基于高分辨率影像的冲沟发育及其时空变化研究

高丙舰，何福红，王 瑞，唐彦君

（1.鲁东大学 地理与规划学院，山东 烟台 264025）

土壤侵蚀是世界上普遍关注的重大环境问题之一。朱显谟[1]从土壤侵蚀的角度将黄土的水蚀分为溶蚀、片蚀和沟蚀（或线状侵蚀）；对于沟蚀，则根据其发育阶段、演变时期和侵蚀强度等划分为细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀。而沟蚀作为一种常见的土壤侵蚀类型已成为近些年研究的热点[2]。

沟蚀虽不如面蚀涉及的面广，但因其侵蚀量大、速度快，且会把完整的坡面切割成沟壑密布、面积零散的小块坡地，使耕地面积减少，对农业生产的危害十分严重[1，3]。研究表明，冲沟侵蚀是一种重要的土壤侵蚀方式，以冲沟为主的沟谷产沙可占流域产沙总量的10%～94%[2，4]。同片蚀和细沟侵蚀相比，冲沟侵蚀研究仍然比较薄弱，国内外对此方向的研究较少，目前亟需开展冲沟侵蚀速率估算、不同发育阶段切沟发展定量研究、冲沟侵蚀速率研究、冲沟侵蚀预报模型、切沟侵蚀研究方法与途径及冲沟侵蚀防治等[5]。

目前，对于沟蚀地貌的定量研究主要是利用3S技术。中国科学院西北水土保持研究所的徐国礼等曾用地面立体摄影测量的方法获取沟蚀地形数据，但该方法精度较低，仅适用于小比例尺模型的建立[6]；西北农林科技大学的张鹏等在实验室利用高精度 GPS 动态监测了沟蚀发育过程[7]；北京师范大学的胡刚利用GPS和GIS监测了东北区冲沟的短期发展变化[8]；中国科学院的闫业超等利用遥感影像目视解译了东北黑土区冲沟发展的变化并进行了定量分析，但影像分辨率较低，精度有待验证[9]。

1 研究区概况和数据获取

1.1 研究区域概况

栖霞市地处胶东半岛中心，位于东经120°33'～121°15'、北纬37°05'～37°32'之间，年平均气温11.3 ℃，降雨量650 mm左右，无霜期为207 d，年日照总时为2 690 h，属暖温带季风型半湿润气候。研究所选小流域位于栖霞城区西北，距市区 3 km左右。该区域总体为低山丘陵地貌，有多处沟谷侵蚀地貌发育，海拔高度在110～320 m，总面积为8.62 km2，沟的切割深度为 5～10 m，地形坡度范围为0°～58°，属剥蚀堆积区。沟两侧有大量人工修筑的梯田，破坏了原始侵蚀的地貌形态。沟中部底部由于坡度较大，呈未开发的原始状态，其间以酸枣等灌木为主，如图1所示。

图1 研究区所在位置及地形信息

1.2 数据来源和研究方法

本文所用的基础数据主要是1996年和2008年航片，地面分辨率为5 m的1∶10 000 DEM数字高程模型。其中，2008年航片是经过严格校正的正射影像，空间分辨率为0.25 m；以2008年航片为基准，对1996年航片进行几何精校正、重采样，从而符合统一标准。为了计算要求，以上数据均采用西安80坐标系3°带40'区，高斯克吕格投影，中央经线是120°E。

由于小流域的范围较小，对冲沟的发展变化能产生影响的因素不多。根据对区域概况的分析和数据有效性的判断，将对冲沟的发展能产生影响的因素归纳为高程、坡度、坡向和土地利用等4方面。国内对冲沟发展的时空变异规律大多采用侵蚀沟密度来分析，但该地区范围小，影像分辨率高，用侵蚀沟密度这个指标存在明显的误差。本文用冲沟面积所占比重来分析近10 a来栖霞小流域冲沟发展的时空变化规律。

首先在1996年和2008年航片上通过目视解译的方法提取冲沟，冲沟的解译标志根据侵蚀沟发育与分类理论[10，11]，借助专家经验和区域特点进行界定；利用GIS工具统计出2期影像的冲沟数量和分布，计算出沟蚀区面积并作统计。其次，因为研究区的冲沟发育主要受高程、坡度、土地利用类型等影响，所以在这里利用DEM提取高程、坡度、坡向，利用高分辨率影像提取土地利用类型。最后，利用GIS软件ArcGIS与2期影像的冲沟区进行叠加，分析该地区近10 a来冲沟发展的时空变化规律。

2 冲沟发育及其时空变化规律

2.1 冲沟发育的定量化

在高分辨率影像中通过目视解译的方法提取冲沟面积和沟长。由于研究区受人为影响比较大，地形地貌复杂多样，提取冲沟面难度比较大，这里主要是采用对比方法，利用1996年影像和2008年影像之间的对比关系来提取各自冲沟：1996年影像为黑白影像，冲沟区因地势较低，在光线的影响下显示为黑色，但一些地势高的地区因为阴影的存在也显示为黑色不好区分，在这里借助2008年影像分辨率高、且是3波段彩色影像的优势来鉴别；而2008年影像虽然分辨率高、色彩丰富，但因为是夏季拍摄的，一些冲沟在植被的覆盖下也不好区分，就需要借助1996年的影像来鉴别到底是不是冲沟区。经整理，提取的冲沟参数如表1所示。

表1 1996年和2008年冲沟定量及变化统计表

从表1中可以看出，2008年比1996年冲沟面积及沟长都有所增加，但冲沟数量却有所减少。从影像上可以得知，1996年的一些小的冲沟经过近10 a的发展演化和人为的影响逐渐合并为1条大的冲沟，但也有大的冲沟经过人为改造演变成几条小的冲沟，一些小的冲沟到了2008年被改造成耕地或其他土地利用类型。经过分析总结发现，在2008年的冲沟中有16条冲沟是合并而来，42条冲沟来自大的冲沟分割，1996年冲沟中的18条在2008年消失。由此可见，在这10 a中，该小区域的冲沟变化还是比较剧烈的。

2.2 冲沟发育的时空变化规律

2.2.1 冲沟发育的高程分异特征

为了考察在冲沟面积变化规律，对该区域的DEM进行高程的重分类，根据数据特点划分为110～120 m、120～130 m、…、180～190 m、190～320 m等9个高程带，通过与冲沟面的叠加，得到不同年份的冲沟面积在不同高程所占的比例，如图2所示。

图2 不同年份的冲沟面积在不同高程所占比例

随着海拔的增加，1996年和2008年冲沟的面积也不断增加，当海拔增加到150～160 m时，冲沟面积不断减少。从图中不难看出，冲沟主要集中在海拔高程130～160 m之间，这主要是因为低海拔地区人类活动量大，对冲沟多采取填埋掩盖的方式处理，而高海拔地区植被茂盛，土层浅薄，不利于冲沟的产生和发展。而从2年变化率来看，2008年冲沟在160 m以下的区间所占比例不如1996年的高，而当海拔在160 m以上时，2008年冲沟所占比例比1996年冲沟所占比例高，这说明在这10 a里低海拔地区的冲沟由于经济需要被人为改造的多，而高海拔地区人类活动少，冲沟有所发展，这也从侧面反映出人类活动对冲沟的影响。

2.2.2 冲沟发育的坡度分异特征

研究区地处低山丘陵地带，坡度分异较大，这里将小流域的坡度分为0°～5°、5°～10°、 …、25°～30°、30°～60°等7个坡度等级，将坡度图重分类并矢量化后与冲沟区叠加计算，分别计算不同坡度等级上的冲沟区所占面积比例，如图3所示。

图3 不同年份的冲沟面积在不同坡度所占比例

从图3中可以看出，2个年份的冲沟在坡度为10°～15°之间所占面积最大，最容易形成冲沟；以15°为转折点，冲沟面积所占比重向两边越来越小；从坡度等级为7的30°～60°坡度所占比重来看，研究区在坡度30°以上的地区人类影响很小，植被覆盖良好。从2年的变化率来看，总体变化不大，说明坡度对冲沟面积的发展影响不大；但在0°～5°之间2008年冲沟所占面积有明显减少，而其他坡度2008年略有增大或不变，也说明了人类对于缓坡下的冲沟的改造利用更加迫切，而对于较陡的坡度人类改造较少；降雨侵蚀等作用下冲沟有所发展就理所当然了。

2.2.3 冲沟发展的坡向分异特征

将研究区分为正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北等8个坡向，而研究区存在的平地也作为1种坡向，共9种坡向分异。将这9种坡向与冲沟区叠加后，分别计算各个坡向中冲沟所占面积比重，如图4所示。

图4 不同年份的冲沟面积在不同坡向所占比例

从图4中可以看出，正北、东北、正西、西北4个方向的冲沟所占比重最高，平地上的冲沟所占比重最小（因为DEM和影像分辨率不同，所以平地上存在冲沟也是合理的）。从方向上来看，比重最高的坡向属于阴坡，因为该地区属于季风典型区，夏秋季节的降雨多，而该时节的降水多来自冷空气的影响，尤其以大到暴雨为主，伴随偏西北风的影响使得阴坡的冲沟发展更快。从2年的变化率来看，比重较高的阴面2008年的冲沟面积呈下降趋势，而阳面呈上升趋势，平地上冲沟面积比重也稍有下降。从短期来看，这种变化也是可以解释的，阴坡的冲沟发展到一定阶段必定趋于稳定，而阳坡的土地受人类影响更大，土质更加疏松，冲沟有所发展也是必然。

2.2.4 冲沟发展的土地利用变化特征

通过现场调查和对影像的目视解译，把该地区的土地利用类型分为坡耕地、林地、草地、人工用地、道路、水体和裸地等7类。其中人工用地、道路、水体对冲沟无影响，而裸地所占比重又小，所以在此主要是对坡耕地、林地、草地这3种类型土地对冲沟的影响进行分析。通过与冲沟区的叠加分析，所得结果如图5所示。

图5 不同年份的冲沟面积在不同坡向所占比例

从图5中可以看出，2008年坡耕地中的冲沟所占比重降低，而林地中的冲沟所占比重增大，草地中的冲沟所占比重保持不变。坡耕地受人为影响较大，受经济利益驱使会对某些小沟掩盖填埋，而林地的植被覆盖度较低，植株稀疏；通过国内外的研究发现，稀疏林地的地表受降雨影响更大，动能更强，易产生冲沟。

3 结 语

本文利用GIS和RS技术对2期影像的冲沟进行了定量化研究，并分析了近10 a来栖霞小流域地区冲沟发育的高程分异特征、坡度分异特征、坡向分异特征和土地利用变化特征，得出如下结论：①研究区冲沟总体呈增大趋势，但趋势不明显，尤其是近10 a来冲沟总面积只增加了13.3%，冲沟数量还有所减少；②研究区冲沟发展受自然和人为双重影响，但总体上人为影响要大过自然影响，这一方面是因为该地区冲沟发育已趋稳定，另一方面也说明在人口密度比较大的东部地区，水土侵蚀受人为影响较大，要特别注意采用合适的耕作方式避免更严重的水土侵蚀；③基于近10 a来的冲沟发育时空变化特征，要特别注意冲沟在地势较高、坡度较大的林地间的发展，还要注意人工改造过的地区不发生大的水土侵蚀。

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[4]Wu Yongqiu ,Hong Cheng.Monitoring of Gully Erosion on the Loess Plateau of China using a Global Positioning System[J].Catena, 2005，63:154-166

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[7]张鹏,郑粉莉，陈吉强，等.利用高精度 GPS 动态监测沟蚀发育过程[J].热带地理,2009,4(29):368-373

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