卢宝鹏，张 焘，梁志鑫

(广西壮族自治区水土保持监测总站，广西南宁530023)

近年来，在中国—东盟自由贸易区、泛珠三角区等区域经济发展中，广西有着十分重要的区位优势。开展区域经济技术合作，交通必须先行并应起到引领经济社会发展的作用。据统计，“十一五”期间广西新开工和在建高速公路项目40 个，建设里程达4 622 km。高速公路建设的飞速发展，在促进沿线经济发展的同时，也不可避免地给当地生态环境带来巨大压力，这种压力主要表现为工程建设中扰动地表、破坏植被，产生了大量的弃土弃渣。与点状、面状工程建设项目不同，线状工程建设项目一般具有时间跨度小、空间跨度大的特点，其水土流失的特点也因时因地而不相同［1］。因此，开展高速公路建设项目水土保持监测工作，强化水土流失监测、监控和管理极其重要。

本研究对隆林至百色高速公路(以下简称“隆百高速公路”)建设工程及其引发的水土流失特点进行分析，在此基础上提出了基于“3S”技术的高速公路建设水土保持监测的方法及技术路线。

1 项目及项目区概况

1．1 项目概况

隆百高速公路起于黔桂交界处的隆林县平班，与贵州省安龙至板坝(黔桂界)高速公路相接，经委乐、旧州、潞城、田林、汪甸、永乐、那务，止于百色市四塘，接南宁(坛洛)至百色高速公路，路线全长176．705 km，同步建设隆林连接线20．822 km、田林连接线4．699 km。全线采用四车道高速公路标准建设，设互通式立交10 处、服务区3 处、停车区3 处。截至2009年8月底，工程建设水土保持防治责任范围为8．02 km2，其中项目建设区7．19 km2，直接影响区0．83 km2。

1．2 项目区概况

(1)土壤。隆林县沿线土壤主要为砂页岩发育而成的黄红壤、黄壤，其次为石灰岩发育而成的棕色石灰土;田林县沿线土壤以红壤、黄壤、水稻土和山地灌丛草甸土为主;右江区沿线土壤以赤红壤、红壤、黄红壤和黄壤为主。

(2)植被。工程区植被属南亚热带常绿、落叶阔叶林带，以亚热带旱生性和中生性植被为主。在工程沿线附近，田林县和右江区的林草覆盖度要高于隆林县，田林县和右江区的林草覆盖度在65%～75%之间，隆林县在45%～55%之间。工程沿线植被种类较多，原生林树种主要有马尾松、杉木、毛竹等，人工林树种主要有桉树、麻栋、云南松、油杉等。

(3)地形地貌。工程区地处云贵高原向桂中盆地过渡地带，地势总体西高东低，隆林县境内工程区以中山地貌为主、低山地貌为辅;田林县属云贵高原向东南延伸的部分，山脉属都阳山系，地势为东北、西北、西南和中部较高，并逐渐向东南和北部倾斜，工程区地貌以低山为主，沿河谷一带则为低山、高丘;右江区中部为右江平原，四周环以山地或丘陵，呈西北—东南走向的低槽，海拔100～300 m，地貌以丘陵为主。

2 研究方法

利用隆百高速公路沿线区域不同时相的ALOS 数据和地形图，应用“3S”技术提取工程建设准备期与建设期的土地利用、坡度和植被覆盖度等因子，通过GIS 叠加、对比分析等，获取项目建设区土壤侵蚀信息，详见“3S”监测技术路线(图1)。

图1 “3S”监测技术路线

2．1 资料准备

主要数据源为ALOS 数据、1 ∶1 万地形图，数据时相为2008年8月、2009年8月的ALOS 数据。

2．2 影像预处理

为了更好地利用影像进行信息提取，对2008、2009年ALOS数据进行的预处理包括正射校正、配准、融合、图像增强等，其中融合采用了在视觉效果、信息融入度、光谱保真度和融合后分辨率等几方面都有较好表现的Brovey 融合算法［2］。

2．3 土壤侵蚀评价因子获取

2．3．1 土地利用

依据《土地利用现状分类标准》提取项目区土地利用信息。土地利用方式主要为耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他用地。为了更好地应用这种高分辨率的影像，采用目视解译并结合实地调绘的方法，这样不仅分类精度高，而且地物不零散、边界分明。

判读标志的确定是目视解译的关键环节。为了统一解译标准、提高解译精度，以影像上所反映出来的目标的形状、大小、色调(或色彩)、阴影、纹形图案、位置布局及活动等特征，结合野外调绘，建立研究区土地利用的遥感影像判读标志。

2．3．2 坡 度

利用研究区1 ∶1 万地形图的等高线和高程点，在GIS 软件支持下生成1 m 采样间隔的规则格网DEM。根据三阶反距离平方权差分法(Horn 算法)［3］获得坡度因子，计算式为

《说文·力部· 》段玉裁注：“健者，伉也。此豪杰真字。自叚豪为之，而 废矣。”王筠在《说文解字句读》中也说“经典作豪杰，借字也，故言此以關之”。《汉书·食货志下》“故大贾畜家不得豪夺吾民矣。”颜师古注云：“豪字本作，盖通用耳。”

式中:S 为坡度，(°);λ 为南北方向高程变化率，无量纲;γ 为东西方向高程变化率，无量纲。

因此，求解坡面某一点的坡度，关键是求解λ 和γ。栅格DEM 是以离散形式表示地面曲面的，而且曲面函数一般是不知道的，因此在栅格DEM 上对λ 和γ 求解一般是在局部范围(3 ×3窗口，图2)内，通过数值微分方法或局部曲面拟合方法进行。g 为格网分辨率，zi(i =1，2，…，9)为中心点5 周围各格网点的高程，λ、γ 均是对图2 中的中心点5 的计算而言的。

图2 DEM 3 ×3 局部移动窗口

λ、γ 的计算式为

式中:zi(i=1，2，…，9)为中心点5 周围各格网点的高程，m。

为进行土壤侵蚀等级评定，根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，将项目区坡度划分为0°—5°、5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35、＞35° 共6 个等级。

2．3．3 植被覆盖度

植被覆盖度是通过归一化植被指数(NDVⅠ)推算得到的［4］。根据植被的反射光谱特征，通常用植被红光、近红外波段的反射率和其他因子及其组合所获得的植被指数来提取植被信息，这些波段常包含90%以上的有关植被的信息。NDVⅠ的计算式为

式中:NⅠR 为近红外通道反射率;R 为红色通道反射率。

研究表明，在一定的阈值范围内，NDVⅠ与植被覆盖度存在线性相关，因此可以利用植被指数估算植被覆盖度，其计算式为

式中:fc为植被覆盖度;NDVⅠmin为研究区内最小的NDVⅠ值;NDVⅠmax为研究区内最大的NDVⅠ值。

通过(5)式获得的植被覆盖度值在－1 和+1 之间，为了利用其进行土壤侵蚀等级分类评定，需要对由(5)式获得的植被覆盖度进行等级划分，等级划分主要通过目视解译和实地采样调查进行。

2．4 土壤侵蚀等级划分与评价

隆百高速公路沿线属西南土石山区，以水力侵蚀为主。依据《土壤侵蚀分类分级标准》，提出适合该区域土壤侵蚀分级的土壤侵蚀强度分级参考指标。对于水域、城镇与居民用地、建成的交通用地判定为微度侵蚀。

根据以上土壤侵蚀等级划分判定规则，应用GIS 的叠加分析功能，实现监测区域2008 和2009年度土壤侵蚀等级判定。

3 结果与分析

3．1 土地利用现状变化分析

据监测，项目区从2008年8月至2009年8月期间，耕地、草地、林地、水域分别减少了4．64、1．75、0．68 和0．12 km2，而建设用地和未利用地却分别增加了5．28 和1．91 km2。对比分析表明，隆百高速公路建设中对耕地、草地、林地等占压、破坏很明显(图3)，损毁水土保持设施面积为7．07 km2，在此期间内至少有7．07 km2的区域未及时采取水土保持防护措施。

图3 项目区土地利用变化情况

3．2 植被覆盖度变化分析

监测结果表明，项目区从2008年8月至2009年8月期间，植被覆盖度降低非常明显(图4)，无明显覆盖面积从0．89 km2增加到6．75 km2，低覆盖面积从2．56 km2增加到6．65 km2，这进一步验证了隆百高速公路建设对植被破坏的严重性。

图4 项目区植被覆盖度变化情况

3．3 土壤侵蚀强度变化分析

监测结果表明，项目区从2008年8月至2009年8月期间，中度侵蚀、强烈侵蚀面积增加明显(图5)，其中中度侵蚀面积从4．81 km2增加到8．08 km2，强烈侵蚀面积从1．79 km2增加到6．53 km2，表明隆百高速公路建设造成土壤侵蚀程度加剧明显。

图5 项目区土壤侵蚀强度变化情况

4 结 语

隆百高速公路建设中土壤侵蚀最严重的时段是项目建设期，预防和治理施工期内的水土流失对于公路建设尤为重要。本研究对隆百高速公路建设项目及土壤流失特点进行了分析，在此基础上对高速公路水土保持监测方法以及技术路线进行了探讨，认为该方法能够准确地反映大型线性工程建设引发的土壤侵蚀问题，应用“3S”技术评价区域土壤侵蚀强度是一种有效的方法。

［1］吴永红．线形开发建设项目水土保持监测技术［J］．水土保持通报，2003，23(4):33－35．

［2］柳文祎，何国金，张兆明，等．ALOS 全色波段与多光谱影像融合方法的比较研究［J］．科学技术与工程，2008，8(11):2864－2869．

［3］陈楠，王钦敏，汤国安，等．6 种坡度提取算法的应用范围分析——以在黄土丘陵沟壑区的研究为例［J］．测绘信息与工程，2006(4):20－22．

［4］程红芳，章文波，陈锋．利用植被指数来估算植被覆盖度［J］．国土资源遥感，2008(1):13－18．