基于高分辨率遥感影像的土壤水力侵蚀监测与评价

庹娅菊 何锦峰 罗雪

摘要：以重庆市巴南区惠民街道晓春村凉水社为研究区，依据《土壤侵蚀分类分级标准》，利用谷歌卫星影像和数字高程模型，基于影像特征及野外调查，构建了土地利用及植被盖度解译标志，提取其相应信息并编辑入库;利用GIS空间叠加分析技术，对土壤侵蚀强度等级的空间分布规律进行了评价;分析了土壤侵蚀机制，并提出了土壤侵蚀防治措施与对策。

关键词：土壤侵蚀;卫星影像;数学高程模型;地理信息系统;凉水社

中图分类号：S157

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0212-05

1引言

当前生态文明的理念已深入人心，生态文明建设已成为社会发展的重要内容之一。其中，农村生态文明建设表现在农业生态环境、农村生态环境、农民生态文化建设等方面，其中土壤侵蚀状况调查及水土流失机制研究，对推进广大农村种植业优化、植被恢复、人居建设等具有重要作用。

土壤侵蚀是指地表的土粒在外力作用下发生的分离和迁移现象，是侵蚀动力因素和侵蚀环境因素综合作用的结果，是一种复杂的人文和自然地理过程。而其涉及的影响因子众多，传统的土壤侵蚀调查耗时多、周期长、基础数据获取困难，难以准确测算特定小流域及不同地理单元的侵蚀量，给水土保持带来不便，更无法适时定量监测水土保持效果。

根据侵蚀营力，土壤侵蚀通常分为水力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和风力侵蚀等。其中，水力侵蚀是最主要的一种形式，主要受到坡度、土地利用类型、植被盖度等因素的影响。其中，遥感作为一种信息源，可提取土地利用类型、植被盖信息，且其具有覆盖范围广、更新周期短的特点;而坡度信息可从数字高程模型（Digit-al Elevation Model，DEM）数据获得。因此，以重庆市巴南区晓春村凉水社为研究区，依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007），利用Google Earth卫星影像及DEM数据，开展土壤水力侵蚀监测与评价研究，实现土壤侵蚀状况快速评估工作。

2研究数据

2.1研究区概况

研究区为重庆市巴南区惠民街道晓春村凉水社，介于29°27'05"～29°28'41"、106°43'14.76"～106°43'50.59"E之间，南北长1560.79m，东西宽991.46m，面积90.27hmz（图1）。研究区位于重庆市巴南区，属亚热带湿润气候区，土壤类型有水稻土、紫色土、黄壤、潮土等，主要土地利用类型为村庄、耕地、园地、林地、道路、水域等。2016年末凉水社总户数为90余户，总人口约350余人，农村居民人口可支配收入为15842元。2016年平均温度为19.2℃，最低温-1℃，最高温40.9℃，全年总降雨量为1618.2mm，全年总日照时数为1178.8h。

2.2基础资料

Google Earth卫星影像（2016年8月19日，分辨率：0.54m）、DEM数据（图2），巴南政区图;巴南区统计年鉴（2016年），巴县志。

2.3实验设备

（1）室外设备：GARMIN（佳明）手持式GPSmap60CSx，数码相机。

（2）室内条件：PC机（CPU主频1.7GHz，内存4GB）;软件：ERADS9.2，ArcGIS9.3。

3研究内容与方法

3.1技术路线

研究区位于重庆市巴南区，属亚热带湿润气候区，依据中华人民共和国水利行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）划分研究区土壤侵蚀强度，研究区为水力侵蚀类型区，二级类型区为南方红壤丘陵区，结合研究区的现场调查，侵蚀类型主要为面蚀，依据面蚀（片蚀）分级指标对土壤侵蚀强度进行划分。

收集研究区行政区划图、DEM、Google Earth卫星影像，并基于高分辨率卫星影像，和野外实地考察建立解译标志，提取土地利用类型及植被盖度信息;利用DEM数据，构建坡度模型;按面蚀（片蚀）分级指标及标准，利用ArcGIS的空间叠加分析功能，评价土壤侵蚀强度，研究技术路线图见图3。

3.2研究方法

3.2.1数据预处理

（1）图像配准：在ERDAS 9.2软件中，通过几何校正，将巴南区的DEM、Google Earth卫星影像、行政区划图配准。

（2）图像裁剪：在ERDAS 9.2软件中，将巴南区晓春村凉水社边界作为掩膜，再将巴南区DEM和GoogleEarth影像不规则裁剪，得到研究区DEM、卫星影像。

3.2.2建立解译标志

为提取研究区土地利用和植被覆盖度信息，在全面分析研究区遥感影像并结合野外实际情况后，构建土地利用类型信息和植被盖度解译标志。

（1）按照《土地利用現状分类标准》（GBT 21010-2007），结合研究区实际情况，研究区土地利用类型可分为耕地、园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇村级工矿用地6个一级地类，水田、旱地、果园、茶园、有林地、其他林地、农村道路、坑塘水面、村庄9个二级类用地。针对不同用地，在野外利用数码相机实地采集各用地数码照片，并用手持式GPS辅以定位，建立不同用地类型在遥感影像上的形状大小、色调、颜色、阴影、纹理图案、位置关系等解译特征数据库。

（2）植被盖度指植物群落总体或各个体的地上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，植被盖度分投影盖度和植基盖度，在土壤侵蚀监测中测定的植被盖度为投影盖度。在土地利用分类的基础上，确定果园、茶园、有林地和其他林地4种二级地类的植被盖度等级。同种土地利用类型的植被盖度也并非均质分布，以图4有林地为例，左边明显是退耕还林地，植被盖度与右边的原始有林地明显有差异。根据遥感影像特征，划分每一土地利用类型的植被盖度，并通过勾绘采样图斑的植株冠幅，统计汇总植株冠幅面积，计算植株冠幅总面积占地块面积的百分比，基于遥感影像估算植被盖度，并在野外采用样方法测定实际植被盖度，当遥感影像解译与样方法测定的植被盖度误差值≤5%时，即可作为该样地的植被盖度特征值，并将该地块的植被盖度作为解译标志;依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007），植被盖度被划分为O%～30%、30%～45%、45%～60%、60%～75%、75%～ioo%5个等级，分别命名为1、2、3、4、5。

3.2.3土地利用及植被盖度信息提取

根据土地利用类型以及植被盖度的解译标志，对研究区的遥感影像进行解译，提取土地利用类型的边界，矢量化及编辑图形数据;并构建属性数据表，录入士地利用、植被盖度信息。

3.2.4解译精度校验

将解译结果带至研究区现场，选择一定数量的地块，与解译结果比较，验证类型精度和面积精度，一级地类总体精度达到90%以上，二级地类精度达到85%以上。精度校验结果表明解译结果符合数据质量要求。

3.2.5土地利用解译结果

本研究利用ENVI软件对Google Earth卫星影像进行几何校正、图像裁剪、图像增强等预处理，并在ArcGIS 9.3中，通过人工目视解译高分辨率卫星影像，辅以野外现场调查资料对研究区土地利用类型分类，将研究区土地利用分为水田、旱地、果园、茶园、有林地、其他林地、农村道路、坑塘水面、村庄共9个类型，所得土地利用分类结果如图5。

3.2.6植被盖度解译结果

根据建立的非耕地林草地盖度分级的解译标志，采用样方法，对于非耕地林草地覆盖度均质的土地利用类型采取样点，通过在ArcGIS软件中勾绘采样图斑的植株冠幅以计算样区盖度，并在野外采用样方法测定实际植被盖度的方法，确定每种非耕地林草地下每块均质盖度的土地的植被覆盖度。图6为研究区非耕地林草地盖度等级图。

3.2.7坡度分级

以DEM地形图生成坡度，并以研究区边界，在ArcGIS软件ArcToolbox中Spatial Analyst工具的Slope模型中，生产Slope文件;对Slope文件进行重分类，设定cell size为5m×5m，等级为O°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～90°，命名为0、1、2、3、4、5，图7为研究区坡度分级图。

3.2.8土壤侵蚀强度分级

将坡度分类图及盖度图转为矢量、土地利用叠加分析，叠加采用ArcGIS中overlay模型，算法采用In-tersect，根据面蚀（片蚀）分级指标及标准得到研究区土壤侵蚀强度图（图8）。

4结论与讨论

（1）土壤侵蚀强度等级的面积分布。研究区总面积90.27hm2，无土壤侵蚀面积60.17hm2，占66.65%;侵蚀面积30.10hm2，占33.35%，其中，轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈的面积分别为6.43hm2、15.68hm2、6.72hm2、1.10hm2、0.16hm2，分别占研究区的7.13%、17.37%、7.45%、1.22%、0.18%.

（2）土壤侵蚀强度等级的空间特征。土地利用类型、地形坡度和植被盖度对土壤水力侵蚀影响很大，研究区森林覆盖率高达69.35%，植被盖度在0%～95%之间，由西向东逐渐升高，研究区东南方向主要土地利用类型为林草地，植被覆盖度最高且无侵蚀发生;研究区水田占21.19%，水田的坡度较为平缓，无明显侵蚀;建设用地分布比较零散，且斑块面积较小，建设用地因有硬质化表面覆盖，在开发建设活动中人为土壤侵蚀较为强烈，开发建设活动结束后基本不存在土壤流失口;西部坡度变化较大，地形较为陡峭，虽然有林草地覆盖，但是其盖度不高，所以该区域的土壤侵蚀情况较为严重;研究区东北方向主要覆盖有林草地，其盖度较高，但是因为该地区地形极陡峭，该区域侵蚀强度也最为剧烈。

（3）土壤侵蚀机制及防治对策。研究区土壤侵蚀较为严重的剧烈、极强烈、强烈的侵蚀区域主要为旱坡地和低盖度茶园、果园、有林地。因此，为防治土壤侵蚀，建议结合土地整理、耕地质量提升工程等，进一步加大坡改梯力度、并配建农业基础设施，对防治水土流失、提升土壤肥力、减小面源等均有积极意义;在茶园、果园等经济林开发时，建议实施立体种植，提高植被盖度，增强水土保持能力。

（4）土壤侵蚀的遥感监测应用前景广阔。土地侵蚀强度分级时，土地利用和植被盖度信息十分关键;随着高分辨率、高光谱遥感对地观测技术的快速发展，遥感技术将在土壤侵蚀监测及快速评价中得到广泛和有效应用。

致谢：本文在野外现场调研过程中，得到重庆市云鹏水泥制品有限公司姚成玲、张琼，巴南区惠民街道晓春村蒋万君的大力支持和帮助，谨致谢忱！

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