基于遙感和GIS的區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查研究土壤侵蝕是指土壤在外力(如水力、風(fēng)力、重力、人為活動等)的作用下，被分散、剝離、搬運(yùn)和沉積的過程。土壤侵蝕強(qiáng)度：單位時(shí)間、單位面積上土壤侵蝕量的大小表示。通常表達(dá)土壤侵蝕強(qiáng)度的指標(biāo)是土壤侵蝕模數(shù)Ms，即每年每平方千米的土壤侵蝕量，其單位是城kinZ·a);或以每年侵蝕掉土層的平均厚度Ds表示，單位為mm/a。土壤侵蝕程度(soilerosiondegree)是反映土壤侵蝕過程中發(fā)展階段差異的概念，從定量和定性兩方面進(jìn)行評定。通常以土壤侵蝕模數(shù)作為定量指標(biāo);定性指標(biāo)多以未侵蝕的土壤剖面作為比較，以土壤剖面各發(fā)生層被侵蝕的程度來表示。例如，土壤侵蝕剖面的A層被侵蝕，其侵蝕程度為輕度至中度;B層被侵蝕，其侵蝕程度為中度至強(qiáng)度;待土壤母質(zhì)層出露地表情況下，其侵蝕程度己達(dá)極限，為極強(qiáng)度至劇烈侵蝕。遙感調(diào)查的結(jié)果更接近于土壤侵蝕程度的調(diào)查.傳統(tǒng)的水土流失研究，侵蝕量多在坡面、徑流小區(qū)尺度監(jiān)測:區(qū)域、流域尺度多以河流泥沙數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，缺少對全坡面、小流域和更大尺度水土流失的直接監(jiān)測.本研究涉及的研究區(qū)域主要是官廳水庫上游和密云水庫上游地區(qū)。7萬多平方公里。土壤侵蝕調(diào)查中的遙感應(yīng)用數(shù)十種植被指數(shù)：主要有比值植被指數(shù)(RVI)、差值植被指數(shù)(DVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、綠度植被指數(shù)(GVI)和垂直植被指數(shù)(PVI)等。利用植被指數(shù)，計(jì)算植被覆蓋度或葉面積指數(shù)，然后將植被覆蓋度或葉面積指數(shù)應(yīng)用到定性的侵蝕判斷模型或定量的上壤流失模型運(yùn)算中去。區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)的收集遙感影像：2002年5~6月的Landsat7ETM遙感數(shù)字圖像12景1~8波段。原始遙感影像通過幾何糾正、大氣糾正以及圖像融合等提供后續(xù)的應(yīng)用使用。遙感影像被用于提取植被信息和修正已有的土地利用信息。土地利用：研究中使用了區(qū)域內(nèi)12個(gè)各縣現(xiàn)有的土地利用調(diào)查資料，主要是土地利用現(xiàn)狀圖。土地利用現(xiàn)狀圖的原始資料由各縣的國家土地管理部門提供。由于更新周期等其他問題，成圖時(shí)間多為20世紀(jì)90年代初。分類系統(tǒng)依據(jù)全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(1984年5月)進(jìn)行劃分，采用二級分類，統(tǒng)一編碼排列。個(gè)別縣根據(jù)實(shí)際情況需要可增加三級及四級分類，本區(qū)域內(nèi)大部分為三級分類。原始數(shù)據(jù)的收集地形信息：在涵蓋密云水庫上游潮白河流域以及官廳水庫上游永定河流域及北京地區(qū)的230幅1:50000地形圖的基礎(chǔ)上制作全要素?cái)?shù)字地形圖，并建立柵格數(shù)字高程模型(DEM)。原始數(shù)據(jù)的收集降雨資料：根據(jù)水文站點(diǎn)是否有降雨過程的詳細(xì)記錄將其區(qū)分為一般站和代表站。收集一般站記錄的該站5至10月的各月總雨量;對于代表站，則根據(jù)降雨自記紙的記錄摘讀代表站的各次降雨要素。區(qū)域內(nèi)收集整理的一般站有44個(gè)，包含水文站、雨量站及氣象站，整理得到各測站2001年、2002年5月份至10月份的月降雨總量及汛期月份總雨量;選擇4個(gè)代表站，分析各代表站2001年、2002年逐日降水量過程線，得到各代表站全年連續(xù)30分鐘最大雨強(qiáng)的代表值,汛期月份總雨量。原始數(shù)據(jù)的收集土壤信息：研究中使用了密云水庫上游范圍內(nèi)全國第二次土壤普查分縣土壤類型及其理化分析資料，理化分析資料主要是土壤的有機(jī)質(zhì)含量和顆粒的機(jī)械組成。土壤類型分類依據(jù)((全國第二次土壤普查技術(shù)規(guī)范))，采用五級制，即土綱、土類、亞類、土屬、土種。土壤的理化信息主要采集土壤的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量。各縣的原始資料比例尺不一，從1:20萬至1:55萬不等。原始數(shù)據(jù)的收集泥沙數(shù)據(jù)：收集區(qū)域內(nèi)潮河水系和白河水系上游及下流7個(gè)水文站的2001年至2002年逐月平均輸沙率統(tǒng)計(jì)表，從中摘讀各站懸移質(zhì)年輸沙總量，并計(jì)算全年泥沙總量數(shù)據(jù):收集并整理了密云水庫上游水文分區(qū)圖，并根據(jù)泥沙站的位置和數(shù)字高程模型確定分水嶺界線，修改了每個(gè)水文分區(qū)的邊界。原始數(shù)據(jù)的收集多種數(shù)據(jù)的集成運(yùn)用：數(shù)據(jù)處理步驟主要包括:(1)分類分級的專題數(shù)據(jù)編碼:如土地利用類型、土壤類型、侵蝕強(qiáng)度都是此類數(shù)據(jù)，不同的類型和等級通常是根據(jù)劃分賦予某個(gè)編碼，空間上以編碼來表示類型和等級的歸屬。根據(jù)數(shù)據(jù)的原始精度和遙感數(shù)據(jù)的分辨率確定最小分單元的大小，進(jìn)行柵格化處理;原始數(shù)據(jù)的收集(2)數(shù)值連續(xù)的專題數(shù)據(jù)處理:如高程、降水等都是數(shù)值連續(xù)的數(shù)據(jù)。原始采集的此類數(shù)據(jù)多以離散數(shù)據(jù)居多，常采用恰當(dāng)?shù)木植繑M合方法進(jìn)行逐點(diǎn)內(nèi)插。(3)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與復(fù)合:要將遙感數(shù)據(jù)和地理信息做復(fù)合分析必須使得所有數(shù)據(jù)能夠按嚴(yán)格的地理坐標(biāo)疊合在一起，嚴(yán)格對應(yīng)，所以需要對數(shù)據(jù)之間進(jìn)行的幾何糾正與配準(zhǔn)，在空間分辨率上應(yīng)與遙感數(shù)據(jù)一致。三種區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查方法的比較本研究分別采用了三種方法對密云水庫上游地區(qū)2002年的土壤侵蝕狀況進(jìn)行調(diào)查，獲得了三套結(jié)果，基于遙感影像的目視解譯結(jié)果、基于植被與地形信息的組合判斷的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果土壤侵蝕量的定量估算及其分級結(jié)果?；芍脖慌c地形的區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)一般說來，降水是侵蝕產(chǎn)生的驅(qū)動力因子，植被蓋度和地形坡度是侵蝕的最重要控制因素。在植被和地形相互作用的關(guān)系中，認(rèn)為是植被與地形是此消彼長的關(guān)系。植被覆蓋度和地形坡度正是水利部頒布標(biāo)準(zhǔn)所采用的坡面侵蝕的主要分級指標(biāo)。選擇2002年5月和7月初共6景兩期TM影像分別進(jìn)行計(jì)算;植被覆蓋度：在已計(jì)算出的植被覆蓋度結(jié)果基礎(chǔ)上，依據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)對植被覆蓋度進(jìn)行了分級。地形坡度的計(jì)算和分級度的計(jì)算，在覆蓋密云水庫上游的60幅1:5萬分幅的DLG地形圖數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將表示地表高程的點(diǎn)、線層數(shù)據(jù)提取出來和其他一些表示地表水體特征的數(shù)據(jù)層生成DEM。依據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)(水土保持司，1997)將計(jì)算得到坡度結(jié)果進(jìn)行分級：交叉表植被覆蓋和地形坡度分級信息可以結(jié)合起來進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)度評價(jià)。根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)要素的組合關(guān)系可以形成如表所示的交叉表模型。為了支持水土保持的決策需要，將區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果按行政單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算了每個(gè)縣的每個(gè)侵蝕等級的面積和占總面積的百分比。區(qū)域侵蝕定量估算區(qū)域土壤侵蝕定量估算研究。研究利用遙感數(shù)據(jù)，獲取土壤侵蝕的植被和土地利用信息，提取模型所需的植被和人為措施因子:收集降雨資料和土壤數(shù)據(jù)，計(jì)算降雨侵蝕力和土壤可蝕性因子;建立區(qū)域土壤侵蝕模型，經(jīng)過諸因子算式及監(jiān)測模型運(yùn)算，逐個(gè)計(jì)算出各像元的年土壤侵蝕模數(shù)，最終估算出全區(qū)周年土壤侵蝕量。有很多的模型可供選擇用來進(jìn)行土壤侵蝕量的評估，其中通用土壤流失方程USLE是美國研制的用于定量預(yù)報(bào)農(nóng)地或草地坡面多年平均年土壤流失量的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，并在美國乃至世界范圍內(nèi)得到了迅速推廣和應(yīng)用，成為一個(gè)相對標(biāo)準(zhǔn)化的方法。我國從20世紀(jì)80年代以來，開始引進(jìn)通用土壤流失方程，根據(jù)我國實(shí)地觀測參數(shù)，對通用土壤流失方程進(jìn)行修定.其原理的邏輯結(jié)果圖如下，其核心內(nèi)容是六個(gè)因子的計(jì)算。R因子計(jì)算K值計(jì)算

K值是一項(xiàng)評價(jià)土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的指標(biāo)。依據(jù)該土壤剖面表層的砂粒(直徑在0.05-2.OOmm)、粉砂粒(直徑在0.05-0.002mm)和粘粒(直徑<0.002mm)含量.式中a為土壤有機(jī)質(zhì)含量，b為土壤結(jié)構(gòu)等級，c為土壤滲透等級。根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量和粘粒含量的對應(yīng)等級來確定土壤結(jié)構(gòu)等級和滲透等級.在全面收集第二次土壤普查成果的土壤圖件、剖面及理化分析資料后，先按K值的公式算法獲得每個(gè)剖面點(diǎn)或每個(gè)土種的K值，再根據(jù)土壤類型的圖斑和剖面點(diǎn)的空間位置研究分別賦予K值.LS因子

LS坡度坡長因子被用來衡量地形對于土壤侵蝕的影響?；跂鸥竦臄?shù)字高程模型可以實(shí)現(xiàn)基于像元的坡度與坡長的計(jì)算.CP因子

CP分別表示植被影響因子和土壤侵蝕控制措施因子，兩者本身都是侵蝕動力的抑制因子，起著保持水土的作用。兩個(gè)因子之間具有很大的相關(guān)性。對每一類土地利用分類中的不同植被覆蓋率進(jìn)行不同的CP賦值。根據(jù)土地利用情況和植被覆蓋度，具體賦值的范圍如下:農(nóng)區(qū)CP值域范圍為0.0001-0.7?；纳街脖粎^(qū)值域范圍為0.0001-0.44;水平梯田區(qū)CP值域范圍為0.0001-0.25在上述因子的計(jì)算基礎(chǔ)上，計(jì)算出2001年和2002年密云水庫上游土壤侵蝕模數(shù)，并根據(jù)水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)(水土保持司，1997)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì).泥沙輸移比計(jì)算泥沙資料的收集，對于監(jiān)測年而言只需收集全年流出該水文站的泥沙總量。為了與定量估算的年侵蝕結(jié)果相比較，在流域內(nèi)具有泥沙數(shù)據(jù)采集能力的水文站中選取有代表性的站點(diǎn)，收集并整理流出該水文站的泥沙總量估算年侵蝕泥沙輸移比。采用的輸沙量為懸移質(zhì)輸沙量，資料系統(tǒng)采用控制水文測站實(shí)測輸沙量系統(tǒng)，依據(jù)此資料估算的輸移比為懸移質(zhì)輸移比。區(qū)域土壤侵蝕現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果的比較這三個(gè)結(jié)果中，基于遙感影像目視解譯的判讀結(jié)果的原始數(shù)據(jù)存儲類型類型是矢量的，其余兩個(gè)結(jié)果均是以柵格形式表示的。如果將基于遙感影像目視解譯的判讀結(jié)果的原始結(jié)果通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，形成柵格數(shù)據(jù)，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)間像元級的比較。TM影像的分辨率30m作為柵格化的基本單元大小?；谥脖缓偷匦蔚慕Y(jié)果與目視解譯調(diào)查柵格化結(jié)果之間的kappa系數(shù)K=0.185982583定量模型與基于植被和地形的結(jié)果之間的kappa系數(shù)K=0.131554285定量模型與解譯調(diào)查柵格的結(jié)果之間的kappa系數(shù)K=0.161437784

Kappa的計(jì)算表明，基于植被和地形的結(jié)果與目視解譯調(diào)查柵格化結(jié)果之間的kappa系數(shù)是三種結(jié)果兩兩比較中最大值，證明這兩種方法有較高的一致性。侵蝕等級的空間重心將侵蝕等級為強(qiáng)度、極強(qiáng)和劇烈的地區(qū)單獨(dú)提取出來，進(jìn)行空間聚類分析，可以獲得兩個(gè)主要的空間聚類。由空間中心的距離可以看出，基于植被和地形信息的侵蝕調(diào)查結(jié)果與目視解譯調(diào)查結(jié)果在空間格局上最為接近.研究表明，基于遙感影像的目視解譯方法對土壤侵蝕評價(jià)的最小單元是圖斑，另外兩種方法評價(jià)的最小單元是像元;基于遙感影像的目視解譯結(jié)果與植被和坡度組合判斷結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上和對侵蝕空間格局的體現(xiàn)上較為接近，定量估算結(jié)果明顯