3S技术在土壤侵蚀中的应用

3S技术在土壤侵蚀中的应用1.前言土壤侵蚀是指陆地表面，在水力、风力、冻融和重力等外营力作用下，土壤、土壤母质和其他地面组成物质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全过程。

它是现在全球范围内发生最广泛、危害最严重的生态环境问题之一，对人类的生存发展构成了极大的威胁。

长期以来，土壤侵蚀的研究都是基于野外的实地考察和观测，虽然也取得了一些成果，但传统的土壤侵蚀研究方法不仅繁杂．而且时效性较差。

随着地球信息科学的日新月异，3S 技术逐渐代替了传统的研究方法。

"3S"技术是指遥感技术（Remote Sensing RS）、地理信息系统（Geographical information System GIS）、全球定位系统（Global Positioning System GPS），它具有别的研究手段难以企及的高效性、动态性和精确性，能方便快速的建立区域土壤侵蚀信息系统，从而实现土壤侵蚀动态监测。

目前，综合国内外的研究情况，3S技术主要应用于土壤侵蚀模式的构建、区域土壤侵蚀调查、土壤侵蚀动态研究等三方面，下面将具体对这几方面的内容进行具体叙述。

2.正文2.1 土壤侵蚀模式土壤侵蚀模型是对土壤侵蚀机理与过程理解的基础上建立的数学模型．它为定量评价土壤侵蚀强度提供了手段，是土壤侵蚀研究的基础。

根据土壤侵蚀模型的建模手段和法，土壤侵蚀模型一般可分为经验统计模型和物理模型两大类。

2.1.1 土壤侵蚀模型研究进展首先简单介绍一下土壤侵蚀模型研究进展。

国外有关土壤侵蚀模型的研究工作大致分为三个阶段：第一阶段是1877 年德国土壤学家Ewald Wolly定量化研究土壤侵蚀开始到美国的通用土壤流失方程USLE建立以前结束。

第二阶段从1965年USLE问世到20世纪80年代初期。

第三阶段从20世纪80年代初期到现在。

该阶段主要对USLE的改进并对新的土壤侵蚀模型进行开发与应用。

我国土壤侵蚀模型研究起步较晚。

20世纪70年代末期，USLE引入我国，对我国这方面的研究起到了推动作用，后来逐渐也发展起属于我们自己的模型。

2.1.2 主流的土壤侵蚀模型USLE(Universal Soil Loss Equation)它是估算土壤流失最常用的方程之一，土壤侵蚀模型的始祖。

USLE的具体形式为A =R*K*L*S*C*P,其中，A为单位面积上的土壤流失量，R为降雨侵蚀力因子，K为土壤可蚀性因子，L为坡长因子，S为坡度因子，C为作物覆盖和管理因子，P为水保措施因子。

RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)它是USLE的修正和升级版，对各因子的含义和算法作了必要的修正，同时引入了土壤侵蚀过程的概念，比USLE在内部算法的细化和预测精度上都有所提高。

另外的USLE修正模型还有MUSLE。

EUROSEM（European Soil Erosion Model）它是以Morgan的理论为基础进行动态模拟的，将侵蚀分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀两部分，考虑了植被截流对下渗和降雨动能的影响，并考虑了土壤表层岩石碎块覆盖对下渗、流速和溅蚀的影响。

LISEM（Limburg Soil Erosion Model）LISEM 模型较详细地考虑了土壤侵蚀产沙的各个环节，能较好地模拟土壤侵蚀发生过程，它是一个与栅格GIS完全一体化的物理概念性模型并完全采用GIS命令结构，不需要其他转换程序。

ANSWERS（Areal Non-point Source Watershed Environment Response Simulation）它是一个分布式参数、基于物理概念的连续模拟模型．适用于小区、小流域或多流域尺度。

WEPP（Water Erosion Prediction Project）WEPP 模型是目前国际上较为完整的土壤侵蚀预报模型，它几乎涉及到与土壤侵蚀相关的所有过程，是一种基于侵蚀过程的模型。

2.2 区域土壤侵蚀调查土壤侵蚀调查主要是对某地区土壤侵蚀类型、强度分布及面积进行定性和定量分析，建立相关的数据库，同时也为土壤侵蚀的动态研究提供了数据保证。

2.2.1 3S技术应用概述在土壤侵蚀现状调查中，传统的方法是作业员利用地形图在野外以目视判读来勾绘侵蚀图斑并定性评估侵蚀强度。

3S技术的应用将大大节约时间和人力资源，用计算机处理数据提高了精度和效率。

调查以TM图像为主要信息源，并结合其他的专业图件和统计资料建立影像判读的解译标准，对该地区土壤侵蚀强度进行划分，利用计算机软件和数据库，对相同强度级别的地块进行合并，并且自动量算出各种强度地块的面积。

2.2.2 遥感数据判读的主要方法简介影像判读法主要是通过对影像的判读，对一些主要的侵蚀控制因素进行目视解译后，根据经验对其进行综合，进而在叠加的遥感图像上直接勾绘图斑(侵蚀范围)，标识图斑所对应的侵蚀等级和类型。

指数提取法利用遥感数据，提取植被指数，建立植被指数与生物物理参数(如植被覆盖度、叶面积指数)的关系，从而应用到定性的侵蚀判断模型或定量的土壤流失模型运算中去。

植被作为土壤侵蚀的重要影响和控制因子，由专家或决策判定规则对不同的植被状态进行分级打分，再与其他因子组合起来进行土壤侵蚀的判定。

影像分类法影像分类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。

2.2.3 土壤侵蚀调查的一般流程现行的土壤侵蚀调查流程大同小异，只是选择的遥感数据判读和分级因子有所不同。

下面即是土壤侵蚀调查的一般流程。

资料收集需要准备的资料有TM假彩色合成数字影像、地质图、地形地貌图、植被图、土壤图及其他的一些数据资料。

提取分级指标因子主要提取植被覆盖度因子（一般利用归一化差值植被指数简化模型）、坡度因子（DEM 数据）及土地利用类型因子。

建立判读解译标志对TM影像特征(包括影像的色调、纹理和N-it等)与野外实地水土流失特征和自然景观进行比较分析，建立各种侵蚀类型不同的强度等级土壤侵蚀的遥感影像判读解译标志。

人机交互判读根据解译标志对该地区的土壤侵蚀强度进行划分，利用计算机软件（Arcview）进行土壤侵蚀图斑勾绘和属性判定，最后形成土壤侵蚀草图。

草图修正利用GPS对影像特征不明确及有怀疑的地方，进行实地对照验证，修改土壤侵蚀图斑。

根据野外验证情况，土壤侵蚀动态草图进行属性的修改。

图形编辑与数据集成将修改后的土壤侵蚀草图分区域导入软(ArcWinfo)进行编辑处理和数据集成与更新，同时完成数据(包括图形数据和属性数据)接边工作,并对拓扑错误进行修改，最终形成土壤侵蚀图形、属性数据库。

数据库建立在Are／Info属性数据库中，进行土壤侵蚀面积的计算。

最后建立县级、市级和省级该时段的土壤侵蚀数据库。

2.3 土壤侵蚀动态研究土壤侵蚀动态研究实际上是在土壤侵蚀调查的基础上进行的。

我们可以利用同一地区多时相的遥感影像进行变化分析，从而得到该地区土壤侵蚀的时空演变规律。

2.3.1 遥感影像变化监测的方法目前，应用遥感影像进行变化监测的方法有很多，常用的有分类后对比法、逐像元比较法、影像与GIS数据叠加分析法，以及结合逐像元比较与分类后比较的混合动态监测方法等。

分类后对比法分类后对比法是用统一的分类标准对不同时相的遥感图像进行单独分类，然后对分类结果进行对比，得出变化类型、位置及数量，它是最直接的动态监测方法。

逐像元比较法逐像元比较法是对同一区域不同年份同一时相影像系列的光谱特征差直接进行比较分析，从而确定发生变化的位置和数量。

逐像元比较与分类后比较的混合方法该方法就是先利用逐像元比较探测变化区，再进行图像分类确定变化的类型。

影像与GIS数据叠加分析法该方法是将已有的相应时段的土壤侵蚀详查图在地理信息系统中转成矢量数据，将其作为本底数据与经配准后的遥感影像进行叠加分析，用人机交互的判读方式找出底数据中的图斑界限与影像图斑界限不一致的地方，从而确定土壤侵蚀发生变化的区域与变化类型。

2.3.1 土壤侵蚀动态研究流程简介目前主流方法，简单的说，就是将不同时段土壤侵蚀调查得到的数据库（实际上是不同时段遥感影像图）进行叠加，从而形成土壤侵蚀动态数据库。

具体流程与土壤侵蚀调查基本一样，在此就不再详细叙述了。

3.小结3.1 研究总结土壤侵蚀作为一种自然现象，其涉及的范围包括了几乎所有的自然因素和诸多的社会因素。

对它的研究涉及到土壤学、水土保持学、水文学、水力学、泥沙运动学、农学、GIS 技术、计算机技术等多门学科。

总结国内外的研究成果，我们可以发现很多技术和手段仍处于一个发展阶段，还有许多不成熟的地方需加以完善。

3.2 待解决的问题3.2.1 土壤侵蚀模型发展面临困难经验统计模型从模型自身结构来讲已经发展得相对成熟，所用到的统计理论也相对完善，但是在模型机制方面有着天然的缺陷。

由于经验统计模型不考虑侵蚀产沙过程的物理机制，仅从各个侵蚀因子角度入手，式，造成模型本地化特征非常明显。

在一些小流域，由于所选研究区下垫面构造的特殊性，造成模型区域适应能力差，移植难度大，很难具有普遍性。

理论物理模型由于其自身复杂性，在发展的过程中也存在很多问题。

比如：描述土壤侵蚀过程的部分各个子过程间动力学的关系不完全清晰；模型涉及的相关物理参数难以直接获取，间接测量其精度难以保证；模型难以移植和推广。

以上造成了土壤侵蚀模型发展处于一个较为困难的阶段。

3.2.2 土壤侵蚀调查与动态研究中存在的问题在土壤侵蚀实地研究中，有许多不同的方法和手段。

各种方法在具体应用时都有它的优势与局限。

所以在具体应用过程中，需要根据区域的自然环境条件、调查的目的、经费时间等投入、资料数据的可获取性等因素来选择采用哪一种方法来进行水土流失情况调查。

3S技术在土壤侵蚀研究中的主要问题是应用的精度不高。

由于模型自身精度的缺乏，加上GIS技术本身在图层叠加、与模型结合时的非线性运算会使误差进一步扩大。

此外，目前成熟的GIS系统，也并不是仅仅针对土壤侵蚀开发的，在处理土壤侵蚀方面往往也存在着一些缺陷。

3.3 未来展望3S技术是一门新兴技术，它与土壤侵蚀研究的结合现在还略显生涩，但是这并不妨碍我们仍对未来前景的展望：（1）根据实测水文及土壤侵蚀数据，结合遥感空间数据和GIS技术开发适合各地实际的土壤侵蚀模型，进行更为科学、准确的计算是今后“3S”技术在土壤侵蚀研究中发展的重要方向；（2）在区域土壤侵蚀模型研制应考虑以遥感和地理信息系统可获取的参数直接作模型输入；（3）不同分辨率数据在进行不同尺度土壤侵蚀调查的适用性研究应与土壤侵蚀的尺度效应研究合起来；（4）土壤侵蚀模型研究如何与大尺度水文模型相结合是未来土壤侵蚀研究工作者面临的一个新问题。

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