水土流失动态监测方法研究

陈 曜 黄伟军 刘 飞

(1.四川省水土保持环境监测总站，四川 成都 610041；2.成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106；3.四川测绘地理信息局测绘技术服务中心，四川 成都 610081)

1 引 言

水土保持是生态文明建设的重要内容，更是生态环境的压舱石。开展水土流失动态监测工作就是逐年对监测区域内水土流失面积、强度和分布情况进行监测，通过监测资料的积累和分析，实现区域水土保持生态安全预警，从而合理制定区域水土保持措施，为促进经济社会可持续发展提供基础性支撑。

为做好全国水土流失动态监测工作，水利部办公厅在2018年8月印发了《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》，对总则、术语及定义、基本规定、遥感解译与信息提取、水力侵蚀定量计算与分析、风力侵蚀定量计算与分析、冻融侵蚀强度评价与分析和监测结果汇总与成果管理8个方面的技术细节作了要求。各地尝试按照该规定探索适合自己特点的监测方法和流程。四川省2018年确定对92个省级重点县开展水土流失动态监测工作，监测面积共计136028km2，监测内容只针对水力侵蚀，不包括风力侵蚀和冻融侵蚀。在此项工作的开展过程中，四川省尝试将地理国情监测成果引入到水土流失动态监测工作中，研究形成了一整套的技术路线和工作模式，缩短了工作时间，提高了数据成果精度，取得了良好的成效，具有一定的借鉴意义。

2 水土流失动态监测评价模型

国内对区域水土流失的动态监测与评价模型的研究已经开展了相当长的时间，并逐步形成了比较成熟的技术体系与规程。在水土流失动态监测评价中，一般将其工作步骤分为五个部分[1]：资料收集与预处理、参数获取与更新、参数校核与计算、数据分析、成果整编。资料收集与预处理主要对基础地理信息数据、地理国情监测成果、高分辨率遥感影像数据、土壤数据、气象数据、地形数据和水土保持治理等相关资料进行汇总和整理。参数获取与更新主要针对整理的数据，按照模型参数提取方法分别提取水土流失7因子的参数值。7因子来源于中国土壤流失方程(CSLE)[2]，其基本形式如下：

A=RKLSBET

(1)

式中A——土壤水蚀模数，t/(hm2·a)；

R——降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；

K——土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；

L——坡长因子；

S——坡度因子；

B——植被覆盖与生物措施因子；

E——工程措施因子；

T——耕作措施因子。

该模型的参数校核与计算主要通过对各大区域需要评价的行政县，每年随机选取1个基本调查单元(1km×1km)，对单元内提取出的7个水土流失因子值进行现场复核，根据复核成果对参数进行修订，并将修订参数代入中国土壤流失方程得到区域内年度水土流失数据。水土流失年度动态监测主要通过计算区域内每个监测年度的水土流失数据，并对比相邻年度数据，得到水土流失消长变化情况，分析引起变化的原因，并统计侵蚀强度等级的变化数据。由于2018年为开展水土流失年度动态监测的起始年，因此将2018年度成果与2011年全国水利普查水土保持成果数据进行对比，可以分析水土流失变化情况。

CSLE方程是一个经验公式，参数提取质量的好坏决定了最终动态监测评价的成败。鉴于地理国情监测成果的特点，可以应用于地表覆被类型、坡度和坡长因子的获取与更新上，对水土保持动态监测起着非常重要的支撑作用。地理国情监测成果目前由自然资源部门负责，是利用3S(GNSS、RS、GIS)等现代测绘技术，综合存档测绘资料，对地形、地貌、水系、地表覆盖等要素进行的年度动态测定。成果资料可以较为准确地反映出年度区域内各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布，是目前国内官方提供的，权威性反映一个地区地理特性的基础性成果。将地理国情监测成果引入到水土流失动态监测的分析计算中，一方面有利于确保不同部门对区域内资源环境分析的基础资料的统一性，另一方面避免了水保监测部门重复性工作，提高了效率，节约了投资。

3 四川省水土流失动态监测的实践

水土流失动态监测工作使用到的地理国情数据主要包括高分辨率遥感影像数据、地表覆盖数据、地形地貌数据以及水系、道路等地理要素数据。按照《区域水土流失动态监测技术规定》中的要求，首先需要建立地表覆盖数据与土地利用分类数据间的对应转换关系，其次利用高分辨率遥感影像对城镇和农村建设用地进行遥感解译，并将土地利用图斑和水土保持措施类型面状图斑数据进行叠加分析，提取土壤侵蚀地块图斑数据，最后还需要编制野外验证工作图，采取抽样调查的方式对解译成果进行实地验证。另外，利用地理国情普查(监测)数据DEM提取坡度坡长因子；利用水系、道路、行政驻地等地理国情要素数据进行土地利用、绘制土壤侵蚀等专题图。

3.1 对应转换关系建立

在四川省水土流失动态监测分析解译中，以县级行政区为单位，最小采集图斑面积为400m2，以2017年基础性地理国情项目地表覆盖数据(UV_LCA)为基础，以土地利用分类为目标，建立地表覆盖数据与土地利用分类数据间的对应转换关系[3]，见表1。其中，对于城市和农村建设用地，需要重新按照水土流失动态监测要求进行解译；因本次开展水土流失动态监测使用的行政区划边界为1∶100万数据，与地理国情普查的数据边界之间存在差异，需要对边界地区进行修补测，确保土地利用数据全覆盖。以土地利用数据为基础，进行B因子的计算。

表1 土地利用与地理国情数据对应关系

续表一 级 类二 级 类编码名称编码名称含 义地理国情数据分类地理国情数据分类代码4草地 指生长草本植物为主的土地 41天然牧草地 指以天然草本植物为主,用于放牧或割草的草地天然草地039042人工牧草地 指人工种植牧草的草地人工草地03A043其他草地 指树木郁闭度<0.1,表层为土质,生长草本植物为主,不用于畜牧业的草地稀疏灌草丛03805建设用地51城镇建设用地 指城镇用于生活居住的各类房屋用地及其附属设施用地、商业、服务业、机关团体、新闻出版、科教文卫、公共设施及与这些用地相连或邻近的工业生产储藏等用地52农村建设用地 指农村用于生活居住的宅基地、村中道路、商店、养殖设施、空地、其他公用设施等53采矿用地 指采矿、采石、采砂(沙)场、砖瓦窑等地面生产用地,排土(石)及矿堆放地等54其他建设用地 指孤立于城镇或村庄等工业生产、物资存放场所、盐田用地;独立于城镇或村庄的军事设施、涉外、宗教、监教、殡葬、风景名胜等用地;独立于城镇或村庄的设施农用地等房屋建筑(城镇)0500硬化地表(除去露天堆放场)0710(除去0717)城墙0740固化池0760工业设施0770其他构筑物0790房屋建筑(农村)0500硬化地表(除去露天堆放场)0710(除去0717)城墙0740固化池0760工业设施0770其他构筑物0790露天堆放场0717露天采掘场0810(包含三级类)堆放物0820(包含三级类)建筑工地(在建建筑用地)0830其他人工堆掘地0890无无6交通运输用地 指用于运输通行的地面线路、场站等的土地,包括民用机场、汽车客货运场站、港口、码头、地面运输管道和各种道路及轨道交通用地61农村道路 宽度≥1m、≤8m,用于村间、田间交通运输,并在国家公路网络体系之外,以服务于农业生产为主要用途的道路(含机耕道)无无62其他交通用地 除“农村道路”以外的所有交通运输用地铁路与道路0600

3.2 土壤侵蚀地块提取

土壤侵蚀地块是指土地利用类型一致、水土保持措施相同、空间上连续的范围或地块，是水土流失的基本空间单元。将地理国情数据转换获取的土地利用图斑和水保监测部门多年积累的水土保持措施类型面状图斑的图层数据进行叠加分析，就可以提取出区域内土壤侵蚀地块图斑数据，每个图斑对应相应的属性表，属性表内容详见表2。

表2 土壤侵蚀地块属性

在土壤侵蚀地块信息提取工作中，主要是完成表2填写。表中，地块是指土地利用类型相同、水土保持措施相同的连续空间范围，按照解译顺序填写编号。土地利用名称和代码按表1中土地利用分类填写，其中耕地无法区分水田、水浇地和旱地时归为旱地；园地无法区分果园、茶园或其他园地时归为果园；草地无法区分天然牧草地、人工牧草地和其他草地时，归为天然牧草地。建设用地和交通运输用地能区分为在建项目的，在备注栏中填写“在建”。生物措施名称和代码依据土地利用类别判断：如果是园地，名称填写“经果林”；耕地中如能识别农田防护林、植物篱和草水路则名称分别填写“农田防护林”“植物篱”“草水路”，否则不填写；交通运输用地如能识别四旁林和植物护坡，则填写名称和代码，否则不填写；其他各种生物措施均针对林地和草地，如果是林地，首先判断是否人工种植，是填写“造林”，否再判断是否为生态恢复林，是填写，否不填写；如果是草地，先判断有无围栏封育，有填写“封育”，否则再判断是否生态恢复草地，是填写，否不填写。轮牧针对西藏、青海、新疆、内蒙古等省(自治区)的草场，有填写，无不填写。工程措施名称和代码填写梯田或水平阶及其代码。耕作措施名称、代码和轮作区代码，当土地利用为耕地时，按《全国轮作区名称及代码》查表填写所属轮作区的代码。变化及变化前代码为2018年为监测起始年。

3.3 坡度坡长因子提取计算

地形因子S、L的计算方法是基于水往低处流的原理，用水土流失定量遥感监测模型中坡度坡长专制算式软件逐个计算每个像元的水流方向，提取出S、L因子。

其计算公式如下：

坡长因子计算公式为

(2)

式中λi、λi-1——第i个和第i-1个坡段的坡长,m；

m——坡长指数，随坡度而变。

(3)

坡度因子计算公式为

(4)

其中，对于林地、草地覆盖区域，坡度因子S计算公式如下：

(5)

式中S——坡度因子(无量纲)；

θ——坡度，(°)。

使用地理国情数据可以对原始1∶1万DEM分幅数据进行镶嵌处理，将DEM、矢量县界和林草覆盖数据导入程序进行计算。为此，四川在省级92个县水土流失动态分析时，编制完成了应用程序，可以实现对原始DEM的填洼处理，并使用式(2)、式(3)直接计算出坡度坡长因子。计算程度界面如图1所示。

图1 坡度因子计算应用程序界面

3.4 野外验证工作图

水利部下发的《区域水土流失动态监测技术规定》中要求野外验证的内容包括解译标志检验和补充、专题信息验证、解译中疑难点解决、现场调查复核等工作。具体采用抽样调查的方法进行验证。因此需要将地理国情数据图斑和水土保持措施图斑进行整合，制作出野外工作图。

3.4.1 统一坐标系统

四川在省级动态监测工作中统一采用2000国家大地坐标系，1985国家高程基准，正轴等面积割圆锥投影(Albers投影)方式，中央经线为102°E，标准纬线为26°N和37°N的标准。

3.4.2 水土保持措施图斑提取

水土保持措施图斑作为单独图层叠加于地理国情电子地图上。其来源有两类，一类是各级政府批复的生态治理和生产建设项目中的各种治理措施图斑；第二类是通过遥感影像解译得到的图斑。具体制作中将第一类资料(生态治理和生产建设项目)的各种水土保持措施数据根据点状、线状、面状三种类型进行分类，并分别建立对应的措施图斑数据。同时将第二类数据，即遥感解译提取出的水土保持措施图斑补充进对应类型的图斑中，从而得到水土保持措施图斑数据。

3.4.3 工作底图及表格制作

以土地利用数据为例，制作野外验证底图，见图2。

图2 土地利用图斑野外核查工作底图

与验证图相对应，建立野外验证工作表，见表3。

表3 野外验证工作表

通过野外验证后，对解译成果可以进一步修订，最后保障计算分析成果的准确性和可用性。

3.5 水土保持动态监测成果

四川省共计183个监测区(县、区)，监测面积491718km2，四川省水土保持生态环境监测总站完成其中92个省级水土流失重点防治区的监测工作，另外的91个国家级水土流失重点防治区的监测由长江水利委员会长江流域水土保持监测中心完成，最终两部分监测数据统一交由水利部水保监测中心进行整编并审查后下发。根据2018年全国水土流失动态监测成果，四川省水土流失面积(不含冻融)为112946.68km2，含冻融为157311.59km2，与2011年全国第一次水利普查水土保持情况普查成果(121042.05km2)相比，全省水土流失面积减少8095.37km2，减幅为6.69%。

4 结 语

从应用的成效来看，评价成果能够较为准确地反映一个区域水土流失情况的变化及其发展趋势，对区域生态环境保护和经济政策的制定有较强的支撑作用。在应用的过程中也有一些需要进一步研究和探讨的问题。首先，人类生产生活活动的影响是区域水土流失变化的重要诱因，特别是大型生产建设项目开发中引起的水土流失，通过地理国情数据还不能充分反映。其次，水土保持工程措施由于一般范围较小，对遥感图像的精度要求较高，通过卫星遥感实现成本较高，使用无人机进行复核目前还处于起步阶段。再次，区域动态水土流失监测是一个连续过程，需要多部门多学科结合，急需建立和完善动态监测技术体系和管理体系以确保动态监测工作的科学有序地持续开展，如充分运用大数据、物联网、移动互联、人工智能等新一代信息技术，强化信息技术与动态监测深度融合，构筑一体化、主动感知的监测监视网络和多源基础数据库汇集中心，开发更加强大的应用系统。