（水利水电工程专业论文）三峡库区土壤侵蚀的遥感监测及其环境分析.pdf

摘要 摘要 土壤侵蚀已成为全球性的环境问题，严重威胁着人类的生存和发展，也是 当前我国发生范围最广，危害最严重的生态环境问题之一。在三峡库区，土壤 侵蚀是重要的生态污染源，所以监测和分析三峡库区的土壤侵蚀状况与动态变 化研究是十分必要的。与其它监测和分析土壤侵蚀的方法相比较，遥感技术具 有多种类、多平台、多时段、多波段、信息丰富和信息周期短等特色，现势性 和宏观动态性强等优势，无疑是快速、有效的先进手段之一。 本文在综述国内外土壤侵蚀研究和遥感监测方法的基础上，选择三峡库区 为研究对象，利用1 9 9 2 年4 月和2 0 0 2 年9 月三峡库区范围的t m 和s p o t 4 遥 感影像及其它相关资料，对遥感影像数据进行了预处理；并结合地形、气候、 土壤等辅助资料，采用空间信息提取技术和方法提取了土壤侵蚀各影响因子数 据；利用校正后的土壤侵蚀模型分别计算和统计出了1 9 9 2 年和2 0 0 2 年的土壤 侵蚀量及其强度分布，分析了三峡库区土壤侵蚀的动态变化规律；并在此基础 上，根据土壤侵蚀影响因子的变化，对土壤侵蚀的环境因子作了分析，并提出 了土壤侵蚀的防治方法和措施。 本研究中所取得的主要结论如下： ( 1 ) 本研究以遥感和地理信息技术为基本手段对三峡库区土壤侵蚀的动态 变化监测结果可为今后流域的土壤侵蚀研究提供技术支持和参考，为流域林业 规划和水土保持规划提供基础数据。 ( 2 ) 利用三峡工程生态与环境监测信息管理中心的土壤侵蚀径流试验观测 数据进行标定，推算出了土壤侵蚀模型校正参数，从而建立了适合三峡库区的 土壤侵蚀遥感监测校正模型。 ( 3 ) 三峡库区1 9 9 2 年和2 0 0 2 年的土壤侵蚀动态监测结果表明：三峡库区受各 因子的影响，2 0 0 2 年e l l 9 9 2 年土壤侵蚀强度变化的总体趋势是加剧的。 ( 4 ) 通过土壤侵蚀结果和土壤侵蚀各环境因子的分析，得出了它们与土壤侵 蚀的相关性，即坡度越大，土壤侵蚀就越严重；降雨量越大，土壤侵蚀就越严 重；土壤类型从黄壤、紫色土、黄棕壤、潮土类型的土壤侵蚀强度依次加大； 植被覆盖度越小，土壤侵蚀就越严重；土地利用类型的不同也将影响着土壤侵 蚀程度的发生，有林地、灌木林地的土壤侵蚀微度，水田梯田、。园地为轻微， 摘要 疏林地为中度，草地为强度，裸地为极强度，旱地( 坡耕地) 表现为土壤侵蚀剧烈。 ( 5 ) 在分析土壤侵蚀监测结果和土壤侵蚀环境的基础上，提出了三峡库区土 壤侵蚀防治策略：提出植树造林、退耕还林等生物措旋和减少坡面径流量，减 缓径流速度，土壤吸水能力和坡面抗冲能力，并尽可能抬高侵蚀基准面等工程 措旅。可为管理部门进行土壤侵蚀的防治提供了辅助决策和支持。 关键词：土壤侵蚀：遥感监测：环境分析。 a b s t r a c t a b s t r a c t s o i le r o s i o nh a sb e c o m et h ew o r l d w i d e t h r e a t e n i n gt h eh u m a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s e r i o u se n v i r o n m e n t p r o b l e m ， s o i le r o s i o ni sa l s oo n eo ft h e e c o - e n v i r o n m e n t a li s s u e st h a tc o v e rt h el a r g e s ta r e a sa n dh a v et h em o s th a r m f u i i m p a c ti nc h i n a i nt h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a s ，s o i le r o s i o ni so n eo ft h eg r e a t p o l l u t i o ns o u r c e st oe c o e n v i r o n m e n tt h u s ，i ti sn e c e s s a r y t om o n i t o ra n da n a l y z et h e c o n d i t i o na n dd y n a m i cc h a n g eo fs o i le r o s i o n c o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d so f m o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gs o i le r o s i o n ，r e m o t es e n s i n gm e t h o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s t h a ti s m u l t i t y p e s ，m u l t i p l a t f o r m s ，m u l t i - t e m p o r a la n dm u l t i b a n d s ，a n d h a s a d v a n t a g e so fr i c hi n f o r m a t i o n ，s h o r tt i m ep e r i o d ，r e f l e c t i n gu p d a t i n gc o n d i t i o na n d m a c r o s c o p ei n f o r m a t i o n i ti su n d o u b t e d l yo n eo ft h ef a s ta n de f f e c t i v et e c h n i q u e s o nt h eb a s i so fs o i le r o s i o nr e s e a r c h e sa n dr e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n gm e t h o d s h o m ea n da b r o a d ，w es e l e c t e dt h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a sa st h es t u d ya r e a , a n d c a r r yo u tt h o r o u g hd i s c u s sa n dd e e pr e s e a r c hi n t ot h ec o m p u t i n gt e c h n i q u e sa n d m e t h o d so fs o i le r o s i o ni m p a c tf a c t o r s u t i l i z i n gt mi m a g e s ，s p o t 4i m a g e s ( a c q u i s i t i o nt i m ei sr e s p e c t i v e l ya p r ，19 9 2a n ds e p ，2 0 0 2 ) a n do t h e rs u b s i d i a r yd a t a w eh a v ec a r r i e do nt h ep r e t r e a t m e n tt ot h er e m o t es e n s i n gd a t a ；a n du n i f i e sa u x i l i a r y m a t e r i a l ，f o ri n s t a n c e ，t h et e r r a i n ，t h ec l i m a t e ，t h es o i l w eu s e dt h es p a t i a li n f o r m a t i o n e x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em e t h o dh a sw i t h d r a w nt h ee a c hi n f l u e n c ef a c t o rd a t ao f s o i le r o s i o n ；u s i n gt h ea d j u s t e ds o i le r o s i o nm o d e lc a l c u l a t e sa n dc o u n t si n s o i l e r o s i o nq u a n t i t ya n dt h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ni n19 9 2a n d2 0 0 2 ，a n da n a l y z et h e d y n a m i cc h a n g e sr u l e so fs o i le r o s i o ni nt h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a s a n db a s e do n t h i s ，a c c o r d i n gt ot h es o i le r o s i o ni n f l u e n c ef a c t o r sc h a n g e ，w eh a v em a d et h ea n a l y s i st os o i l e r o s i o n se n v i r o n m e n tf a c t o r , a n dp r o p o s e dt h es o i le r o s i o np r e v e n t i o nm e t h o da n dt h em e a s u r e t h em a i nr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h i sr e s e a r c h ，w ea p p l i e ds u c c e s s f u l l yr e m o t es e n s i n ga n dt h eg e o g r a p h y i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n dg e tt h es o i l e r o s i o n sd y n a m i cc h a n g em o n i t o r i n gr e s u l t o ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a s ，t h i sr e s e a r c hm a yp r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r t a n dt h er e f e r e n c ef o rt h en e x tb a s i ns o i le r o s i o nr e s e a r c h a n dp r o v i d e st h ee s s e n t i a l i i i a b s t r a c t d a t af o rt h eb a s i nf o r e s t r yp l a na n dt h ec o n s e r v a t i o no fw a t e ra n ds o i l p l a n ( 2 ) r e f e rt os o i le r o s i o nm o d e lo fu n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ( u s l e ) ，u s i n g t h et h r e eg o r g e sp r o j e c te c o l o g ya n dt h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t c e n t e r ss o i le r o s i o ne x p e r i m e n to b s e r v a t i o nd a t a , w ec a l c u l a t e dt h es o i l e r o s i o nm o d e la d ju s t m e n tp a r a m e t e r , t h u sw ee s t a b l i s h e dt h es o i le r o s i o nq u o t a r e m o t es e n s i n gm o n i t o ra d j u s t m e n tm o d e lf o rs u i t e dt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r a r e a s ( 3 ) i n19 9 2a n d2 0 0 2s o i le r o s i o nd y n a m i cm o n i t o r i n gr e s u l to fi nt h r e eg o r g e s r e s e r v o i ra r e a si n d i c a t e d ：b e c a u s ei ti n f u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s ，i n2 0 0 2i sc o m p a r e d i n19 9 2t h es o i le r o s i o ni n t e n s i t y c h a n g et h eo v e r a l lt e n d e n c yi st h ea g g r a v a t i n g ( 4 ) t h r o u g ht h es o i le r o s i o nr e s u l ta n dt h es o i le r o s i o nv a r i o u se n v i r o n m e n t f a c t o r sa n a l y s i s ，w eh a v eo b t m n e dt h e ma n dt h es o i le r o s i o nr e l e v a n c e ，t h es l o p ei s b i g g e r , t h es o i le r o s i o ni sm o r es e r i o u s ；t h er a i n f a l la m o u n ti sb i g g e r , t h es o i le r o s i o n i sm o r es e r i o u s ；s o i le r o s i o ni n t e n s i t ye n l a r g e si nt u r nf o rt h ey e l l o ws o i l ，p u r p l eo c h r e ， t h ey e l l o wb r o w ne a r t h t h e c u l t i v a t e df l u v i o g e n i cs o i l ；t h ev e g e t m i o nd e g r e eo f c o v e r a g ei ss m a l l e r , t h es o i le r o s i o ni sm o r es e r i o u s ；t h el a n du t i l i z a t i o nt y p e d i f f e r e n tw i l la l s ob ea f f e c t i n gt h es o i le r o s i o nd e g r e eo c c u r r e n c e ，t h ef o r e s tl a n d ，a n d t h es h r u bl a n ds o i le r o s i o ni sm i c r o ，p a d d yf i e l d ，t e r r a c e df i e l d ，f i e l di ss l i g h t ，s t o c k e d l a n di sm o d e r a t e ，l a w ni st h ei n t e n s i t y , t h eb a r el a n di st h ep o l es t r e n g t h ，t h ea d dl a n d ( s l o p ef a r m i n g ) d i s p l a y sf o rt h es o i le r o s i o ni sf i e r c e ( 5 ) a f e ri na n a l y s i ss o i le r o s i o nm o n i t o r i n gr e s u l ta n ds o i le r o s i o ne n v i r o n m e n t w eh a v ep r o p o s e ds o i le r o s i o np r e v e n t i o ns t r a t e g yf o ri nt h r e eg o r g e sr e s e r v o i r a r e a s ：i ti st h r o u g hb i o l o g i c a lc o n t r o lm e a s u r e sa n dt h er e d u c e ds l o p ef a c ea m o u n to f r u n o f fa n ds oo na f f o r e s t a t i o n ，r e t u r n i n gf a r m l a n dt of o r e s t ，s l o w sd o w nt h er u n o f f s p e e d ，s h a r p e n st h es o i li n f i l t r a t i o nc a p a c i t ya n dt h es l o p ef a c ea n t i f l u s h e sa b i l i t y , a n dr a i s e sm e c h a n i c a lc o n t r o lm e a s u r e sa sf a ra sp o s s i b l ea n ds oo nb a s i so fe r o s i o n m i g h tc a r r yo nt h es o i le r o s i o nf o rt h ec o n t r o ls e c t i o nt h ep r e v e n t i o nt op r o v i d et h e a u x i l i a r yd e c i s i o n m a k i n ga n dt h es u p p o r t k e yw o r d ：s o i le r o s i o n ；r e m o t es e n s i n gm o n i t o r ；e n v i r o n m e n ta n a l y s i s i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者签名c 矧沏y 缔签字隰州月岫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学僦文储签名c 掏潞备 聊签名c 瑚： 签字日期：沙口r 年j 月ib 日签字同期：知。分年，争月ib 日 第一章引言 第一章引言 1 1 研究目的和意义 土壤侵蚀，又称水土流失，是导致人类赖以生存且日趋紧缺的土地资源退 化和损失的主要原因，已经成为一个全球性的环境问题【l 】。严重的土壤侵蚀不仅 破坏土地资源、淤塞江河，而且还会污染水质、破坏水资源，对自然环境和人 类的生产生活均会造成严重的危害。我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一， 土壤侵蚀分布范围广、面积大，每年流失的土壤总量大约5 0 亿吨，而且土壤侵 蚀类型复杂多样。据最近公布的中国第二次土壤侵蚀遥感调查结果显示，中国 目前受水蚀影响的面积达3 6 7 万平方公里，占国土总面积的l 3 以上，成为我国 的头号环境问题【2 巧j 。据调查显示：我国水土流失面积目前仍然呈加大发展态势。 土壤侵蚀已造成一系列的严重后果，如泥石流、河道淤积、自然灾害频翻、生 态系统脆弱等。直接导致了人类生存的环境恶化、地区贫困和社会落后，已经 成为制约我国国民经，济可持续发展的重要因素之一1 6 j ，因此，对己有水土流失 较严重的地区进行有效的治理是当前迫切的需要。 三峡库区人类活动强度大，土地大量垦殖和陡坡耕种，土地垦殖系数在相 当多的区域已超5 0 ，库区陡坡耕地占坡耕地的比重达3 4 ，导致了较为严重 的土壤侵蚀。特别是1 9 9 3 年三峡工程开工以来，三峡工程移民安置与生产，城 镇、道路等基本建设的大量增加，将导致土地利用覆盖变化，由此可能产生新 的严重的土壤侵蚀问题。土壤侵蚀以及所导致的土壤养分流失已成为库区农业 可持续发展所面临的一个重大问题，土壤侵蚀不仅降低土地生产力，而且大量 泥沙和污染物质将直接进入三峡水库，将直接影响着三峡水库的安全和效益的 发挥，同时对三峡水库生态环境保护将产生重大的影响。 造成土壤侵蚀的根本原因是降雨、土壤等自然因素，是无法完全避免的。 但事实上很多区域日益变得严重的土壤侵蚀后果是由于当地不合理的土地利用 方式造成的，区域的不合理的耕作制度，毁林开山等原因很大程度上加剧了环 境恶化。通过三峡库区的土壤侵蚀现状调查，在土壤侵蚀较严重区域进行水土 保持规划，调整耕作方式，实行合理的水保措施，可以有效控制三峡库区的土 壤侵蚀现象恶化【7 。8 l 。为可持续发展与保障三峡库区的生态安全，国家每年花费 第一章引言 大量的资金在土壤侵蚀治理方面，进行了大规模的水土保持工作。如果生态环 境没有得到改观，势必造成资源和资金的极大浪费。因为山区的流域管理某种 意义就是生态环境的保护、恢复等，如何衡量水土保持的治理成效，评价水土 保持工程措施在多大程度和多少时间起到生态恢复、生态保护的作用。了解三 峡库区生态环境的状况及动态变化，也就是三峡库区土壤侵蚀的动态监测对于 流域管理具有重要意义。土壤侵蚀动态监测，水土保持工作的丌展，如水土保 持规划设计与预防治理工作评价，国土整治、环境治理、三峡库区经济开发、 维护土地生产力的宏观决策与整体布局提供科学依据。采用遥感技术，并与地 理信息系统空间信息技术相结合，进行库区的土壤侵蚀及其生态环境状况的监 测，建立一套科学的土壤侵蚀动态监控体系、土壤侵蚀的综合整治、生态系统 功能恢复，对三峡库区的生态安全监测具有重要意义。 1 2 土壤侵蚀监测国内外发展现状 土壤侵蚀是一个全球性环境问题，是全球变化研究的重要内容，同时也是 我国头号的环境问题。它所导致的土地退化，洪水隐患和水质污染等问题己引 起全社会的广泛关注，并得到政府的高度重视。如何对土壤侵蚀进行科学的调 查，及时准确地掌握土壤侵蚀面积、程度和分布状况，一直是土壤侵蚀研究重 点之一。并将继续成为2 1 世纪国际土壤学、农业科学及环境科学界共同关注的 热点问题。 国内外对土壤侵蚀的定义略有差别，一般来说，土壤侵蚀是指土壤在外力( 如 水力、风力、重力、人为活动等) 的作用下，被分散、剥离、搬运和沉积的过程。 土壤侵蚀作为一个科学术语在国际上是通用的，一般认为它属土壤学的二级学 科。在我国，“土壤侵蚀”与“水土流失”这两个重要的专业术语均广泛使用，也经 常被替代使用。目前水土流失一词在我国更为普遍，国外则相反，几乎没有用 水土流失这一术语的。“土壤侵蚀”与“水土流失”是试图表述同一概念的两个不同 术语，我国有的学者倾向于将土壤侵蚀与水土流失两个概念区分开来，认为水 土流失在含义及研究范畴上与土壤侵蚀有所差别，土壤侵蚀在广度与深度上都 要大于水土流失；认为土壤侵蚀的含义较广泛，后者多用以评价土壤侵蚀后水 与土的流失和损耗【9 】；认为土壤侵蚀是水力、风力、重力及其与人为活动的综合 作用对土壤、地面组成物质的侵蚀破坏、分散、搬运和沉积的过程，水土流失 2 第一章引言 通常是指水力作用下造成水、土地资源的损耗，着重反映侵蚀的后果，主要是 指水与土的流失量。 1 2 1 国外发展现状 为了监测、研究不同尺度土壤侵蚀与全球变化的相互影响，g c t e ( g l o b a l c h a n g ea n dt e r r e s t r i a le c o s y s t e m ) 于1 9 9 5 年启动作为其核心研究项目的s e n ( s o i l e r o s i o nn e t w o r k ) 项目，联合了全世界l o 个国家的1 8 套大型监测数据库以及更 多的实验数据库，是当前有关土壤侵蚀监测领域最大的国际协作项目。该项目 研究对热带地区土地利用、土壤有机质循环、沟道侵蚀和现有土壤侵蚀预测模 型的适用性检验尤其重视【l 0 1 。 美国农业部( u s d a ) 下设自然资源保护局( n a t u r a lr e s o u r c e sc o n s e r v a t i o n s e r v i c e ，n r c s ；1 9 9 4 年以前称土壤保局( s c s ) ，负责全美自然资源保护和管理。 土壤侵蚀是n r c s 监测的重要内容。n r c s 将全美划分为6 个工作区，各区派驻 联络员( 全国共有1 00 0 0 余人) 专门从事该工作，已建成了由8 0 万个监测点组成 的网络系统，对全国的土壤侵蚀进行长期定位监测。监测项目十分广泛，除土 壤侵蚀与水土保持措施外，还有土地利用、土壤、防护林、作物及其轮作、灌 溉、地下水等。美国是世界上开展水土保持工作较早的国家，早在1 9 1 4 年就有 了农牧区径流量及径流强度的资料积累。2 0 世纪3 0 年代开始系统研究，在l 万 多个试验小区年观测资料的基础上，1 9 5 6 年提出了通用土壤侵蚀模型( u s l e ) 主 要用于估算某一区域、一定时期内的平均侵蚀量，这个模型己受到许多国家重 视。到2 0 世纪6 0 年代又根据多年土壤侵蚀研究资料，采用现代技术建立起侵 蚀数学模型，并建立了土壤侵蚀影响土地生产力的计算公式( e p i c ) 。从8 0 年代 后期开始的水蚀预报项目( w e e p 模型) 也于1 9 8 9 年9 月正式推出了它的第一个 预报模型一坡地剖面侵蚀模型，可以预报坡地纵剖面上土壤流失量的时空变化 与该剖面整体或任何一点上的日均、月均与年均净流失量。w e e p 模型的多级流 域组合版正在研究之中。 在欧洲，土壤侵蚀也面临着巨大的威胁，土壤侵蚀无可挽回地使欧洲许多 地方的土壤退化。欧洲从1 9 9 2 年起开始由c o r i n e 项目对整个欧盟范围进行调 查，到近两年，欧洲土壤局和p e s e r a 土壤侵蚀评价计划对欧洲进行了更仔细 地调查。结果表明，尽管地中海地区是历来受到侵蚀的严重影响，新的证据表 明，明显的侵蚀也发生在欧洲的其他地区。欧洲土壤侵蚀模型e u r o s e m ( e u r o p 第一章引言 e a r ls o i le r o s i o nm o d e l ) 是根据欧洲土壤侵蚀研究成果开发的，用于预报田间与流 域的土壤流失，在欧洲取代了u s l e 形式的模型。 印度1 9 7 5 年开始收集全国的土壤侵蚀资料【1 1 1 。加拿大的m e l l e r o w i e z 等选 择n e wb r u ns w i c k g 西北部的b l a c kb r o o k 以小流域作为研究对象，对该区采用 u s l e 与g i s 进行土壤侵蚀调查【1 2 】。t u c k e r 和t o w n s h e n d 就应用多时相a v h r r 植被指数( n d v i ) 分别对非洲和南美洲土地覆盖进行了研究。 日本利用洪涝灾害监测、预报的计算机辅助制图与设计( c a d d ) 遥感系统来 建立土壤侵蚀模型，以改进流域土壤侵蚀治理的管理。他们还开发了一个 s t r e a m s 系统，以t a x a s 为实验基地，将影响土壤侵蚀的诸因子，如土壤类型、 地形、降雨强度、土地利用现状、植被等参数，均纳入土壤侵蚀模型中，以此 计算出年土壤流失量，并进行了土壤侵蚀强度分类。为了查明地表信息和实时 的土地利用类别的关系，他们通过对t m 图像和s p o t 图像的分析，从s t r e a m s 系输出的土壤流失图是己经分类好的，并且在图上标出不同降雨条件下的土壤 侵蚀状况。 8 0 年代末期开始，荷兰学者开始了空间模型的开发研究，并于1 9 9 6 年提出 了一个基于物理过程和栅格g i s 的荷兰土壤侵蚀和地表径流模l i s e m ( l i m b u r g s o i le r o s i o nm o d e l ) ，l i s e m 模型用p c r a s t e rg i s 地理信息系统编写，考虑 了降雨、截留、填洼、渗透、土壤分散、水分运动等主要过程，将每一个过程 都编写为一个p c r a s t e r 的命令或者函数。l i s e m 在对土壤侵蚀过程的描述和 模拟方面，不如w e p p 那样深入和全面，但是第一个能与g i s 完全集成的物理 模型，而且可以直接利用遥感数据，可更加清楚地反映土壤侵蚀的机理和时空 动态，在一定程度上代表了土壤侵蚀模型开发的新思潮i l 引。 此外，澳大利亚、加拿大、新西兰以及许多发展中国家也在土壤侵蚀动态 监测和评价方面做了大量研究与试验，在应用方面取得了许多进展。已将遥感、 g i s 技术广泛应用于土壤侵蚀动态监测与评价预报，在遥感、g i s 的支持下，利 用较小的比例尺，以坡面评价预报模型为基础，完成对较大区域土壤侵蚀的预 报。 1 2 2 国内发展现状 我国土壤侵蚀定量监测始于4 0 年代，在土壤侵蚀的研究做了大量的工作， 先后在天水等地建立水土保持试验站，对土壤侵蚀进行定位观测，而大规模的 4 第一章引言 土壤侵蚀监测则是在5 0 年代以后，截至1 9 9 6 年共有水土保持科研站( 所) 1 0 0 多 个，有科研人员6 0 0 0 多人。1 9 8 9 年以来，水利部在长江中上游地区，建立了滑 坡、泥石流预警系统，成功预报了湖北省秭归等多处滑坡。1 9 9 5 年水利部组织 编制了全国水土保持监测网络系统规划，该系统由五级监测站组成：国家监测 中心、大江大河监测中心站、省级监测站、重点防治区监测分站、监测样地( 小 区、小流域) 【1 4 1 。1 9 5 3 年刘善建【l5 】根据1 0 年的径流小区观测资料，首次提出了 计算年度坡面侵蚀量的公式，从而开启了我国土壤侵蚀定量模型研究的序幕。 根据中华人民共和国水土保持法，1 9 9 8 年开始，水利部在全国陆续建立 了四级水土保持监测机构。从此，水土保持监测由法定的监测机构负责，并且 列入水行政主管部门的常规业务。同时，随着3 s 技术的迅速发展，使得水保持 监测呈现出兴旺的发展势头。目前水利部己在黄河、长江中上游地区，黑河、 塔里木河流域等重点水土保持生态建设区开展水土保持监测，各地监测站点的 建设也很顺利。全国水土保持监测队伍不断壮大，监测技术不断提高，监测方 法不断革新，监测成果不断积累，有力地支持了国家和地方的水土保持生态建 设。 我国在小流域土壤侵蚀模型、预报模型、防治措施、小流域土壤侵蚀信息 系统的建立与应用，以及g i s ，r s ，g p s 等技术应用方面也开展不少的研究【l 酬。 卜兆宏等认为定量遥感必须具有监测模型、实测资料、土壤侵蚀地理信息系统 及监测、预报和治理规划的能力【1 7 】。石承苍综合采用多级遥感信息源( 卫片和航 片) 和多种资料( 地面调查数据、地学资料) ，提出土壤侵蚀定量评价的实用方法 【l8 1 。张兵等则直接从土壤侵蚀的外在表现沟谷密度来反推土壤侵蚀强度，开辟 了一条适合于黄土丘陵区土壤侵蚀强度的计算方法【1 9 】。喻权刚探讨了黄土丘陵 沟壑区的土壤侵蚀模数求算方法和区域土壤侵蚀量的估算方法。蔡继清等提出 应该在遥感和计算机技术支持下开展遥感调查侵蚀量化模型的研究。杨存建等 引入土壤侵蚀综合指数的概念，探讨了不同环境条件下土壤侵蚀与温度、降雨 量、植被指数、地形指数、水热指数和环境质量综合指数等环境因子之间的关 系【2 0 1 。王安明等发现利用t m 数据和g i s 进行土壤侵蚀调查，在技术上是完全 可行的，并以浙江省为研究区域，建立了包括植被、坡度、土地利用、降雨等 因子的土壤侵蚀定量分析模型和土壤侵蚀信息系统【2 1 1 。史德明等阐述了应用遥 感技术进行土壤侵蚀动态监测研究的机理，对建国以来南方山地丘陵区土壤侵 蚀的动态变化进行了详细的分析。赵晓丽则阐述了在遥感和g i s 技术支持下采 第一章引言 用人机交互判读分析进行全国土壤侵蚀动态监测的方法和工作程序，并完成了 1 9 9 5 至2 0 0 0 年l ：1 0 万比例尺的全国土壤侵蚀动态遥感监测与数据库更新【2 2 1 。 在应用上，孙希华基于遥感与g i s 技术，利用通用土壤侵蚀模型( u s l e ) 和 土壤侵蚀防治预报模型，以像元流失量为基础，对山东省山丘区的土壤侵蚀状 况进行了定量调查【2 3 】。林开旺利用t m 数据和u s l e 原型结构，建立了适合闽 南沿海水蚀区的土壤侵蚀遥感测报模型，在中国南方红壤地区率先建立( 市) 级土 壤侵蚀定量遥感测报系统，实现了土壤侵蚀定量、实时、快速测报，并在土地 上应用了以像元分辨率3 0 m 为基础的空间数据库系统及其可更新的g i s 系统网 【2 4 1 。周跃等以定性遥感为基础，引入了土壤流失量监测模型、防治强度预报模 型及各侵蚀因子算式算法，成为一种定量遥感技术系统【25 。李壁成等利用航片 在黄土高原开展了小流域土壤侵蚀研究。乔彦肖利用t m 图像，按l ：2 0 万的 成图精度要求，对永定河流域的土壤侵蚀状况进行了研究【2 引。张登荣等综合考 虑影响水土流失的降雨量、土壤可蚀性、坡度、植被覆盖率、土壤流失容许量 和保护因子等，建立了基于g i s 和遥感技术的土壤侵蚀反演分析模型，实现了 土壤侵蚀的动态和快速监测预报【2 7 1 。潘剑君等利用间隔近1 0 年的3 个年代的卫 星遥感图像，在g i s 的支持下，对江西省兴国县和余江县的土壤侵蚀时空变化 进行了详尽的分析【2 8 】。随后相关研究人员分别对陕西黄土高原沟壑区的淳化县 和福建省的土壤侵蚀动态进行了研究【2 9 】。随着小流域遥感侵蚀调查监测精度的 进一步提高( 1 ：5 万) ，多采用s p o t 影像与t m 影像融合的办法来解决光谱分辨 率和空间分辨率不足的问题，并成功地对陕北老高川1 区的土壤侵蚀动态变化进 行监测。此外，水土保持工作者利用遥感技术和g i s 技术，分别对金沙江一级 支流龙川江上游小流域、四川省李子溪流域和云南省内6 大流域的土壤侵蚀状 况进行了动态监测分析，为这些流域今后的水土保持工作提供了科学依据和决 策支持【3 0 1 。 1 3 土壤侵蚀遥感监测方法 土壤侵蚀已经成为影响我国生态环境改善、社会和经济持续发展的主要问 题之一，应用高新技术，特别是计算机信息技术、遥感( r s ) 和地理信息系统( g i s ) 技术进行区域土壤侵蚀监测是有效开展和提高水土保持水平的基础。这不仅涉 及到土壤侵蚀的理论与方法，而且涉及到r s 、g i s 等技术的发展，同时还要不 6 第一章引言 断吸收其他新理论的精华，给予及时、有机地综合，推进土壤侵蚀监测理论和 方法发展，提高土壤侵蚀监测水平。 自有了航空( 航天) 摄影以来，航空像片( 遥感信息) 和g i s 就在土壤侵蚀的调 查中发挥着重要作用【3 。纵观国内外r s 、g i s 在土壤侵蚀监测中的研究发展， 其方法可以概括为4 种，即遥感影像目视解译监测法、遥感光谱分析监测法、 模型参数化监测法和智能化土壤侵蚀监测法。 1 3 1 遥感影像解译监测法 遥感影像解译监测法主要是叠加影像，通过对影像的判读，对一些主要的 侵蚀控制因素进行解译后，根据经验对其进行综合，进而在遥感图像上直接勾 绘图斑( 侵蚀范围) ，标识图斑相对应的属性( 侵蚀等级和类型) ，制作出相应的土 壤侵蚀风险图或强度等级图来实现的。 解译方法根据操作手段和辅助工具的不同，主要有两种方式，目视解译和 计算机人机交互解译。但两者只是由于硬件设施的差异所导致的操作手段和方 式的不同，其实质是一样的【3 2 1 。遥感技术于2 0 世纪7 0 年代就已经应用于我国 土壤侵蚀监测领域，由于计算机硬件、软件的限制，主要以人工目视解译作为 遥感定性监测提取的主流手段。水利部在1 9 8 4 至1 9 9 1 年组织我国遥感和土壤 侵蚀科技工作者，采用该方法进行了全国l ：5 0 万土壤侵蚀遥感制图，第一次 获得了全国范围的土壤侵蚀数据，就是通过人工目视解译方法完成的【3 3 1 。目视 解译是土壤侵蚀调查基于专家方法中最典型的应用。随着遥感和计算机信息技 术的发展，人机交互解译方法已广泛应用于土壤侵蚀监测【3 4 1 ，成为目前主要的 监测手段。1 9 9 9 年3 月正式实施全国第二次土壤侵蚀遥感调查，并于2 0 0 2 年发 布了成果公告。2 0 0 1 年水利部又组织开展了全国第三次土壤侵蚀遥感调查，都 是采用人机交互解译方法来实现的。 土壤侵蚀是发生在特定时空条件下的土体迁移过程，遥感只能记录影响土 壤侵蚀的部分因素的信息，人机交互式解译的实质是对计算机储存的遥感信息 和人所掌握的关于土壤侵蚀的其它知识、经验，通过人脑和电脑的结合进行推 理、判断的过程【3 5 1 。由于遥感影像获取的瞬时性，植被的季相变化将不可避免 在影像上体现出不同的特征，影响到土壤侵蚀的判定：地形起伏和遥感平台获 取与太阳辐射之间的角度问题会使影像存在地形阴影的影响。利用遥感解译法， 可以将人的经验和知识与遥感技术计算机技术结合起来，充分利用专家的先验 7 第一章引言 知识和对土壤侵蚀影响因素的综合理解以及利用人脑对影像纹理结构的理解优 势。但也有它的不足之处，目前基本上呈现出应用范围广、手段单一，以区域 性研究为主、零散分散、缺乏系统性，研究结果也只反映了“一家之言”，缺乏实 地验证。同时受监测手段的限制，效率低、非定量化、监测结果易忽视细节信 息，受主观因素影响较大。 1 3 2 遥感光谱分析监测法 遥感光谱分析法也叫图像分类法，是依据遥感影像中地物光谱反射值进行 定量分析，它研究土壤侵蚀主要包括分析、解读遥感数字影像和遥感地物光谱 辐射值两种，是通过遥感数字图像处理的方法对土壤侵蚀信息增强，以提取土 壤侵蚀的信息。就是将图像中每个像元根据其在不同波段的光谱亮度、空间结 构特征或其他信息，按照某种规则或算法划分为不同的类别。最简单的分类是 只利用不同波段的光谱亮度值进行单像元自动分类，另一种不仅考虑像元的光 谱亮度值，还利用像元和其周围像元之间的空间关系，如图像纹理、特征大小、 形状、方向性、复杂性和结构，对像元进行分类。图像分类中最常用的即监督 分类和非监督分类，其中监督分类的算法有平行算法、最小距离法、最大似然 法和基于概率分布的贝叶斯( b a y e s ) 分类器等，非监督分类也称为聚类分析或点 群分析，即在多光谱图像中搜寻、定义其自然相似光谱集群组的过程。其算法 主要有i s o d a t a ( i t e r a t i v es e l f - o r g a n i z i n gd a t aa n a l y s i st e c l u l i q u e ) 即重复自组织 数据分析技术等。除以上图像分类方法外，还发展了模糊分类、空间结构纹理 分类和人工智能神经元网络方法等。李锐【3 6 1 使用陆地资源卫星l a n d s a tm s s ，通 过多波段组合和非监督分类，对澳大利亚新南成尔士州巴伦加克( b u f i n 萄u c k ) 流 域的土地退化类型和其分布范围进行了研究。b e f r a z i e r 等【37 】利用t m ( 专题 制图仪) 数据的波段比值运算，获得土壤表层有机碳和有机铁的信息，从而绘制 了华盛顿州东部的土壤侵蚀图。g p i c k u p 等【3 8 】利用对地物辐射值中太阳高度角 和地貌阴影指标分析了土壤水蚀情况；m d u b u c q 等【3 9 】利用s p o t 数据计算植 被指数( n d v i ) 和亮度指数( b i ) ，从而区分了土壤侵蚀类型。 光谱分析法是直接利用遥感记录的地表光谱信息进行土壤侵蚀评价的方 法。由于土壤侵蚀本身并不是以特定的土地覆盖等地表特征出现，而且指示土 壤侵蚀的土壤属性光谱信息往往被植被覆盖、田间管理和耕种方式等等这样的 土壤表层信息所掩盖，理论上只利用遥感信息是难以提取土壤侵蚀状况的，而 8 第一章引言 需要通过地表环境因子的变化检测来获悉。单纯的利用遥感方法进行土壤侵蚀 研究是十分困难的。影像分类法在土壤侵蚀研究中的应用往往局限在某些特定 的半干旱地区，这些地区反映不同侵蚀状态