东北漫川漫岗和山地丘陵黑土区侵蚀沟形态特征遥感分析

李 镇，秦 伟，齐志国，尚国琲，马庆涛，郭乾坤，殷 哲

东北漫川漫岗和山地丘陵黑土区侵蚀沟形态特征遥感分析

李 镇1,2，秦 伟1,3※，齐志国2，尚国琲2，马庆涛2，郭乾坤1,3，殷 哲1,3

（1. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048； 2. 河北地质大学土地资源与城乡规划学院，石家庄 050031；3. 水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048）

侵蚀沟形态特征反映其侵蚀发生发展的环境条件，探究侵蚀沟形态参数特征及空间分异规律对深入理解侵蚀沟的侵蚀进程具有重要意义。该文选择漫川漫岗和山地丘陵2个典型黑土地貌类型区，基于高分遥感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview 2（0.5 m））和地形数据（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目视解译法提取计算侵蚀沟沟长、沟宽、周长和面积等形态参数值，分析侵蚀沟形态特征；探究地形因子影响下侵蚀沟形态参数的分异规律。研究结果显示：1）2个典型区的各形态参数间存在显著性差异，漫川漫岗区侵蚀沟各形态参数均大于山地丘陵区；2）侵蚀沟形态呈现“细长状”，和漫川漫岗区相比，山地丘陵区侵蚀沟更细长，沟缘位置更复杂；3）侵蚀沟形态参数随坡度的增加总体上呈先增大后减小的趋势，在3°～6°范围内参数值达到最大，坡度越小侵蚀沟沟缘位置越复杂；坡向上，漫川漫岗区和山地丘陵区的侵蚀沟的形态参数值在SE或SW上值最大，说明阳坡或半阳坡侵蚀沟发育强烈。该研究结果对于侵蚀沟易发区确定及防治具有重要意义。

遥感；侵蚀；形态特征；侵蚀沟；地形因子；漫川漫岗区；山地丘陵区

0 引 言

东北黑土区是中国重要的商品粮基地，由于自然因素及人类活动（不合理耕作和过度垦殖），导致该地区水土流失严重[1]。侵蚀沟是严重水土流失后的典型地貌形态，其在沟头溯源侵蚀，沟壁横向扩张，沟底下切等侵蚀形式作用下，不断蚕食黑土资源，影响大型机械耕作效率[2-4]，威胁生态及粮食安全[5]。第一次全国水利普查侵蚀沟道数据显示[6]，东北黑土区存在侵蚀沟约295 663条，其中，活跃侵蚀沟数量近26.3万条，约占总侵蚀沟的88.9%。东北黑土区侵蚀沟防治与治理已成为当前乃至今后中国水土保持的重中之重，因此，探究东北黑土区侵蚀沟空间分布规律，确定侵蚀沟易发区，采取科学方法阻碍侵蚀沟的发生发展，将有助于促进黑土资源保护和粮食安全保障。

侵蚀沟形态特征反映其侵蚀发生发展的环境条件[7-8]，探究侵蚀沟形态参数分异规律对深入理解侵蚀沟侵蚀进程具有重要意义[9]。传统的实地监测方法限制了大空间尺度获取侵蚀沟形态参数的效率[10]。RS技术的进步，遥感影像被广泛应用于区域侵蚀沟定量研究中[11-12]，尤其数字地球等资源的出现，为研究者提供了免费侵蚀沟二维形态参数信息数据[13-14]，利用遥感影像数据源探究东北黑土区侵蚀沟空间分异规律逐渐成为研究的热点[4,9,15-18]，数据源主要包括Corona影像（2.75 m）、SPOT影像（2.5 m）、Pleiades影像（0.7 m）等。最初，由于分辨率的限制，沟长是最易从遥感影像中准确获取的形态参数，因此，沟壑密度（m/km2）成为评价侵蚀沟空间分异的重要指标[4,9,15]。高分遥感数据的出现，为精确提取侵蚀沟沟缘线提供条件，使得准确获取侵蚀沟面积等参数成为现实，因此，评价指标亦发展为沟壑裂度[16-19]。然而表征侵蚀沟形态的其他参数，如沟宽、周长、形状指数等，在东北黑土区已有的研究中未见报道。此外，漫川漫岗区和山地丘陵区是东北黑土两大典型地貌类型区，地形特征差异可能导致侵蚀沟形态及空间分布规律不同，而当前关于侵蚀沟的形态特征研究主要集中于漫川漫岗区[5,20-21]，对山地丘陵区鲜有报道。因此，分析东北黑土不同地貌区侵蚀沟空间分异规律，确定侵蚀沟易发区，对于侵蚀沟的防治具有重要意义。

按发展过程及形态变化，沟蚀的完整序列可分为细沟、浅沟、切沟和冲沟[22-23]，本研究中的侵蚀沟是指侵蚀严重的切沟和冲沟。选择漫川漫岗和山地丘陵2个典型黑土地貌类型区，基于高分遥感影像（QuickBird（0.61 m）、GeoEye-1（0.5 m）及Worldview2（0.5 m））和地形数据（ASTGTM2（30 m分辨率）），采用目视解译的方法提取侵蚀沟沟缘线，计算沟长、沟宽、周长和面积等形态参数值，结合变异系数、形状指数等分析侵蚀沟形态特征，探究地形因子影响下侵蚀沟形态参数的分异规律，为侵蚀沟治理和农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 遥感图像处理

分别选取位于东北黑土漫川漫岗的嫩江县（48.94°～49.06°N，125.23°～125.37°E）、克山县（47.89°～47.98°N，125.98°～126.12°E）和宾县（45.89°～46.01°N，126.97°～127.11°E），山地丘陵区的林口县（45.63°～45.72°N，130.02°～130.02°E）和穆棱市（44.57°～44.65°N，129.86°～129.98°E）的高分遥感影像为数据源(图1)，遥感影像数据类型分别为QuickBird（2.44 m，0.61 m）、GeoEye-1（1.65 m，0.5 m）和Worldview 2（1.8 m，0.5 m），影像拍摄时间分别为2011年10月、2010年11月、2002年4月、2012年2月和2010年10月。基于ERDAS 软件，将多光谱数据和全色波段数据按主成份分析法融合，以线性内插法重采样，再进行正射校正，最后得到分辨率为0.61 m和0.5m的真彩色图像，用于侵蚀沟沟缘线提取。所有图层数据采用横轴墨卡托投影和WGS84坐标。

注：Ι-1-1hw:大兴安岭山地水资源涵养生态维护区；Ι-1-2wt:大兴安岭山地丘陵生态维护保土区；Ι-2-1wn:三江平原-兴凯湖生态维护农田防护区；Ι-2-2hz:长白山山地水资源涵养减灾区；Ι-2-3st:长白山山地丘陵水质维护保土区；Ι-3-1t:东北漫川漫岗土壤保护区；Ι-4-1fn:松辽平原防沙农田防护区；Ι-5-1t:大兴安岭东南低山丘陵土壤保持区；Ι-6-1fw:呼伦贝尔丘陵平原防沙生态维护区

1.2 侵蚀沟形态参数提取及表征

目视解译法是提取侵蚀沟的一种常用方法，尽管其效率较低，但其易操作、高精度等特点，并未被基于像元[24]、对象[25]、场景[26]等分类方法的侵蚀沟自动提取方法所代替，仍被视为一种有效的方法被广泛应用。已有研究结果显示[27]，基于高分遥感影像（QuickBird，0.61 m）目视解译提取侵蚀沟（指切沟）沟长、面积、周长等参数时，沟长的平均绝对误差能控制在2个像元内，相对误差可控制在5%以内；沟缘线边界偏差大于1个像元的面积比例能控制在4%范围内；侵蚀沟规模越大，相对误差越小。本研究基于融合后的遥感影像，选择发育在农地上的侵蚀沟，其中，漫川漫岗区113条，山地丘陵区74条，采用目视解译法提取沟缘线，参考李镇等研究方法[27]，分别计算侵蚀沟的沟长（）、周长（）、面积（）等形态参数值（图1）；为了分析各侵蚀沟的沟宽变化，依据“断面法”确定各侵蚀沟断面的顶宽（W），其中，漫川漫岗区1130个断面，山地丘陵区740个断面，然后分别计算各侵蚀沟平均沟宽（）及断面顶宽的变异系数（），公式如下