基于3S技术的冲沟侵蚀过程重建与评价研究

微观的冲沟侵蚀过程和宏观的景观格局演变耦合与定量评价是目前国际研究的新热点，国内在这方面研究不足。本项目拟选择胶东半岛大沽夹河流域为研究区域，以"3S"技术、实地观测实验和数学建模相结合，构建基于"3S"技术的冲沟侵蚀信息提取方法体系；提取冲沟侵蚀过程的环境因子信息，模拟和重建近30年来流域景观格局和冲沟侵蚀发生演化过程，确定冲沟侵蚀发生演变的临界阈值，探讨冲沟侵蚀发生演变的驱动机制；以小流域为单元对流域冲沟侵蚀进行评价分级，定量30年来流域景观格局变化影响冲沟侵蚀格局的过程及其有效性，提出冲沟侵蚀防治的途径和措施。该研究对于沟蚀研究方法的开拓、区域水土保持和生态环境调控等具有重要的理论和现实意义。

沟蚀作为一种常见的土壤侵蚀类型，分布广，对农业生产的危害严重，迫切需要建立一种能在较大尺度内快速定量监测和评价沟蚀的研究方法。基于此，本项目以胶东半岛丘陵区北岩子口小流域为研究区域，以“3S”技术、实地观测实验和数学建模相结合，构建了基于“3S”技术的冲沟侵蚀信息提取方法体系。首先，定量研究几何校正和反立体校正对丘陵区土地利用信息提取的影响，几何校正会降低土地利用信息的提取精度；反立体校正能提高土地利用面积提取精度，但会使斑块形状发生变化。为了进一步提高基于3S 技术提取冲沟系统的精度，尝试建立一种地表粗糙度参与阴影模型的反立体校正方法来提高遥感图像的解译精度，提出一种新的地表粗糙度参与的HIS 变换反立体校正方法。地表粗糙度参与的HIS变换法导致图像光谱损失量较后者减少了46.68%；较传统的基于阴影模型的HIS变换法，地表粗糙度参与的HIS变换法反立体校正算法保留更多的图像光谱信息，更有助于图像的解译，且该方法具有普适性。与此同时，也尝试运用面向对象分析技术对冲沟侵蚀进行定量研究，对DOM航片进行不同尺度图像分割，并以图像对象灰度共轭矩阵（GLCM）、几何特征以及对象相对边界特征，建立分类规则进行面向对象分类，有效提取出实验冲沟的沟缘线和冲沟侵蚀量，面向对象技术能够有效的提取冲沟信息，研究结果为定量化研究小冲沟侵蚀量提供了新的方法。其次，本项目提取冲沟侵蚀过程的环境因子信息，模拟和重建近10年来流域景观格局和冲沟侵蚀发生演化过程。近10年来冲沟发展变化比较剧烈，但总体上趋于稳定。在2008年的冲沟分布中，有16条冲沟是1996年的小冲沟合并而来，有42条冲沟来自1996年中大的冲沟的分割，而1996年中的18条冲沟在2008年消失；从研究区冲沟面积和条数来看，2008年冲沟总面积比1996年增加了13.3%，冲沟数量减少了4条。最后，本项目确定了冲沟侵蚀发生演变的临界阈值，探讨冲沟侵蚀发生演变的驱动机制。研究区的冲沟多发生在坡度坡长较大、水流动力强、地表湿度较低的林草地区域，多分布在阳坡的凹面，这与当地人为的影响和气候条件是对应的，也是冲沟在理论上多发生的区域。通过冲沟与土地侵蚀敏感性等级分布的叠加分析发现冲沟大多分布在中度敏感及以上区域，约占总冲沟的96.4%。该研究结果对于沟蚀研究方法的开拓、区域水土保持和生态环境调控等具有重要的理论和现实意义。