土壤侵蚀研究进展

基于USLE、GIS、RS的流域土壤侵蚀研究进展摘要：本文系统地介绍了ULSE模型中各侵蚀因子及其相应的算法，总结了国内外研究中获取各因子的新方法，并简要介绍了土壤侵蚀分析研究的新模型及其进展。当前GIS和RS作为新兴技术在土壤侵蚀分析研究中发挥了重要的作用，文章针对当前GIS、RS和ULSE在土壤侵蚀评价中的应用，指出了目前GIS和RS在侵蚀研究中存在的问题，并提出了自己的观点和建议。关键词：通用土壤流失方程(USLE)；土壤侵蚀;RS；GISThispapersystematicallyintroducesULSEerosionfactorsofeachmodelandthecorrespondingalgorithm,summeduptheresearchesofanewmethodforeachfactor,andbrieflydescribestheanalyticalstudyofsoilerosionanditsprogressinthenewmodel.CurrentGISandRSasanemergingtechnologyintheanalysisofsoilerosionhasplayedanimportantrole,articlesforthecurrentGIS,RSandULSEsoilerosionassessmentintheapplicationofGISandRSarepointedoutintheerosionproblems,andputforwardtheirviewsandsuggestions.Keywords:UniversalSoilLossEquation(USLE)；soilerosion;RS；GIS土壤是地球上生物赖以生存的基本要素之一，土地以及不同质量的土壤生产了超过90%的人类和牲畜所需要的食物。土地退化的日益严重成为制约人类发展的重要因素，土壤侵蚀是其中一个重要原因。土壤侵蚀使土壤肥力下降，理化性质变劣，土壤利用率降低，生态环境恶化。目前全球土地退化日益严重，我国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，土壤侵蚀面积占国土面积的比例高达38。2%，研究土壤侵蚀的机理，有效地对其进行监控、治理已经成为全球关注的焦点。传统的土壤侵蚀量调查方法耗时、周期长，而且很难确定中等尺度流域的土壤侵蚀量。随着侵蚀过程和机理研究的不断深入以及土壤侵蚀影响因素和侵蚀空间分布规律探讨的不断加强，土壤侵蚀的研究也逐渐走上了多途径、多学科协同研究的道路。但许多定量研究方法长期以来都在坡面和小流域尺度上进行，很难在区域尺度上推广，而美国农业部颁布的在区域土壤侵蚀调查方面富有特色的通用水土流失方程(USLE)正好弥补了这一方面的空缺。20世纪80年代USLE开始引入中国，而且研究人员在探讨坡面和流域土壤流失量的同时，还开始注重应用USLE研究流域土壤流失的空间变化。90年代开始中国的研究者开始将遥感和GIS技术与ULSE结合用于评价区域尺度上的土壤侵蚀，发展了完全基于GIS和RS的中式USLE。1经验统计模型经验统计模型强调手段和方法，通过试验、观测资料和数理统计技术，选定影响土壤侵蚀的相关因素，得出计算土壤流失量的方程式。包括降雨模拟法、径流模拟法和地形、土壤等的模拟，这类方法可以有很多优点。如可以简化影响水土流失的土壤、地形等因子，从而使研究的问题容易解决；；通过对时间性很强的因素人为控制，使研究较少受到自然因素的制约；模拟降雨可以根据需要设计和进行不同雨强、不同降水时段和降水量的模拟，该方法在研究人类活动对水土流失影响机理方面广泛采用。2流域土壤侵蚀与USLE模型土壤侵蚀是土壤或其他地面物质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程。1965年，W.Wischmeier和D.Smith在对美国东部地区30个州10000多个径流小区近30年的观测资料进行系统分析的基础上，提出了著名的通用土壤流失方程USLEA=R·K·LS·C·P该方程较为全面地考虑了影响土壤侵蚀的自然因素，通过降雨侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡长坡度(LS)、作物覆盖与管理(C)和水土保持措施(P)五大因子进行了定量计算。我国不少学者采用USLE模型为蓝本,根据各研究地区实际情况对方程中有关因子进行修正,建立了不同的土壤侵蚀预报模型。刘宝元等(2002)以美国的USLE为蓝本，利用黄土丘陵沟壑区安塞、子洲、离石、延安等径流小区的实测资料，建立了中国土壤流失预报方程。3遥感与GIS技术在区域土壤侵蚀研究中的应用遥感和GIS技术的应用使大范围土壤侵蚀量的计算成为可能。由于遥感影像的时效性，还可以实现土壤侵蚀的动态监测，从而进行有效防治;GIS能够获取遥感、GPS提供的时间和空间信息，实时动态模拟侵蚀发生、发展和演化过程，反映侵蚀时空变化，能较准确估算流域土壤侵蚀模数，为动态模拟土壤侵蚀时空变化提供了可能。应用GIS技术不仅可以方便地进行参数输入，还可以按照计算结果描述土壤侵蚀空间分布差异，同时用户可用Gls模块中的数据分析工具，根据所需目的进行数据分析、查询和图形输出。遥感和GIS技术应用土壤侵蚀研究，可进行土壤侵蚀过程演化的模拟和预测，以高效率、高精度，定量、定性、定位三结合，实现真正地理意义上的区域土壤侵蚀空间分析和过程模拟预测。遥感技术在土壤侵蚀研究中的应用4GIS、RS在土壤侵蚀分析中的应用4.1RS在侵蚀因子计算中的应用4.1.1RS在C因子中的计算应用C是根据地面植被覆盖状况不同而反映植被对土壤侵蚀影像的因素，与土地利用类型、覆盖度密切相关。而利用遥感技术为研究区域的植被覆盖度的提取提供了极大的便利。根据植被覆盖度的像元二分模型，通过遥感传感器所观测到的信息可以表达为由绿色植被部分所贡献的信息和由无植被覆盖(裸土)部分所贡献的信息两部分组成。像元二分模型估算植被覆盖度时多采用光谱植被指数(SVI)，此时植被覆盖度的估算公式为：𝑓𝑐=𝑆𝑉𝐼𝑚−𝑆𝑉𝐼𝑚𝑖𝑛𝑆𝑉𝐼𝑚𝑎𝑥−𝑆𝑉𝐼𝑚𝑖𝑛式中:𝑆𝑉𝐼𝑚为某像元具体某时间的植被指数，𝑆𝑉𝐼𝑚𝑖𝑛代表裸土条件下的植被指数；𝑆𝑉𝐼﷮𝑚𝑎𝑥代表植被完全覆盖条件下的植被指数。4.1.2RS在LS及P因子获取中的应用通过遥感手段获取高分辨率影像，进而获取数字高程模型，例如可通过干涉雷达技术获取的雷达影像获取地形高程数据。已有研究表明SRTM数据适用于土壤侵蚀评价中地形因子的提取，利用SRTM数据获取30m分辨率的DEM数据，然后通过ARC/INFO的GRID模块提取地形坡度和坡长因子。通过获取的遥感影像，对影像进行监督分类结合目视解译的方法，获取研究区域的土地利用类型分类图，从而确定P因子。4.2GIS在土壤侵蚀研究中的应用4.2.1土壤侵蚀因子的获取对于常用的USLE，GIS常用于获取C和LS因子，而对于R因子获取，研究中通常能够获取的的是各水文观测站的点数据及多年的等降雨量线，通过GIS对其进行插值，内插生成研究区域的降雨量及I60的栅格数据，从而利用GIS的栅格运算模块进行计算。对于比较复杂的模型则需要经过更为复杂的空间分析运算后获取各个模型所需要的参数数据，最后经过格式转换得到所需的格式数据。4.2.2土壤侵蚀模型中的因子运算及结果的可视化ARCGIS的GRID模块具有很强的图层运算功能，而GIS的可视化功能则能更直观有地效将各因子图层的运算结果展现出来。通常采用已有的土壤侵蚀模型或自建的模型在GIS中进行空间叠加运算，最终通过水土流失分布图、等级图或区划图的方式进行土壤侵蚀评价、预测和为水土保持决策支持提供依据。GIS运用于土壤侵蚀研究中具有以下优点:(1)GIS特有的采集、存贮、分析、再现空间信息的功能使之成为土壤侵蚀空间数据管理和分析的有力工具;(2)可以充分利用信息技术,对数据反复查对、存储和更新,有利于土壤侵蚀的动态监测,与其它监测方式相比,成本相对较低;(3)GIS可以避免定点观测数据的不足,有利于数据的全面获取;(4)基于GIS技术建立的土壤侵蚀预测模型包容了土壤侵蚀的各个因素,减少人为定级的主观性;(5)GIS、RS一体化在土壤侵蚀中的应用使得图像、图形和编辑软件得到有机结合,对土壤侵蚀演变过程进行快速监测,有利于从宏观上把握土壤侵蚀演变与分布情况.5GIS与RS的土壤侵蚀研究中存在的问题和解决方法5.1GIS在土壤侵蚀研究中存在的问题及发展前景几十年来，地理信息系统在土壤侵蚀量的定量研究中的应用取得了很大的进展，GIS在土壤侵蚀研究中的应用已从最初的数据管理、专题制图发展成为辅助进行空间分析与建模研究的便利工具，并由松散的结合逐步向紧密的集成和完全集成发展。但是GIS在土壤侵蚀定量研究还存在许多不足，如水土保持管理信息系统的体系结构、关键技术、标准化、数据、结构等各方面，均尚无统一的模式，使信息共享困难;土壤侵蚀测报技术未标准化，土壤侵蚀测报智能化系统仍处于探讨阶段，使测报结果带有主观因素，误差较大;GIS在土壤侵蚀建模中，以松散结合为主，模型与GIS独立开发，需要进行大量的文件导入导出工作，结合效率低;将侵蚀过程模型与GIS结合，进行流域侵蚀、产沙的时空变化规律的研究较少;GIS在土壤侵蚀研究中的应用集中于水蚀，在风蚀和冻融侵蚀的研究应用少。总的来说当前GIS的应用主要体现在图形的显示和地形地貌的空间分析上，对于利用多元回归模型进行水土流失计算来说GIS可以贯穿模型的设计、计算、空间分析和结果的显示。随着GIS技术的日益成熟，开发出越来越多的新技术，如GPS、RS与GIS的集成技术WebGIS技术，CornGIS技术，3D、4D、GIS及GIS的可视化技术等。这些新技术的发展及在土壤侵蚀研究中的应用，使土壤侵蚀定量研究获得了更高的技术支撑，研究方法更趋完善、手段更加先进，研究成果的可信度、精确度大大提高。因此，今后应在以下面加强研究:利用GIS建立全国土壤侵蚀标准多源数据数据库，开发土壤侵蚀信息管理系统，结合“3S”集成技术，实现智能化遥感解译和土壤测报系统，结合WebGIS技术实现信息的共享;在GIS支持下，建立适于中国自然条件的土壤侵蚀预报模型和宏观区域水土流失预测预报模型;用虚拟GIS技术直观展现土壤侵蚀过程，模拟土壤侵蚀时间和空间上的变化;利用GIS开发物理过程模型，估算流域侵蚀产沙时空分布的侵蚀预报模型。总之，充分利用GIS技术，加快土壤侵蚀定量研究理论和技术的创新。5.2RS在土壤侵蚀研究中存在的问题及发展前景RS在土壤侵蚀研究中的应用主要在于植被覆盖度的显示和判读，而我国地域辽阔，植被由南至北的纬度地带性和随海拔升高形成的垂直地带性明显。南北跨度大，由最北的寒温带到最南的热带，不同的气候带直接影响了植被的物候期。因此在选择遥感图像时应注意时相的选择，利用不同植物物候期差异，从而有利于区分植被信息与土壤信息，因此，最佳时相的选择是提高侵蚀调查与监测质量的基础和保障。随着侵蚀调查与监测工作的开展和监测力度的加大，调查与监测必然要由宏观向微观发展，提高监测技术手段，深化监测内容，彩红外航空遥感应是首选技术。因此，在进行宏观调查的同时，应对重点区域选取样区，进行彩红外航空遥感监测研究，寻求各省区对人类经济活动所造成的环境微观变化的监测技术方法，这也是对宏观调查的必要补充和验证。总之，RS在土壤侵蚀研究中的应用主要集中在土壤类型和植被覆盖度两个因子的获取上，而水土保持措施方面的研究则需要进一步开展。6结论在水土保持综合调查中，最基本的调查内容是小斑勾绘和小斑地形、地面坡度、典型样点水土流失状况及小斑面积（贺奋琴，2004）。GPS定位技术，可以有效的帮助完成图斑的现场勾绘和样点侵蚀量的调查与坡度测量工作。在得到更高几何定位信息的基础上，节省了大量的人力、物力和财力。同时利用GPS技术可以实时纠正RS影像。GIS作为3S技术的核心，能够将RS和GPS采集的空间数据建立各种层次、各种类型的数据库。可以实现数据的及时更新，保持数