張 攀

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 概 述

在20世紀(jì)50年代初，國內(nèi)的水蝕面積約為153×104km2，到20世紀(jì)末，擴(kuò)大到367×104km2。水土流失土地面積占全國土地面積的38.2%，已成為環(huán)境問題的重中之重。利用遙感技術(shù)可以研究人類無法接觸的危險(xiǎn)區(qū)域，具有不受時(shí)間及空間的限制和靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此在水土保持領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。本文主要介紹遙感的應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，總結(jié)遙感技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用，討論該技術(shù)在水土保持領(lǐng)域的重要性和發(fā)展前景。

2 遙感評(píng)估

不同生態(tài)系統(tǒng)類型的有機(jī)組成形成了一定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)格局。重點(diǎn)調(diào)查南疆地區(qū)喀什地區(qū)以及克孜勒蘇柯爾克孜自治州兩地區(qū)16個(gè)縣市生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布、面積及比例等的變化。生態(tài)系統(tǒng)空間評(píng)價(jià)的目標(biāo)是結(jié)合遙感、地面調(diào)查以及生態(tài)系統(tǒng)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)查與評(píng)價(jià)兵團(tuán)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型、分布、比例與空間分布及其5年來的變化狀況，分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)化特征，整體把握研究區(qū)域生態(tài)分布以及水土流失的狀況。

2.1 遙感指標(biāo)

大面積檢測(cè)與分析是遙感評(píng)估一個(gè)重要方面，通過設(shè)計(jì)一些指標(biāo)，利用不同光譜波段反射系數(shù)的差異(植被指數(shù))，從而可以對(duì)植被及其變化進(jìn)行大量檢測(cè)，植被消失的區(qū)域可視為水土流失增加的區(qū)域，見圖1。植被指數(shù)旨在突出某些植被特性，它們來自兩個(gè)或多個(gè)表面反射波長，表示被觀測(cè)植被的反射特性。自太空時(shí)代開始以來，衛(wèi)星從大片土地上探測(cè)到的反射率被用來推斷這些指數(shù)。圖2為遙感捕獲的一些多光譜圖像。我們將這些指數(shù)大致分為3類：寬綠帶、窄綠帶和其他。

圖1 遙感多波段圖像

圖2 植被指數(shù)遙感中使用的一些光譜帶

寬頻帶綠度指標(biāo)主要是反映綠色植被數(shù)量和質(zhì)量的簡(jiǎn)單指標(biāo)。組分反射率測(cè)量對(duì)葉面覆蓋、葉綠素濃度、樹冠面積和建筑結(jié)構(gòu)敏感，他們比較了近紅外光譜和紅色光譜范圍內(nèi)植被的反射峰。這些指數(shù)表明植被中存在光合活性成分，主要應(yīng)用于土地利用研究、氣候影響評(píng)價(jià)和植被生產(chǎn)力。

窄帶綠色指數(shù)與寬帶指數(shù)類似，但更為敏感，因?yàn)樗鼈兪褂霉庾V的紅色邊緣進(jìn)行測(cè)量。寬頻帶指數(shù)趨于飽和，而窄頻帶指數(shù)克服了這一點(diǎn)。它們主要用于設(shè)計(jì)成像光譜儀。

這些指標(biāo)在精確農(nóng)業(yè)中，對(duì)于識(shí)別、分析和管理特定場(chǎng)地的土壤時(shí)空變化非常有用。

其他指標(biāo)包括氮基和碳基指標(biāo)。葉片中的氮濃度通過短波紅外區(qū)域的反射測(cè)量來檢測(cè)。碳元素存在于木質(zhì)素和纖維素的干燥狀態(tài)，也在短波紅外區(qū)測(cè)量。植被碳指數(shù)的增加表明植被正在經(jīng)歷衰老/老化。

2.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

生態(tài)系統(tǒng)空間特征分析利用遙感解譯獲取的2015和2018年兩期生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)集，精度要求至少到二級(jí)分類水平。此部分調(diào)查內(nèi)容需要的數(shù)據(jù)全部來源于國家下發(fā)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，不需要其它數(shù)據(jù)及相關(guān)處理過程。

主要計(jì)算方法如下：

1)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例。指土地覆被分類系統(tǒng)中，基于一級(jí)分類的各類生態(tài)系統(tǒng)面積比例。計(jì)算方法為：

(1)

式中：Pij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級(jí)分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例；Sij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級(jí)分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積；TS為評(píng)價(jià)區(qū)域總面積。

2)生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化率。指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量變化情況。計(jì)算方法為:

(2)

式中：EV為研究時(shí)段內(nèi)某一生態(tài)系統(tǒng)類型的變化率；EUa、EUb為研究期初及研究期末某一種生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量(如面積、斑塊數(shù)等)。

3 遙感在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 水土保持生態(tài)治理工程監(jiān)管中的應(yīng)用

許多省級(jí)和國家級(jí)的水土保持生態(tài)治理的工程較大、范圍較廣、治理面積較大，在進(jìn)行水土監(jiān)管中具有較大的困難。因此，采用遙測(cè)技術(shù)能夠有效解決這一問題，能夠?qū)Υ竺娣e、大范圍的水土保持生態(tài)治理工程進(jìn)行及時(shí)監(jiān)督管理土地利用、采取水土保持措施、防止水土流失等[3]。

3.2 水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)能夠有效計(jì)算和分析出該水土監(jiān)管工程的面積、工程坡度、土地利用現(xiàn)狀以及水土流失狀況，并通過這些數(shù)據(jù)將土地的坡度圖、土地利用現(xiàn)狀圖、立體透視圖以及土壤侵蝕圖進(jìn)行繪制，從而能夠及時(shí)地對(duì)水土流失狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)督。

3.3 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管中的應(yīng)用

遙感技術(shù)用于水土監(jiān)測(cè)，主要通過ArcGIS空間分析功能來分析計(jì)算機(jī)上形成的三維圖像，從而獲得項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域面積、挖土石方量、地表擾動(dòng)面積、植被蓋度、水土保持措施類型及數(shù)量等數(shù)據(jù)。獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果可用于計(jì)算6種土壤侵蝕控制指標(biāo)，如排渣率、土壤侵蝕控制程度和土壤流失控制率等。在此基礎(chǔ)上，分析各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中水土流失防治的效果和水土流失維護(hù)措施的實(shí)施情況，從而為相關(guān)的政府監(jiān)督部門提供有效的數(shù)據(jù)資料。

4 南疆水土保持檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 水土流失面積監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

研究區(qū)土壤侵蝕主要是水蝕和重力侵蝕，最嚴(yán)重的是坡耕地，特別是陡坡地和輪歇地。以2015年為基準(zhǔn)年，2018為現(xiàn)狀年，采用以上兩年遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)分類，對(duì)南疆16個(gè)縣市的水土侵蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2018年南疆16個(gè)縣市具體流失面積見表1。

表1 南疆地區(qū)水土流失

4.2 水土流失量的計(jì)算

研究區(qū)為水力侵蝕，土壤侵蝕預(yù)測(cè)將以研究區(qū)原有地貌土壤侵蝕模數(shù)為基礎(chǔ)；然后考慮影響土壤侵蝕、降雨、植被、土壤、建筑和施工活動(dòng)等的主要因素，確定原始地形擾動(dòng)后的土壤侵蝕模數(shù)和研究區(qū)的自然恢復(fù)期，計(jì)算不同研究期內(nèi)各單元的土壤侵蝕量和增量。

4.2.1 土壤侵蝕量計(jì)算公式

1)原生水土流失量公式：

(3)

式中：Wi為原地貌水土流失量，t；i為不同檢測(cè)單元；Mi為原地貌土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Fi為不同地貌單元面積，km2；Ti為水土流失監(jiān)測(cè)時(shí)段。

2)擾動(dòng)水土流失量計(jì)算。因工程建設(shè)擾動(dòng)地表而產(chǎn)生的水土流失量的預(yù)測(cè)方法和原生水土流失量的預(yù)測(cè)方法相同，采用土壤侵蝕模數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)，公式如下：

(4)

式中：Wij為擾動(dòng)地表水土流失量，t；Fij為某時(shí)段某單元的預(yù)測(cè)面積，km2；Mij為某時(shí)段某單元的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tij為某時(shí)段某單元的預(yù)測(cè)時(shí)間，a；i為預(yù)測(cè)單元，i=1、2、3、…，n；j為預(yù)測(cè)時(shí)段，j=1、2，指施工期和自然恢復(fù)期等。

則新增水土流失量計(jì)算：

(5)

式中：ΔW為擾動(dòng)地表新增水土流失量，t；Mij為擾動(dòng)后土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；ΔMij為新增土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Mi0為擾動(dòng)前土壤的侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tij為監(jiān)測(cè)時(shí)段(擾動(dòng)時(shí)段)，a。

4.2.2 相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)新疆土壤侵蝕模數(shù)圖分布狀況，研究區(qū)地處輕度侵蝕區(qū)，侵蝕模數(shù)500～2 500 t/km2·a，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190-2007)，確定項(xiàng)目區(qū)原生地貌侵蝕模數(shù)為500 t/km2·a。以喀什市某施工區(qū)為例進(jìn)行水土流失計(jì)算，確定施工期內(nèi)流失時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)為1 400 t/km2·a；施工期堤防和護(hù)岸區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為1 800 t/km2·a。水域景觀及綠化防治區(qū)自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)取500 t/km2·a。具體參數(shù)確定見表2。

表2 監(jiān)測(cè)參數(shù)確定

通過計(jì)算，在2015年7月至2018年7月，研究區(qū)水土流失總量為67 172 t，其中原地貌(擾動(dòng)前)水土流失量為12 330 t，因工程建設(shè)新增水土流失量30 182 t。平均土壤侵蝕模數(shù)為908 t/km2·a。研究區(qū)水土流失量匯總見表3。

表3 水土流失量匯總

5 結(jié) 語

將遙感技術(shù)運(yùn)用于水土保持監(jiān)測(cè)中，因其高精度和直觀便捷的優(yōu)勢(shì)在當(dāng)前水土保持監(jiān)管工作中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法勞動(dòng)和時(shí)間的不足，大大節(jié)省了水土保持監(jiān)測(cè)的成本。而且由于遙感技術(shù)在性能以及體積方面的優(yōu)勢(shì)，能更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境。因此，采用遙感技術(shù)能夠使水土保持監(jiān)管部門及時(shí)掌握區(qū)域水土流失規(guī)律，制定相應(yīng)的水土流失防治措施，具有廣闊的應(yīng)用前景。