基于“3S”技术的水土流失信息提取与评价

刘玉龙,田萍萍,武 征,孙 愿,王晓娟,张小卫

(1.西安地质矿产研究所,陕西 西安 710054;2.西安市环境监测站,陕西西安 710054)

“3S”技术是指遥感(R S)技术、地理信息系统(G I S)技术和全球定位系统(G P S)技术,其中遥感技术具有获取数据周期短、视域广、信息量大、实时性强、精度较高和成本低的特点,地理信息系统具有强大的信息管理、处理和分析功能,全球定位系统可进行高精度的全球定位[1]。传统的水土流失调查采取手工操作的方式,效率低、工期长、定位精度低,成果可复制性和变更性差,难以满足信息化时代的要求[2-3]。应用“3S”技术开展区域水土流失信息提取与评价,可综合利用“3S”技术宏观、快速、准确、客观等特点[4-5],是一种科学准确地掌握区域水土流失现状、开展动态评价的新的重要的技术手段。

1 研究区概况

研究区位于四川木里藏族自治县县城西北部约 60 k m的梭罗沟和如米沟一带,行政区划上属木里县沙湾乡所辖。地质构造属甘孜 -理塘成矿构造带南段,褶皱发育较弱,地层系总体向南或南南东倾斜的单斜构造,断层构造较为复杂,以近东西向、近南北向、北西向、北东向四组断裂组成基本构造格架。地貌属雅砻江构造侵蚀高山峡谷地貌,山脉和河谷走向近于南北向,地势东高西低,海拔 3640—4551 m。属高原寒温气候,气候寒冷,垂直差异较为明显,据 2005年6—10月简易气象观测数据(标高 4052 m),观测期间最高气温 27℃,最低气温 -7.0℃,平均气温 9.1℃,7月均温8.2℃,年降水量 953.4 mm,最大日降水量为 59.0 mm,最大积雪厚度 60 mm。土壤主要为褐土、山地棕壤、山地棕色针叶林土、高山草甸土,土壤类型随海拔的不同而呈垂直分布的特征。植被属中亚热带湿润山地植被,其类型主要有亚高山针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林、高山草甸灌丛等四类,受山地地形制约,植被垂直带谱明显。

2 水土流失信息提取

2.1 技术要求

(1)选用近 3年内的卫星数据为遥感信息源,卫星数据的空间分辨率不低于 15 m,解译比例尺为 1∶25000。

(2)解译范围为研究区边界外延 2000 m,解译图斑精度为 4 mm2,图斑不宜过大。

(3)根据野外验证结果,建立土地利用、植被覆盖度等生态环境要素的遥感解译标志,采用目视和人机交互相结合的解译方法,同时对解译结果与实地野外验证结果进行比对,保证平均判对率大于 85%。

(4)根据《土壤侵蚀分类分级标准》(S L 190—2007)》,采用 1∶10000地形图建立的 D E M数据制作研究区坡度分级图,在 MA P G I S中与土地利用现状图、植被覆盖图进行叠加,最终制作出土壤侵蚀强度图。

(5)在 MA P G I S中对土壤侵蚀图件进行分类面积统计,结合现场调查和收集的资料,分析土壤侵蚀强度的空间分布特征。

2.2 数据收集

数据收集主要包括遥感信息源选取、地形图和辅助解译资料收集等。

(1)遥感信息源选取。遥感信息源选自日本A L O S对地观测卫星的 A V N I R-2数据,多光谱为可见光及近红外 4个波段,空间分辨率为 10m,成像时间为 2008年 12月 27日;全色波段分辨率为 2.5 m,成像时间为 2009年 2月 11日,多光谱与全色数据同源而不同期。选用遥感影像的时间、分辨率和光谱数据能够满足水土流失信息提取的要求,以保证解译结果的科学性和准确性。

(2)地形图。收集研究区 1∶10000数字化地形图。

(3)辅助解译资料。辅助解译资料包括研究区地质图、土壤图、植被图以及气象、水文、社会经济、水土流失治理等观测与统计数据。

2.3 数据处理工作流程

数据处理工作流程见图1。

(1)利用 MA P G I S软件的空间分析模块功能,将数字化地形图在构建 D E M数据的基础上进行坡度分级,将坡度分为 ＜5°、5°— 8°、8°— 15°、15°— 25°、25°— 35°、 ＞35°共 6个等级,制作研究区坡度分级图并填入相应的属性信息。

(2)运用遥感图像处理软件E RDAS Imagine,对遥感图像数据进行配准、融合、校正、增强等处理,制作出研究区 A L O S卫星遥感影像图。

(3)为了增加目视判读的准确性,在 ERDA SImag ine中将D E M数据与遥感影像数据进行复合,制作出具有 3D效果的立体影像图。

(4)利用 MAPGIS软件的图形处理模块功能,根据《土壤侵蚀分类分级标准》和建立的解译标志,制作出研究区土地利用现状图、植被覆盖度分级图,同时输入相应的属性信息。

(5)根据遥感解译的研究区土地利用现状图、植被覆盖度图及坡度分级图,参考《土壤侵蚀分类分级标准》中地类、植被覆盖度、坡度之间的对应关系,计算确定各个图斑的土壤侵蚀强度,编辑输出最终得到土壤侵蚀强度分级图,通过空间分析模块统计得到土壤侵蚀强度分级面积统计表。

图1 数据处理工作流程

3 水土流失信息提取结果与评价

3.1 地形坡度的提取结果与评价

由研究区地形坡度分级图和表 1地形坡度分级数据统计结果可知,研究区地形坡度以 15°— 25°为主,其次为 25°— 35°和 8°—15°,其余坡度面积较小。各坡度分级空间分布呈以下特征:①＜5°的地形主要分布于研究区的沟谷和坡顶地带。②5°—8°的地形主要分布于研究区的沟谷缓坡地带和坡顶缓坡地带。③8°—15°的地形主要分布于研究区的沟谷边坡地带和坡顶缓坡下部。④15°—25°的地形大多分布于研究区的坡腰地带,空间分布最广。⑤25°—35°的地形主要分布于研究区北部坡度较大的山坡坡腰。⑥＞35°的地形主要分布于研究区北部坡度陡峭的山坡坡腰。

表1 研究区地形坡度分级数据统计结果

3.2 土地利用类型的提取结果与评价

由土地利用类型遥感解译图和表 2土地利用类型数据统计结果可知,研究区土地利用类型以天然草地为主,其次为有林地和灌木林地,其余土地利用类型面积较少。各土地利用类型空间分布呈以下特征:①有林地主要分布于研究区的坡脚和海拔较低的坡腰、坡顶地带。②灌木林地主要分布于研究区海拔较低的坡腰、坡顶地带。③天然草地主要分布于河谷两侧平缓地带和海拔较高的坡腰、坡顶地带。④疏林地主要分布于研究区海拔较低的坡腰地带,属有林地和灌木林地的过渡地带。⑤旱地分布于河流两侧的坡度平缓地带。⑥工业用地和采矿地分布在采矿区的山坡坡腰和坡顶地带。⑦沙地和裸岩石砾地分布于海拔较高、植被覆盖度极低的坡顶地带。

表2 研究区土地利用类型数据统计结果

3.3 植被覆盖度的提取结果与评价

由植被覆盖度类型分级遥感解译图和表 3植被覆盖度类型分级统计结果可知,研究区植被覆盖度类型以 30%—45%的非耕地林草地为主,其次为覆盖度 45%—60%的非耕地林草地和覆盖度 60%—75%的非耕地林草地。各植被覆盖度的空间分布特征是:①覆盖度＜30%的非耕地林草地主要分布于区内地势相对较陡的坡腰地带和近坡顶地带,主要为天然草地的分布区,其中梭罗沟以东海拔 4000 m以上的坡腰及坡顶地带分布面积较大。②覆盖度 30%—45%的非耕地林草地主要分布于研究区内沟谷支流两岸的平缓地带以及坡顶地带,主要为天然草地。③覆盖度 45%—60%的非耕地林草地主要分布于研究区内陡坡的坡腰及近坡顶地带,主要为灌木林地和疏林地。④覆盖度 60%—75%的非耕地林草地主要分布于研究区沟谷两侧的坡脚及坡腰地带,主要为灌木林地和有林地。⑤覆盖度＞75%的非耕地林草地主要分布于研究区内沟谷两侧海拔较低的坡脚及坡腰地带,主要为灌木林地和有林地。

表3 研究区植被覆盖度类型分级统计结果

3.4 土壤侵蚀强度提取结果与评价

由土壤侵蚀强度分级图和表 4土壤侵蚀强度分级数据统计结果可知,研究区土壤侵蚀强度以中度侵蚀为主,其次为微度侵蚀和轻度侵蚀。研究区土壤侵蚀空间分布的特征是:①微度侵蚀和轻度侵蚀主要分布于地形平缓、植被覆盖较好的坡脚及坡顶地带。②中度侵蚀主要分布于地形坡度中等、植被覆盖一般的坡腰及坡顶地带。③强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀主要分布于地形坡度较陡、植被覆盖度较低的坡脚及坡腰地带。

表4 研究区土壤侵蚀强度分级数据统计结果

4 结 语

(1)根据收集的当地水保部门的水土流失资料,经对比分析发现,研究区水土流失信息提取结果与实际水土流失现状相吻合,提取结果能够客观地反映研究区水土流失现状,能满足研究区水土流失评价的要求。

(2)R S是G I S的重要信息源,R S着眼于空间数据的采集和分类,可实时、快速地记录区域的空间信息及各种变化参数,提供实效性强、准确度高的定量数据,并能对各种信息进行定量分析、动态监测和自动成图,R S已成为区域水土流失信息提取高效、稳定的信息源。

(3)G I S侧重于空间数据的分析管理,是 R S信息提取与分析的重要手段。G I S可精确地对遥感信息源进行实时处理,有效地对水土流失信息数据进行提取、管理和综合分析,实现水土流失G I S数据的及时更新。

(4)“3S”技术作为一种重要的水土流失研究技术手段,可以准确、快速、连续地提取区域水土流失的主要特征指标,能够满足区域水土流失现状信息提取的要求,使区域水土流失信息得到有效的分析和使用,为水土流失信息提取提供了强有力的技术支撑。随着卫星技术和计算机技术的发展,遥感信息的分辨率、准确性和现势性将大幅提高,将使 G I S的空间数据高效动态更新成为可能。

(感谢四川省地质调查院汪友明、杨磊、游丽君等同志在遥感解译中给予的支持与帮助!)

[1]廖纯艳,黄健.3S技术在丹江口水库水源区水土流失动态监测中的应用[J].水土保持通报,2007,27(1):58-61.

[2]胡良军.浅谈地理信息系统(G I S)在水土流失中的应用领域[J].绥化师专学报,2004,24(2):138-140.

[3]龚杰,罗麟,王疆霞,等.基于GPS与GIS的水土流失因子提取方法研究[J].人民黄河,2008,30(9):69-70.

[4]钱铭杰,吴芳芳,童立强,等.基于RS与GIS的水土流失监测方法实证研究[J].中国水土保持,2009(2):23-24.

[5]李晓松,姬翠翠,曾源,等.基于遥感和GIS的水土流失动态监测——以河北省赤城县为例[J].生态学杂志,2009,28(9):1723-1729.