基于GIS的小流域水土流失遥感定量监测探讨

杨一帆 黄伟 范素珍

摘 要：水土流失，土壤侵蚀是制约人类发展的一项重大资源问题，因此采用地理信息系统和遥感技术对水土流失进行了检测，这是一种比较便捷的调查方式。由于水土流失的复杂性和安全隐患问题，经过相关研究部门的讨论研究突破了单一的信息源和依靠光谱特性的限制，还涉及到植被、降水量、坡度和土壤等因素的影响，为水土流失，土壤侵蚀提供了一套新的研究方法。

关键词：GIS；小流域；遥感；监测

1 基于GIS的土壤流失量监测

1.1 流域土壤矢量的计算

结合GIS的强大运算能力，可计算出，每一个像元的壤流失量。在像元土侵蚀的基础上，根据《土壤侵蚀分类分级标准》确定土壤侵蚀强度分级指标将侵蚀量在同一侵蚀等级的像元进行归并，进而绘制出小流域土壤侵蚀强度图如图1：

1.2 小流域环境数据库的建立

我国在2004年对太平洋1989年1：1万航测地形图与流域的彩虹外航片和地质图进行了实地考察研究，调查内容有土壤类型、土地利用方式、土地植被等。最后对图形数据和属性进行了统一编码和标准化处理，并在Acee和Are软件管理数据系统的支持下建立了研究区环境流域数据库如表1：

基于GIS的遥感定量监测结果要比定性遥感结果的准确度高，它不仅在水土保持的科学管理中有更大的使用价值，而且对农林的可持续发展有着相应的价值，为了防止流域水土流失，必须采取合理有效的措施。植树造林和破改梯着两种方式可以减少水土流失和落地面积侵蚀强度和流失量的减少程度，如果将强度以上的土壤侵蚀度减少到中度侵蚀的话，则流域泥沙科减少4.64×102×102t，侵蚀模数下降到1251t/km2，侵蚀强度下降一个等级，所以现在流域治理的重点在于面积17.7%的土壤流失强度区。

2 土壤侵蚀强度监测

2.1 地面实测数据

在小流域布设多个不同条件的径流小区进行一下实验操作，在用植被覆盖因子和雨量因子基本一致的条件下，测量不同坡度的降水-产沙-侵蚀规律，依据降水、侵蚀、堆积实验，经过对土表降水前后机械组成的分析土壤侵蚀与水土流失的关系，通过降水、产水、侵蚀、堆积的径流试验，分析植被副高的与侵蚀规律的关系，人为管理因子与工程措施对水土流失的实验研究。在试验检测过程中要详细记录径流数量、持续降雨量和侵蚀模数等。长时间的实验表明不同植被覆盖与降水量、土壤质地土地利用等和土壤侵蚀量的数值关系。

2.2 建立土壤侵蚀强度检测模型

在地面量大的试验研究分析基础上，引入外营力指标，建立土壤侵蚀强度监测模型，在土壤侵蚀风险基础上，计算出侵蚀土壤强度结果。

2.3 引入外营力

首先引入外营力要通过遥感影像的自动分类方法监测的到土壤侵蚀的分类图。并且根据不同的土壤侵蚀类型采用不同的外营力指标及分级标准，对于风力侵蚀要选择气象站年风速平均指标。

3 定量模型、地面实测与遥感监测

3.1 定量模型

土壤侵蚀的定量监测必须依赖于抽象的描述客观世界侵蚀规律和过程的定量模型，长期人们对土壤侵蚀影响因子定量和土壤侵蚀群过程机理研究的基础上，建立了一套严格的数学方程来描述土壤侵蚀的规律，并产生依赖感。到那时随着土壤侵蚀影响因子研究的深入，基于小流域、坡面和径流小区建立了很多土壤侵蚀定量监测模型，这种模型的建立是以美国欧洲为代表。

所以不管建立怎样的模型都是以土壤水文学和河流等为基础的经验统计模型或者是物理过程模型，模型主要是基于长期的野外观测资料或者是室内侵蚀过程的模拟试验，但是遥感地理信息系统技术在其中仅是辅助作用。并且现在利用集成GIS直接利用遥感数据也只是局限在少量模型中，但是和其他模型的共同特点就是，大多都是参考模型，不能直接发挥遥感和GIS的优势，还需要大量的野外实测数据作为应用输入。

3.2 地面实测

长期以来，土壤侵蚀都是通过各地水文站来对土壤侵蚀进行模型数据实验和观测数据统计和实现，但是这种方式存在着一定的局限性，如，观测结果多为数据统计表表的形式，只能表明某一个地区或地点水土流失量的描述，不能直接显示出水土流失量的强度，这种方式不能准确的将土壤侵蚀的空间位置掌握住，也难以提供土壤侵蚀数量的确切数量。观测结果大多为点状，知识微观尺度的监测，但是区域尺度上水土流失发生的规律或是分布特点与微观尺度存在着明显的区别。以上的局限性分析，这样中观测方式会给水土保持治理带来极大的难度。

3.3 遥感监测

随着科学技术的进步，近年来遥感技术用于大范围的水土流失调查中，已成为水土保持动态监测的一种重要手段。遥感技术利用气象卫星数据实现对雨量的短期预报和监测，同时也实现了水土流失在短期内的预报和监测。遥感技术也能实现定量的植被覆盖率监测与土地利用信息的采集，满足了流域中长期水土流失监测预报的数据要求。

土壤侵蚀遥感监测方法需要在土壤侵蝕过程机理定量研究基础上，从影响水土流失的因子着手分析，建立水土流失量与因子之间的关系，，并且可以通过遥感技术以外的其他途径获取信息，如，土地利用率、坡度和植被覆盖等在次基础上，根据土壤侵蚀分类分级指标进行逻辑综合分析和剖解得出土壤侵蚀强度信息监测。

遥感技术是一种效应的测试结果，无法从影像光谱中直接提取土壤侵蚀的强度值。土壤侵蚀是复杂的地理系统负向效应运动的结果，不同于土地覆盖或其他地物，而遥感影像所携带的信息是地表特征的客观反映。

4 遥感定量监测需要完善的地方

4.1 定量化

基于遥感技术完善水土流失判断因子，现实区域水土流失监测的定量是水土流失定量监测遥感监测方法的核心。根据影像光谱对底层表面的客观反映，在建立影像解释标志的基础上需要人脑的配合分析，影响着土壤侵蚀结果的环境因子特征值，再根据预定的分类分级指标进行综合性的判断，并确定土壤侵蚀结果，这一过程需要解释者来判断完成，所以解释者的知识水平很大程度上决定了土壤侵蚀测定结果的精确度。实现因子的定量化与自定获取以及结果的自动判断，避免主观性的判断方式，这是实现水土流失监测的方法研究主要方向。

4.2 沟蚀问题和地面实测数据的补充与支持

由于实际操作中进行沟蚀判断应用比较少，因此沟蚀和面蚀侵蚀强度方面存在着一定的问题。在水土侵蚀保持地面观测中，水蚀地面观测有较好的基础，但是对于水土流失影响比较大，沟蚀观测方法也比较薄弱。所以不管是利用沟蚀的侵蚀强度还是面蚀侵蚀强度所得到的判别都是不确定，也在侵蚀机理方面存在诸多问题。所以沟蚀与面蚀侵蚀强度的判别还需要相关理论的研究。

我国水土保持监测部门在全国地区土壤侵蚀中得到了大量有关各级土壤侵蚀分布的数据，但是与各观测点监测所得到的数据信息基本上是相互独立的不能满足监测所需数据。

参考文献

[1]王丽.水土流失遥感监测GIS数据库在嘉陵流域上的应用[J].亚热带水土保持.2006（4）.

[2]李晓琴.黄河流域水土流失遥感监测[J].国土资源遥感.2009（4）.