楊章泉

（上饒市科信水土保持監(jiān)測有限公司，江西 上饒 334000）

0 引 言

隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)及人為活動的影響，水土流失問題日益突出，早期的土壤侵蝕監(jiān)測主要通過人工調(diào)查方式進(jìn)行。20世紀(jì)80年代中后期RS遙感技術(shù)普及后，水利部開始推進(jìn)遙感手段在全國土壤侵蝕調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用；此后隨著GIS技術(shù)的迅猛發(fā)展，因其具有強(qiáng)大的空間處理能力和分析能力，在影響土壤侵蝕多要素相關(guān)分析方面得到廣泛應(yīng)用。本文對RS和GIS技術(shù)在深圳市土壤侵蝕面積預(yù)測及坡度、土地利用、植被覆蓋等因素影響程度量化分析方面的應(yīng)用展開探討。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

深圳以丘陵、臺地和平原等地貌為主，年降水量均值1966mm，降水量大，暴雨頻繁，地貌復(fù)雜，且主要以赤紅壤為主，水土流失風(fēng)險(xiǎn)大，很容易造成水土流失“致黃”。深圳市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目點(diǎn)多面廣，根據(jù)《深圳市國土空間總體規(guī)劃（2020-2035年）》，全市建設(shè)用地規(guī)模會持續(xù)擴(kuò)大，建設(shè)強(qiáng)度也會隨之增強(qiáng)，必然會降低城市植被覆蓋率，削弱水土涵養(yǎng)功能，再加上深圳特殊的地形地貌和較大的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，必將加劇土壤侵蝕。

2 土壤侵蝕因子的提取

自然因素和人為因素是影響區(qū)域水土流失的兩個(gè)主要方面，其中自然因素包括降水、植被、土壤、地形，而人為因素包括土壤保護(hù)措施及土地開發(fā)利用方式等。不同影響因素又包括若干次級因子，具體見圖1。在進(jìn)行土壤侵蝕模型構(gòu)建時(shí)，關(guān)鍵在于影響因子的提取，借助RS和GIS進(jìn)行遙感影像及所采集到的圖件、觀測數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間分析、因子提取，以單項(xiàng)或疊加的方式輸出。在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)用ERDAS軟件對所得到的TM衛(wèi)星影像初步糾正，并借助標(biāo)準(zhǔn)地圖進(jìn)行精糾正，以得到統(tǒng)一的影像底圖；將所得到的結(jié)果與其余圖件及屬性數(shù)據(jù)融合并展開綜合應(yīng)用分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行土壤侵蝕等級解譯，得出各類影響因子的具體影像程度，以圖形或?qū)傩詳?shù)據(jù)形式存儲，便于空間分析調(diào)用[1]。

圖1 土壤侵蝕因子分類樹

2.1 降水及土壤類型

降水是影響土壤侵蝕的動力因素，降雨量及雨強(qiáng)等信息的采集和處理為區(qū)域土壤侵蝕模型的構(gòu)建和水土流失過程的模擬提供動力因子。通過SURFER軟件預(yù)處理研究區(qū)降雨數(shù)據(jù)，并將點(diǎn)數(shù)據(jù)整理成與地理坐標(biāo)對應(yīng)的專題信息，再轉(zhuǎn)換成空間圖形格式和ARC/INFO格式，經(jīng)拓?fù)渲貥?gòu)、空間編輯及投影變換后與評價(jià)單元圖疊加，最終得出區(qū)域內(nèi)具體點(diǎn)雨量值[2]。

土壤類型主要影響土壤有機(jī)質(zhì)含量及礦物膠體接觸形式，進(jìn)而影響土壤抗沖蝕性能及滲透性能。應(yīng)用GIS空間分析功能構(gòu)建研究區(qū)土壤空間分布，并據(jù)此制作土壤專題圖和土壤侵蝕的空間關(guān)系，探究人類活動對土壤侵蝕的可能影響。

2.2 地形因子

通過高分辨率衛(wèi)星遙感影像能在較小空間尺度觀察地表，并借助計(jì)算機(jī)軟件制作大比尺地形圖，對地形圖進(jìn)行矢量化分析；應(yīng)用ARC/INFO等地理信息軟件進(jìn)行相應(yīng)等高線圖及高程值的編輯，進(jìn)而生成TIN高程模型和格柵，制備出DEM模型，并提取坡度、坡向及溝谷密度圖。地面陰影、陽光照射角度、植被覆蓋等對遙感影像提取精度可能存在一定影響，數(shù)字高程模型的出現(xiàn)能有效克服這種影響。

2.3 植被覆蓋及土地利用

植被是攔截雨量、抑制地表徑流、制約土壤侵蝕和水土流失的有效因子，植被因具有反射紅外光的功能而在TM衛(wèi)星影像圖中呈紅色，根據(jù)顏色特征及主成分變換法便能將植被和其余地物區(qū)分開來，并得到植被覆蓋率水平（見表1）。此外，土地利用類型及程度對研究區(qū)水土流失和土壤侵蝕也存在較大影響，應(yīng)用ERDAS’/IMAGINE圖像處理軟件可進(jìn)行遙感影像中土地利用類型的分類，并通過ARC/INFO轉(zhuǎn)換格式、制作專題圖。

表1 植被解譯標(biāo)志

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本文分析主要依托2021年8月深圳一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星運(yùn)行周期短，可自主控制，可為特定時(shí)間、特地地點(diǎn)土壤侵蝕監(jiān)測提供數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星配備分辨率32m的多光譜雙三波段傳感器，影像質(zhì)量優(yōu)良，信息量大，重訪周期2～3d，可覆蓋600km×600km范圍，綠波及紅波譜段范圍分別為520～620nm和630～690nm。該衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可定期提供覆蓋深圳市的土壤侵蝕及水土流失遙感影像，為水土保持、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、土地利用等提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，還收集到研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、1:5萬DEM數(shù)據(jù)、矢量行政邊界、同期TM數(shù)據(jù)等輔助性資料，全部數(shù)據(jù)均應(yīng)用深圳獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，并按照10m分辨率采樣。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過PCI軟件和二次多項(xiàng)式進(jìn)行深圳市衛(wèi)星影像的幾何糾正，并將數(shù)據(jù)誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi)；在此基礎(chǔ)上對圖像進(jìn)行鑲嵌、裁切、融合和增強(qiáng)等處理后生成研究區(qū)影像，用于土壤侵蝕程度的解譯。應(yīng)用ArcGIS軟件和研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行土壤類型、土地利用現(xiàn)狀及DEM數(shù)據(jù)的裁切；并通過DEM數(shù)據(jù)提取坡度，在Spatial Analyst模塊下將坡度劃分為5°及以下、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°及以上等檔次。通過ERDAS軟件對同期TM影像進(jìn)行NDVI提取，借助Modeler模塊生成研究區(qū)植被覆蓋度格柵數(shù)據(jù)，并按照30%及以下、30%～45%、45%～65%、65%及以上等檔次歸類。最后通過ArcGIS軟件將矢量土地利用類型合并為耕地、林地、水域、居住區(qū)、未利用區(qū)等類型，并相應(yīng)轉(zhuǎn)換為格柵數(shù)據(jù)。

3.3 土壤侵蝕等級

按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）和深圳市水土流失實(shí)際情況進(jìn)行土壤侵蝕分類，根據(jù)坡度、植被覆蓋及土地利用類型等將深圳市土壤侵蝕劃分為劇烈侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、中度侵蝕、輕度侵蝕和無明顯侵蝕五類，鑒于深圳市土壤侵蝕僅表現(xiàn)為中度侵蝕和輕度侵蝕兩類，故結(jié)合實(shí)地考察，僅構(gòu)建深圳市土壤中度侵蝕和輕度侵蝕解譯依據(jù)，具體見表2。根據(jù)所得到的解譯標(biāo)志以及研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、坡度數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件對深圳市衛(wèi)星影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯，得出2022年研究區(qū)土壤侵蝕等級分布圖[3]。

表2 深圳市土壤中度侵蝕和輕度侵蝕等級解譯依據(jù)

4 土壤侵蝕監(jiān)測結(jié)果及評價(jià)

4.1 深圳市土壤侵蝕情況

根據(jù)解譯結(jié)果，通過ArcGIS軟件得出深圳市不同土壤侵蝕等級下的侵蝕面積，近年來隨著地方政府對水土保持重視程度的提升和土壤侵蝕治理力度的加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕總面積不斷降低；但是土壤侵蝕類型卻逐漸從輕度侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)變。根據(jù)2020年研究區(qū)土壤侵蝕分布情況，深圳市中南地區(qū)梧桐山系中度侵蝕和輕度侵蝕均較多，呈片狀分布，且侵蝕面積大；東北部地區(qū)工礦用地和疏林地存在一定程度的中度侵蝕，且分布零散。

4.2 土壤侵蝕與坡度

坡度是影像土壤侵蝕程度的主要因素之一，在其他條件不變的情況下，隨著坡度的增加，土壤侵蝕程度呈加劇態(tài)勢。將研究區(qū)坡度圖和土壤侵蝕分類圖疊加處理后，便可利用ERDAS中Modeler工具計(jì)算研究區(qū)2022年不同坡度所對應(yīng)土壤侵蝕類型及面積，分析結(jié)果詳見表3。根據(jù)表中結(jié)果，研究區(qū)土壤侵蝕主要出現(xiàn)在坡度15°～25°、25°～35°的陡坡段，即使植被覆蓋度較高，也存在面積較大的輕度侵蝕；植被覆蓋率低的地區(qū)與村莊距離較近，大多表現(xiàn)為中度侵蝕。坡度為8°～15°及5°以下的地區(qū)主要為平原和山區(qū)的交界地，因耕地、草地和林地遭到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動和破壞，土壤侵蝕問題也較為嚴(yán)重[4]。

表3 不同坡度的土壤侵蝕面積

4.3 土壤侵蝕與植被覆蓋率

植被具有攔截雨量、增強(qiáng)地表徑流等重要作用，也是抑制土壤侵蝕的主要因子，植被覆蓋度、種類及生長情況對于項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕影響較大。結(jié)合所提取的項(xiàng)目區(qū)植被覆蓋度及土壤侵蝕等級格柵數(shù)據(jù)，應(yīng)用ERDAS中Modeler工具計(jì)算項(xiàng)目區(qū)2022年植被覆蓋度不同情況下土壤侵蝕數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果詳見表4。根據(jù)表中分析結(jié)果，深圳市土壤侵蝕主要發(fā)生在植被覆蓋率為45%～65%及35%以上的區(qū)域，土壤侵蝕面積占比依次為52.18%和33.42%，以上區(qū)域主要為坡度較大的林地和坡耕地，土壤侵蝕主要表現(xiàn)為輕度侵蝕；植被覆蓋率為30%～45%的區(qū)域土壤侵蝕面積占比13.75%，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后，人類活動擾動及不合理開墾是造成植被破壞和水土流失的主要原因。

表4 不同植被覆蓋率的土壤侵蝕面積

4.4 土壤侵蝕與土地利用

土地利用程度對研究區(qū)土壤侵蝕也存在一定程度的影響，通過土地利用分類格柵圖和土壤侵蝕等級格柵數(shù)據(jù)的疊加處理，應(yīng)用ERDAS中Modeler計(jì)算項(xiàng)目區(qū)2022年不同土地利用類型下土壤侵蝕面積，計(jì)算結(jié)果詳見表5。根據(jù)表中計(jì)算及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，深圳市土壤侵蝕主要發(fā)生在林地中，在總侵蝕面積占比61.50%，主要原因在于林地中的疏林地坡度較大，且梧桐山前開發(fā)有大量果園，引發(fā)大面積土壤侵蝕；耕地中土壤侵蝕面積占比為14.18%，坡耕地的開墾及耕種是引發(fā)土壤侵蝕的主要原因；此外，山區(qū)分散居住點(diǎn)的工礦用地不合理開采也造成研究區(qū)植被的破壞[5-6]。

表5 不同土地利用情況的土壤侵蝕面積

5 結(jié) 論

綜上所述，通過對研究區(qū)土地利用、植被覆蓋、坡度等與土壤侵蝕程度相關(guān)性的分析以及對深圳市土壤侵蝕狀況的定量計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)自2000年以來隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)速度的加快，土壤侵蝕和水土流失呈先降后增趨勢；土壤侵蝕程度與植被覆蓋率、坡度、土地利用情況等均存在直接關(guān)系，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開發(fā)、耕地耕種、植被破壞及坡地開墾等活動均使研究區(qū)土壤侵蝕面積增大。總之，RS和GIS技術(shù)可應(yīng)用于區(qū)域土壤侵蝕快速監(jiān)測，并能有效克服傳統(tǒng)人機(jī)交互解譯方法所存在的主觀因素大、精度不高、僅能進(jìn)行土壤侵蝕定性分析等弊端，為區(qū)域水土流失有效治理提供可行之策。