毕业论文（设计）基于RSGIS 的湖北丹江库区土壤水力侵蚀定量分析.doc

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1、基于RS-GIS的湖北丹江库区土壤水力侵蚀定量分析张利华，梁 俊，蒋金龙，陈 于中国地质大学地球科学学院，湖北 武汉 430074摘要：湖北丹江库区是南水北调中线工程的主要淹没区和水源区，土壤水力侵蚀是影响水质安全和工程实施的重要因素。以1998年和2003年的TM遥感影像为主要信息源，建立了以植被覆盖度、坡度和土地利用为指标的水力侵蚀遥感分析方法，将水力侵蚀强度分为六级，并结合GIS的空间分析功能对1998年和2003年库区水力侵蚀强度变化及空间分布进行了划分。结果表明五年间库区微度侵蚀、中度侵蚀和强度侵蚀面积呈增加趋势，而轻度侵蚀和极强度侵蚀面积呈减少趋势；并将库区水力侵蚀空间分布划分为北

2、部中低山丘陵中强度侵蚀区和中部河谷城区轻度流失区。分析结果对库区土壤侵蚀的治理和生态环境的改善具有指导意义。关键词：RS技术；湖北丹江库区；水力侵蚀中图分类号：S151.9 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1319-05土壤侵蚀指地表土壤及母质在水力、风力等外营力作用下所发生的位移、搬运和堆积的全部过程，是我国乃至全球面临的重大环境问题。我国土壤侵蚀调查方法经历了野外调查、水文分析、航测填图等阶段，现在已进入遥感调查的新阶段。遥感技术具有多种类、多平台、多时段、多波段的特色和信息丰富、信息周期短，实时性和动态性强等优势，因此遥感调查法可以节省人力物力，统一调查标准

3、与精度，基于遥感和GIS技术对土壤侵蚀状况进行调查成为最近10年来土壤侵蚀研究的热点1-2，而利用遥感影像提取各侵蚀因子信息则是其中的关键技术。丹江口水库是我国南水北调中线工程的水源区，库区的生态环境问题尤其是土壤侵蚀成为影响水库水质和调水工程成败的重要因素，建立运用遥感影像分析库区土壤侵蚀的流程、结合GIS技术对库区土壤侵蚀分布与强度的动态变化进行高效、准确、定期的定量分析不但是水源区土壤侵蚀评价、治理、预测的重要依据，还对保证库区土地资源的持续利用和南水北调的水质安全和工程的顺利实施有着重要意义。1 研究区概况和数据1.1 研究区概况湖北丹江库区地处鄂西北，汉江中上游，位于东经109291

4、1116，北纬31303316，东与襄樊市接壤，西与陕西安康地区相连，南与神农架林区毗邻，北与河南南阳地区和陕西商洛地区交界。行政区划包括十堰市所辖的丹江口市、郧县、郧西县、张湾区和茅箭区，涉及87个乡镇，总面积达11685 km2左右，总人口达215.2万左右，其中农业人口为131.01万左右。该区域横跨秦岭褶皱系和扬子准地台两个一级大地构造单元3，断裂发育，地质构造复杂，地表岩层松散。区域内地貌类型复杂，超过25的坡面面积占总面积的50%以上，地貌类型可分为四种主地貌类型和两种副地貌类型，主地貌类型包括丘陵、低山、中山和高山，占总面积的85以上，海拔多在500800 m以上，副地貌类型为河

5、谷平地和山间盆地。区域内河网密布，均属于长江的第一大支流汉江水系，包括天河、金钱河、浪河、官山河以及曲远河等不同级别的支流。区域位于我国南北气候过渡地带的秦巴山气候区4，具有四季分明、雨量充沛、光照充足等北亚热带大陆性季风气候特征：春季升温快，冷空气活跃，冷暖变化大；夏季光温同步，雨热同季，降水分布不均；秋季降温快，秋寒旱，秋汛明显；冬季少雨雪。由于受到地形和季风影响，降雨时空分布不均，由南向北递减，丰水年降雨量高达1500 mm，枯水年降雨量只有500 mm，年均降水量830 mm；多年平均气温为1416 ，年日照总时数为15001980 h，无霜期年均225255 d。区域内既有亚热带常绿

6、阔叶林，又有温带落叶阔叶林、针叶混交林，主要树种包括松、杉、桦、栎、枫杨、椿树等；土壤类型主要有水稻土、山地棕壤，黄棕壤、石灰土、潮土、紫色土等，坡地以黄棕壤为主，水田以水稻土为主。岩石和土壤是决定土壤侵蚀的内在因素5-6，库区断层多，褶皱构造和断层岩性破碎松散，涵养水分能力差；成土母质多样，大部分土壤抗蚀能力较弱，加上该区降雨时空分配不均、雨量集中易形成暴雨，使水动力作用增强，因此在雨滴溅蚀作用下，土壤极易发生解体和位移，并随地面径流流失。地形地貌是决定土壤侵蚀产生和发展的基本条件7-8，该区山高坡陡，切割深，易发生径流冲刷。库区中、幼林面积大，纯林多，林种结构不协调，荒山面积大，造成其防护

7、能力差。除了影响库区土壤侵蚀产生的自然因素外，还包括人口增加等造成的毁林开荒，破坏植被，陡坡耕种等不合理的土地开发利用方式以及忽视水土保持的开发建设项目等在内的人为因素影响，这些原因导致库区成为土壤侵蚀的易发区，且土壤侵蚀特征主要是水力侵蚀，达99%以上，侵蚀类型以面蚀、沟蚀为主。表2 植被覆盖度的TM432影像判读标志Tab 2 Visual interpretable marks of vegetation cover ratio in TM432image植被覆盖度判读标志裸地（植被覆盖度为10%）地表为裸露岩石或土壤，基本无植被，影像色调明无红色斑点（块）。低覆盖（植被覆盖度为10%3

8、0%）分布于地形切割破碎地段，沟谷密集，色调基本上是反映岩石土壤的光谱特征，多为灰色色调，青灰色调，色调明亮，其间见红色斑点。中低覆盖（植被覆盖度为30%45%）多分布于人类活动较频繁地区，地形较破碎，沟谷纹理较清晰，影像较复杂，多为灰白色调或黄色调间夹红色色调。中覆盖（植被覆盖度为45%60%）植被由灌木草丛组成，分布广泛，因下垫面不同岩性因素的影响，影像色调有所差异，常呈均匀红色，较均匀红色，一般无其它杂色斑块，由于坡度、沟谷密度的差异，色调也会有所差别。中高覆盖（植被覆盖度大于60%）植被茂密，一般由乔木灌丛和草本植物构成，其色调基本是高结构植被的综合反映，地形坡度对色调影响较小，常呈均

9、匀连续红色色调，多见于山体中上部。1.2 数据源信息源包括主要信息源（卫星遥感图像）和辅助信息源（地图、统计资料等）：主信息源采用美国陆地卫星Landsat TM图像，数据获取时间为1998年与2003年两个时间段，1998年TM图像成像时间为5月和11月；2003年的TM图像成像时间为3月5月；投影体系均为高斯-克吕格投影，分辨率为15 m。根据土地覆盖的光谱特征、波段的相关性分析以及TM各波段的主要应用范围选择了4，3，2波段合成假彩色图像（R4G3B2）进行研究。辅助信息源包括湖北省相关文献，各种统计年鉴以及地图集、行政区划图等部分图件，有助于图像判读。2 土壤水力侵蚀的分级2.1 土壤

10、侵蚀遥感分级标准在TM等遥感影像上不能直接读取土壤侵蚀强度，因此在遥感调查中土壤侵蚀分级主要是通过植被覆盖度、坡度、植被结构、地表组成物质、海拔高度、地貌类型等间接指标进行综合分析而实现，这些间接指标均可以通过陆地卫星影像、地形图结合相关成果资料如土地利用等判读分析而获取。本文根据土地利用、坡度和植被覆盖度指标将水力侵蚀度分为微度侵蚀（11）、轻度侵蚀（12）、中度侵蚀（13）、强度侵蚀（14）、极强度侵蚀（15）和剧烈侵蚀（16）6个等级，分级参考指标见表1。表1 湖北水力侵蚀强度分级标准Tab 1 The standard of the waterpower soil erosion gr

11、ading in Hubei province地面坡度35林草覆盖度/%75微度微度微度微度微度微度6075微度轻度轻度轻度中度中度4560微度轻度轻度中度中度强度3045微度轻度中度中度强度极强度30微度中度中度强度极强度剧烈坡耕地微度轻度中度强度极强度剧烈2.2 土壤侵蚀的影像判读2.2.1 植被覆盖度因子的提取本研究中利用TM432合成的1：10万假彩色图像和NDVI植被指数灰度图像两种方法进行了植被覆盖度的提取工作，并对两种方法进行了比较。（1）利用TM432合成的假彩色图像提取植被覆盖度在假彩色（R4G3B2）合成的TM影像上，自然因素中最敏感的是植被因子，利用图像色彩和色调的差异可

12、以分析植被的平面分布位置和垂直变化规律，植被因子定量划分标准见表2，依据表中的判读标志可以绘出库区植被分布图。（2）利用NDVI植被指数灰度图像提取植被覆盖度在进行植被研究中，将红光和红外波段的灰度图像按照不同方式进行组合，这些波段间的不同组合方式称为植被指数9-10。本文采用TM4、TM3、TM2波段作为指数研究的数据源，植被与其他地物光谱特征的差异主要存在于TM4，在植被覆盖度高的地方，TM影像上表现为高亮度，而TM3、TM2影像上植被与其他地物光谱特征也存在不同程度的差异，选择了归一化差值植被指数为研究对象：NDVI1=（L4-L3）/（L4+L3），NDVI2=（L4-L2）/（L4+

13、L2），归一化差值植被指数对绿色植被表现敏感11-12，在NDVI图像中，灰度级别越低，其植被覆盖度越差。依据湖北水力侵蚀强度分级标准，将植被覆盖度分为5个等级（用1、2、3、4、5数字来表示植被覆盖度的5个等级），植被指数等级划分标准见表3。NDVI采用两个波段作代数运算，压缩了数据，去除了一些冗余信息的干扰，产生的噪声少，分类效果好，但图像上若有地形造成的阴影，由于阴影区总是表现出低植被的特征，因此会对NDVI分类产生干扰。在研究中经反复尝试，发现在地形平缓的地区NDVI植被分类好，在山区用TM432的假彩色图像效果好，植被覆盖度分类结果的比例尺为110万。表3 植被指数分级标准Tab 2

14、 The standard of vegetation indices grading植被指数-0.100.150.150.350.350.550.550.750.751.0分级Id123452.2.2 坡度因子的提取本研究中所需的坡度数据是由DEM数据派生出来的。在ARC/INFO支持下，将库区数字化的110万等高线数据进行空间插值，生成110万数字高程图（DEM），值得注意的是，为避免高程内插时山头被削平或变成负向地貌而使山体变形，山头附近的空间插值需增加特征点；在山谷、山脊、山体鞍部附近由于等高线分布比较稀疏，且谷地和脊线附近曲率大，间隔远，内插高程时容易产生阶梯，因此也要增加特征点。D

15、EM中包含高程、坡度等地表形态属性，依据DEM计算坡度后将坡度分级得到同比例尺的坡度等级图。 2.2.3 土地利用因子的提取按照本文中水力侵蚀强度分级标准，除了植被覆盖度、坡度数据外，划分侵蚀强度等级还需要研究区耕地的分布情况，我们是由湖北省水利厅水土保持处提供的矢量数据结构的湖北省110万土地利用数据中获得。图1 丹江口湖北库区19982003年水力侵蚀变化图Fig. 1 Water erosion change chart in Danjiangkou reservoir Area of Hubei Province from 1998 to 2003将坡度等级图、耕地分布图和植被覆盖图套

16、入影像，依据水力侵蚀强度分级标准，对库区土壤侵蚀进行判读获得1998年和2003年110万土壤水力侵蚀强度分级图，从空间分辨率上讲，系统的判读精度是30 m。在Arc/info的GRID模块中，将两期数据进行代数运算，通过编辑空间单元编码的value值而生成能够反映1998年和2003年土壤侵蚀状态的复合编码，如复合编码110130表示由微度侵蚀变为中度侵蚀，依此类推，此时合成的土壤侵蚀变化图形（图1）中每个空间单元的value值都记录了两个时刻的土壤侵蚀状态。转化为矢量数据后，利用GIS的空间数据管理和分析功能对该图形进行分析研究以获得两个采样时刻的土壤侵蚀状态和时空演变规律，系统图斑面积统

17、计精度为1 m2。结合GPS的快速空间定位功能对判读结果进行了现场验证，准确度达88%以上。3 库区土壤侵蚀变化结果与分析3.1 水力侵蚀强度变化分析土壤侵蚀变化图记录了库区不同强度水力侵蚀在19982003年的变化情况，利用GIS的空间统计功能对各强度类型的变化进行分析，获得库区土壤侵蚀类型变化转移矩阵（表4，下页），表中的行反映了土壤侵蚀类型转出的状况，列则反映了土壤侵蚀类型转入的状况。由土壤水力侵蚀转移矩阵可知，19982003年期间土壤侵蚀的变化以轻度侵蚀变化为主，面积为43629.1 hm2，占所有变化面积的56.3%，其次是强度侵蚀的变化，面积为20327.06 hm2 ，占变化面

18、积的15.25%。在19982003年期间，发生土壤侵蚀强度增强的库区面积为37870.24 hm2（表5），发生土壤侵蚀强度降低的库区面积为39595.79 hm2（表6），由同一侵蚀类型的格网边界组成的矢量图形称为图斑，它可用来分析不同强度侵蚀类型分布的分散程度13-14。表4 19982003年湖北库区各侵蚀强度转移矩阵Tab 4 Transfer matrix of water erosion types in Danjiangkou reservoir Area of Hubei Province from 1998 to 2003 hm2类型微度侵蚀轻度侵蚀中度侵蚀强度侵蚀极强度侵

19、蚀剧烈侵蚀微度侵蚀5397005172.051660.373741.0200轻度侵蚀22984.324210213800.06844.800中度侵蚀3621.35907.941441226130.05153.360强度侵蚀2920.813454.25064.73156490.1368.590极强度侵蚀425.410175.8241.235438.60剧烈侵蚀00000106.87表5 19982003年库区侵蚀强度增强变化Tab 5 Deteriorating condition of erosion intensity in Danjiangkou reservoir Area of Hub

20、ei Province图谱类型图斑数目变化面积/hm2转化类型微度变化4910573.44轻度、中度、强度轻度变化4520644.8中度、强度中度变化1156283.41强度、极强度强度变化6368.59极强度表6 19982003年侵蚀强度降低变化Tab 6 Ameliorative condition of erosion intensity in Danjiangkou reservoir Area of Hubei Province图谱类型图斑数目变化面积/hm2转化类型轻度变化7122984.3微度中度变化664529.29微度、轻度强度变化8711439.74微度、轻度、中度极强度

21、变化20642.46微度、中度、强度由表中数据可知，轻度侵蚀的好转面积和恶化面积都是最大的；而强度侵蚀的这两个变化面积却相差较大，好转面积远远大于恶化面积。3.2 水力侵蚀空间分布分析结合库区2003年遥感影像、土壤水力侵蚀强度分级图、土壤侵蚀变化图以及地形资料对库区土壤水力侵蚀的空间分布状况进行了分析，将湖北丹江库区水力侵蚀分布划分为两种类型：（1）北部中低山丘陵中强度侵蚀区：该区包括丹江、郧县和郧西三个县的65个乡镇，母岩以页岩和石灰岩为主，成土速度慢，已成土壤土层薄，抗蚀能力弱。该区土壤侵蚀多在中度以上，侵蚀类型以面蚀为主，主要分布在坡耕地、荒山荒坡和疏残幼林地以及开发建设项目施工过程中

22、的裸露地上，以25以上坡耕地侵蚀最为严重；少量沟蚀发生在岩性软弱易风化的片麻岩、砂页岩、石灰岩出露区。从变化情况看，汉江干流沿岸部分区域侵蚀严重，行政区划上看，郧西冷水河口、丹江口市的习家店镇-龙口、郧县的南化塘镇-杨溪等地侵蚀强度呈增强趋势；而丹江口市境内库体南岸侵蚀强度呈降低趋势。（2）中部河谷城区轻度流失区：该区包括十堰市所辖张湾、茅箭两区的22个乡镇，土壤侵蚀以轻、中度为多，侵蚀类型以沟蚀为主，主要分布在河流阶地、冲洪积扇以及深厚的残坡积层上。由于建设项目开发等人为因素的影响，该区黄龙镇西北部分轻度侵蚀区转化为中度侵蚀。4 结论以1998年和2003年的TM影像为主要数据源，建立了利用

23、遥感影像分析土壤侵蚀的方法，定量分析了湖北丹江库区的水力侵蚀强度变化和空间分布，结果表明：五年间库区土壤水力侵蚀的变化以轻度侵蚀变化为主，其好转面积和恶化面积都是最大的；库区微度侵蚀、中度侵蚀和强度侵蚀面积呈增加趋势，而轻度侵蚀和极强度侵蚀面积呈减少趋势；发生土壤侵蚀强度降低的库区面积大于发生土壤侵蚀强度增强的库区面积。库区强度侵蚀区主要分布在北部中低山丘陵地带的坡耕地、荒山荒坡和疏残幼林地以及开发建设项目施工过程中的裸露地上；轻度流失区主要分布在中部河谷城区的河流阶地、冲洪积扇以及深厚的残坡积层上。参考文献：1 薛利红, 杨林章. 遥感技术在我国土壤侵蚀中的研究进展J. 水土保持学报, 20

24、04, 18(3): 186-189.XUE Lihong, YANG Linzhang. Research progress on remote sensing of soil erosion in chinaJ. Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(4): 186-189.2 乔玉良. 土壤侵蚀遥感调查技术应用的若干问题J. 地球信息科学, 2003(4): 97-100.QIAO Yuliang. The discussion on related technical issues of fast soil erosion r

25、emote sensing investigationJ. Geo-information Science, 2003(4): 97-100.3 卢光发. 十堰市旅游地质资源及其保护J. 湖北地矿, 2000, 14(1): 40-44.LU Guangfa, Tourist geological resources and their protection in Shiyan cityJ. Hubei geology mineral resources, 2000, 14(1): 40-44.4 陈华, 郭生练, 柴晓玲, 等. 汉江丹江口以上流域降水特征及变化趋势分析J. 人民长江, 20

26、05, 36(11): 29-31.CHEN Hua, GUO Shenglian, CHAI Xiaoling, et al. Analysis on the character and change of rainfall in Danjiang and Hanjiang drainage areaJ. Yangtze River, 2005, 36(11): 29-31.5 张俊飚. 中国土壤侵蚀影响因素及其危害分析J. 云南环境科学, 2001, 20(2): 4-7.ZHANG Junbiao. Influential Factors on Soil Erosion and thei

27、r DamagesJ. Yunnan Environmental Science, 2001, 20(2): 4-7.6 NOEL D U, JAMES A L. The dynamics of soil erosion in US agriculture J. The Science of the Total Environment, 1998, 218: 45-58.7 杨存建, 刘纪远, 张增祥, 等. GIS支持下不同坡度的土壤侵蚀特征分析J. 水土保持学报, 2002, 16(6): 46-49.YANG Cunjian, LIU Jiyuan, ZHANG Zengxiang, e

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29、arch of Soil and Water Conservation, 2002, 9(3): 243-248.9 杨存建, 张增祥. 不同植被指数情况下的中国土壤侵蚀特征分析J. 水土保持通报, 2001, 21(1): 26-29. YANG Cunjian, ZHANG Zengxiang. Analysis on soil erosion under different vegetation index condition of chinaJ. Bulletin of soil and water conservation, 2001, 21(1): 26-29.10 DUNCAN

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33、soil erosion and a case analysisJ. Research of Soil and Water Conservation, 2005, 12(3): 141-144.14 王库, 史学正, 于东升. 基于景观格局分析的兴国县土壤侵蚀演变研究J. 水土保持学报, 2003, 17(4): 94-98.WANG Ku, SHI Xuezheng, YU Dongsheng, et al. Soil erosion dynamic based on landscape pattern in Xingguo county of Jiangxi provinceJ. Jour

34、nal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(4): 94-98.Quantitative analysis of water erosion in Danjiangkou reservoir areaof Hubei province based on RS-GISZHANG Lihua, LIANG Jun, CHEN Yu, JIANG JinlongFaculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, ChinaAbstract: Danjiangk

35、ou reservoir area of Hubei province is the main water source area and flood area of the South-to-North Water Transfer (middle line) project, water erosion is an important influence factor in water quality and the project. In this paper, water erosion was classified into six types and an erosion anal

36、ysis method was established based on TM image of 1998 and 2003 through synthetically analyzing the vegetation cover ratio, slopes and land use. Intensity change and spatial distribution of water erosion between 1998 and 2003 in reservoir area was analyzed. The result shows that slight water erosion

37、(no soil loss or inconspicuous loss feature), moderate water erosion (quite obvious soil loss) and strong water erosion (relatively high soil loss) area show an increase trend, and light water erosion (relatively obvious soil loss) and very-strong water erosion (high soil loss) area show a decrease

38、trend. Spatial distribution of water erosion was divided into two areas: north hilly area of medium erosion intensity and central district of light erosion intensity. The result has an important significance on soil erosion control and eco-environment improvement in the reservoir areaKey words: RS;

39、Danjiangkou reservoir area of Hubei province; water erosionEditors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it

40、was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.A

41、s a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right n

42、ow, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a

43、 leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowin

44、g that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who

45、 is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as th

46、e 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col

47、. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humi