基于SOFM神经网络的湖南省水土流失重点防治区划分

宋 楠

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

湖南省水土流失重点防治区划分是湖南省水土保持规划的核心内容，也是落实《中华人民共和国水土保持法》和《湖南省实施〈中华人民共和国水土保持法〉办法》的重要举措[1]。水土流失的发生及其防治是一个动态变化的过程，反应水土流失重点区域的水土流失重点防治区也应随之调整[2]。为满足新形势下湖南省水土保持工作的需求，亟需开展境内重点防治区的划分工作。

近年来，越来越多的专家学者从不同角度对重点防治区划分进行深入研究，其内容主要包含指标体系的构建和指标阈值的确定[3- 5]。现阶段我国不同省区在水土流失重点防治区划分过程中，由于自然社会条件相差各异，其划分指标不尽相同[6- 13]，本次划分根据湖南省的自然社会条件，提出了湖南省水土流失重点防治区划分指标体系。当前省域水土流失重点防治区划分主要是定性指标与定量指标相结合，但以定性为主划分，少量定量指标也多是人为判读，存在很大的主观性，划分过程科学性、客观性还存在一定不足[14- 15]。因此，为提高湖南省水土保持规划划分水土流失重点防治区的定量化水平，本次划分创新的运用SOFM神经网络法进行了指标阈值的确定。

1 研究区概况

湖南省地处我国中部、长江中游地区，是长江中下游地区水土流失较为严重的省份之一。侵蚀类型以水蚀为主，部分地区存在滑坡、泥石流等重力侵蚀。根据湖南省第三次土壤侵蚀遥感调查数据，全省现有轻度以上土壤侵蚀面积37357.47km2，占全省土地总面积的17.63%。其中，轻度侵蚀面积25498.07km2，中度侵蚀面积9337.44km2，强烈侵蚀面积1298.02km2，极强烈侵蚀面积925.89km2，剧烈侵蚀面积298.05km2。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本研究涉及有水土流失现状、土地利用、地形坡度、坡耕地分布、植被覆盖度等数据。其中，水土流失数据采用湖南省水土保持监测总站2015年发布的湖南省第三次土壤侵蚀遥感监测数据；土地利用数据采用2015年湖南省第二次土地调查数据。同时，运用ArcGIS软件空间分析功能，基于数字高程模型DEM数据生成湖南省坡度以及坡耕地空间分布图，并计算出各乡镇坡度和坡耕地面积比；使用湖南省TM影像，获得本次划分所需要的植被覆盖和植被类型数据，并计算出各乡镇森林覆盖率。

2.2 技术路线

湖南省水土流失重点防治区划分技术路线详如图1所示。

图1 湖南省水土流失重点防治区划分技术路线图

2.3 划分方法

2.3.1水土流失重点防治区划分指标体系

湖南省划分水土流失重点防治区的指标体系是在国家级水土流失重点防治区划分的基础上，从水土保持学科和行业特点出发，结合湖南省实际情况进一步细化确定，包括定性指标与定量指标。

(1)重点预防区划分指标体系

定性指标：①是否涉及湘、资、沅、澧四水及其他江河源头；②是否涉及国家级和省级的自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、重要湿地、城市群生态绿心地区等生态功能区及国家级蓄滞洪区；③是否涉及25°以上的陡坡地和20°以上的风化花岗岩、紫色砂页岩、红砂岩、泥质页岩坡。

定量指标：①集中连片面积；②森林覆盖率。

划分标准：定性指标中满足任意一项均可划入水土流失重点预防区，定量指标中①～②项需同时满足方可划入水土流失重点预防区。

(2)重点治理区划分指标体系

定性指标：①水土流失危害程度；②水土流失治理紧迫性。

定量指标：①集中连片面积；②水土流失面积比；③中度以上水土流失面积比；④坡耕地面积比。

划分标准：符合定性因素中的任意一项，并同时满足定量指标中①～③项或第④项的方可划入省级水土流失重点治理区。

2.3.2基于SOFM的指标阈值确定

指标阈值的确定是将准备好的重点预防区与治理区划分定量指标数据导入MatLab7.0中运行，运行SOFM神经网络程序进行自动分类，从而得出具体的指标阈值，见表1。

表1 基于SOFM的水土流失重点防治区划分定量指标阈值确定

3 划分结果与分析

根据确定的水土流失重点防治区划分指标体系和定量指标阈值，基于GIS平台开展多因子空间叠置分析，得出基于SOFM的水土流失重点防治区定量划分方案，随后根据定性指标进行数据修正，得出最终的湖南省水土流失重点防治区划分成果。

3.1 湖南省水土流失重点预防区划分结果

根据划分成果，湖南省共划定6个省级水土流失重点预防区，涉及45个县(其中含重复县市区8个)，重点预防面积16193.53km2，详见表2。

3.2 湖南省水土流失重点治理区划分结果

根据划分成果，全省共划定5个省级水土流失重点治理区，涉及37个县(其中含重复县市区18个)，重点治理面积10686.63km2，详见表3。

表2 湖南省省级水土流失重点预防区划分结果表

3.3 湖南省水土流失重点防治区划分情况汇总

涉及湖南省的国家级水土流失重点防治面积为14749.69km2，其中国家级重点预防面积7164.24km2，国家级重点治理面积7585.45km2；本次省级水土流失重点防治面积为26880.16km2，其中省级重点预防面积16193.53km2，省级重点治理面积10686.63km2。共计重点防治总面积41629.85km2，占全省国土总面积的19.65%。

4 结论

本研究确定了湖南省水土流失重点防治区划分指标体系，并创新的选用SOFM方法进行指标阈值的确定，提高了划分结果的客观性和准确性。划分方法为湖南省各市县区和正处于探索阶段的其他省份开展水土流失重点防治区划分工作提供了借鉴和参考，划分成果为《湖南省水土保持规划》的编制和指导全省水土保持生态建设工作奠定了重要的基础。

表3 湖南省省级水土流失重点治理区划分结果表