基于RS+GIS的粤港澳大湾区水土流失时空演变分析

廖小龙，姜欣彤，李金明，于百顺

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.水利部 水利水电规划设计总院，北京 100120)

粤港澳大湾区是继纽约湾区、旧金山湾区、东京湾区之后的世界第四大湾区，随着“9+2”粤港澳城市群互联互通格局的构建，迅速的城市化发展也为粤港澳大湾区的生态环境建设和维护提出了更高的要求[1]。党中央、国务院高度重视粤港澳大湾区建设，2019年2月印发的《粤港澳大湾区发展规划纲要》明确了粤港澳大湾区建设的五大战略定位，并提出了建设国际一流湾区，打造高质量发展典范的目标，对强化水资源安全保障、推进水生态文明建设等提出了明确要求。

水土流失是我国最严重的环境问题之一，不仅对我国生态安全、粮食安全和防洪安全造成威胁，而且制约着经济社会的可持续发展[2]。分析水土流失发展趋势和变化规律是水土保持各项工作的基础，对于进一步加强水土保持监管、贯彻落实国家生态文明建设决策与部署具有重要意义[3]。传统的水土流失监测点监测方法耗时多、周期长，无法对大范围的水土流失类型、强度、分布和变化等情况实施监控，给水土保持工作带来了诸多不便。随着“3S”技术的迅速发展，RS与GIS相结合的水土流失监测方法相比传统监测方法，可以更精确便捷地对水土流失时空演变进行有效分析[4-5]。因此，本研究采用RS与GIS相结合的水土流失监测方法，探究粤港澳大湾区核心城市近20年来水土流失面积的演变过程，并对影响水土流失的主要因子进行时空演变分析，以期对粤港澳大湾区水土流失预防和治理工作提供技术支撑和理论依据。

1 研究区域概况

粤港澳大湾区(图1)位于北纬21°25′～24°30′、东经111°12′～115°35′E，其城市群由广州、深圳、珠海、佛山、东莞、中山、惠州、江门、肇庆9个市和香港、澳门2个特别行政区组成，地处珠江下游，区域面积5.5万 km2；属南亚热带海洋性季风气候区，年均气温22 ℃左右，夏季多雨且台风频繁，冬季冷暖变化无常；属南方红壤丘陵区，典型地带性土壤为红壤、赤红壤和砖红壤，土壤抗蚀性较差，存在较为严重的水土流失现象[6]，尤其东莞、佛山、广州(除从化和增城外)位于广东省国家级水土流失重点防治区——东南沿海开发监督区[7]，水土流失面积大、范围广，面蚀、沟蚀及花岗岩风化壳发育的崩岗等对土地资源造成极大破坏；2017 年末常住人口约6 956.93 万人，地区生产总值为10.18万亿元，折合1.6 万亿美元，位列四大湾区第二位，仅次于东京湾区的1.8 万亿美元[8]。本研究以粤港澳大湾区9个市为研究范围。

图1 研究区域边界

2 数据资料与技术路线

2.1 数据来源

选用300 m精度的土地利用(LUCC)遥感监测数据，时间选取2000、2005、2010、2015、2018年共五期，数据来源于欧洲航天局(European Space Agency)；250 m精度数字高程数据(DEM)，来源于中科院地理科学与资源研究所；所用归一化植被指数(NDVI)数据来自美国NASA航天中心发布的2000—2018年MOD13Q1产品，轨道号为h28v06，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m。为使不同数据源保持精度一致，将NDVI和DEM数据重采样至300 m精度。

2.2 技术路线

本研究基于RS+GIS技术，采用全数字化工作流程，充分利用遥感影像解译、植被覆盖度反演、地形坡度因子计算、多因子空间叠加分析等技术，利用多因子综合判别法，完成水土流失强度分级，分析粤港澳大湾区水土流失状况，技术路线见图2。

图2 水土流失遥感监测流程

3 遥感分析方法

3.1 土壤侵蚀等级划分

根据土壤侵蚀类型划分区域，广东省所属区域为岭南平原丘陵区，水土流失以水力侵蚀为主。因此，基于《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)中的水力侵蚀分级模型进行粤港澳大湾区土壤侵蚀等级划分。

3.2 地形坡度提取

对DEM进行slope分析提取坡度，并按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)中的坡度等级进行重分类，将粤港澳大湾区坡度划分为平地(0～5°)、缓坡(5°～8°)、中等坡(8°～15°)、较陡坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)和极陡坡(>35°)6级。

3.3 植被覆盖度反演

根据MODIS遥感影像进行植被覆盖度反演。首先，利用MRT(MODIS Reprojection Tool)技术及MVC(Max Value Composition)方法对MOD13Q1遥感数据产品进行处理，得到NDVI值。然后，通过MRT技术对遥感影像进行拼接和重投影处理，并提取NDVI波段，利用栅格计算工具将原始NDVI资料从-10 000～10 000的浮点数转化为-1～1之间的标准值。本研究在计算时只考虑有植被覆盖的区域，因此将栅格中河流、湖泊、岩石和裸土等NDVI值小于0的像元设置为空值以剔除非植被覆盖区域。本研究利用MVC进行月最大值合成作为月NDVI值，再对月NDVI值进行最大值合成作为年NDVI值。基于像元二分模型利用植被指数估算植被覆盖度[9]，计算公式为

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg为完全被植被覆盖区域的NDVI值。

3.4 土地利用类型转移分析

影响水土流失的主要因子有土地利用类型、植被覆盖度、地形、降雨侵蚀力和土壤可蚀性等。由于地形、降雨侵蚀力和土壤侵蚀性在短期内变化非常小，所以当前水土流失动态监测的重点内容是土地利用类型和植被覆盖度[10]。本研究对粤港澳大湾区2000年以来的植被覆盖度时空演变进行分析，选取2000年作为研究初期，2018年作为研究末期进行土地利用转移矩阵分析。土地利用转移矩阵能反映在研究时段内初期和末期各地类相互转化的动态过程，包括各地类相互转化的面积及转化方向[11]。

4 研究成果与分析

4.1 土壤侵蚀面积变化

基于上述方法，计算得到2000、2005、2010、2015、2018年粤港澳大湾区各等级土壤侵蚀空间分布(图3)和核心城市土壤侵蚀面积(图4)。

图3 2000、2005、2010、2015、2018年粤港澳大湾区各等级土壤侵蚀空间分布

图4 2000、2005、2010、2015、2018年粤港澳大湾区核心城市土壤侵蚀面积变化

(1)从土壤侵蚀面积变化来看，总体上近20年来粤港澳大湾区土壤侵蚀面积呈减少趋势，总面积从2000年的23 820.63 km2下降到2018年的18 420.20 km2，减少率为300.02 km2/a，土壤侵蚀面积占国土面积比例由43.3%减小到33.5%；各市中，珠海、中山、肇庆水土流失状况较轻，江门、深圳、惠州水土流失状况较严重。

(2)从土壤侵蚀强度等级变化情况来看，总体上近20年来粤港澳大湾区各强度土壤侵蚀面积均呈减少趋势，其中中度和轻度侵蚀减少明显，中度侵蚀占国土面积比例由12.90%减小到7.13%，轻度侵蚀由7.14%减小到4.65%；各市各侵蚀强度土壤侵蚀面积均呈减少趋势，只有深圳的剧烈侵蚀面积有少量增加。

4.2 地形坡度分析

地形坡度等级划分结果表明，粤港澳大湾区平地、缓坡、中等坡、较陡坡、陡坡、极陡坡面积分别占土地总面积的16.23%、7.92%、11.63%、7.32%、9.8%、47.1%。空间分布上，陡坡集中分布在大湾区东北部和西北部非城镇中心区域，珠三角地区地形相对平坦。坡度对侵蚀强度影响较大，陡坡区域水土流失较强烈。

4.3 植被覆盖度变化

统计2000、2005、2010、2015、2018年粤港澳大湾区各市植被覆盖度变化情况，见图5。

图5 2000、2005、2010、2015、2018年粤港澳大湾区核心城市植被覆盖度变化

(1)从总体上看，近20年来粤港澳大湾区整体植被覆盖度呈现增加趋势，从2000年的61.68%增加到2018年的65.54%。

(2)在各市中，绝大多数城市植被覆盖度在2015年前呈显著增加趋势，但在2015年后有略微下降的趋势。其中，肇庆、惠州、江门的植被覆盖度相对较高，2018年植被覆盖度均达到75%以上；佛山、中山、东莞的植被覆盖度相对较低，2018年植被覆盖度不超过55%。从增长率来看，深圳市的植被覆盖度增长速率最快，平均增长率为43.22%/a；其次是江门市，增长率为33.72%/a；中山和珠海两市植被覆盖度增长率为负值，分别为-24.67%/a和-5.06%/a。

4.4 土地利用转移变化

对2000—2018年粤港澳大湾区土地利用进行转移矩阵分析，结果见表1。

表1 2000—2018年粤港澳大湾区土地利用转移矩阵 km2

(1)主要土地利用类型有耕地、林地、草地、灌木林地、湿地、水域、建筑地和裸地(按照欧航局LUCC数据说明上分类标准划分)，其中：占比最高的类型为耕地，占土地总面积的42.15%(2018年)；其次是林地，占土地总面积的36.07%(2018年)。

(2)近20年来耕地与草地面积均有大幅减少，减少面积占土地总面积比例分别为6.35%、1.30%；建筑地面积大幅度增加，增加面积占土地总面积比例为7.91%。

(3)不同土地利用类型之间有相互转化。耕地和草地主要转换为建筑地，转化面积分别为3 472、721 km2；一部分林地向耕地和灌木林地转化，转化面积分别为504、473 km2；湿地、水域、裸地等均不同程度地向建筑地转化。

5 结 论

基于RS+GIS技术，利用多因子综合判别法，以土地利用类型图、数字高程图、MODIS遥感影像作为数据源，以《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)作为技术依据，对粤港澳大湾区9个市进行水土流失计算分析，得到主要结论如下：

(1)水土流失方面，近20年来粤港澳大湾区各地级市水土流失均得到明显改善，各程度土壤侵蚀面积均呈减少趋势。各市中，珠海、中山、肇庆水土流失状况较轻，江门、深圳、惠州水土流失状况较严重。

(2)植被覆盖度方面，近20年来粤港澳大湾区各地级市植被覆盖度均呈增加趋势。各市中，肇庆、惠州、江门的植被覆盖度相对较高，佛山、中山、东莞的植被覆盖度相对较低，深圳市的植被覆盖度增长最快。

(3)土地利用转移方面，近20年来粤港澳大湾区耕地与草地面积均有明显减少，建筑地面积则大幅增加。多数土地利用类型的主要转化方向为建筑地，一部分林地向耕地和灌木林地转化。

(4)造成粤港澳大湾区水土流失的主要原因可归结为自然因素和人为因素，其中自然因素如山区、丘陵面积大，地形起伏大，土层较浅薄，蓄水保土能力差等；人为因素主要是城市化建设和开发区建设等毁林开垦导致了严重的水土流失。进一步分析认为，近20年来粤港澳大湾区水土流失得到改善的主要原因是植被覆盖度的增加，而土地利用类型的改变并非主要原因。