JournalofEcologyandRuralEnvironment
基于GIS与QuickBird影像的小流域土壤侵蚀定量评价
潘竟虎,董晓峰 (1.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州 730070;2.兰州大学资源环境学院,甘肃兰州
730000)
1
2
摘要:基于GIS技术和QuickBird遥感影像,采用修正的通用土壤流失方程RUSLE作为评价模型,计算了清水沟小流域土壤侵蚀量,并结合土壤侵蚀强度分级标准,生成流域土壤侵蚀强度等级图;利用GIS的叠置分析功能,定量分析了土壤侵蚀与坡度和土地利用之间的关系,并针对不同水保措施预测了水土保持治理效果。结果表明:清
4
水沟小流域土壤侵蚀模数为75.02t・hm-2・a-1,属强度侵蚀区,年水土流失量2.6×10t;流域64.5%的泥沙来
自于占流域面积仅28%的极强度和剧烈侵蚀区域;经分析,流域土壤侵蚀模数与坡度呈显著正相关,不同土地利用类型的土壤侵蚀模数大小排序依次为:难利用地>建设用地>坡耕地>园地>草地>林地;退耕还林是降低土壤侵蚀强度与减少水土流失量的主要途径。
关键词:土壤侵蚀;土壤流失方程;QuickBird影像;小流域;遥感
中图分类号:S157.1;Q149 文献标识码:A 文章编号:1673-4831(2006)02-0001-05
GIS2and2QuickBird2BasedQuantitativeAssessmentofSoilErosioninSmallWatershed.PANJing2hu,DONG
2
Xiao2feng(1.CollegeofGeographicandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China;
1
2.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)
Abstract:Soilandwaterlossunderminesgravelythesustainabledevelopmentoftheregion.BasedonthetechnologyofGISandQuickBirdremote2sensingimage,volumeofthesoilerosioninthewatershedofQingshuigouwasevaluated,usingthereviseduniversalsoillossequation(RUSLE).RelationshipsofsoilerosionwithlanduseandlandslopegradientwereanalyzedbymeansofspatialoverlayofGRID.Onsuchabasis,effectivecountermeasuresforcontrollingthesoilerosionwerediscussed.ResultsshowthattheannualaveragevolumeofsoilerosioninQingshuigouwatershedreached75.02t・hm
-2
・a-1,whichisintherangeofintensiveerosion.Asoilerosionintensitymapwasthusobtainedbasedonclassifi2
-1
cationofsoilerosionintensity,showingabout28%ofthewatershedsuffersserioussoilerosion,withsedimentbeinghigherthan16780t・a
andcontributed64.5%tothewatershed′s.Asignificantlypositiverelationshipofsoilerosionwith
slopegradientwasobserved.Soilerosionvariedsharplywithtypeoflanduseinadecreasingorderofunusableland>con2structionland>cultivatedslopeland>gardenfield>grassland>forestland.“GrainforGreen”isoneofthemajorstrate2giestoreducesoilerosionandsoilandwaterloss.
Keywords:soilerosion;universalsoillossequation;QuickBirdimage;smallwatershed;remotesensing
水土流失及其导致的土地退化是生态环境恶化
[1]
的重要原因之一。小流域是水土流失发生和发展的最基本单元,对小流域土壤侵蚀量的定量预测、评价是制定水土保持规划,确定治理方案、方法和措
[2]
施的基础。传统的土壤侵蚀定量监测方法费时耗力,而且定点监测无法确定整个流域及其不同地理单元的侵蚀量,更无法适时定量监测水土保持效果。GIS与遥感相结合的分布式方法由于运用栅格数据分析功能,可计算出每个栅格的土壤侵蚀量,便于管理者找出较为严重的土壤侵蚀区,从而有针对性地提出最佳管理措施;利用GIS能够对土壤侵蚀
的各个因子进行有效的管理和综合计算。但由于小流域土壤侵蚀研究的成果表达一般要求1∶1万甚至更大比例尺成图,这对于分辨率相对较低的卫片如TM/ETM和SPOT影像来说是很难实现的;若采用
航片,则存在航摄周期长、处理难度大的问题。QuickBird卫片是目前分辨率最高的资源卫星影像,在国内该影像的应用尚未普及,可供参考的文献不
基金项目:国家社科基金项目(04BSH027);甘肃省黄土高原水保世行贷款监测评价项目(050321-1);西北师范大学青年基金资助项目(NWNU-QN-05-41)收稿日期:2005-11-25
生 态 与 农 村 环 境 学 报 第22卷・2・
多。本文以ArcViewGIS3.3为操作平台,以Quick2
Bird影像作为数据源,采用修正的通用土壤流失方程RUSLE来估算清水沟小流域土壤侵蚀量,并在此基础上定量分析土壤侵蚀与土地利用和坡度的关系,模拟估算不同水保措施下的土壤侵蚀模数,以期为黄土丘陵区小流域水土保持规划和治理提供科学依据。
富色彩信息的图像(图1)。变换前全色影像与第1主成分进行直方图匹配。
1 研究区概况和数据
1.1 研究区概况
清水沟位于北纬35°33′36″～35°34′48″与东经105°42′36″～105°43′48″之间,沟口距甘肃省静宁县城5.6km,属葫芦河二级支流,主沟长2.9km,呈东北—西南走向,海拔1700～1981m,流域面积约
2
346.67hm。地貌类型属黄土丘陵沟壑区第3副
-2
区,地形破碎,沟壑纵横,沟壑密度0.77km・km,现代侵蚀沟发育活跃频繁。气候具有明显的由半湿润向半干旱过渡特征,年平均降雨量442.8mm,蒸发量1371.8mm,≥10℃积温2551℃。土壤类型主要为黄绵土,土质疏松,抗蚀抗冲性差,侵蚀类型属水力侵蚀。天然植被稀疏,以针茅、蒿类为主,人工植被由刺槐、沙棘、杨树、紫花苜蓿等构成。农村经济以大农业为主体,农林牧并举。1.2 数据和软件 遥感影像为标准产品的单张全色和多光谱QuickBird卫片,获取时间为2004年10月12日,其全色波段地面分辨率为0.61m,多光谱波段为2.44m。数字图像处理软件为ERDASIMAGINE8.5,ArcViewGIS3.3用于屏幕矢量化及地图代数运算,ArcGIS8用于面元拓扑关系建立及空间数据库建
图1 清水沟小流域QuickBird影像(局部)
Fig.1 QuickBirdimageofQingshuigouWatershed
土地利用分类依照国土资源部《全国土地分
(过渡期间适用)的分类系统,并根据研究区实类》
际情况进行取舍、综合。其中一级地类分为耕地、建设用地、林地、园地、草地和难利用地6类,二级地类分为19类,结果以二级地类统计,一级地类汇总。大比例尺的土地利用调查对分类的精度要求较高,故采用人工目视判读。对融合后的高分辨率多光谱影像采用4(红),3(绿),2(兰)波段组合,在Arc2View中进行屏幕矢量化,得到shapefile数据,最后
进行图斑综合、属性生成等解译后处理。解译前后曾3次到现场实地调查,根据误差矩阵计算得总体判读精度为97.53%,其中农村道路和坡耕地的判读精度很高,而荒草地、未成林造林地等地类的精度较低。2.2 数学模型
通用土壤流失方程(USLE)由WISCHEMIER和SMITH于1958年提出,由于方程中各因子参数的复杂性,美国农业部针对提高各因子计算的通用性又提出了修正方程RUSLE。从技术性和因子的算法2方面使RUSLE得到改进,从而具有更广泛的应用范
[3]
围和更高的精度。RUSLE表达式为:
(1)A=f・R・K・L・S・C・P
-2-1
式(1)中:A为年土壤流失量,t・km・a;R为降雨和径流因子;K为土壤可蚀性因子;L为坡长因子;S为坡度因子;C为植被与经营管理因子;P为水土保持措施因子,C与P为无量纲单位。f为使A
-2
的单位(因R、K使用美习用单位)转换为t・km・
库。辅助数据包括研究区气象、土壤、土壤侵蚀实测
数据、1∶1万地形图和数字高程模型(DEM)等。
2 研究方法与技术路线
2.1 土地利用数据库生成
ERDAS8.5尚未提供对QuickBird卫片作正射
纠正严格的物理模型,而且难以获得研究区1∶500地形图或数字正射模型(DOM)。为提高精度,采用多项式校正方法进行几何精校正,均方根误差约为0.42m,最大点位误差0.75m,能满足小流域土地利用分类的精度要求。对多光谱影像的校正控制点是从经过校正的全色影像上采集的。采用主成分变换法进行数据融合,得到既具有高分辨率又兼有丰
第2期 潘竟虎等:基于GIS与QuickBird影像的小流域土壤侵蚀定量评价・3・
。应用RUSLE的关键是确定方程各因子指标值,应用GIS和RUSLE模型测定土壤侵蚀量的关键则是各因子图的生成。2.3 土壤流失方程各因子提取2.3.1 L・S因子提取
参考在黄土丘陵地区观测试验小区多年土壤年[5]
侵蚀量以及标准径流小区土壤侵蚀量推导出的
L・S计算公式:
a的常数,其值为224.2
-1[4]
2.3.5 P因子提取
通常,自然植被和顺坡耕作的P值为1,在我国,最基本的水土保持工程措施是修建梯田,农耕梯地不同耕作方式下P因子值见表1。将P因子值对土地利用现状图进行赋值得P因子图。
表1 不同耕作方式下P因子值[9]
Table1 Pvaluesfordifferentcultivationpractices
)坡度/(°0～55～10>10
λ0.28α1.45
()(2)L・S=1.07()
2010
利用研究区DEM,在ArcView扩展模块SpatialAnal2ysis和Hydro支持下,提取坡长λ形成L图层。坡度α可直接在ArcView的Surface分析功能下提取,形成S图层。
2.3.2 R因子提取
采用WISCHEMIER等提出的直接利用多年各
[6]
月平均降雨量推求R值的经验公式:
R=∑1.735×10
i=1等高带状耕作草田带状间作水平沟等高垄作
0.30.50.6
0.10.10.2
0.010.050.10
0.10.10.3
根据RULSE模型各因子的取值,生成各因子栅
格图层,栅格大小采样确定为0.61m×0.61m,统一投影系。利用ArcViewSpatialAnalysis模块的MapAlgebra功能,将各因子图相乘,预测土壤侵蚀
12
Pi(1.5×lg-0.8188)P
2
(3)
式(3)中:Pi为各月平均降雨量,mm;P为年降雨量,mm。由于研究区的面积不大,根据研究区范围内1960—2003年降雨数据的平均值和公式(3)计算出唯一R值,求得R=86.69728,以常数形式输入模型中进行计算。2.3.3 K因子提取
量,并生成土壤侵蚀图层。根据中国土壤侵蚀强度
[10]
等级划分标准,利用土壤侵蚀图层生成小流域土壤侵蚀强度等级图(图2)。
根据黄土地区的试验,K因子由下式确定:
-41.14
(12-a)+100K=2.1×10M
(4) 3.25(b-2)+2.5(c-3)
式(4)中:M为粘土和细粉沙(粒径0.5～0.05mm)质量分数;a为有机质质量分数;b为土壤分类中的结构编码;c为土壤剖面渗透等级。根据静宁县土壤普查数据,清水沟小流域土壤类型为梯黄绵土、坡黄绵土、坡灰黄绵土、坡红胶土等,按公式(4)计算4种土类的K值,分别取0.72、0.73、0.76和0.81,并以土壤质地为成图单元,形成K图层。2.3.4 C因子提取
[7]
图2 清水沟小流域土壤侵蚀强度等级
Fig.2 Classificationmapofsoilerosionintensityof
QingshuigouWatershed
蔡崇法等通过坡面产沙量与植被覆盖度相
关关系的研究,建立了C因子值与植被覆盖度c之间的回归方程:
(5)C=0.6508-0.3436lgc各地类C因子估算值如下:水田0.18,坡耕地0.31,
园地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,工矿地0.22,难利用地0.36。
[8]
3 结果与分析
3.1 土壤侵蚀总量与侵蚀强度等级
清水沟小流域土壤侵蚀强度等级分布见表2。该流域土壤侵蚀(不含微度侵蚀)面积为301.95hm,占流域总面积的87.1%,中度以上的侵蚀面积
2
占总面积的75%。该流域年侵蚀总量为26007.14t・a
-1
,64.5%的泥沙来自于占流域面积仅28%的
生 态 与 农 村 环 境 学 报 第22卷・4・
极强度和剧烈侵蚀区域,这部分侵蚀区主要是人为
活动干预强烈的陡坡耕地和难利用地,是需要重点治理的区域。中度和强度侵蚀区域的土壤侵蚀量占年侵蚀总量的31.82%,这部分侵蚀区主要是坡度较小的坡耕地和荒草地,其治理也不容忽视。轻度侵蚀区域的土壤侵蚀量占年侵蚀总量的2.81%,而微度侵蚀(无明显侵蚀)区域的土壤侵蚀量仅占年侵蚀总量的0.84%。清水沟小流域土壤侵蚀模数为75.02t・hm
-2
的curveestimation功能作回归分析,拟合得到侵蚀
3
模数(y)与坡度(x)的回归方程:y=0.023x-0.908
x+13.826x-23.674(r=0.976)。
表4 清水沟小流域不同坡度级土壤侵蚀量
Table4 Volumeofsoilerosionofslopesdifferentingradi2entinQingshuigouWatershed坡度/
(°)
0～55～1515～2525～35
2
2
面积/
hm
2・a,按照土壤侵蚀强度等级划
-1
侵蚀量/
(t・a-1)
39.815850.5216824.273256.1636.33
侵蚀模数/(t・hm-2・a-1)
9.4146.6186.91140.09395.44
分标准,属于强度侵蚀区。
笔者将模型计算数据与甘肃省世行水保项目办提供的实测数据进行了精度对比验证(表3),侵蚀模数和输沙量的精度均在96%以上,侵蚀面积的精度为89.30%,说明上述研究方法是可行和有效的。
表2 清水沟小流域土壤侵蚀强度等级
Table2 ClassificationofsoilerosionintensityofQingshui2gouWatershed侵蚀类别微度侵蚀轻度侵蚀中度侵蚀强度侵蚀极强度侵蚀剧烈侵蚀合计
侵蚀模数/面积/
-2-1
(t・hm・a)hm2
<1010～2525～5050～100100～200
>200
44.7242.0397.4865.1971.4125.84
4.23125.53193.5823.240.24
>35
3.3 土壤侵蚀与土地利用关系分析
将土壤侵蚀图层与土地利用图层作叠置分析,求得清水沟小流域各土地利用类型的土壤侵蚀量
(表5)。由表5可知,不同土地利用类型土壤侵蚀状况差异较大,难利用地侵蚀模数高达155.42t・hm
-2
比例/
%12.9012.1228.1218.817.45
侵蚀量/(t・a-1)
218.53731.743689.894586.256495.88
比例/
%0.842.8114.1917.6339.5524.98
・a,属极强度侵蚀。总体来看,土壤侵蚀程
-1
度大小排序依次为:难利用地>建设用地>坡耕地>园地>草地>林地。就产沙量而言,难利用地(主要是陡坡荒地、裸土地、沙地、田坎、撂荒地等)侵蚀量最大,占流域土壤侵蚀总量的64.04%,小流域水土流失治理主要针对这些地类进行植被恢复和调节坡面径流;其次是坡耕地,占侵蚀总量的30.60%。局部侵蚀模数最大值出现在陡坡耕地中,
20.6010284.85
346.67100.0026007.14100.00
表3 清水沟小流域土壤侵蚀状况计算值与实测值的对比
Table3 Comparisonbetweencalculatedvalueandob2servedvalueofsoilerosionofQingshuigouWatershed指标计算值
实际值精度/%
侵蚀模数/输沙量/轻度以上的土壤侵蚀面积/
-2-1
(t・hm・a)(104t)hm2
75.0277.5096.77
2.602.6996.65
301.95338.1289.30
栅格最大侵蚀模数达881.79t・hm・a。建设
用地(包括居民点、交通用地和工矿用地)侵蚀模数为85.01t・hm的破坏。
表5 清水沟小流域各土地利用类型的土壤侵蚀量
-2
-2-1
・a,属强度侵蚀,应加强居民建
-1
设用地的水土流失防治,减轻建设用地对水土资源
3.2 土壤侵蚀模数与坡度之间的相关分析
Table5 VolumeofsoilerosionoflandsdifferentinlanduseinQingshuigouWatershed土地利用类型建设用地
坡耕地林地园地草地难利用地
面积/
hm
2
将土壤侵蚀图层与DEM栅格图层作叠置分析,求得小流域各坡度级土壤侵蚀量(表4)。由表4可知,地形是影响小流域土壤侵蚀量的最显著因素,小流域土壤侵蚀模数与坡度呈显著正相关。当坡度为0～5°时,土壤侵蚀模数为9.41t・hm
-2
侵蚀模数/
(t・hm-2・a-1)
85.0143.778.0840.2620.66155.42
侵蚀总量/(t・a-1)
896.537957.18327.4569.00102.0916655.07
10.55181.7840.531.714.94107.16
・a;随坡
-1
度增加,土壤侵蚀模数增大;当坡度大于35°时,土壤侵蚀模数达395.44t・hm556.43t・hm
-2
-1
-2
・a;最大则高达
-1
・a。运用SPSS13统计分析软件
第2期 潘竟虎等:基于GIS与QuickBird影像的小流域土壤侵蚀定量评价・5・
4 水土流失治理措施
为了防止流域水土流失及其导致的农业生产力下降和下游河道水库的泥沙淤积,必须采取合理有效的防治措施。土壤侵蚀量的大小是降雨、地形、植被、土壤等因子综合作用的结果。小流域在短时间尺度上的降雨、土壤因子可视为定值,土壤侵蚀量大小主要由植被和坡度2个因子决定。进行水土保持规划实际上是C值和P值的调节与确定,运用本文所述方法可方便地预测出C值和P值改变后的土壤侵蚀量。
清水沟小流域难利用地侵蚀模数为155.42t・・a,属极强度侵蚀,如能将其降低至中度侵4
蚀,则流域产沙量至少可减少1.13×10t,侵蚀模
-2-1
数下降至42.43t・hm・a,整个流域的侵蚀强度将下降一个等级,由强度侵蚀下降到中度侵蚀。假设未来难利用地生态恢复至中等植被覆盖情景下(覆盖度35%),按照公式(5),可将C值降至0.12,hm
-2
-1
及监测人为活动对水土流失的影响成为可能。与利用TM或SPOT影像监测的结果比较,利用Quick2Bird遥感影像不仅增加了提取的变化信息总量,而
且变化区域的辨识性大大增加,如在水保工程措施监测中可以精确区分等高带状耕作、间作、等高垄作、水平沟等措施,获取淤地坝、集雨池、沟头防护等人工地物信息,识别树种等,表现出明显的优势。同时,笔者也发现随着空间分辨率的提高,地类内部的异质性加强,不确定性增加,这就给基于像元的光谱分类带来更大难度。而且遥感影像的数据量随着空间分辨率的增加呈指数级增长,对计算机的软、硬件和用户价格承受能力都提出了更高要求。目前在水保监测中的应用也只停留在流域尺度上,如何有效挖掘信息和进行区域化推广应用将是进一步研究的主要方向。
参考文献:
[1] 史志华,蔡崇法,丁树文,等.基于GIS和RUSLE的小流域农地
流域侵蚀模数将降至22.72t・hm・a,减少土
壤侵蚀70%以上,侵蚀等级降至轻度侵蚀,因此应加大难利用地的生态恢复治理措施。
坡耕地是小流域水土流失的另一策源地,故流域内坡耕地的合理利用也是水土流失治理的关键。笔者模拟了以下情景下流域的侵蚀模数:(1)等高带状耕作,可将P值从1降至0.3～0.6(表1),流
-2-1
域侵蚀模数下降至63.17t・hm・a,减少土壤侵蚀18%;(2)草田带状间作,将P值降至0.1～0.3,流域侵蚀模数下降至55.82t・hm・a,减少土壤侵蚀26%;(3)退耕还林,将C值降至0.017
-2
-1
-2-1
水土保持规划研究[J].农业工程学报,2002,18(4):
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-1
a,减少土壤侵蚀36%以上,侵蚀等级从强度侵蚀降至中度侵蚀。显然,退耕还林是降低侵蚀强度与减少流失量的主要途径。
-2
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[9] 穆斯塔克・达力伯・贾巴,冯健,孙东英.基于RS和GIS技术
5 结语
本研究以QuickBird遥感影像为主要信息源来
计算流域土壤侵蚀模数,解决了由于分辨率限制而导致因子提取准确性不高的问题,并且将监测结果落实到点上,能体现出小流域土壤侵蚀的空间差异。在获得丰富的地物光谱信息的同时还可以获取更多的地物结构、形状和纹理信息,使在较小的空间尺度上观察地表的细节变化、进行大比例尺遥感制图以
对中国陕西省北部地区土壤水蚀风险评估[J].水土保持通报,2005,25(1):5-10.
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作者简介:潘竟虎(1974—),男,甘肃嘉峪关人,讲师,硕士,主要从事环境遥感与GIS应用研究。
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