遥感评估技术在南疆地区水土保持监测中的应用

张 攀

(新疆喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 概 述

在20世纪50年代初，国内的水蚀面积约为153×104km2，到20世纪末，扩大到367×104km2。水土流失土地面积占全国土地面积的38.2%，已成为环境问题的重中之重。利用遥感技术可以研究人类无法接触的危险区域，具有不受时间及空间的限制和灵活等优点，因此在水土保持领域具有广泛的应用[1-2]。本文主要介绍遥感的应用特点，结合水土保持监测项目，总结遥感技术在水土保持动态监测中的具体应用，讨论该技术在水土保持领域的重要性和发展前景。

2 遥感评估

不同生态系统类型的有机组成形成了一定区域的生态系统格局。重点调查南疆地区喀什地区以及克孜勒苏柯尔克孜自治州两地区16个县市生态系统类型的空间分布、面积及比例等的变化。生态系统空间评价的目标是结合遥感、地面调查以及生态系统多年观测数据，调查与评价兵团陆地生态系统类型、分布、比例与空间分布及其5年来的变化状况，分析研究区生态系统相互转化特征，整体把握研究区域生态分布以及水土流失的状况。

2.1 遥感指标

大面积检测与分析是遥感评估一个重要方面，通过设计一些指标，利用不同光谱波段反射系数的差异(植被指数)，从而可以对植被及其变化进行大量检测，植被消失的区域可视为水土流失增加的区域，见图1。植被指数旨在突出某些植被特性，它们来自两个或多个表面反射波长，表示被观测植被的反射特性。自太空时代开始以来，卫星从大片土地上探测到的反射率被用来推断这些指数。图2为遥感捕获的一些多光谱图像。我们将这些指数大致分为3类：宽绿带、窄绿带和其他。

图1 遥感多波段图像

图2 植被指数遥感中使用的一些光谱带

宽频带绿度指标主要是反映绿色植被数量和质量的简单指标。组分反射率测量对叶面覆盖、叶绿素浓度、树冠面积和建筑结构敏感，他们比较了近红外光谱和红色光谱范围内植被的反射峰。这些指数表明植被中存在光合活性成分，主要应用于土地利用研究、气候影响评价和植被生产力。

窄带绿色指数与宽带指数类似，但更为敏感，因为它们使用光谱的红色边缘进行测量。宽频带指数趋于饱和，而窄频带指数克服了这一点。它们主要用于设计成像光谱仪。

这些指标在精确农业中，对于识别、分析和管理特定场地的土壤时空变化非常有用。

其他指标包括氮基和碳基指标。叶片中的氮浓度通过短波红外区域的反射测量来检测。碳元素存在于木质素和纤维素的干燥状态，也在短波红外区测量。植被碳指数的增加表明植被正在经历衰老/老化。

2.2 数据源与数据处理

生态系统空间特征分析利用遥感解译获取的2015和2018年两期生态系统空间分布数据集，精度要求至少到二级分类水平。此部分调查内容需要的数据全部来源于国家下发的遥感数据产品，不需要其它数据及相关处理过程。

主要计算方法如下：

1)生态系统结构比例。指土地覆被分类系统中，基于一级分类的各类生态系统面积比例。计算方法为：

(1)

式中：Pij为土地覆被分类系统中基于一级分类的第i类生态系统在第j年的面积比例；Sij为土地覆被分类系统中基于一级分类的第i类生态系统在第j年的面积；TS为评价区域总面积。

2)生态系统类型面积变化率。指研究区一定时间范围内某种生态系统类型的数量变化情况。计算方法为:

(2)

式中：EV为研究时段内某一生态系统类型的变化率；EUa、EUb为研究期初及研究期末某一种生态系统类型的数量(如面积、斑块数等)。

3 遥感在水土保持监测中的应用

3.1 水土保持生态治理工程监管中的应用

许多省级和国家级的水土保持生态治理的工程较大、范围较广、治理面积较大，在进行水土监管中具有较大的困难。因此，采用遥测技术能够有效解决这一问题，能够对大面积、大范围的水土保持生态治理工程进行及时监督管理土地利用、采取水土保持措施、防止水土流失等[3]。

3.2 水土保持动态监测中的应用

根据遥感数据能够有效计算和分析出该水土监管工程的面积、工程坡度、土地利用现状以及水土流失状况，并通过这些数据将土地的坡度图、土地利用现状图、立体透视图以及土壤侵蚀图进行绘制，从而能够及时地对水土流失状况进行动态监督。

3.3 生产建设项目监管中的应用

遥感技术用于水土监测，主要通过ArcGIS空间分析功能来分析计算机上形成的三维图像，从而获得项目建设区域面积、挖土石方量、地表扰动面积、植被盖度、水土保持措施类型及数量等数据。获得的数据结果可用于计算6种土壤侵蚀控制指标，如排渣率、土壤侵蚀控制程度和土壤流失控制率等。在此基础上，分析各种生产建设项目中水土流失防治的效果和水土流失维护措施的实施情况，从而为相关的政府监督部门提供有效的数据资料。

4 南疆水土保持检测结果分析

4.1 水土流失面积监测结果与分析

研究区土壤侵蚀主要是水蚀和重力侵蚀，最严重的是坡耕地，特别是陡坡地和轮歇地。以2015年为基准年，2018为现状年，采用以上两年遥感解译数据为基础，根据生态系统分类，对南疆16个县市的水土侵蚀进行监测。2018年南疆16个县市具体流失面积见表1。

表1 南疆地区水土流失

4.2 水土流失量的计算

研究区为水力侵蚀，土壤侵蚀预测将以研究区原有地貌土壤侵蚀模数为基础；然后考虑影响土壤侵蚀、降雨、植被、土壤、建筑和施工活动等的主要因素，确定原始地形扰动后的土壤侵蚀模数和研究区的自然恢复期，计算不同研究期内各单元的土壤侵蚀量和增量。

4.2.1 土壤侵蚀量计算公式

1)原生水土流失量公式：

(3)

式中：Wi为原地貌水土流失量，t；i为不同检测单元；Mi为原地貌土壤侵蚀模数，t/km2·a；Fi为不同地貌单元面积，km2；Ti为水土流失监测时段。

2)扰动水土流失量计算。因工程建设扰动地表而产生的水土流失量的预测方法和原生水土流失量的预测方法相同，采用土壤侵蚀模数法进行预测，公式如下：

(4)

式中：Wij为扰动地表水土流失量，t；Fij为某时段某单元的预测面积，km2；Mij为某时段某单元的土壤侵蚀模数，t/km2·a；Tij为某时段某单元的预测时间，a；i为预测单元，i=1、2、3、…，n；j为预测时段，j=1、2，指施工期和自然恢复期等。

则新增水土流失量计算：

(5)

式中：ΔW为扰动地表新增水土流失量，t；Mij为扰动后土壤的侵蚀模数，t/km2·a；ΔMij为新增土壤的侵蚀模数，t/km2·a；Mi0为扰动前土壤的侵蚀模数，t/km2·a；Tij为监测时段(扰动时段)，a。

4.2.2 相关参数确定

根据新疆土壤侵蚀模数图分布状况，研究区地处轻度侵蚀区，侵蚀模数500～2 500 t/km2·a，根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-2007)，确定项目区原生地貌侵蚀模数为500 t/km2·a。以喀什市某施工区为例进行水土流失计算，确定施工期内流失时段的土壤侵蚀模数为1 400 t/km2·a；施工期堤防和护岸区的土壤侵蚀模数为1 800 t/km2·a。水域景观及绿化防治区自然恢复期土壤侵蚀模数取500 t/km2·a。具体参数确定见表2。

表2 监测参数确定

通过计算，在2015年7月至2018年7月，研究区水土流失总量为67 172 t，其中原地貌(扰动前)水土流失量为12 330 t，因工程建设新增水土流失量30 182 t。平均土壤侵蚀模数为908 t/km2·a。研究区水土流失量汇总见表3。

表3 水土流失量汇总

5 结 语

将遥感技术运用于水土保持监测中，因其高精度和直观便捷的优势在当前水土保持监管工作中得到广泛的应用和发展，它弥补了传统测量方法劳动和时间的不足，大大节省了水土保持监测的成本。而且由于遥感技术在性能以及体积方面的优势，能更好地应对各种复杂环境。因此，采用遥感技术能够使水土保持监管部门及时掌握区域水土流失规律，制定相应的水土流失防治措施，具有广阔的应用前景。