基于遥感的川滇生态屏障区生态环境监测技术研究

徐 庆，李 亮，李国明，申学林

（1.自然资源部第六地形测量队；2.四川省地理国情与资源环境承载力监测工程技术研究中心，成都 610500）

川滇生态屏障是重要的长江上游生态安全屏障，位于川滇西部及四川盆地的过渡地带，是长江流域的生态屏障，在川滇高山峡谷水土流失控制、秦岭生物多样性保护等方面具有重要作用[1-2]。由于该区域本身的脆弱性，加之人类不合理的资源开发利用，其生态屏障功能未能充分发挥。

遥感影像具有覆盖面积大、获取周期短的优势，广泛应用于植被覆盖度监测、水土流失监测等领域[3-4]。在植被覆盖度监测领域，有人利用多光谱遥感影像计算归一化差异植被指数，在此基础上生成植被覆盖度[5]。在水土流失监测领域，许多学者提出了不同的水土流失监测模型。徐涵秋等提出度量水土流失强度的遥感生态指数，在福建省长汀县水土流失区进行了应用[6]。

为监测川滇生态屏障区自然生态状况，本文提出一种基于遥感的川滇生态屏障区生态环境监测方法，选取植被覆盖、水土流失两个指标度量川滇生态屏障区的自然生态状况，利用归一化差异植被指数构建植被覆盖度，采用中国土壤流失方程计算反映区域水土流失现状的土壤侵蚀强度[7]。

1 试验区及遥感数据源

川滇生态屏障区位于中国西南的四川和云南两省，其地理位置为东经98°35′～104°59′、北纬26°36′～34°19′，土地总面积约19.4 万km2。该区域在地貌上属于青藏高原的东延部分，地形西北高、东南低。区域内河流较多，水系发育多呈树枝状或羽毛状分布，主要有金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等。气候以高原山地温带、寒温带季风气候为主，属于高原山地垂直体系。

本文使用的主要遥感数据源为2015年和2016年Landsat8 遥感卫星影像，空间分辨率为30 m。对原始影像进行相对辐射校正，然后进行影像拼接。

2 研究方法

本文以遥感影像为基础，从地表覆盖、植被覆盖、水土流失3 个方面评估区域生态环境状况。其间利用遥感影像分类方法获取地表覆盖结果；计算归一化差异植被指数，在此基础上构建植被覆盖度；结合气象、土壤等专题数据，利用中国土壤流失方程度量土壤侵蚀强度。具体方法流程如图1所示。

图1 方法流程

2.1 植被覆盖度

利用遥感影像的近红外波段与红波段，依据式（1）计算归一化差异植被指数，即

式中，NDVI为归一化差异植被指数，其介于[-1，1]；NIR、R分别为近红外波段与红波段的灰度值。

基于归一化差异植被指数值，采用式（2）计算植被覆盖度，即

式中，VEG、NDVI分别为植被覆盖度、归一化差异植被指数；NDVImin、NDVImax分别为区域内归一化差异植被指数的最小值与最大值。VEG值介于[0，1]。

遥感影像上植被覆盖越密集的地方植被覆盖度越大，反之则越小。在影像上，分别选取20 个无植被覆盖的裸土区和沙漠区以及高植被覆盖的植被区，每处区域像元个数不少于4 个。无植被覆盖区域NDVI的平均值即为NDVImin，高植被覆盖区域NDVI的平均值即为NDVImax。

依据植被覆盖度，采用表1的分级方法将区域划分为劣盖度、低盖度、中盖度和高盖度四类。

表1 植被覆盖度分级标准

2.2 水土流失

采用中国土壤流失方程计算表征水土流失现状的土壤侵蚀强度，其公式如下：

式中，SE为土壤侵蚀强度，R、K、LS、B、E、T分别为降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子、生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子。

依据土壤侵蚀强度，将区域划分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈六大类。表2为具体分级方式，其中土壤侵蚀强度的单位为t/（km2·a）。

表2 水土流失分级标准

2.2.1 降雨侵蚀力

本研究采用日降雨数据计算各站点半月降雨侵蚀力，在此基础上得到年平均降雨侵蚀力，利用各站点计算结果，采用克里金内插方法进行降雨侵蚀力空间插值，得到降雨侵蚀力空间分布图。计算公式如下：

式中，Rihom为当年第i个半月的降雨侵蚀力（1 ≤i≤24）；mi为当年第i个半月内侵蚀性降雨日数，当日降雨量大于12mm 时，该日判定为侵蚀性降雨日；Pi k为第i个半月内第k个侵蚀性降雨日的降雨量；Pyear为当年侵蚀性降雨量的平均值；Pyears为多年侵蚀性降雨量的平均值；Ryear为当年降雨侵蚀力。

2.2.2 土壤可蚀性

土壤可蚀性采用式（8）计算：

式中，S为坡度因子；θ为坡度值。

坡长因子计算如下：

式中，L为坡长因子；θ为坡长；m为坡长指数。

2.2.4 生物措施

式中，K为土壤可蚀性；SAN、SIL、CLA、C分别为砂砾、粉粒、黏粒和有机碳的百分比含量，并且SNI=1-SAN/100。

2.2.3 坡度坡长坡度因子计算如下：

依据地表覆盖类型与植被覆盖度，赋予不同的生物措施因子值，具体对应关系如表3所示。

表3 生物措施因子与植被覆盖、地表覆盖对照表

2.2.5 工程措施

工程措施因子的计算公式如下：

式中，E为工程措施因子；St为梯田面积；Sd为淤地坝控制面积；St、Sd分别为梯田面积与淤地坝控制面积；S为土地面积。α、β分别为梯田和淤地坝的减沙系数，其值分别为0.763 和1。

2.2.6 耕作措施

耕作措施因子取决于坡度值，如表4所示。

表4 不同坡度条件下的耕作措施因子T 值

3 试验及分析

3.1 植被覆盖度监测

2015年、2016年川滇生态屏障区的植被覆盖度空间分级图如图2所示。从图中可以直观看出，区域内植被覆盖良好，以高盖度、中盖度为主，劣盖度、低盖度占少数。2015年劣盖度区域集中在中部区域，2016年劣盖度区域集中在北部区域。

图3为植被覆盖度分级占比图。从图中可以看出，2015-2016年，川滇生态屏障区的植被覆盖度变化较小。区域内高盖度比重较大，2015年为89%，2016年达到90%。

3.2 水土流失监测

川滇生态屏障区2015年、2016年水土流失空间分级图如图4所示。从图中可以看出，区域内水土流失总体情况较好，以微度、轻度为主。

从侵蚀总量上看，2015年该区域平均土壤侵蚀模数为481.22 t/（km2·a），年土壤侵蚀总量为0.94 亿t； 2016年该区域的平均土壤侵蚀模数为597.78 t/（km2·a），年土壤侵蚀总量为1.2 亿t，土壤侵蚀总量呈增大趋势。

从侵蚀级别上看，2015-2016年，微度侵蚀土壤面积呈增大趋势，增加7 013 km2；轻度土壤侵蚀面积呈减少趋势，减少8 740 km2；强烈、极强烈、剧烈级土壤侵蚀区域有所增加，共增加1 814 km2。图5为2015年、2016年川滇生态屏障区微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈6 类水土流失的面积图，单位为平方千米（km2）。

图3 川滇生态屏障区2015年、2016 植被覆盖度 分级占比图

图4 川滇生态屏障区2015年、2016 水土流失 空间分级图

图5 2015年、2016年川滇生态屏障区水土流失 面积对比

4 结论

遥感是一种重要的生态监测手段。本文以川滇生态屏障区为研究区域，提出了一种基于遥感的生态环境监测方法。其间利用归一化差异植被指数构建植被覆盖度，采用中国土壤流失方程计算土壤侵蚀强度。试验结果表明了自然生态遥感监测方法的有效性，笔者可以据此得出以下结论。

川滇生态屏障区植被覆盖度总体稳定，呈现变好趋势。2015年、2016年各类植被覆盖度的变化较小，变化幅度约为1%。高植被覆盖度区域面积比重较大，达到89%左右。与2015年相比，2016年高植被覆盖度比重提升1%，呈现变好趋势。川滇生态屏障区水土流失情况总体好转。与2015年相比，2016年微度土壤侵蚀区域呈增大趋势，增大7 013 km2，水土流失整体略有好转。但是，强烈、极强烈、剧烈土壤侵蚀区域呈增大趋势，水土流失综合治理工作仍然有待加强。