張偉華，趙志芳，2，談樹成，2，李益敏，王愛蕓

（1.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，昆明650500；2.云南大學“一帶一路”戰(zhàn)略研究院，昆明 650500）

元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕研究

張偉華1，趙志芳1，2，談樹成1，2，李益敏1，王愛蕓1

（1.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，昆明650500；2.云南大學“一帶一路”戰(zhàn)略研究院，昆明 650500）

為支撐我國界河地區(qū)國土防護工作，以中國、越南交界的元江—紅河界河地區(qū)為研究區(qū)，基于3S技術(shù)進行界河地區(qū)的土壤侵蝕研究。采用Landsat8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，基于水體指數(shù)、植被覆蓋度、土壤可蝕性及坡度進行土壤侵蝕強度研究，初步建立了界河地區(qū)的土壤侵蝕強度遙感評價方法，提出了界河地區(qū)國土防護措施與建議。

3S；空間疊置分析；土壤侵蝕強度；元江—紅河界河地區(qū)

0 引言

國土防護是國家安全研究的重點，關(guān)系著國家的社會、經(jīng)濟及文化等建設(shè)。雖然我國與越南在陸域上已經(jīng)解決了領(lǐng)土爭端，但在以河流為界的地區(qū)因土壤侵蝕所導致的河流變遷，仍然可能會影響兩國邊界的穩(wěn)定，因此開展界河地區(qū)的土壤侵蝕研究對支撐元江—紅河界河地區(qū)國土防護工作具有重要意義。

土壤是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的基礎(chǔ)，土壤侵蝕是土壤研究的重要命題，國內(nèi)外對土壤侵蝕均有大量研究。早在1989年，Ploey制作了西歐土壤侵蝕圖件，并將其應(yīng)用于區(qū)域水土防護［1］；1998年，David對生態(tài)系統(tǒng)中的土壤侵蝕現(xiàn)象做了研究［2］；1999年，Gregory等探索了流域尺度的土壤侵蝕［3］；2003年，Anne評價了土壤侵蝕對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響程度［4］，Alice使用遙感影像解譯了土壤侵蝕強度［5］；2004年，Shrestha構(gòu)建了土壤退化模型［6］，Martha基于實驗研究了土壤侵蝕的各種機制［7］。國內(nèi)許多研究者將土地利用類型視為重要的土壤侵蝕分析因子，如礦區(qū)、石漠化分布區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等區(qū)域都是土壤侵蝕的重災(zāi)區(qū)。2016年，強建華、楊顯華等基于遙感影像提取了礦山開發(fā)區(qū)域的邊界［8－10］；安國英等分析了溶巖區(qū)石漠化的演進歷程及影響因素［11］。綜上分析，土壤侵蝕強度估算大致可分為3種主要方法：①基于單獨遙感影像的目視解譯，此方法未能較準確地劃分土壤侵蝕強度；②基于土壤侵蝕的定量估算及分級，此方法僅適用于小尺度區(qū)域的土壤侵蝕評價；③基于土地覆蓋與地形等信息組合判讀土壤侵蝕強度，此方法可快速提取多種侵蝕因子數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于全國第二次土壤侵蝕強度分級調(diào)查中［12］。

針對界河地區(qū)部分數(shù)據(jù)難以實地調(diào)查獲取的情況，本文采用多因素綜合法開展元江—紅河界河地區(qū)的土壤侵蝕強度研究，以期較好地支撐關(guān)系到國家安全保障的該地區(qū)國土防護工作。土壤的上墊面環(huán)境決定了土壤的可蝕性，其中地表是否裸露、植被覆蓋情況以及坡度等因素共同影響著土壤侵蝕強度?；谶b感技術(shù)、綜合上述因素，可以快速提取土壤侵蝕強度及其分布。相對傳統(tǒng)研究方法，該方法具有速度快，易于成圖的優(yōu)勢。

1 技術(shù)路線

多因素綜合法廣泛應(yīng)用于大面積、大區(qū)域土壤侵蝕研究［13］。本文首先分析研究區(qū)的土壤侵蝕因子，然后按照其分級指標進行編碼，根據(jù)不同的空間疊置組合，進行土壤侵蝕強度的研究，制作相應(yīng)的土壤侵蝕強度圖。其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology route

首先，對Landsat 8遙感圖像進行處理，得到增強的圖像；提取植被覆蓋度、土地利用類型、水體指數(shù)等專題信息；提取ASTER DEM坡度信息；對植被覆蓋度、土地利用類型、水體指數(shù)及坡度等信息進行空間疊置分析，獲取元江—紅河界河地區(qū)的土壤侵蝕強度，并進行精度驗證。在此基礎(chǔ)上，提出研究區(qū)國土防護措施與建議。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

本文采用了Landsat 8多光譜遙感影像數(shù)據(jù)2景。Landsat 8影像共有11個波段，其中第8波段為全色波段，分辨率達15 m。2景影像軌道號分別為P128R044、P128R045，成像時間均為2013年6月16日，影像等級為Level 1T；采用的ASTER DEM數(shù)據(jù)的初始分辨率為30 m。

用SRTM對Landsat8圖像進行地形與幾何糾正。本文采用ENVI 5.0的Radiometric Calibration工具與FLAASH Atmospheric Correction工具進行輻射定標與大氣校正；采用Georeferenced工具進行基于地理坐標的圖像鑲嵌與圖像裁剪；采用Global Map14.1拼接遙感影像，在ArcGIS中進行圖像裁剪，利用slope工具提取坡度信息。處理后進行幾何精糾正和正射校正，圖像誤差精度優(yōu)于1個像元。

2.1 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度指觀測區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占地表面積的百分比?；谶b感數(shù)據(jù)的植被覆蓋度可以通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）來計算，其表達式為

式中：Fc為植被覆蓋度；NIR為近紅外波段像元亮度值；R為紅光波段像元亮度值；NDVIs為裸地歸一化植被指數(shù)值［14－15］。

元江—紅河界河地區(qū)有熱帶雨林、南亞熱帶季風常綠闊葉林及南溫帶闊葉林等，四季變化不明顯，植被覆蓋度變化不大。針對單景圖像植被覆蓋度的計算式為

式中：Fc為植被覆蓋度；NDVImin為最小歸一化植被指數(shù)值；NDVImax為最大歸一化植被指數(shù)值［16］。

元江—紅河界河地區(qū)的植被覆蓋度分布如圖2所示。

圖2 元江—紅河界河地區(qū)植被覆蓋度分布Fig.2 Distribution of the vegetation coverage in the Yuan jiang－Honghe boundary river areas

依據(jù)水土保持司頒布的標準（GB／T15772－2008），對植被覆蓋度進行了分級（表1）。

表1 元江—紅河界河地區(qū)植被覆蓋度分級標準Tab.1 G rading ru les of the vegetation coverage in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

植被覆蓋度反映一個地區(qū)的植被濃密程度，植被覆蓋度越高，降水對土壤的沖刷、侵蝕越小，土壤侵蝕能力越弱。河口—老街口岸及部分南溪鎮(zhèn)、老街市區(qū)等人口密集地區(qū)，植被覆蓋度較小，也反映出人類活動與植被覆蓋度的密切關(guān)系。

2.2 土地利用類型分類

土地利用類型是根據(jù)土地利用的地域差異劃分的，反映土地用途、性質(zhì)及其分布規(guī)律的基本單元。在土壤侵蝕強度評價中，用以表現(xiàn)土壤的可蝕性，不同的土地利用類型，其土壤的可蝕性不同。本次采用Landsat8的波段7（R）、5（G）、4（B）進行組合。該組合對植被、水體、建筑用地等區(qū)分較為明顯。依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標準（GB／T 21020—2007）》中一級類型［17］，結(jié)合元江—紅河界河地區(qū)土地類型以往調(diào)研狀況及研究區(qū)影像空間分辨率等因素，本研究主要選取耕地、園地、林地、草地、交通用地、水域、建設(shè)用地（商業(yè)用地、公共管理與公共服務(wù)用地等）及未利用土地（裸巖等）等土地利用分類訓練樣本，在ENVI中采用最大似然分類法進行監(jiān)督分類，分類后的Kappa系數(shù)為0.91，符合分類精度（后處理中對圖斑進行聚類處理，圖3）。研究區(qū)建設(shè)用地主要分布在紅河河谷地帶，未利用土地分布在高山森林地帶邊緣，交通用地主要分布在河谷地帶，較為分散。

圖3 元江—紅河界河地區(qū)土地利用類型分布Fig.3 Distribution of the land use types in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

林地可以有效減輕降雨對土壤的沖擊，其發(fā)達的根系有利于水土保持；草地可蝕性較林地稍強；園地同林地一樣，但受人類活動影響，土壤可蝕性較前兩者更強；水域的邊緣區(qū)易造成土壤侵蝕；建筑用地多為混泥土結(jié)構(gòu)，土壤雖被保護，但人類活動更為強烈，土壤可蝕性較前述各類型更強；交通用地分布分散，且受人類活動影響劇烈，土壤極易受侵蝕；耕地為人類活動最頻繁地帶，土壤可蝕性更強；未利用土地沒有保護措施，最易受侵蝕。依據(jù)上述分析，結(jié)合相關(guān)專家建議，對土地利用類型下的土壤可蝕性分級如表2所示。

表2 元江—紅河界河地區(qū)土地利用類型分級標準Tab.2 G rading ru les of the land use types in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

2.3 水體指數(shù)求算

Landsat8相比Landsat7增加的9號短波紅外波段是結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)特點對水體指數(shù)提取設(shè)計的波段。歸一化水體指數(shù)（NDWI）的計算公式為

式中：NDWI為歸一化水體指數(shù)；B5為Landsat 8第5波段；B9為Landsat 8第9波段。在計算歸一化水體指數(shù)NDWI前，對數(shù)據(jù)進行了大氣校正，以最大程度減少大氣對結(jié)果的影響。分析表明：水體指數(shù)越大，表明該區(qū)土壤水分越充足，越容易發(fā)生土壤侵蝕。據(jù)此，本文設(shè)計了研究區(qū)水體指數(shù)分級標準（表3），其分布如圖4所示。

表3 元江—紅河界河地區(qū)水體指數(shù)分級標準Tab.3 Grading rules of the normalized difference water index in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

水體指數(shù)反映了各土地利用類型的含水量，也反映研究區(qū)內(nèi)水資源的分布。使用水體指數(shù)因子，協(xié)同植被覆蓋度，可以較好地區(qū)分土壤侵蝕強度。

2.4 坡度計算

地形坡度是土壤侵蝕的重要評價因子，坡度的大小直接影響水土保持情況。依據(jù)水土保持司頒布的標準（GB／T 15772－2008），對坡度進行分級（表4），獲取了研究區(qū)坡度分布（圖5）。

圖5 元江—紅河界河地區(qū)坡度分布Fig.5 Distribution of the slope in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

研究區(qū)內(nèi)坡度大于25°以上區(qū)域主要分布在紅河谷地兩側(cè)、金平以南地區(qū)和河口瑤族自治縣北部地區(qū)，這些地區(qū)崇山峻嶺，坡度比降大。研究區(qū)15°以下區(qū)域主要分布在河口瑤族自治縣縣城及越南老街以南地區(qū)，該地段人類活動強度大。

2.5 土壤侵蝕強度分析與評估

按照表1—4代碼，對元江—紅河界河地區(qū)的植被覆蓋度、土地利用類型、水體指數(shù)和坡度進行空間疊置分析，獲取了研究區(qū)土壤侵蝕強度（圖6）。

圖6 元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕強度分布Fig.6 Distribution of the intensity of soil erosion in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

從圖6可以看出，越南老街至安沛段（沿元江—紅河周圍）一帶土壤侵蝕劇烈，尤其以河口—老街口岸等地區(qū)的土壤侵蝕強度最大；越南巴剎縣城至越南老街段侵蝕較強，其中以巴剎縣城周邊等地區(qū)較為強烈；河流與道路兩旁土壤侵蝕中等。通過統(tǒng)計計算，研究區(qū)微弱侵蝕面積24.696 km2，輕度侵蝕面積855.888 km2，中度侵蝕面積268.482 km2，強度侵蝕面積418.731 km2，極強侵蝕面積379.828 km2，劇烈侵蝕面積32.864 km2。

3 結(jié)果驗證

針對土壤侵蝕強度分布，本文共采集18個野外驗證點（表5，圖7）對上述結(jié)果進行驗證。

表5 野外驗證表Tab.5 Table of filed verification

圖7 元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕野外驗證Fig.7 Filed verification of the soil erosion intensity in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

將野外驗證情況與本文土壤侵蝕強度分級結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)共有15個野外觀測與實際情況相符，總體精度達83.33%。

4 國土防護建議

（1）通過對比分析元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕強度，認為河口—老街口岸周圍土壤侵蝕最為強烈，因此建議我國相關(guān)管理部門重點部署河口地帶的土壤侵蝕防護工作，加強河口地帶尤其是河口縣洞坪、檳榔寨等地帶的河岸防護堤建設(shè)工作部署。

（2）區(qū)內(nèi)道路與河流兩側(cè)土壤侵蝕較為明顯，河口南溪鎮(zhèn)周圍土壤侵蝕也較為明顯。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，土壤侵蝕可能因1995—1997年南溪鎮(zhèn)等毀林造田運動造成，至今未能完全恢復到原始狀態(tài)。因此建議我國相關(guān)管理部門加強河口地帶尤其是蘭竹坪等地帶的生態(tài)環(huán)境保護工作。

（3）越南巴剎縣城一帶、老街市大部分地區(qū)有土壤侵蝕風險，從遙感資料分析多為耕地開墾所致，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護。因此建議相關(guān)世界環(huán)境保護組織部署這些地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測工作，以促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。

5 討論與結(jié)論

（1）野外驗證分析結(jié)果表明，本文基于遙感的土壤侵蝕強度研究方法有效可行。

（2）根據(jù)元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕研究成果，初步提出了該地區(qū)國土防護措施與建議。今后需對遙感評價中指標因子進行優(yōu)化篩選，結(jié)合該區(qū)域相關(guān)研究成果，進行更深層次的綜合評價及措施建議探討，以期更好地支撐國土防護工作。

［1］ D Ploey.Erosional systems and perspectives for erosion control in European loess areas［J］.Soil Technology Series，1989（1）：93－102.

［2］ Pimentel D，Kounang N.Ecology of soil erosion in ecosystems［J］.Ecosystems，1998，1（5）：416－426.

［3］ Nagle G N，F(xiàn)ahey T J，Lassoie JP.Management of sedimentation in tropicalwatersheds［J］.Environ Manage，1999，23（4）：441－452.

［4］ Gobin A，Kirkby M，Govers G.Pan－European soil risk assessment［M］／／Francaviglia R.Agricultural Impacts on Soil Erosion and Soil Biodiversity：Developing Indicators for Policy Analysis.Rome：OECD，2003.

［5］ Servenay A，Prat C.Erosion extension of indurated volcanic soils of Mexico by aerial photographs and remote sensing analysis［J］.Geoderma，2003，117（3－4）：367－375.

［6］ Shrestha D P，Zinck JA，Van R E.Modelling land degradation in the Nepalese Himalaya［J］.Catena，2004，57（2）：135－156.

［7］ Bakker M M，Govers G，Rounsevell M D A.The crop productivity-erosion relationship：an analysis based on experimental work［J］.Catena，2004，57（1）：55－76.

［8］ 楊顯華，黃潔，田立，等.四川省礦山遙感監(jiān)測主要成果與進展［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2016，3（5）：41－47.

［9］ 強建華，于浩.新疆礦山環(huán)境遙感監(jiān)測成果綜述［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2016，3（5）：28－34.

［10］ 薛慶，吳蔚，李名松，等.遙感技術(shù)在遼寧省礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2016，3（5）：54－59.

［11］ 安國英，雷英憑，溫靜，等.廣西巖溶石漠化演變趨勢及影響因素分析［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2016，3（5）：67－75.

［12］ 林惠花.典型區(qū)域土壤侵蝕的地理學分析——以福建長汀為例［D］.福州：福建師范大學，2009.

［13］ 陳萬輝，劉良云，張超，等.基于遙感的土壤侵蝕快速監(jiān)測方法［J］.水土保持研究，2005，12（6）：8－10.

［14］ 江輝.基于遙感的植被覆蓋度估算及其動態(tài)研究［D］.南昌：南昌大學，2005.

［15］ 唐世浩，朱啟疆，周宇宇，等.一種簡單的估算植被覆蓋度和恢復背景信息的方法［J］.中國圖象圖形學報，2003，8（11）：1304－1308.

［16］ Jensen JR.Introductory Digital Image Processing：A Remote Sensing Perspective［M］.4th ed Upper Saddle River，NJ，USA：Pearson Prentice Hall，2015.

［17］ 周為峰.基于遙感和GIS的區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查研究［D］.北京：中國科學院研究生院（遙感應(yīng)用研究所），2005.

Study on the soil erosion in the Yuanjiang－Honghe boundary river areas

ZHANGWeihua1，ZHAO Zhifang1，2，TAN Shucheng1，2，LIYimin1，WANG Aiyun1
（1.College of Resource Environment and Geosciences，Yunnan University，Kunming 650500，China；2.“The Belt and Road”Strategic Research Institute，Yunnan University，Kunming 650500，China）

In order to provide support for the territorial protection of our boundary river areas，the authors has taken the Yuanjiang－Honghe boundary river areas in China and Vietnam border as the study areas，and studied the soil erosion of the study areas by 3S technology in the study areas.Landsat8 satellite remote sensing data and the soil erosion factors（normalized difference water index，vegetation coverage，soil erodibility and slope）were used to study the intensity of soil erosion.The remote sensing evaluation method about the intensity of soil erosion in the boundary river areas was preliminarily established.And some measures and suggestions for the territorial protection of our boundary river areaswere put forward.

3S technology；spatial overlay analysis；intensity of soil erosion；Yuanjiang－Honghe boundary river areas

TP79

A

2095－8706（2017）03－0064－06

（責任編輯：刁淑娟）

10.19388／j.zgdzdc.2017.03.10

張偉華，趙志芳，談樹成，等.元江—紅河界河地區(qū)土壤侵蝕研究［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2017，4（3）：64－69.

2017－03－30；

2017－05－02。

中國地質(zhì)調(diào)查局“全國邊海防地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)遙感調(diào)查（編號：DD20160076）”和云南省“云嶺學者云南大學項目（編號：C6153001）”聯(lián)合資助。

張偉華（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為遙感基礎(chǔ)資源調(diào)查。Email：839070317＠qq.com。

趙志芳（1971—），女，教授，主要從事遙感地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源遙感監(jiān)測等工作。Email：371863896＠qq.com。