基于GIS 和RS 技术进行水土流失评估研究

何宏，李洪涛

（沈阳市规划设计研究院有限公司，沈阳110004）

1 引言

人类在地球上赖以生存的最基本的条件是土壤和水分。近年来，随着人口的大量增长以及不合理的经济活动，造成地面上大量水土分离。水土流失不仅会破坏地面的完整性，造成土壤耕作层被侵蚀和破坏，使土地沙化、硬化，影响农作物的生长，导致干旱等自然灾害的发生，而且会严重影响人们的生活，对人类社会和经济的可持续性发展构成威胁，也是地区不平衡发展的重要因素。因此，如何控制并监测水土流失引起了社会的高度关注。随着科技的发展，应用GIS（地理信息系统）与RS（遥感）技术为水土流失的评估及动态监测提供了强大的技术支持，能够准确、客观、实时、动态地反映水土流失情况，为同类地区水土保持工作提供可靠依据。

2 研究方法

本文综合运用GIS 和RS 技术，以SPOT5（多波段融合后）遥感影像（2.5m×2.5m）分辨率为数据基础，以某地山体区为研究区域，区域面积3.12km2，主要地类有采矿用地、耕地、林地、草地，采用土壤流失公式（RUSLE）和ArcGIS 软件计算得出该区域的水土流失量，对水土流失进行分级评估，并提出综合治理水土流失一些建议。

2.1 土壤流失类型

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外力的作用下发生的土壤被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤在外力的作用下产生位移的物质量，被称为土壤侵蚀量。根据外力的种类，土壤侵蚀类型通常分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、山洪侵蚀和泥石流侵蚀等。其中，水力侵蚀是最主要的一种形式。

2.2 土壤流失公式（RUSLE）

土壤流失公式（RUSLE）是由美国农业部在USLE 公式基础上加以改进而来，相比较通用的USLE 公式，修正版的RUSLE 中的影响因子不再各自独立，而是有相应的关系，彼此影响。

土壤流失公式（RUSLE）基本公式为：

式中，A为年均土壤流失总量，t/（hm2·a）；R为降雨侵蚀度，mj·mm/（hm2·h·a）；K为土壤侵蚀度，t·hm2·h/（mj·mm·hm2）；L为坡长因子；S为坡度因子（LS合称为地形因子）；C为覆盖和管理因子（CS为像元大小）；P为水土保持因子。

2.3 RUSLE因素介绍及计算方法

2.3.1R计算w

降雨侵蚀度是指在一定区域内，当地的降雨量致使地表土壤分离或者移动的指标因素。该因子采用Wischmeier 提出的经验公式：

式中，Pi为各月平均降雨量，mm；P1为年雨量，mm。本文采用研究区域公布2013 年降雨量数据，计算得出R=143.636mm。

2.3.2K值计算

土壤侵蚀度是指不同类型土壤受到侵蚀的可能性，在同样的环境条件下，K值越大，说明土壤更容易受到侵蚀。影响因素主要有土壤质地，土壤有机质含量，土壤结构还有土壤的透水性能等因素。本文运用Williams 等人提出的EPIC 模型，近似确定出不同土壤类型的可侵蚀因子，本文在项目区内随机选取42 个样点，通过空间插值法（IDW）获得研究区域内的土壤可侵蚀因子。

2.3.3 地形因素

地形因素包含坡长和坡度因子，是指因为地形变化引起的土壤流失可能性[1～4]。本文地形因子计算公式主要采用Moore和Burch 的计算公式。

式中，FA为汇流累积量；θ 为地形坡度角。

坡度应用项目区内高程点坐标（原有地形图采用图解法获得）通过ArcGIS 制作DEM，通过其表面分析模块提取，汇流累积量通过GIS 中水流分析模块流量工具计算得出。LS最终利用栅格计算器通过公式计算得出。

2.3.4C值计算

植被覆盖与管理因子是评价土壤植被因素抵抗土壤受侵蚀能力的重要因素。C值主要受地表植被覆盖度和地表现状用地类型影响。

C值公式采用D.E.Jone 提出的土壤侵蚀公式：

式中，nir 为近红外波段；r为红外波段。ndvi 为植被指数，从上述公式中可以看出，ndvi 的值域范围为[-1，1]，ndvi 值越小说明该区域植被覆盖度越低，相反越大说明覆盖度较大；α 和β为曲线形状参数，赋值为2 和1，采用ERDAS 软件提取近红外波段和红外波段，计算得出ndvi，通过ARCGIS 软件中栅格计算器得出C值。

2.3.5P值计算

P值即水土保持因子是指采用相应措施后，土壤流失总量与顺坡土地耕种时土壤流失量的比值。本文P值的确定主要以参考文献的研究结果，不同地类的P值如表1 所示[5]。

表1 不同地类P 值列表

3 结果分析

综上所述，结合式（1）计算方法，应用ArcGIS 的栅格计算器，将各个因子图层相乘，同时依据SL 190—2007《土壤侵蚀分级标准》的要求，得到实验区域的水土流失分布（见表2）。

表2 水土侵蚀类型列表

4 结论

从以上数据可以看出，研究区域内，18%的地区水土流失严重，且水土流失量的大小受地形、降雨量等各方面综合因素的影响。本文通过基于GIS 和RS 技术，结合地形、覆盖度、降雨量等数据可以快速、准确地实现对水土流失范围的评估，为同类地区水土保持的政策制定提供有效借鉴。