基于ArcGIS长江流域水土流失遥感监测质量检查

王成 钟良 段锦章 周金霞

摘要：长江流域水土流失遥感监测成果数据量庞大，传统的人工检查方法费时费力，难以满足长江流域全覆盖监测需求。结合长江流域水土流失监测工作的特点，基于ArcGIS平台研发了水土流失动态监测解译成果质检工具，包括坐标检查、拓扑检查、逻辑检查、接边检查等。该方法能够快速对大批量成果进行质量把关，方便成果修改，最终确保成果规范统一，完全满足后续侵蚀强度模型计算的相关要求，可有效提高长江流域水土流失监测效率。

关键词：水土流失;土地利用;水保措施;ArcGIS;遥感监测;质量检查

中图法分类号：S157 文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.014

文章编号：1006 - 0081（2021）09 - 0079 - 06

0 引 言

水土流失会对自然环境产生严重的威胁，国家水土管理部门把监测工作置于重要位置，给予水土保持监测工作高度关注。长江流域是我国水土流失最严重区域之一，水土流失面积达34.67万km2，占流域土地总面积的19.36%，主要分布在上中游云、贵、川等地，该区域水土流失情况较为突出，造成了该区域生态环境退化和区域經济贫困化。长江流域水土流失监测工作在国家水土流失监测工作中范围广、难度大、关注度高。开展水土流失动态监测，摸清水土流失情况，定期发布水土保持公告，有利于做好流域水土流失预防和治理工作，同时为长江经济带建设和国家宏观决策提供依据，对促进区域社会经济可持续发展具有重要的意义[1-2]。

目前，水土保持监测是以生态环境保护作为出发点，综合运用现代化技术，动态评估水土流失的实际情况。现阶段，国内水土保持监测方法不断创新，相关的监测技术日渐更新，大大地提高了监测结果的准确度，为水土保护和管理工作提供了重要参考依据。遥感监测已经成为水土保持监测的核心手段[3]，水土流失遥感监测工作量主要集中在土地利用和水土保持措施解译，解译成果质量直接影响后续水土流失强度计算的结果。孙妍等[4]以海河流域2019年度水土流失动态监测项目为例研究了水土流失动态监测质量控制方法与实践，主要是从建设质量控制体系角度进行分析，缺少具体操作流程。传统的成果质量检查主要是人工进行，费时费力，且容易有遗漏，难以满足水土保持信息化建设的需求，目前亟需一种快速进行质量检查的方法来提高监测效率和成果规范性。

本文基于ArcGIS的核心应用（ArcToolbox）为切入点，综合运用分析工具、数据管理工具、转换工具等，编写python脚本，构建工具箱，一键式操作，实现快速对水土流失遥感监测数据库成果进行质量检查[5-6]。

1 水土流失遥感监测质检方法

根据《区域水土流失动态监测技术规定》的相关要求，基于卫星影像进行水土流失遥感解译与信息提取，主要有影响水土流失的人为活动，包括土地利用、水土保持措施的类型与数量、生产建设活动扰动情况等[7-9]。遥感解译成果是以土壤侵蚀地块为水土流失发生的基本空间单元，即：将土地利用类型相同、水土保持措施相同、空间上连续的范围确定为土壤侵蚀地块边界[10-12]。土壤侵蚀地块数据库相关内容与字段属性如表1所示。

针对遥感监测信息提取过程中容易出现错误的环节进行质量检查，首先是坐标系检查，可通过投影与转换中的定义投影功能进行坐标系检查与坐标系转换，确保坐标系准确无误后，利用拓扑工具中的拓扑创建、添加规则、设置容差、导出错误等功能进行拓扑检查。这两项为图形检查的重点内容，必须保证完全符合要求。

对于属性检查，主要是检查土地利用与各项水保措施的逻辑关系是否符合要求。可通过建立逻辑关系，然后按照属性选择，筛选出错误图斑。

各个区县成果经图形和属性检查修改无误后，则需进行接边检查。可通过提取接边图斑进行制图，综合使得相同属性相邻图斑融合，其产生的接边后图斑若与接边线共线，则视为接边错误，导出图斑进行修改。

完成以上4项检查后，基本满足水土流失遥感监测信息提取建库的相关要求，可顺利进行下一步水土流失侵蚀强度的计算，具体流程见图1。

1.1 坐标检查

根据《区域水土流失动态监测技术规定》要求成果须采用CGCS2000 国家大地坐标系，采用1985 国家高程基准，投影方式为正轴等面积割圆锥投影（Albers 投影），中央经线为105°E。由于信息提取过程中会使用不同坐标系的参考资料，数据导入导出操作容易导致坐标系发生变化不符合要求。可通过使用数据管理工具中的“投影和变换”功能进行坐标检查与坐标转换修改。

1.2 拓扑检查

为了便于后续能顺利进行水土流失侵蚀强度计算，必须对土壤侵蚀地块进行拓扑检查，确保无重叠、无缝隙，无极小面。可通过数据管理工具中“构建拓扑”、“添加拓扑规则”（规则为不能重叠、不能有缝隙），设置拓扑容差为0.001 m，进行拓扑检查，并导出拓扑错误。

1.3 逻辑检查

逻辑检查主要是针对土地利用与水土保持措施之间存在矛盾等问题。由于水土保持措施对于后续水土流失强度计算影响较大，必须确保二者逻辑一致、正确。

其中，TDLYDM（土地利用代码）与BDM（生物措施代码）、EDM（工程措施代码）、FZCS（防治措施）等具有逻辑关联性，如生物措施为102（种草），则土地利用代码只能为43（其他草地）。

构建土地利用代码与水土保持措施代码之间的逻辑对应关系如表2所示。然后通过“按属性选择”功能，选择不符合构建逻辑关系的图斑，并导出错误图斑，方便对照修改。

1.4 接边检查

由于长江流域水土流失监测范围较大，涉及区县数量较多，遥感解译成果以区县为单位进行组织，各区县之间侵蚀地块图斑的边界范围和属性会存在差异性。为了确保各区县成果正确性，需要进行接边处理与接边检查。

由于各区县图斑数量庞大，如果直接进行数据合并接边将导致数据库操作非常缓慢，为了提高接边效率，通常根据区县界线按位置选择提取接边区域与其相交的图斑，利用数据管理工具中合并功能将各区县接边数据合并到同一数据库中，再使用制图综合中的融合工具，将相同属性的相邻图斑融合为一个完整图斑，融合字段勾选“TDLYMC，TDLYDM，BMC，BDM，EMC，EDM，TMC，TDM，LZDM，BH，QDM，QBDM，QEDM，BZ”等字段。按照位置选择，如果存在融合后图斑与区县界线共线的图斑则为接边错误，导出错误记录，逐一修改。

2 示范应用

2.1 研究区域概况

以泸水市为例，泸水市位于云南省西部偏北，怒江傈僳族自治州南部。东靠碧罗雪山与兰坪、云龙两县相邻，南接保山市，西与腾冲县和缅甸联邦共和国毗邻，北连福贡县。县域东西横距58 km，南北纵距95 km，国境线长136.24 km，总面积3 203.04 km2。泸水市地处享有“东方大峡谷”美誉的横断山脉南端纵谷区，地势北高南低，呈“V”字地形，最高海拔4 161.6 m，最低海拔738 m。泸水市境内有片马河、怒江、楚依大河等40条河流，分属依洛瓦底江和怒江两大水系，見图2。

沿怒江道路低处山坡分布有耕地，高处已经基本退耕还草，山上植被覆盖度高，以林地为主。东南区域山上植被覆盖度不高，以灌草为主。沿怒江的公路，目前施工接近完工，存在轻微扰动。

2.2 遥感信息提取成果检查

为便于成果检查，将泸水市土壤侵蚀地块数据库（图层名QSDK）转换成gdb格式，图斑总个数为16 943个，侵蚀地块分布如图3所示。

根据成果质量要求，需要进行坐标检查，打开坐标检查工具，添加需要检查的矢量数据，检查泸水市成果坐标系正确，符合要求（图4）。

新建要素数据集，将待检查的矢量数据-泸水市土壤侵蚀地块成果添加至数据集中，加载需要检查的矢量数据所在的数据集和矢量数据图层，输入检查结果存放路径即可导出错误文件。具体操作如图5所示，检查结果如图6所示，导出面错误、线错误、点错误。结果表明，泸水市无拓扑错误，只有系统自带的外轮廓的线标记错误。

添加泸水市土壤侵蚀地块矢量数据，输入检查结果存放路径即可导出错误文件，该方法支持SHP、GDB、MDB等多种格式数据，支持快速进行土地利用、水保措施、防治措施等字段属性值的逻辑正确性检查，并将错误结果快速导出，以便修改。具体操作如图7所示，检查结果如图8所示，结果发现该数据存在农村建设用地，出现有坡式梯田的措施以及防治措施字段有侵蚀强度等错误。

添加接边线即区县界线、两个待检查的接边矢量数据泸水市接边图斑和福贡县接边图斑，输入接边文件合并后存放路径和检查结果即可导出错误文件和接边后成果，可基于接边后成果参考错误文件进行进一步接边，提高接边效率。具体操作如图9所示，检查结果如图10所示，结果发现该数据存在部分接边图斑边线合并后有缝隙以及接边图斑属性不一致的情况。

通过以上检查，确保最终成果满足遥感信息提取的技术要求和水土流失计算的相关规定，以便顺利开展下一步水土流失侵蚀强度计算。

3 结 语

本文详细阐述了基于ArcGIS平台编写脚本构建工具箱进行长江流域水土流失遥感监测成果质量检查的方法，并以泸水市为例，对土壤侵蚀地块成果进行了质量检查。该方法能一键式快速进行遥感监测成果规范性与逻辑性检查。对于成果分类正确性与套合精度等问题，则还是需要辅以人工手动检查。

参考文献：

[1] 胡玉法， 黄健， 畅益锋. 落实新《水土保持法》推进长江流域水土保持生态文明建设的思考[J]. 长江技术经济， 2019，3（1）：32-35.

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[3] 陈兴剑. 水土保持监测基本方法解析[J]. 科技经济导刊， 2018，26（34）：105.

[4] 孙妍， 王文轩， 齐建怀. 水土流失动态监测质量控制方法与实践——以海河流域2019年度水土流失动态监测项目为例[J]. 中国水土保持， 2020（6）：55-58.

[5] 刘少聪， 陈细润， 胡创. 基于ArcGIS的河道地形图高程数据质量检查[J]. 水利水电快报， 2020，41（10）：15-18.

[6] 金时来. 福建省“十四五”期间水土保持信息化建设探讨[J]. 亚热带水土保持， 2020，32（4）：64-67.

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[8] 高云飞， 李智广， 刘晓燕. 黄河流域水土流失遥感监测中土地利用现状分类体系构建[J]. 水土保持通报， 2018，38（1）：111-115.

[9] 陈子琪， 李小兵， 陈亮. 基于遥感技术的县级水土流失动态监测分析——以千阳县为例[J]. 中国水土保持， 2020（7）：48-50.

[10] 曹曦， 高圣益， 马力. 浅谈遥感解译在水土流失监测中的应用[J]. 东华理工大学学报（自然科学版）， 2016，39（增1）：116-118.

[11] 曾红娟， 朱永清. 三峡库区及上游水土保持监测站网建设思路探讨[J]. 人民长江， 2017，48（12）：26-29.

[12] 褚琳， 王天巍， 朱永清， 等. 水土流失遥感调查中植被覆盖度因子提取研究[J]. 人民长江， 2017，48（12）：70-74.

（編辑：李 晗）

Quality inspection of remote sensing monitoring of soil erosion in Yangtze River Basin based on ArcGIS

WANG Cheng1，2，ZHONG Liang1，2，DUAN Jinzhang1，2，ZHOU Jinxia1，2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010， China ;  2. Changjiang Space Information Technology Engineering Co.， Ltd. （Wuhan）， Wuhan  430010， China）

Abstract： The data volume of remote sensing monitoring results of soil erosion in the Yangtze River Basin is huge， and the traditional manual checking method is time-consuming and difficult to meet the demand for full-coverage monitoring in the Yangtze River basin. In the combination of the characteristics of soil erosion monitoring in the Yangtze River Basin， and based on GIS platform， a quality inspection tool， including coordinate check， topology check， logic check， bordering check， for interpretation result of dynamic soil erosion monitoring is developed. This method can quickly check the quality of large quantity of results， and facilitate the modification of results to ensure that the results are uniform and fully meet the requirements of subsequent erosion intensity model calculation， and effectively improve the efficiency of soil erosion monitoring in the Yangtze River Basin.

Key words： soil erosion; land use; water conservation measures; ArcGIS; remote sensing monitoring; quality inspection