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基于RS和GIS土壤侵蚀强度快速估测方法研究

作者:李玉芳,…    文章来源:2014测绘学    点击数:    更新时间:2015-2-4
摘要:本文主要研究应用中国土壤流失模型,以Landsat-8 OLI遥感影像、1︰1万数字地形图及其它辅助数据为基础,以土地利用类型、植被覆盖度以及坡度等作为影响因子,在RS和GIS技术的支持下,对模型各参数因子进行精确计算,并进行土壤侵蚀强度分级,实现了基于栅格信息的土壤侵蚀强度快速估测,最后以内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗为例,验证了该方法的可靠性。研究结果表明:(1)该方法所获取的土壤侵蚀强度信息与实际情况有较好的一致;(2)准格尔旗地区土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主,所占面积比例为 69.8%,中度及以上侵蚀占面积的 30.2%;(3)土壤侵蚀受坡度、地貌影响明显,中度侵蚀主要发生在低山、丘陵区以耕地为主的土地利用上。 关键词:

1 引言

我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一,对土壤侵蚀进行调查、监测和评价,具有十分重要的意义。自20世纪50年代起,国家有关部门和地理、生态、水土保持等学界的专家对黄土高原的土壤侵蚀问题进行了多方面的长期研究,研究主要集中在土壤侵蚀规律、治理模式及土壤侵蚀系统模型等方面。在土壤侵蚀系统建模方面先后引进了USLE(universal soil loss equation)RUSLE(reversed universal soil loss equation)WEPP(water erosion prediction project)等模型[1]。但长期以来各模型的参数确定主要以实地测量和估算为主,存在两方面的不足:一方面受试验环境、仪器精度和知识背景的限制,估算值与实际值有很大出入,使得参数确定的随机性大,精度低;另一方面,由于自然条件千差万别,观测范围有限,使得参数估算缺乏代表性,无法回答土壤侵蚀的时空分布规律[2]

遥感技术(RS)具有多种类、多平台、多时段及多波段的特征,且具有信息丰富、实时性和动态性强等优势,地理信息系统技术(GIS)具有较强的空间数据存储、计算、分析和显示功能,因此,遥感和GIS技术近年来被广泛应用到土壤侵蚀的调查和监测工作中。我国20世纪80年代以来进行的3次全国宏观的土壤侵蚀调查,主要依靠遥感技术来完成的[3]。王安明等利用TM图像和GIS技术进行了浙江省大面积的水土流失普查[4];张思聪等利用线性拟合法和神经网络法对植被覆盖度进行计算和分析,并以此进行了基于GIS和RS技术的土壤侵蚀快速调查研究[5];卜兆宏等研究了一套水土流失定量遥感方法[6]

本文在深入分析土壤侵蚀主要影响因素的基础上,选取鄂尔多斯市准格尔旗为实验区,应用中国土壤流失模型(Chinese Soil Loss EquationCSLE),在遥感和 GIS 技术支持下,更准确、快速的确定模型参数,提高计算精度和效率,并以此开展土壤侵蚀与相关因素的定量分析。

 

研究区概况和数据源

2.1 研究区概况

准格尔旗位于鄂尔多斯高原东部,地处黄土高原边缘地带,总面积7692平方公里,其中平原占总面积7.5%;沙漠占总面积11.7%,丘陵沟壑区占总面积80.8%。准格尔旗远离海洋,大陆性气候突出,属典型的半干旱地区。受季风影响,冬季多西北风,漫长而寒冷,夏季受偏南暖湿气流影响,短暂、炎热、雨水集中,春季风多、少雨,多干旱,秋季凉爽。平均降水量在379~420毫米之间,降水趋势自东南向西北递减。全年降水重要集中在4~9月,其中7、8月是雨水最集中期。风力分布不均,趋势是北部较大,南部较小,中部次之。

准格尔旗大部分土壤属于干旱草原型的轻黑垆土的延续部分,小部分属于自治区的栗钙土区,土壤肥力不高,属贫瘠土壤。 

 

2.2 数据源

遥感影像最佳时相和卫星传感器的选择至关重要,是提高土壤侵蚀调查与监测质量的基础和保障。5月的准格尔旗植被生长旺盛,而农作物尚未覆盖地表,坡耕地在此季节较易从图像上判读出来,土地类型的分类效果会最佳。Landsat-8上携带有OLI陆地成像仪,OLI包括9个波段,为了避免大气吸收,OLI排除了0.825μm处水汽吸收特征,且全色波段Band8波段范围较窄,这种方式可以在全色图像上更好区分植被和无植被特征。因此,本研究选用了2013 年5月的Landsat-8多波段遥感图像(空间分辨率30m) 和全色波段图像(15m)。此外,收集了研究区1: 10000数字地形图5幅; 研究区降雨、土壤质地图、土壤类型图等。

 

研究方法与技术路线

3.1 研究方法

准格尔旗属于风水交错侵蚀区,本研究同时进行风力侵蚀和水力侵蚀监测。

水蚀模型采用中国土壤流失模型(Chinese Soil Loss Equation ,CSLE)。刘宝元[7]等以USLE为蓝本,利用黄土丘陵沟壑区安塞、子洲、离石、延安等径流小区的实测资料,建立了中国土壤流失模型,可以用于计算坡面上多年平均年土壤流失量,此模型确立了一个中国土壤侵蚀预报模型的基本形式,形式简单实用,容易在不同地区推广应用,其基本形式为: 

                                A = RKLSBET                                                           (1)

A是坡面上多年平均年土壤流失量 t/ha×a))

R是降雨侵蚀力MJ×mm/ha×h×a))

K是土壤可蚀性 t×ha×h/ha×MJ×mm))

L是地形的坡长因子 (无量纲单位);

S是地形的坡度因子 (无量纲单位);

B是水土保持的生物措施因子 (无量纲单位);

E是水土保持的工程措施因子 (无量纲单位);

T是水土保持的耕作措施因子 (无量纲单位)。

其中,降雨侵蚀力R的经典算法是Wischmeier提出的EI30法,其表达式为

                             R =EI30                                                       (2)

式中: E为一次暴雨雨滴落地时的总能量MJ/haI30为该次暴雨中最大30min的降雨强度mm/h

风力侵蚀强度主要依据是否流沙和植被覆盖度判定。具体判定标准见表1:

1 风力侵蚀强度分级判定指标表

级  别

床  面  形  态

( 地 表 形 态 )

植被覆盖度(%)

(非流沙面积)

微  度

轻  度

中  度

强  烈

极强烈

剧  烈

固定沙丘,沙地和滩地

固定沙丘,半固定沙丘,沙地

半固定沙丘,沙地

半固定沙丘,流动沙丘,沙地

流动沙丘,沙地

大片流动沙丘

>70

7050

5030

3010

<10

<10

 

3.2 技术路线

准格尔旗位于河龙区间多沙粗沙重点治理区,其水土流失监测主要采用遥感监测与抽样调查相结合的方法。利用遥感监测快速、宏观、客观的特点,监测区域土地利用情况和植被状况,并根据区域地形地貌成果,评价区域水土流失状况;采用面上统计和野外调查复核相结合的方法,监测保护措施数量、质量及分布状况。利用第一次全国水利普查水土保持情况普查布设的野外调查单元,进行地形、土地利用、水土保持措施等的现场调查与校核。

本次监测以融合后的15m分辨率landsat-8 OLI影像为信息源,通过资料收集 → 外业调查(建立解译标志库 )→ 图像解译 →编码归并与专题获取 → 外业验证及查错修改 → 土壤侵蚀强度判定的作业流程,获取土地利用、植被覆盖度、水土保持措施等相关信息,结合地形图和DEM数据,分析重点治理区的土壤侵蚀强度情况。具体作业流程如图1: 

 

1 准格尔旗土壤侵蚀强度快速估测技术流程

 

外业调查方案遵循点(林草样方)、线(线路)、面(抽样调查单元)相结合的原则,调查方法主要为典型调查、样方调查和路线调查相结合的综合调查方法。对抽样单元小流域进行典型调查;对于林地郁闭度、林草覆盖度等采用样方调查;对流域典型和疑难目标地物采用线路调查。建立能够反映作业区各种地物类型较完整的解译标志体系。本次共建立解译标志174个,拍摄照片1873张。依据已经建立的解译标志库,采用人机交互解译的方法,进行图像解译。本次图像解译工作共解译图斑73336个,解译面积7692 km2。野外验证检测图斑580个,占图斑总数0.79%。完成水蚀调查单元17个,调查单元分布如图2:

 

2 准格尔旗野外调查单元分布图

 

3.3 土地利用和水土保持措施类型信息提取

以内蒙古自治区提供的1∶1 万数字化地形图为基准,采用人机交互方式选择地面控制点,利用二次多项式和最近邻内插法对Landsat-8 OLI图像进行几何纠正,经重新选点检验,将误差控制在一个像元内。经几何纠正后的遥感影像进行镶嵌处理,再利用准格尔旗边界线对镶嵌后的遥感影像进行掩膜,得准格尔旗的OLI图像。将OLI多波段图像与全色波段图像融合,获得15m空间分辨率的多波段图像。利用计算机自动分类和目视判读相结合的方法从遥感图像中提取土地利用和水土保持措施类型信息,分布如图3、图4:

          3 准格尔旗土地利用类型分布图 

          图4 准格尔旗水土保持措施类型分布图

 

 

3.4植被覆盖度的估算

利用该研究区2013年5月份 Landsat-8 OLI影像,经过辐射纠正、大气纠正和正射纠正,利用下式计算归一化差值植被指数(NDVI)值:

 NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)                                (3)

其中:NIR和R分别为近红外和可见光红波段的象元亮度值。NDVI范围在-1~1。NDVI是植被生长状态及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植物覆盖度分布呈线性相关[8]

本研究采用Gutman提出的根据NDVI来计算植被覆盖度的方法。其基本原理是根据健康植被在红光波段有一个吸收峰,在近红外波段有一个高反射峰,而土壤在可见光到近红外波段呈近似线性变化的差异,计算公式为:

fc=(NDVI - NDVIsoil)/(NDVIveg- NDVIsoil)                           (4)

其中,NDVIsoil为裸露地表,即无植被像元的NDVI值;而 NDVIveg则代表完全被植被所覆盖的像元的 NDVI值。计算植被覆盖度时,即使同一景影像,对于 NDVIsoil和 NDVIveg值不能取固定值。本研究中,借助 ERDAS IMAGINE 工具计算出区域 NDVI值,利用已有土地利用图和土壤图确定 NDVIsoil和 NDVIveg值,计算得到准格尔旗植被覆盖度信息,分布如图5。

 

5 准格尔旗植被覆盖度分布图

 

4 结果与分析

本研究区的地形坡度分布如图6,土壤侵蚀强度分布如图7,土壤侵蚀强度分级所占面积比例见表2:

                   6 准格尔旗地形坡度分布图

 

              7 准格尔旗土壤侵蚀强度分布图

 

 

经对比分析可见,土壤侵蚀受坡度、地貌影响明显,中度侵蚀主要发生在低山、丘陵区以耕地为主的土地利用上。

2 准格尔旗土壤侵蚀强度分级面积统计

 

水力侵蚀

风力侵蚀

合计

土壤侵蚀面积

面积km2

4006.5

1062.2

5068.7

占土地总面积比例(%)

52.09%

13.81%

65.90%

各级土壤侵蚀强度面积及比例

微度

面积km2

2315.5

307.8

2623.3

%

30.10%

4.00%

34.10%

轻度

面积km2

2426.6

321.0

2747.6

%

31.55%

4.17%

35.72%

中度

面积km2

1459.9

476.4

1936.3

%

18.98%

6.19%

25.17%

强烈

面积km2

104.1

85.7

189.8

%

1.35%

1.11%

2.47%

极强烈

面积km2

15.0

102.0

117.0

%

0.19%

1.33%

1.52%

剧烈

面积km2

1.0

77.1

78.1

%

0.01%

1.00%

1.02%

 

本次监测结果表明,准格尔旗水土流失较为严重,北部存在土地沙漠化现象,南部土壤侵蚀严重,需进一步治理。

 

5 结语

(1) 本研究以landsat-8 OLI遥感影像为主体信息源,利用植被指数模型快速获得植被覆盖度信息,该信息是水土保持治理和植被建设规划的一种依据。

(2) 遥感数据受季节的影响较大,因此,获得最佳时相的遥感数据至关重要。本研究采用的landsat-8 OLI影像为初夏影像,山区植被已开始旺盛生长,但耕地农作物还没有覆盖地表,在此图像上耕地,尤其坡耕地与其它植被类型反差较大,易于从图像上识别出来,解译效果最佳。

(3) 本研究以植被覆盖度、坡度和土地利用类型为主要因子,在地理信息系统的支持下能快速完成准格尔旗的土壤侵蚀估测。

(4)本研究选用CSLE作为准格尔旗土壤侵蚀估测模型,该模型主要优点是根据我国水土保持措施的实际情况,将USLE 中的作物和水土保持措施变成生物( B)、工程( E)和水土保持耕作措施( T)因子,但是该模型与USLE 类似,缺乏对物理过程的考虑,对陡坡地特有的浅沟侵蚀考虑不够。

参考文献

[1] 李 京,李晓兵,宫阿都.基于遥感方法的小流域土壤侵蚀研究[J]. 自然灾害学报, 2008, 17(6): 77-81.

[2] 雷廷武,邵明安,李占斌,等.土壤侵蚀预报模型及其在中国发展的考虑[J].水土保持研究, 1999, 6(2): 162-166.

[3] 薛利红,杨林章.遥感技术在我国土壤侵蚀中的研究进展[J].水土保持学报, 2004, 18(3): 186-189.

[4] 王安明,章孝灿,黄智才.浙江省水土流失遥感普查有关技术问题的研究[J].中国水土保持, 1999, (7): 19-21.

[5] 张思聪,徐海波,唐莉华.基于GIS和RS技术的土壤侵蚀快速调查研究[J].水力发电学报, 2005, 24(3): 70-74.

[6] 卜兆宏,孙金庄,周伏建,等.水土流失定量遥感方法及其应用的研究[J].土壤学报, 1997, 34(3): 235-245.

[7]郑粉莉,刘峰,杨勤科等.土壤侵蚀预报模型研究进展[J].水土保持通报, 2001, 21 (6) : 16-18.

[8]王万忠,焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报, 1996,16 (5) :1-20.

Tags:摄影测量与遥感技术(RS),GIS,土壤侵蚀强度,快速估测,Landsat-8 OLI影像  
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