基于遥感的陕西省水土流失状况调查研究

杨 恺

（陕西省水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710004）

0 引言

陕西省地处我国西北地区，位于黄土高原腹地，总土地面积20.56万km2，地貌类型复杂多样，土壤侵蚀类型及形式复杂多样，水土流失问题十分严重。以该区域作为研究对象来探讨土壤侵蚀强度的时空变化特征,具有较强的代表性。

目前，在水土流失量监测方面，土壤侵蚀模数的确定方法包括：模型法[1-2]、统计法、同位素法[3]、遥感法等[4]。模型法包括通用土壤流失方程 （USLE）、WEPP（water erosion prediction project）模型等这些方法需要比较完整的各类观测资料并且在模型率定时模型参数的确定比较困难；统计学方法需要比较完整的统计资料，同时，统计学方法只能用于表述一般性规律，而对于突变时刻的土壤侵蚀监测仍存在很大不足；同位素法是根据同位元素追踪的方法来测定水土区域流失量，该方法精度虽高，但大空间尺度的监测难以实现；基于遥感的主要有两个途径一是根据遥感反演到的土壤属性，再根据不用土壤特征对应的侵蚀强度，加以判别，二是通过遥感反演植被覆被状况进行土壤侵蚀判别。从实际生产实践角度出发，模型方法虽然精度高，适合较大区域，但需要的参数多，过程复杂限制了其行业应用；统计方法偏重于历史数据的收集，现实性比较差，而且存在尺度不匹配问题；同位素或站点监测法，其精度最高，但耗时费力，且在区域尺度上无法保证足够的点位进行插值；而通过遥感可以获取多源多时相多尺度的地表信息，尤其是在区域尺度，其直接应用与生产是其他方法无法比拟的。其中根据土壤特征判别，由于土壤本身的物理属性，其整个循环周期长，在年迹间变化不大，而植被特征一方面本身具有保水保土功能，可以很好表征侵蚀程度，同时其季节、年迹变化易于监测，进而更易于表征土壤侵蚀的变化。

本文采取基于遥感等手段，通过土地覆被、地形地貌等信息获取全省水土流失状况监测结果，编制陕西土壤侵蚀模数图，并分析其时空分布特征，为陕西省生态成效评价及全省水土保持生态环境治理提供决策依据。

1 数据源与方法

1.1 数据源选取

（1）地形坡度数据

地形数据使用ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），该数据由美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）联合测量，其垂直精度20 m，水平精度30m[5]。本次研究采用于2015年1月6日正式发布的空间分辨率为30 m的ASTER高程数据产品，用以生成陕西省坡度信息图层。

（2）卫星遥感数据源

本研究所用卫星遥感数据以美国陆地卫星TM/ETM数据、美国国家航空航天局NASA的EOS/MODIS数据为主，辅之以中国资源一号卫星（CBERS-1）的CCD数据为基础影像。

1.2 技术方法

（1）技术路线

本研究旨在指导陕西省水土保持公报水土流失状况监测应用，为能快速获取全省范围内大空间尺度水土流失程度及其趋势分布，水土流失强度等级的划分和判读确定遵照水利部水利行业标准——土壤侵蚀分类分级标准（SL190-2007），将水土流失分为6个等级。其技术流程见图1。

图1 陕西省水土流失强度遥感监测技术流程图

（2）地形坡度提取

本次计算采用30m分辨率DEM数据，利用ArcGIS软件对地面坡度等级信息进行提取，获得连续性的地面坡度图，根据需要进行坡度等级划分。根据水土保持国标要求，结合我省实际情况，将坡度分为小于 5°、介于 5～8°、介于 8～15°、介于15～25°、25～35°、大于 35°6 个等级。

（3）土地利用类型信息提取

本研究全省土地利用数据以美国陆地卫星TM/ETM数据为信息源，辅之以中国资源一号卫星（CBERS-1）的CCD数据为基础影像，通过监督分类结合人工判读，提取全省土地利用信息，并以全国1 km土地利用数据为参考进行土地利用类型确认。本研究土地利用分类包含耕地、林地、草地、水域、城乡及工矿和居民用地、未利用土地等6个类别。

（4）植被盖度信息提取

本研究来源于美国国家航空航天局NASA的EOS/MODIS数据，选择2010~2014年MODIS植被指数产品MOD13Q1，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m×250m。利用NDVI植被归一化指数方法，分析确定陕西省植被覆盖信息。

（5）水土流失强度确定

本研究水土流失强度判定标准主要依据水利部水利行业标准——土壤侵蚀分类分级标准（SL190-2007），在水蚀区根据植被覆盖度、地形坡度和土地利用三个水土流失因子（以下简称“三因子”）确定，判定标准见表1，在风蚀区依据山地（丘）形态和植被盖度进行判定，判定标准见表2。水域、居民点及工矿用地和微度侵蚀不参与行政单元侵蚀面积计算。

表1 面蚀分级标准

表2 风力侵蚀分级标准

1.3 结果验证方法

本研究成果验证主要分为两个方面。一是专题信息提取结果验证；二是水土流失强度判定成果验证。专题信息信息提取结果验证主要是通过外业现场样方核查进行核实，确定土地利用类型和植被盖度准确性。水土流失强度判定成果验证方法是利用《2010陕西省年水土保持公报》水土流失及土壤侵蚀数据对本研究结果进行验证，其中《2010陕西省年水土保持公报》是采用基于河道输沙量推算流域土壤侵蚀模数的方法，通过收集全省19条河流62个水文站点共计30年河流泥沙观测资料、864组水库拦淤泥沙资料以及10425组淤地坝普查资料，计算出1980~2009年陕西省土壤侵蚀模数。

2 结果与讨论

本研究对土地利用和植被覆盖度信息在外页选取了2327个验证单元进行验证，正确率达99%，专题信息处理结果可信。

对比陕西省《2010陕西省年水土保持公报》[6]，两期土壤侵蚀成果从全省空间尺度上来看，各等级之间空间分布及趋势一致。根据对比分析，“十二五”期间全省水土流失面积减少2804.07 km2，其中剧烈、极强烈侵蚀面积分别减少了4744、1903 km2，各市统计见表3。

表3 陕西省各侵蚀等级水土流失面积对比表 单位：km2

图2 2010年陕西水土保持公报土壤侵蚀强度图

此外，研究成果在中小流域空间尺度上与《2010陕西省年水土保持公报》（图2和图3），土壤侵蚀结果出入较大，笔者认为一方面是因为两次结果的空间尺度不同（2010年公报是以流域为单元进行水沙、淤积推算的，而本因本次研究成果最小图版精细到1 km2），难以进行空间匹配对比；另一方面是因为通过土壤侵蚀分类分级标准（SL190-2007）获取水土流失强度的方法仅适用于大空间尺度、一般规律性区域水土流失强度的确定，针对不同小空间尺度区域，应适当调整“三因子”权重，以期获取中小流域准确水土流失强度[7]信息。

图3 2015年陕西省土壤侵蚀强度图

3 结论

本次通过遥感普查全省水土流失状况显示，从流域界限来看，渭河流域、汉江流域以及丹江流域大部分为微度侵蚀；延河流域以北是强烈或剧烈的侵蚀类型，以南则是微度或轻度的侵蚀类型。从行政单元来看，剧烈以及极强烈侵蚀的地区主要集中在陕北地区，其中以神木、府谷以及榆林延安两市交接区域为主；相比较而言，关中以及陕南的土壤侵蚀情况比较轻微，其中关中地区的侵蚀情况最轻。出现这种结果的原因主要是：陕北地区从地形属于黄土高原区，土壤的组分为黄土，比较疏松，并且陕北地区从在风蚀以及水蚀两种侵蚀作用。此外，陕北地区的植被结构单一，而关中平原以及陕南秦巴山地的植被覆盖良好。而靠近内蒙古毛乌素沙漠处，土壤侵蚀情况较周围区域出现了反常，表现为微度或轻度的侵蚀，出现这一现象的原因主要是对于日益严重地沙尘暴问题，国家对毛乌素沙漠采取了一系列强有力的治理。此外，关中地区的长武和彬县与周围相比较亦出现了反常，此处的侵蚀类型为中度以及强烈侵蚀，出现这一现象的原因在于长武县位于陕西省西北黄土高原丘陵沟壑区，是渭北与陇东高原结合部的过渡地带，并且植被覆盖率比较低，彬县位于陕西省西北陇东黄土高原塬梁丘陵沟壑区，仅南部山区存有少量的天然次生灌木林，绝大部分为人工植被，控制水土流失的能力较差。

综上，通过遥感普查获取水土流失状况，较其他方法具备时效性强、技术成本低、结果数据综合可比等特点，可对同一区域实施动态监测，为进一步研究区域水土流失演变趋势，针对性的修复治理提供数据支撑。

[1]Wischmeier,W.H,D.D.Smith.Predicting Rainfall Erosion Losses.Agriculture Handbook 537[J].1978.

[2]Laflen,J.M.,L.J.Lane,and G.R.Foster.WEPP—anext generation of erosion prediction technology.Journal of SoilWater Conservation，1991.46(1):34 38.

[3]Turnage K M,Lee SY,Foss JE,et al.Comparison of soil erosion and deposition rates using radiocesium,RUSLE,and buried soils in dolines in East Tennessee[J].EnvironmentalGeology,1997,29:1-10.

[4]郑粉莉.王占礼.杨勤科.我国土壤侵蚀科学研究回顾和展望[J].自然杂志,2008.30(1):12-16

[5]TTachikawa，MKaku,etal.ASTERGlobalDigitalElevation Model Version 2Summary ofvalidation results,Kim Fakultas Sastra Dan Budaya[J].2011

[6]《2006年-2010年陕西省水土保持公报》,2011.

[7]朱显谟.有关黄河中游土壤侵蚀区划问题[J].土壤通报,1958;2(1):1-6.