基于QuickBird影像的艾比湖及周边土壤风蚀研究

崔 龙，陈 平，张红忠，董文明，黄 静

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆水利厅 头屯河流域管理处，新疆 昌吉831100）

风力侵蚀（简称风蚀）是地球表面的一种重要的土壤侵蚀形式。日照强烈、气温日较差年较差大、物理风化盛行，降水量少、蒸发量大、土壤干燥，地表径流贫乏、流水作用微弱，植被覆盖率低、疏松的砂质地表裸露的地区是风力侵蚀严重的区域，强劲、频繁、持续的大风是风蚀荒漠化形成主要营力，是塑造沙漠地表形态的动力［1］。地处新疆著名的阿拉山口下风口的艾比湖，由于近些年来湖面发生严重萎缩，湖底大面积裸露，特别是每年春天，来自阿拉山口的强劲大风吹起艾比湖的裸露沙尘，直上1 000m的高空，这股沙尘在新疆天山北坡经济带、青海、甘肃、内蒙古、北京等地缓缓降落，成为上述地区沙尘暴的主要策源地之一［2］。因此，对艾比湖湖泊区域应用遥感的多波段、多时相特点研究其风蚀强弱程度，可为土壤风蚀的研究工作，进而区域的水土流失治理和可持续发展规划提供参考依据［3－4］。本文基于高分辨率的QuickBird影像数据研究艾比湖湖泊及周边的风蚀程度，为艾比湖确定保障水位，减小干涸湖底的沙源提供科学依据。

1 研究区概况

艾比湖位于北纬44°34′—45°08′，东经82°35′—83°16′，新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县境内，湖泊呈西北—东南走向，长度约35km，宽度约18km。全年约有165d出现大风，常年干旱少雨，气候干燥，降水稀少，光热充足，蒸发量大，年均气温8.3℃，年均降水90.9mm，而艾比湖的入湖水量基本依靠博尔塔拉河、精河和部分地下水补给，引发湖泊干缩、荒漠化速度加剧，导致干涸湖底转向湖区的西北部，直接暴露于风口之下，为风沙天气创造有利条件［5］。据遥感监测结果，艾比湖地区的土壤侵蚀类型是以风力侵蚀为主［6］，特别是近年来受全球气候变化和人类活动的影响，分布在湖四周地表的盐渍土和芒硝等大面积裸露，沦为盐漠，地下水位下降，湖滨周边植被衰败，土地荒漠化面积增加，为沙尘暴营造了丰富的沙源［7－10］。风蚀已成为困扰艾比湖地区的严重问题，就风蚀本身而言，风蚀的成本无疑大于控制风蚀的成本［11］。

2 研究方法

2.1 数据选用

QuickBird影像的分辨率高，同时费用也较为昂贵。为满足本次研究，选购覆盖整个艾比湖湖泊及湖岸周边1km左右区域的影像数据，并考虑判读和分析的需要，选择能见度较高，植被发育好的时间段采集影像数据。数据主要来源：（1）2009年8月30日的编程数据和2008年6月2日存档数据，分辨率为0.6m的全色数据，分辨率为2.4m的多光谱数据；（2）2007，2008年的艾比湖湖泊周边GPS控制测量数据和断面测量数据。

2.2 影像处理

为满足研究工作，需要对不同时相的两期QuickBird影像数据进行处理。首先利用外业实测的61个像控点，应用遥感软件Erdas Imagine 9.1的相关模块工具对影像进行纠正、配准，制作能够直观、逼真表示地物及其平面位置，详尽反映各类地物的形状、性质和相互关系的正射影像；为使影像反差适中，色彩丰富，对影像进行增强处理，获得接近实际色调、目视效果较好的真彩色正射影像图，以便于影像分析；因艾比湖湖域含盐量高，影像色调差异小，植被不易判读，为提高植被的解译精度，对多波段Quick－Bird影像数据进行融合，获得假彩色影像。

2.3 土壤风蚀强度现状

已有的研究成果证明，艾比湖地区的土壤侵蚀以风力侵蚀为主。为进一步证实该结论，利用艾比湖湖岸周边的地形测量数据进行了统计分析，结果表明，研究区内80%的地面坡度在0.1%以内，大约98%以上的地面坡度在0.5%以内，均为非耕地，植被覆盖度很低。根据水利部行业标准中水蚀强度分级指标：地面坡度＜5%，非耕地林草覆盖度在75%以下，均为微度侵蚀。艾比湖湖岸的坡度、植被覆盖度远小于该指标，发生水蚀的可能性很小，而艾比湖所具有的风力大，刮风日数多和干旱少雨等气候特点，为风力侵蚀的营造条件。

坡度和植被覆盖度与土壤风蚀强度的相关性很显著，因此，对于坡度非常平缓的艾比湖湖岸周边，土壤风蚀强度的调查可以转化为对地面植被覆盖度的间接指标调查。应用遥感技术进行艾比湖湖岸周边土壤风蚀现状的调查，获取信息量大，数据覆盖范围广。

2.3.1 植被图 采用QuickBird数据融合后的假彩色影像，提取不同类型植被的图斑，为提高植被的判读精度，通过野外实地调查与人工解译相结合，获取植被信息（表1）。

表1 植被解译标志

与正射影像进行叠加生成植被图（附图5）。研究区内植被覆盖度最高的为芦苇（大于95%），其次为胡杨（60%）、梭梭和防护林（50%～30%）、红柳（25%）和无植被覆盖的区域。

2.3.2 土壤风蚀现状图 艾比湖湖岸周边风蚀强度，依据水利部行业标准风蚀强度因子匹配模型（表2）进行分级。

表2 风蚀强度因子匹配模型

根据风蚀强度的分级标准，结合实际调查，研究区域是以沙地为主的地表形态，但没有大片流动沙丘。因此，不考虑剧烈侵蚀，将艾比湖湖岸周边的风蚀强度分为极强度、强度、中度、轻度和微度5个级别，根据植被图和相应植被的覆盖度，制作完成艾比湖湖岸周边土壤风蚀现状图（附图6）。

3 结果与分析

3.1 艾比湖湖岸周边风蚀现状分析

艾比湖湖岸周边土壤风蚀现状图反映出湖岸的风蚀程度相当严重，强度以上的风蚀约占63%，主要分布在湖域的东部和西部的无植被覆盖区域，处于阿拉山口的风向方向。而湖泊西北部的地面多为砾石层，QuickBird影像呈颗粒状的浅黑色调，均为面状分布；西南地面多为砂砾石层，呈均匀的深灰色调。这是由于含沙质的砾石和不含沙质的砾石对光谱的反射不同，色调上产生差别。湖泊东部地面沉积大量的盐粒，呈现浅灰色到白色色调的变化；东北部受到风力吹蚀作用大，影像呈现明暗相间条状纹理；东南沉积的盐层较厚，光谱反射强烈，呈现均匀的白色色调，此区域成为主要的积盐地。通过对高分辨率影像上地貌形态的色调、纹理变化分析可知，艾比湖湖岸的北部受到风力影响较南部要大。

微度风蚀和中度风蚀面积约占37%，主要分布在湖泊南北两岸有植被覆盖区域。在湖泊南岸精河和博河的入湖段植被的覆盖度相对要高，特别是博河两岸地下水位较高，生长大面积的芦苇，土地盐碱化程度严重；北岸有地下水补给，呈现带状的植被覆盖区；西南角由于灌渠的尾水流入形成一片湿地，植被较为集中。

艾比湖湖岸的整体情况反映植被覆盖度较低，植被相对集中于水源区附近。由此看来，水是艾比湖植被恢复的关键因素，只要有水，就能为植被提供良好的生存环境，减小风力侵蚀的影响。

3.2 艾比湖干涸湖底的土壤风蚀分析

2009年艾比湖湖泊的QuickBird正射影像图显示出西北部裸露的干涸湖底，其面积达到430km2。从影像的色调、形状和纹理发生的变化，反映了干涸湖底的地貌形态和风系的方向。西北是裸露区最低洼的地带，由于沉积大量淤泥，影像呈现暗灰色色调，色调均匀，表明低洼处的地势较为平坦；坡脚地带的地形发生变化，造成风对地面吹蚀的变化，影像呈现不规则锯齿状的灰白色调；到达坡面后，由于受风的吹蚀较为均匀，影像上呈现较均匀、面状的灰白色色调（图1a），说明坡度缓、坡面长；坡顶边缘，由于风向的变化，影像从灰白色过渡到白色色调；到达坡顶后风的强度发生变化，影像由片状白色色调变为长条状的白色色调（图1b），靠近北部条带长而宽，向南部逐渐由短、窄变为线条状，表明北部受到风力的影响相比南部要大，同时在坡顶有一条边界明显、南北走向的浅灰色色调的条带，表明坡的顶部较为宽敞，而在其南侧，由于靠近博乐火车站，地表水的渗入，影像呈现暗灰色色调；背风的坡面上，顺坡而下的水流，在风力作用下，形成了犹如河道漫滩中相互交织的小沟壑和心滩，充足的阳光照射下，水分蒸发、盐碱沉积，影像呈现为白色的树枝状（图1c）。

为验证通过影像纹理分析所反映出干涸湖底的地貌形态变化，根据实际测量的数据，由湖泊西北向东南方向提取干涸湖底的纵向断面图（图2）。

图1 艾比湖干涸湖底的风蚀影像

由图2可以看出，湖底低洼处地势平坦，宽度在4.5km左右；迎风面为长度约10km的1／5 000平缓的坡面；坡顶明显凸起，宽度约0.5km；背风面坡度趋于平缓，坡度约为1／10 000。由此说明，艾比湖的湖底地形整体趋于平缓，裸露后的干涸湖底易于盐漠的发育。因此，以阿拉山口持久的强劲大风为动力条件，干涸湖底的盐漠造就丰富沙源地为物质条件，艾比湖干旱区域的不稳定空气为热力条件，三者的同时出现，为沙尘暴的发生创造了有利的条件。保证艾比湖有充足水量，是有效控制沙尘，抑制沙尘暴的重要因素，而水位控制的关键位置是此干涸湖底最高处的高程。

图2 艾比湖干涸湖底断面

4 结论

高分辨率QuickBird数据丰富的影像信息、细腻的纹理变化等，对于自然环境恶劣、采用常规方法难以调查的艾比湖土壤风蚀状况，显示出独特的优势。

（1）艾比湖的干涸湖底是这一地区形成风蚀的主要沙源地。沉积的盐尘颗粒直径多在0.001～0.5mm（粉砂和中细砂）［11］，在风力的作用下悬浮于空气中，形成悬移运动，漂浮在几百米甚至上千米的高空。

（2）艾比湖干涸湖底在风力作用下形成了具有一定起伏的地形，若干涸湖底长期处于裸露状态，随着风的吹蚀，干涸湖底的中部必然会抬升，势必造成艾比湖湖底暴露，扩大沙源地面积。

（3）减小风蚀沙源地是控制风力侵蚀的关键。针对艾比湖干涸湖底的现状，关键要保障艾比湖有充足的入水量，使干涸湖底完全处于水下。所以要从根本上解决艾比湖的水量问题，应以艾比湖流域为单元，作为一个整体生态系统，进行综合治理［12］。

（4）湖岸周边要逐步恢复梭梭、红柳等适应于该地区的耐盐植被，坚决抑制人为对原始地貌扰动，以真正达到减少风蚀程度的目的。

［1］ 张洪江.土壤侵蚀原理 ［M］.2版.北京：中国林业出版社，2008.

［2］ 刘惠英，陈磊.基于MODIS的艾比湖湖面遥感监测研究［J］.南昌工程学院学报，2007，26（4）：57－61.

［3］ 马洁，徐静.中国北方土壤风蚀问题研究的进展与趋势［J］.科技信息，2007（17）：263.

［4］ 武文一，刘瑛，梁继业，等.基于GIS和RS的荒漠区土壤侵蚀研究［J］.水土保持研究，2011，18（5）：10－13.

［5］ 杨青，何清，李红军，等.艾比湖流域沙尘气候变化趋势及其突变研究［J］.中国沙漠，2003，23（5）：503－508.

［6］ 赵晓丽，张增祥，刘斌，等.艾比湖地区30多年来土壤侵蚀时空变化规律研究［J］.水土保持学报，2009，23（5）：44－50.

［7］ 高翔，黄宗亮.艾比湖湖面萎缩与流域生态环境恶化之间的关系［J］.新疆师范大学学报，2006，25（1）：83－86.

［8］ 刘月兰.新疆艾比湖干缩的生态响应［J］.资源调查与环境，2008，29（2）：126－130.

［9］ 周长海，雷加强.艾比湖地区风沙危害趋势及对欧亚大陆桥的影响［J］.干旱区地理，2005，28（1）：98－102.

［10］ 樊亚辉，塔西甫拉提·特依拜，王宏，等.艾比湖地区土地沙漠化遥感动态监测［J］.干旱区资源与环境，2011，25（7）：161－167.

［11］ 布莱恩·麦康奇，盖·拉冯德，马克·斯塔伯格.风蚀控制［J］.农村牧区机械化，2006（4）：81－83.

［12］ 冯伟，张兴昌，高照良.风力侵蚀对西气东输（甘肃段）工程影响分析［J］.水土保持研究，2008，15（2）：244－247.