蘇長芳

(朝陽縣水土保持監(jiān)督站，遼寧 朝陽 122000)

水土流失不僅集中反映我國各類生態(tài)問題，而且是制約社會(huì)健康發(fā)展與人類生存的關(guān)鍵性問題。在不同尺度條件水保措施的分布格局存在一定差異，主要體現(xiàn)在演變過程及其影響因子差異等方面[1]。目前，定量化半方差分析和自相關(guān)法為多尺度影響因子計(jì)算的常用手段，對于特定的尺度范圍這兩種手段無法準(zhǔn)確的獲取，僅僅對區(qū)域空間尺度具有一定的適用性[2]。實(shí)踐表明，小波分析法的自適應(yīng)平移與伸縮功能可從不同尺度細(xì)化分析信號，能夠從信號中有效提取信息，為突出局部特征信號利用信息變換功能來完成，在特征信息突變識別和分布范圍尺度分析等方面具有較強(qiáng)的實(shí)用性。傅麗華等[3]對樣地最為顯著的變化范圍和特征尺度利用一維小波變換法進(jìn)行計(jì)算分析；胡云峰等[4]對歸一化的地形、植被指數(shù)關(guān)鍵性因子的特征范圍利用相關(guān)分析和小波變化法進(jìn)行研究；陳江平等[5]采用小波分析法分析了武漢市兩個(gè)不同實(shí)際遙感影像的土地類型作用范圍，在宏觀和微觀兩個(gè)層面揭示了其主要影響因子。鑒于此，本文以遼寧省朝陽縣為例，對水保措施布局影響因子及其作用關(guān)系采用多尺度分析和統(tǒng)計(jì)量化法進(jìn)行研究。

1 區(qū)域概況

遼寧省朝陽縣位于遼西山地丘陵區(qū)，以山地為主，河流沖積，山脈縱貫，地形起伏，地勢特征呈自西北向東南逐漸降低的變化特征。屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四級分明、雨熱同期且日照充足。該區(qū)域降水集中且土層較薄，土壤抗蝕力差，保水保肥能力低，受流水侵蝕和斷裂控制作用坡度變化較大，加之人口密度大以及生產(chǎn)活動(dòng)頻繁極易發(fā)生水土流失，屬于國家水土保持重點(diǎn)治理區(qū)。近年來，為減輕當(dāng)?shù)厮亮魇顩r并改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，保障區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，水土保持部門開展了水土流失治理、坡耕地改造等工程措施[6- 10]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影響因子的選擇應(yīng)盡可能的遵循定量化、空間化、代表性、科學(xué)性等原則，綜合考慮數(shù)據(jù)的可靠性和各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)及自然因素。水保措施空間格局變化與自然環(huán)境因子密切相關(guān)，加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)難以獲取且可靠性差，所以本研究選擇自然環(huán)境作為重點(diǎn)研究因子。

大量實(shí)踐表明，遼寧省朝陽縣水保措施空間分布格局的演變與形成受居民點(diǎn)、道路、土地類型、植被覆蓋因子、水土流失強(qiáng)度及地形因子等直接或間接影響。各影響因子分析之前應(yīng)先對原始數(shù)據(jù)作如下處理：

(1)坡度。根據(jù)ArcGIS10.2的Slope函數(shù)和1∶1萬DEM模型數(shù)據(jù)計(jì)算坡度，結(jié)合坡度分級標(biāo)準(zhǔn)研究成果，將研究區(qū)坡度劃分為90°～35°、35°～25°、25°～15°、15°～8°、8°～5°、5°～0°分級。

(2)土地類型。對土地利用多時(shí)期TM/ETM遙感影像考慮采用基于分層分析提取法進(jìn)行識別判讀，從而提取各專題有效信息。然后拼接提取結(jié)果并評價(jià)分析其精度，將土地類型歸并為裸地、建設(shè)用地、疏林地、有林地、火燒跡地和農(nóng)用地6種不同的一級土地利用。

(3)植被覆蓋度。將多時(shí)期的遼寧省TM/ETM+遙感影響進(jìn)行大氣校正和幾何校正，采用土地類型圖、ERDAS軟件計(jì)算并切割NDVI圖，確定各類土地利用的概率分布及其在一定范圍內(nèi)的極值。對整個(gè)測區(qū)范圍的植被覆蓋度利用相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，生成5m×5m的蓋度土層。

(4)水土流失強(qiáng)度。根據(jù)USLE模型各因子參數(shù)及其計(jì)算方程確定在空間分布上朝陽縣土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其分為輕度、劇烈、中度、極強(qiáng)烈與強(qiáng)烈等級，對比分析計(jì)算結(jié)果確定強(qiáng)度分布。

(5)離最近道路的距離。對研究區(qū)內(nèi)的遙感影響按照灰度形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的切割，經(jīng)過二值計(jì)算處理確定道路基本輪廓，提取網(wǎng)絡(luò)并做成單獨(dú)圖層，其中網(wǎng)絡(luò)提取方法為線段特征匹配法。最后，將測區(qū)內(nèi)距離最近道路的各點(diǎn)距離利用ArcGIS10.2軟件確定。

(6)離村莊居民點(diǎn)距離。采用信息圖像多波段模型和TM影響提取光譜相近的地物，如居民點(diǎn)、道路等，根據(jù)不同的形態(tài)特征提取村莊居民點(diǎn)，并輸入相應(yīng)的圖層。將測區(qū)內(nèi)最近村莊居民點(diǎn)距離利用ArcGIS10.2軟件的Near工具確定。

(7)土壤可蝕性因子。參考遼寧省土壤可蝕性因子的已有研究成果和朝陽縣土壤類型分布圖，對朝陽縣不同的土壤類型賦予合適的K值并得到該因子的分布圖。

(8)勞動(dòng)力密度。依據(jù)地形特征和河流分布情況將研究區(qū)分為若干小流域，對每個(gè)小流域內(nèi)的面積、人口數(shù)結(jié)合生態(tài)建設(shè)規(guī)劃資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算確定單位面積上的人口數(shù)。

為解決各數(shù)據(jù)來源及其尺寸規(guī)模不同帶來的影響，有必要網(wǎng)格化處理初始數(shù)據(jù)。在ArcGIS軟件中設(shè)定矢量網(wǎng)格單元的空間分辨率為30m×30m，分別采用MATLAB編程和SPSS相關(guān)性分析軟件計(jì)算確定所有數(shù)據(jù)的小波方差，利用Excel2010完成標(biāo)準(zhǔn)化尺度-回歸系數(shù)圖和尺度-小波方差圖。

2.2 小波分析

2.2.1選取樣帶

空間分辨率為30m×30m的一個(gè)網(wǎng)格單元的6條樣帶沿經(jīng)線(120°10'～20°20')和緯線(41°16'～41°45')方向設(shè)置樣帶寬度，數(shù)據(jù)樣點(diǎn)按順序連續(xù)選取448、232、280、186、255、164個(gè)。將選取的樣帶作進(jìn)一步深入分析，朝陽縣水保措施主要分布在六家子鎮(zhèn)、瓦房子鎮(zhèn)、七道嶺鄉(xiāng)及王營子鄉(xiāng)等，在經(jīng)線、緯線方向上分別設(shè)置具有代表性和針對性的3條樣帶。即：樣帶1、2、3分別代表東大道鄉(xiāng)低山景觀、六家子鎮(zhèn)地貌景觀以及七道嶺鄉(xiāng)半山區(qū)景觀，樣帶5和4、6分別代表六家子鎮(zhèn)河谷盆地景觀與低山高丘景觀。

2.2.2小波尺度方差

在位置b、尺度a上信號f(n)的變換系數(shù)表示為W(a，b)，采用下式計(jì)算確定其小波尺度方差，即：

(1)

在小波分解已確定的情況下，方差反映了各數(shù)據(jù)小波系數(shù)離開平均位置的程度，可用于全局結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)分析。變異信號在所對應(yīng)的尺度下的特征強(qiáng)度可利用小波系數(shù)表征，結(jié)構(gòu)信息的豐富程度和小波方差的大小呈正相關(guān)性，即方差越大則信息豐富度越高，從而揭示監(jiān)測突變信息和特征尺度大小。所以，對于空間格局的特征尺度或研究尺度的選擇可借助小波尺度方差來確定。

2.3 多元統(tǒng)計(jì)分析方法

對水保措施布局影響顯著的因子運(yùn)用逐步回歸法進(jìn)行分析，其中回歸模型的建立主要是依據(jù)空間分布與水保措施較為密切的影響因子確定，其表達(dá)式如下：

Measurei，c=β+β1·Facti，1+
β2·Facti，2+…+βn·Facti，n

(2)

式中，Measurei，c—水保措施c在網(wǎng)格單元i中的面積占比；Facti，n—網(wǎng)格單元i中影響因子n的面積百分比或歸一化值；βn—標(biāo)準(zhǔn)化的影響因子n的回歸系數(shù)。

從簡便性和可靠性的角度分析，模型的解釋能力在更多的影響因子下并未得到顯著的提升。因此，影響因子或分量選擇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為顯著性水平為0.05，由此確定前9個(gè)貢獻(xiàn)率最大的因子作為逐步回歸分析結(jié)果。構(gòu)建不同作用范圍內(nèi)影響因子和某一類水土保持措施的回歸方程，其中各自變量對因變量的相對重要性利用標(biāo)準(zhǔn)化的回歸系數(shù)來衡量，從而確定水保措施空間分布與各影響因子的相對重要度及其影響范圍。

3 結(jié)果分析

3.1 特征尺度檢驗(yàn)分析

根據(jù)上述小波方差公式和小波細(xì)節(jié)系數(shù)提取方法對6條樣帶數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對朝陽縣各項(xiàng)水保措施在不同地理位置的變化特點(diǎn)及其空間格局特征尺度進(jìn)行檢驗(yàn)。設(shè)定s、var分別為特征尺度和方差值，則研究區(qū)各樣帶的方差變換曲線如圖1所示。

圖1 各樣帶的方差變化曲線

從圖1可以看出，小波方差變換曲線在徑線方向上的走勢保持較好的一致性，在單元移動(dòng)窗口中1～3樣帶的小波方差存在極大值。所以，水保措施空間格局的特征尺度即為方差局部極大值所對應(yīng)的尺度。隨后，因尺度上升形成信息合并從而引起小波方差突然變大，該段不屬于特征尺度。對于兩個(gè)及以上尺度的格局，尺度域即為所對應(yīng)的特征尺度，因此1～3樣帶在緯線方向上的水保措施分布的特征尺度域即為分辨率為30m的200～410m范圍內(nèi)的單元。

經(jīng)線上尺度特征存在于兩個(gè)范圍內(nèi)，這可能與朝陽縣境內(nèi)大凌河及其支流的流向相關(guān)，因獨(dú)特的地形使得地塊嚴(yán)重破碎，因此其特征信息在不同尺度上存在一定差異。因此，800～1200m和120～350m為經(jīng)線方向上朝陽縣各項(xiàng)水保措施的分布特征尺度[11]。

3.2 主要影響因子多尺度分析

設(shè)水土保持主要影響因子為coef，則不同聚合規(guī)模尺度上空間分布主要影響因子的標(biāo)準(zhǔn)化回歸如圖2所示。綜合考慮多尺度序列數(shù)據(jù)土層和研究區(qū)的面積范圍，設(shè)定特征尺度域?yàn)?40～410m。采用平均聚合法和空間分辨率為30m×30m的網(wǎng)格單元，生成以30m為尺度間隔的一系列410m×410m～140m×140m的數(shù)據(jù)土層，并用于多尺度計(jì)算分析。

3.2.1封禁措施多尺度分析

根據(jù)圖2(a)可知，封禁措施空間分布的重要因子主要有25°～35°范圍、植被覆蓋度為0.75、高植被覆蓋區(qū)、輕度求是率以及離居民點(diǎn)的距離，且隨著尺度的增大其重要性程度逐漸提升；擬合的標(biāo)準(zhǔn)化歸回系數(shù)在封禁措施與小于30%植被覆蓋度之間為負(fù)，而且1.00～0.75范圍為正，可見封禁措施適用于1.00～0.75之間，封禁措施的實(shí)施在小于0.3植被覆蓋度條件下的抑制作用較為強(qiáng)烈；封禁措施的空間分布在35°～25°之間受坡度因子的影響最為顯著，且在研究尺度區(qū)間內(nèi)較為穩(wěn)定，擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)在封禁措施與離村莊居民點(diǎn)的距離因子之間為正，可見封禁措施的適宜性隨距離居民點(diǎn)距離的增大而增加，可在一定程度上降低生態(tài)環(huán)境受人為因素的影響[12]。

從回歸系數(shù)正負(fù)、大小的角度分析，離村莊居民點(diǎn)較遠(yuǎn)、植被生長良好、中度流失且立地條件較好區(qū)、植被覆蓋度大于0.75以及輕度流失為封禁措施空間分布的適宜地區(qū)。

3.2.2低效林改造措施多尺度分析

根據(jù)圖2(b)可知，該措施空間分布的重要因子主要有土壤可蝕性因子和中度水土流失，且隨著尺度的增大其影響程度呈波動(dòng)上升的變化趨勢；隨著尺度的增大，在特征尺度域內(nèi)低植被覆蓋區(qū)土地利用的影響程度趨于穩(wěn)定；低效林改造措施在植被覆蓋度為0.60～0.45、坡度為25°～15°范圍內(nèi)的受影響程度較大，且隨著尺度的增大其影響程度逐漸達(dá)到穩(wěn)定[13]。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，中度流失且立地條件差和強(qiáng)度流失且立地條件好的區(qū)域?yàn)榈托Я指脑齑胧?shí)施的適用范圍；在林草覆蓋度在0.60～0.45區(qū)間

圖2 不同聚合規(guī)模尺度上影響因子的回歸系數(shù)

內(nèi)可有效防止土壤侵蝕，其坡度適宜范圍在25°～15°之間。

3.2.3經(jīng)濟(jì)果林措施多尺度分析

根據(jù)圖2(c)可知，經(jīng)濟(jì)林果措施空間分布的重要因子主要有離最近道路距離、0.60～0.75植被覆蓋度、輕度水土流失以及農(nóng)村勞動(dòng)力密度，且隨著尺度的增大其影響程度呈波動(dòng)上升的變化趨勢；隨著研究尺度的增大，在特征尺度域內(nèi)5°～8°坡度因子及低植被覆蓋區(qū)因子的影響程度逐漸增大并趨于平穩(wěn)。

從擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的正負(fù)、大小的角度分析，坡度為5°～8°的緩坡區(qū)和輕中度水土流失區(qū)為經(jīng)濟(jì)林果空間分布的適宜地區(qū)，對于該項(xiàng)措施的實(shí)行要求具有較大的勞動(dòng)力密度和便利的交通條件；經(jīng)濟(jì)林果措施適用于低植被覆蓋區(qū)，可提升林草覆蓋率和土壤養(yǎng)分保持能力[12]。

3.2.4生態(tài)林草措施多尺度分析

根據(jù)圖2(d)可知，生態(tài)林草措施空間分布的重要因子主要有低植被覆蓋的土地類型、15°～25°坡度以及強(qiáng)烈水土流失，且隨著研究尺度的增大其影響程度呈現(xiàn)出快速增大的變化特征；生態(tài)林草空間分布還受低于0.30植被覆蓋度因子的影響，且隨著尺度的增大其影響程度逐漸達(dá)到平穩(wěn)[14]。

從擬合的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的正負(fù)、大小的角度分析，劇烈、極強(qiáng)烈以及強(qiáng)烈水土流失區(qū)為朝陽縣生態(tài)林措施空間分布的適宜地區(qū)，且在15°～25°坡度區(qū)具有更加的使用條件；砂石地、火燒跡地和疏林地等為小于30%植被覆蓋度水土流失的主要地塊[15]。

4 結(jié)論

(1)本文通過構(gòu)建多元回歸模型，揭示了隨研究尺度變化水保措施主要影響因子的變化特征，探討了各影響因子在不同作用區(qū)間內(nèi)與水保措施之間的關(guān)系。根據(jù)研究尺度變化特征和標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，水保措施的不同其影響因子的區(qū)間范圍存在一定差異，由此可反映主要影響因子對不同水保措施的作用范圍。

(2)對于給定變量的解釋受分析尺度差異的影響，任何解釋必須以研究尺度為基本前提。因此，對空間分布格局特征尺度的識別分析不僅考慮了研究尺度結(jié)構(gòu)信息的豐富性，而且有效解決了個(gè)人隨意性對尺度選取的影響。為便于在特征尺度范圍內(nèi)研究隨尺度的增大水保措施空間分布主要因子的變化特征，將空間分辨率為30m×30m的網(wǎng)格單元聚合生成大尺度序列數(shù)據(jù)；為了衡量各變量之間在多元線性回歸中的相對重要性引入標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，可直觀的判定適宜水保措施的作用范圍及其關(guān)鍵性影響因子。

(3)由于特征尺度域研究區(qū)間相對較小，所以隨著特征尺度的變化影響因子及其回歸系數(shù)的波動(dòng)程度較小，在大中尺度范圍內(nèi)無法宏觀的把控水保措施空間分布的主要因子及其變化規(guī)律。