譜反射率;ρv、ρs分別為純植被和純土壤寬波段發(fā)射率?；谏鲜鲈?利用植被指數(shù)可以計(jì)算植被覆蓋度,即:f3=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)(3)其中:NDVI為所求地塊或像元的歸一化植被指數(shù);NDVIv、NDVIs分別為純植被和純土壤的植被指數(shù)。該式適合用于植被覆蓋處的葉面積指數(shù)較均一的場(chǎng)合。也可得:f4=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)(4)其中:NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù);NDVImin、NDVImax分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小、最大值。一般說(shuō)來(lái),歸一化植被指數(shù)NDVI比較真實(shí)地表現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)上植被的分布。但由于NDVI本身無(wú)法完全分離植被和土壤的影響,不管是裸土還是部分植被覆蓋的像元,其NDVI值都可能是一個(gè)較小的整數(shù)。所以在實(shí)際應(yīng)用中,往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定NDVImin、NDVImax,或從計(jì)算得到的影像像元的NDVI中提出NDVImin、NDVImax,從而計(jì)算植被覆蓋度。本文采取后一種方法獲得NDVImin、NDVImax,然后求算植被覆蓋度。3.3土地類型北京市水利局根據(jù)延慶縣的地形、地貌、土地利用和植被狀況制定了土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)(見(jiàn)表1),將土壤侵蝕程度劃分為6級(jí):(1)微度侵蝕:無(wú)侵蝕或者土壤流失不明顯。植被覆蓋度>75%的成片林、灌、草地和坡度<5°的平地,包括山間、山前平地、河流階地以及水體、裸地等,但不包括坡度3°～5°的耕地,只包括<3°的耕地。(2)輕度侵蝕:水土流失比較明顯。坡度在3°～8°的坡耕地;或植被覆蓋度為60%～75%、坡度為5°～25°的坡地;或覆蓋度在45%～60%、坡度5°～15°的坡地;或覆蓋度為30%～45%、坡度在5°～8°的坡地。(3)中度侵蝕:土壤侵蝕十分明顯。坡度8°～15°的坡耕地;或者坡度5°～15°且植被覆蓋度<30%的坡地;或者坡度8°～25°且植被覆蓋度為30%～45%的坡地;或者坡度15°～35°且植被覆蓋度為45%～60%的坡地;或坡度>25°且植被覆蓋度為60%～75%的坡地。(4)強(qiáng)度侵蝕:土壤侵蝕強(qiáng)烈,主要分布于植被覆蓋度比較少的山地。植被覆蓋度為45%～60%且坡度>35°的坡地;或者植被覆蓋度為30%～45%且坡度為25°～35°的坡地;或者植被覆蓋度<30%,但坡度在15°～25°之間的坡地;坡度為15°～25°之間的坡耕地,皆為強(qiáng)度侵蝕。(5)極強(qiáng)度侵蝕:土壤侵蝕十分強(qiáng)烈,主要分布于山地高坡。植被覆蓋度30%～45%且坡度>35°的坡地;或者坡度25°～35°但植被覆蓋度<30%的坡地;或坡度為25°～35°之間的坡耕地。(6)劇烈侵蝕:土壤侵蝕極為強(qiáng)烈,主要是植被稀少的裸地,植被覆蓋度<30%且坡度>35°的地段及坡度>35°的坡耕地。表1中不同的土地類型依據(jù)不同的侵蝕因子作為強(qiáng)度判別標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于林地、灌木林地和草地采用植被覆蓋度與坡度兩個(gè)因子來(lái)判別土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí),對(duì)于耕地則采用坡度因子直接判別土壤侵蝕強(qiáng)度,而對(duì)于其它土地類型(水域、居民地、交通用地等)一概確定為無(wú)明顯侵蝕區(qū),即微侵蝕。4侵蝕模數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)土壤侵蝕分級(jí)規(guī)則,將遙感圖像生成的植被覆蓋度圖劃分為5個(gè)等級(jí),生成媯水河流域植被覆蓋度等級(jí)圖(見(jiàn)圖2)。將DEM生成的坡度圖劃分7個(gè)等級(jí),生成媯水河流域坡度等級(jí)圖(見(jiàn)圖3)。利用GIS中的空間分析功能,將植被覆蓋度、土地類型與坡度信息進(jìn)行空間疊加,就得到了不同植被覆蓋度與土地類型、坡度的不同組合,總共有63種組合方式(表1)。統(tǒng)計(jì)每種組合的圖斑像元數(shù)(見(jiàn)表2),從而了解不同土壤侵蝕的構(gòu)成狀況。將相同侵蝕強(qiáng)度的圖斑合并,獲得土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖(見(jiàn)圖4),再完成各種侵蝕等級(jí)的面積統(tǒng)計(jì)以及各種侵蝕強(qiáng)度所占比例(見(jiàn)表3)。有了流域土壤侵蝕等級(jí)分布圖和各侵蝕等級(jí)的統(tǒng)計(jì)面積,流域的土壤侵蝕模數(shù)就可以通過(guò)各侵蝕等級(jí)的面積和土壤侵蝕強(qiáng)度推算出來(lái)。在推算過(guò)程中,各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的侵蝕模數(shù)參考指標(biāo)采用水利部《土壤侵蝕分類及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-96),計(jì)算時(shí)取中值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表3的數(shù)據(jù)和圖4的分布可以看出,微度侵蝕約占媯水河流域面積的64.08%,主要分布在平原區(qū)和植被覆蓋度高的山區(qū)。輕度侵蝕所占比例10.84%,中度侵蝕19.27%。強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕的面積之和不足6%,而且主要分布在平原區(qū)與山區(qū)交界的坡地上,其原因可能是此類地區(qū)人類活動(dòng)比較活躍。從表4的數(shù)據(jù)看,媯水河流域的年平均侵蝕模數(shù)為1746.1(t/km2·a),總體上屬輕度侵蝕的范圍。從圖4侵蝕斑塊的分布、破碎度和連接度來(lái)講,微度侵蝕斑塊尤其是分布于平原區(qū)的斑塊,以大型斑塊為主,連接度大,破碎度低;其它各種侵蝕類型鑲嵌分布在微度侵蝕斑塊中,由于受到微度侵蝕斑塊的割裂,多為碎小斑塊,連接度小,破碎度高,這些斑塊主要分布在平原與山區(qū)的交界處。土壤流失強(qiáng)度較高的斑塊細(xì)小破碎的分布格局,說(shuō)明媯水河流域的土壤侵蝕治理有一定的難度,不利于采取統(tǒng)一治理措施和實(shí)施集中治理。4遙感遙感結(jié)果分析的必要性(1)本項(xiàng)研究以TM遙感影像為主體信息源,利用植被指數(shù)模型快速獲得植被覆蓋度信息,該信息是水土保持治理和植被建設(shè)規(guī)劃的一種依據(jù)。(2)以植被覆蓋度、坡度和土地類型為主要因子,在地理信息系統(tǒng)的支持下能快速完成媯水河流域的土壤侵蝕估測(cè),并進(jìn)行土