基于Pleiades影像的东北黑土区沟蚀分异特征研究

陈 单，张树文，王让虎，蒲罗曼，常丽萍，杨久春

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

基于Pleiades影像的东北黑土区沟蚀分异特征研究

陈 单1，2，张树文2，王让虎1，2，蒲罗曼1，2，常丽萍2，杨久春2

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

以Pleiades遥感影像为数据源，获取东北典型黑土区2013年的侵蚀沟分布数据，并根据研究区范围内1∶10 000的数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据提取坡度、坡向和坡形等地形因子，探讨了各地形因子影响下的侵蚀沟密度与强度规律，全面分析了东北典型黑土区沟蚀分异特征.结果表明：研究区内侵蚀沟总体分布较均匀，但在东北部地区侵蚀沟分布较密集；沟壑密度与强度随坡度的增加总体上呈先增大后减小的趋势，在 5°～10°范围内沟壑密度与强度达到最大；研究区中西南、南以及东南三个坡向上的沟壑密度与强度远大于其他坡向，东北和北坡沟壑密度与强度最低；研究区内凹形坡侵蚀沟发生的概率几乎是凸形坡的2倍，直线坡沟壑侵蚀发生的概率最低，且研究区沟蚀密度和强度均与地形具有相关关系.

地形因子；侵蚀沟；数字高程模型；东北典型黑土区

0 引言

土壤侵蚀是导致大范围土地退化的主要因素，全球80%以上的土地退化是由土壤侵蚀引起的[1].东北黑土区是世界三大黑土区之一，是重要的商品粮基地，对我国的粮食安全至关重要[2].但近些年来，“不上粪也打粮”的东北典型黑土区由于长期以来不合理的过度垦殖和掠夺式经营，水土流失日趋剧烈，已成为制约当地社会、经济发展的重要因素，严重影响黑土区的粮食产量，其中沟蚀在黑土区水土流失中扮演的角色最为突出.

目前，沟蚀是黑土区土壤侵蚀研究的热点问题之一.国内外关于沟蚀方面的研究报道[3-9]，多是采用航片判读方法对侵蚀沟的分布及其变化进行研究.国内有不少学者对黑土区的侵蚀沟进行了研究，如闫业超等(2006)[7]利用Corona和Spot影像对黑土区近40年的侵蚀沟动态变化进行了研究；王文娟等(2012)[8]在1965和2005年侵蚀沟分布数据的基础上，分析了典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及其地形分异规律；李飞等(2012)[9]利用SPOT-5遥感影像对东北典型黑土区南部侵蚀沟与地形要素之间的空间分布进行了分析.但由于在高分辨率遥感影像下所能提取的细沟和浅沟的信息有限，上述对东北黑土区侵蚀沟的研究主要是对影像上显示相对明显的切沟和冲沟进行的，实际上除切沟和冲沟外细沟和浅沟也具有一定的侵蚀能力，在一定条件下会进一步下切加深形成了切沟、冲沟等，分割地形、蚕食耕地，造成大量的水土流失.由于大多数对黑土区侵蚀沟的研究都建立在切沟和冲沟层面，未对细沟和浅沟的分布特征及其发育进行研究，不能为合理控制细沟和浅沟的发育提供有效的建议.

随着遥感技术的发展，利用亚米级高分辨率遥感影像提取地面信息更为精细，能够更好地对遥感影像提取的地面信息进行分析.在此基础上，本文对东北典型黑土区沐石河流域的侵蚀沟进行了研究，应用覆盖研究区范围2013年Pleiades影像提取了研究区范围内包括细沟和浅沟在内的侵蚀沟，并分析了不同地形因子下的侵蚀沟分布特征，以为侵蚀沟治理和农业可持续发展提供科学依据.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

本文选取位于吉林省长春市境内的九台沐石河流域为研究区，其地理位置为126°1′39″～126°17′14″E，44°9′18″～ 44°22′20″N[10-11]，距离长春市60 km、吉林市70 km，整个研究区的总面积为253 km2.研究区处于中温带半湿润地区，属大陆性气候，四季分明，年平均温度5.0℃，年降水量624.1 mm.沐石河流域土质肥沃，但截至2012年，沐石河镇人口已超过60 000人，人口的增长以及耕地开垦强度的增加使得沐石河镇生态环境逐渐恶化，水土流失现象严重，其中以沟蚀最为突出.

1.2 数据来源

本研究选取的遥感影像是覆盖研究区范围的2013年Pleiades影像，该影像由全色和多光谱融合而成，空间分辨率为0.7 m.Pleiades影像是SPOT系列卫星后续计划的Pleiades卫星获得的，其继承了SPOT系列卫星的固有优势，同时继续保持在高分辨能力、短周期重访、灵活观测等方面的领先地位，受到遥感用户的广泛关注，是遥感数据源中的重要组成部分[12].本研究对Pleiades影像进行了辐射校正、几何纠正以及增强等处理.同时利用1∶10 000、空间分辨率为5 m的数字高程模型(digital elevation model，DEM)获取了研究区的高程、坡度、坡形、坡向等地形要素，分析各地形因子影响下侵蚀沟的密度与强度规律，全面分析东北典型黑土区沟蚀分异的特征.

1.3 研究方法

首先，对2013年Pleiades遥感影像进行目视解译，获取研究区当年的侵蚀沟分布状况.解译前要对侵蚀沟进行识别，主要分为三个阶段：侵蚀沟预判、外业调查和解译标志的建立.侵蚀沟预判主要是对侵蚀沟的分布及其发展状况进行了解，然后在预判的基础上针对疑点、难点，选取出具有典型性的侵蚀沟进行外业调查，深入详细地了解研究区内侵蚀沟的发展状况，建立解译标志；再根据解译标志对覆盖研究区的Pleiades影像进行解译.目视解译结果包括侵蚀沟分布面状数据与线状数据.面状数据用于计算宽度大于2 m的侵蚀沟面积，其方法为勾画出宽度大于2 m的侵蚀沟轮廓(沟宽小于2 m时，不勾画沟缘线)，再将线状图层转成面状.线状数据用于计算侵蚀沟的沟长，同时也用于表示宽度小于2 m的侵蚀沟，其方法为沿侵蚀沟中心勾画.目视解译后要进行野外验证与补判，保证解译的准确性.此次，外业调查工作中还采用了高精度的CORS设备，与常用的手持GPS设备进行了对比，进一步提高了数据的准确性.

研究采用沟壑密度与沟壑强度作为侵蚀沟分布特征的指标.传统的侵蚀沟分布特征仅以沟壑密度来度量，为了定量分析研究区内侵蚀沟空间分异规律，本研究以单位面积上的侵蚀沟总长度作为沟壑密度指标、单位面积上的侵蚀沟总面积作为沟壑强度指标，反映地表的破碎程度和土壤侵蚀的剧烈程度.

为了便于分析研究区在不同地形因子上的沟蚀分布情况，本文依据研究区的实际情况，利用1∶10 000 DEM获取了研究区的坡度、坡形、坡向等地形要素，对其进行分级，将坡度、坡形、坡向等地形要素与线状和面状侵蚀沟分别叠加，分析各地形因子影响下侵蚀沟密度与强度规律.

2 结果与分析

根据2013年Pleiades影像，以侵蚀沟解译标志为基础，对研究区的侵蚀沟进行目视解译，并通过野外调查对所画侵蚀沟进行验证，将解译出的侵蚀沟分布状况制成侵蚀沟分布图，结果见图1.从图1可以看出，研究区侵蚀沟分布较均匀，但在东北部地区，侵蚀沟分布相对较密集.结合DEM提取的数据可以计算出研究区内300 m以下的侵蚀沟面积占侵蚀沟总面积的93.47%，侵蚀沟长度占研究区侵蚀沟总长度的93.81%，侵蚀沟密度与强度分别为1 185.49 m/km2和6 152.50 m2/km2，300 m以上的侵蚀沟密度与强度分别为428.48 m/km2和2 356.78 m2/km2，研究区300 m及以下地区侵蚀沟较发育.本文主要研究坡度、坡形、坡向等地形要素影响下的侵蚀沟密度与强度规律，全面分析沟蚀分异特征.

图1 研究区2013年侵蚀沟分布图

2.1 基于坡度分级的侵蚀沟分布特征分析

坡度是地貌形态特征的主要因素，一定程度上决定了地表水流再分配过程中水流下切的能量.为了研究坡度与侵蚀沟分布特征的关系，本研究利用 ArcGIS 的空间分析模块提取了研究区1∶10 000、空间分辨率为 5 m 的数字高程模型(DEM)的坡度因子，并进行坡度分级.根据研究区实际情况以及侵蚀沟总体分布，将坡度分为0°～2°，2°～5°，5°～10°，10°～15°，…，20°～25°以及 25°以上7个级别.将坡度分级图分别与侵蚀沟分布面状数据与线状数据进行叠加，得到基于坡度因子的侵蚀沟面积与长度分布图，并统计出不同坡度级别下侵蚀沟的密度与强度，结果如表1所示.

表1 不同坡度分级下侵蚀沟密度与强度

图2 不同坡度分级下的沟壑密度与沟壑强度

将沟壑密度和强度与坡度的变化关系做成关系图(见图2)后可以看出，沟壑密度与强度均有随坡度的增加总体上呈先增大后减小的趋势，在5°～10°范围内沟壑密度与强度达到最大值.当坡度小于5°时，侵蚀沟密度与强度随坡度的增加而增加，这可能是由于坡度较低地区主要用于耕作，耕作过程中人为因素的影响在一定程度上改变了土壤的结构、性质，使得侵蚀沟较为发育；对于大于5°的坡面，侵蚀沟密度与强度随坡度的增加而降低，这是由于随着坡度的增加，水流的汇聚作用减弱，再加上研究区土壤疏松肥沃，具有良好的渗水性和透水性，缺乏足够的汇水面积和坡长形成侵蚀沟，导致高坡度区域侵蚀沟发育受到抑制.

2.2 基于坡向分级的侵蚀沟分布特征分析

坡向对侵蚀的影响主要是水热条件和降雨量的差异造成植被生长状况和土地利用的不同，导致土壤侵蚀强度的不同[13].土壤侵蚀方式和强度在不同坡向上存在明显的不对称性.本研究通过 ArcGIS 的空间分析功能，利用DEM 数据提取了研究区的坡向数据，坡向以正北方向为0°，将研究区按顺时针方向分成北(N)、东北(NE)、东(E)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)和西北(NW) 8个坡向.不同坡向下的沟壑密度与沟壑强度统计结果见表2.

表2 不同坡向下沟壑密度与沟壑强度

由表2可以看出，研究区内各坡向上的面积分布存在差异.在8 个坡向中，西北坡、西坡的总面积略高于其他几个坡向，将不同坡向下沟壑密度与沟壑强度做成关系图(见图3)后可以看出，研究区中西南、南以及东南3个坡向上的沟壑密度与强度远大于其他坡向，而东北和北坡沟壑密度与强度最低.造成这一现象的主要原因是阳坡与阴坡所接受的太阳辐射不同，阳坡较多，导致阳坡土壤昼夜温差相对于阴坡要大，冻融作用更强，再加上春季阳坡的积雪融化速度快、水流集中，造成阳坡侵蚀比阴坡严重，侵蚀沟裂度较大；此外，研究区全年盛行西南风，南坡、西南坡、西坡受到的风蚀要比其他坡严重，导致侵蚀沟较为发育[14].

图3 不同坡向下的沟壑密度和沟壑强度

2.3 基于坡形分级的侵蚀沟分布特征分析

坡形一般是指局部坡面的曲折形状.利用 DEM提取的坡形要素实质上就是讨论该栅格点相对于周边栅格的平均高度而言是凹陷的还是凸出的.本文将基于DEM 数据提取的坡形因子分为凹形坡(L<0)、直线形坡(L=0)和凸形坡(L>0)，与2013年侵蚀沟面状数据与线状数据进行了叠加统计，统计结果如表3 所示.从表3可以看出，研究区凹形坡侵蚀沟发生的概率几乎是凸形坡的2倍，直线坡中沟壑侵蚀发生的概率最低.这是由于凹形坡对水流的汇聚作用使其下切力增大，引发沟壑侵蚀；凸形坡对水流具有发散作用，不易发生下切；此外，有研究表明，凹形坡的水流含沙量大于凸形坡，直线坡形水流含沙量最小[15]，这也是导致凹形坡侵蚀沟发育的原因之一.

表3 各坡形类型下沟壑密度与沟壑强度

为进一步研究侵蚀沟与坡形的关系，对研究区侵蚀沟的密度和强度与坡形分别进行了相关性分析.分析结果表明：研究区侵蚀沟多集中于坡形值为-1～1之间的地区，坡形值为-1～1区间的侵蚀沟面积占侵蚀沟总面积的98.95%、长度占研究区侵蚀沟总长度的99.46%，面积占研究区侵蚀沟总面积的99.81%，因此，将研究区坡形分为<-1.0，-1.0～-0.8，-0.8～-0.6，…，0.6～0.8，0.8～1.0，>1.0等12个级别，计算出每个坡形级别内所有坡形的平均值，再利用分区统计功能统计出不同坡形级别的侵蚀沟面积与长度，分别计算沟壑密度与强度，结果见表4.

表4 不同坡形分级下沟壑密度与沟壑强度

根据表4中的数据，对研究区侵蚀沟的密度和强度分别与对应坡形级别内所有坡形的平均值进行相关性分析，结果见图4.结果表明，研究区侵蚀沟的密度和强度均与对应坡形级别内所有坡形的平均值相关，沟壑密度和沟壑强度受坡形影响明显，沟壑强度与坡形L值之间近似呈二次函数关系(y1=11 674x2-10 842x+10 248，R2=0.924 2)，沟壑密度与L值之间也呈现类似的二次函数关系(y2=880.08x2-1 348.1x+1 134.8，R2=0.966 6).从图4可以看出，当坡形L值小于0时，沟壑的密度与强度均呈现明显下降的趋势；当坡形L值大于0时，沟壑的密度与强度有上升趋势，这是由于凹形坡水流沿坡面向下汇集，当凹形坡逐渐变成直线坡形时，水流汇聚作用减弱，下切力变小，直线形坡坡面平坦，水流难以集中，不利于侵蚀沟的发育.

图4 各级别坡形与沟壑密度和沟壑强度的关系

3 结论

本文以Pleiades遥感影像为数据源，获取了东北典型黑土区2013年的侵蚀沟分布数据，并根据研究区范围的1∶10 000的数字高程模型(DEM)数据提取出坡度、坡向和坡形等地形因子，探讨了各地形因子影响下侵蚀沟密度与强度规律，全面分析了东北典型黑土区沟蚀分异特征.结论如下：(1)研究区侵蚀沟总体分布较均匀，但在东北部地区，侵蚀沟分布较密集.同时，侵蚀沟多分布于低海拔地区.(2)沟壑密度与强度随坡度的增加总体上呈先增大后减小的趋势，在 5°～10°范围内沟壑密度与强度达到最大值.当坡度大于一定程度时，高坡度区域上缺乏足够的地表径流引起下切作用，导致侵蚀沟发育受到抑制.(3)研究区内在平地上的面积分布最少，而在其他 8 个坡向中，西北坡、西坡的总面积略高于其他几个坡向.研究区中西南、南以及东南3个坡向上的沟壑密度与强度远大于其他坡向，而东北和北坡沟壑密度与强度最低.(4)研究区内以凹形坡为主，而且凹形坡中侵蚀沟发生的概率几乎是凸形坡的2倍，直线坡中沟壑侵蚀发生的概率最低，研究区沟蚀密度和强度均与坡形具有相关关系.相比凸形坡和直线坡形来说，凹形坡由于对水流的汇聚作用，易于形成汇聚的径流，更容易发生侵蚀.(5) 利用亚米级高分辨率遥感影像目视解译获取研究区侵蚀沟分布状况，能够更好地对研究区内包括浅沟和细沟的侵蚀沟分异特征进行分析，为侵蚀沟治理和合理控制细沟和浅沟的进一步加深提供有效建议，为农业可持续发展提供科学依据.

本文虽然对沟蚀在不同地形要素上的分异特征进行了探讨，但侵蚀沟的产生和发展受气候、地质、地形、土壤、人类活动等诸多要素的影响.有研究表明，降雨及降雨侵蚀力的不同，是造成侵蚀程度差异的重要原因[16]；几乎所有的土壤性质都可以影响土壤侵蚀过程[17]，人类活动也会改变黑土区土壤侵蚀这一自然侵蚀过程等[14].因此，在对黑土区沟蚀进行研究时，除了要考虑地形因素，还要充分考虑其他多种因素对沟蚀的作用.

[1] OLDEMAN L R.The global extent of soil degradation[G]//GREENLAND D J，SZABULES T.Soil resilience and sustainable land use.Commonwealth Agricultural Bureau International，London：Wallingford U K，1994.

[2] 蔡壮，沈波.东北黑土区水土流失防治在保障国家粮食生产中的地位与作用[J].中国水利，2007，20：37-38.

[3] DIRK J.Spatial distribution of gully head activity and sediment supply along an ephemeral channel in a Mediterranean environment [J].Catena，2000，39：147-167.

[4] 范海峰，白建宏，王勇.基于高分辨率遥感影像调查侵蚀沟的方法[J].东北水利水电，2009(6)：56-57.

[5] 孟令钦，李勇.东北黑土区坡耕地侵蚀沟发育机理初探[J].水土保持学报，2009(1)：7-11.

[6] 李晓燕，王宗明，张树文，等.东北典型丘陵漫岗区沟谷侵蚀动态及空间分析[J].地理科学，2007(4)：531-536.

[7] 闫业超，张树文，岳书平.基于Corona和Spot影像的近40年黑土典型区侵蚀沟动态变化[J].资源科学，2006(6)：154-160.

[8] 王文娟，邓荣鑫，张树文.东北典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及坡形分异规律[J].地理与地理信息科学，2012(3)：68-71.

[9] 李飞，张树文，李天奇.东北典型黑土区南部侵蚀沟与坡形要素之间的空间分布关系[J].土壤与作物，2012(3)：148-154.

[10] 叶霞，袁野.北方小城镇镇域村镇体系规划的思考——以吉林省九台市沐石河镇为例[J].科技风，2013(7)：252.

[11] 张薇，赵子平，刘立博，等.沐石河流域水土流失分析与防治对策[J].吉林农业，2010(10)：179-183.

[12] 冯钟葵，石丹，陈文熙，等.法国遥感卫星的发展——从SPOT到Pleiades[J].遥感信息，2007(4)：87-92

[13] 王学强.红壤地区水土流失治理模式效益评价及其治理范式的建立[D].武汉：华中农业大学，2008

[14] 李天奇.东北黑土区侵蚀沟成因与模型研究[D].长春：中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所)，2012.

[15] 于晓杰，魏勇明.不同坡形坡面侵蚀产沙过程的影响研究 [J].水土保持研究，2010，17(1)：97-100.

[16] 吴良超.基于DEM的黄土高原沟壑特征及其空间分异规律研究[D].西安：西北大学，2005.

[17] 宋阳，刘连友，严平，等.土壤可蚀性研究述评[J].干旱区地理，2006(1)：124-131.

(责任编辑：方 林)

Study on gully erosion distribution in Northeast black soil areas based on Pleiades

CHEN Dan1，2，ZHANG Shu-wen2，WANG Rang-hu1，2，PU Luo-man1，2，CHANG Li-ping2，YANG Jiu-chun2

(1.Collage of Earth Science，Jilin University，Changchun 130061，China；2.Northeast Institute of Geography and Agroecolopy，Chinese Academy of Science，Changchun 130102，China)

Taking Pleiades remote sensing image as data source，erosion gully distribution of dates of typical black soil area in Northeast in 2013 are obtained，and according to the 1∶10 000 digital elevation model(DEM) data of study area range，such as slope，aspect and slope-shape were extracted，and the erosion gully density and strength are discussed with the impact of topographical factors，and erosion gully contributions characteristics in typical black soil areas of Northeast are analyzed comprehensively.Results show that：(1) Distribution of erosion gully region in study area is uniform relatively，but in the Northeast，is more dense.Meanwhile，erosion gully distributes around the surrounding low-lying areas mostly.(2) Gully density and strength express first increase and then decrease on the whole with the increase of the slope.Within the range of 5 °～ 10 °，gully density and strength are highest.(3) In study area，erosion gully density and intensity of southwest，south，and southeast aspect is much larger than the other aspect，while gully density and strength of the Northeast and the north aspect is lowest.(4) Concave slope is the main in study area，and the probability of the erosion gully in concave slope is almost double in convex slope.In straight slope gully erosion has the lowest probability.Compared with convex slope，concave slope due to the role of water convergence，can lead to the convergence of the runoff，which lead to erosion easily.

topographical factors；erosion gully；digital elevation model；typical black soil area in Northeast

1000-1832(2016)04-0138-07

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.029

2016-01-28

国家自然科学青年基金资助项目(41301467)；吉林省测绘地理信息局国情监测科技创新项目.

陈单(1993—)，女，硕士研究生；通讯作者：张树文(1955—)，男，研究员，博士研究生导师，主要从事土地系统遥感研究.

S 157.1 [学科代码] 210·5099

A