长江上游丹江口库区是我国南水北调中线工程主要水源地，南水北调工程的实施，很大程度上造成长江流域水土流失加剧、生态环境遭到严重破坏^{[1, 2, 3]}。由于水土流失监测工作的滞后，使得水土流失变化情况缺乏令人信服的科学数据^[4]。

随着计算机科学信息技术的快速发展，水土流失定量遥感调查方法已成为新的研究领域和热点。将卫星遥感数据与降雨、地形、土壤、土地利用等非遥感资料数据结合，综合考虑降雨侵蚀动力因子、土壤可侵蚀性因子、土壤地形因子和土壤植被覆盖与工程措施保持因子，实现从流失量到侵蚀强度级别的判定^{[4, 5, 6, 7, 8, 9]}。水土流失定量遥感调查法包括影响土壤侵蚀的各个因素，避免了人为定级的主观性、随意性。本研究的目的是探索长江上游地区有效监测土壤流失量的方法，建立水土流失管理信息数据库，为快速、实时、准确地开展该区域水土流失监测和预报提供科技支持。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

长江三级水系丹江发源于陕西省秦岭南坡凤凰山，自陕西商州经河南淅川县由西北向东南流入丹江口水库，是南水北调源头之一。丹江口水库水源区水土流失综合治理项目涉及陕、豫、鄂、甘、川、渝6省（市）49个县（市、区），土地总面积9.52万km²，水土流失面积5.07万km²，是长江流域侵蚀强度最大、产沙强度最高的地区。商南县位于长江上游丹江口库区，地理位置110°24′~111°01′E，33°06′~33°74′N，面积2 313 km²，多年平均降水量682.8~925.4 mm。商南县地势西高东低，境内沟谷交织，河流密布。海拔216.4~2 057.9 m，地势高差大，属以中低山为主的山地丘陵沟谷区，低山、丘陵占总面积的77%。丹江自西向东横贯中部，把全县分成南、北两部分，北部属于秦岭南麓蟒岭东延区，南部是新开岭山地，属于长江流域典型的山区气候。大于15 °的较陡坡面积1 613.83 km²，占总面积的67.75%。

全县人口24.2万，其中农业人口占58.8%，人口密度约105人·km^-2。2011年农业经济总量18.25亿元，工业经济总量11.34亿元。工业经济总量增幅迅速，较1991年增加了94%，主要在县域附近进行工业开发。 1.2 研究方法

水土流失定量遥感监测QRSM（Quantitative Remote Sensing Model）模型^{[4, 5]}是基于美国土壤流失方程USLE和修订的通用土壤流失方程RUSLE^{[6, 7, 8, 9]}思想架构，由卜兆宏等根据大量实测资料所建立，在多地得到应用^{[10, 11, 12]}。其算法表达式为：

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侵蚀雨量与侵蚀动能的关系密切，汛期雨量P_f与年流失量相关性较高，采用最大30 min雨强（I₃₀）的年代表值I_30B将年总动能转化为R值，建立降雨侵蚀力R的算法表达式^{[13, 14]}。这种算法仅用汛期雨量P_f和年I_30B估算降雨侵蚀力，数据易获取，处理较容易，精度一致^{[15, 16]}。估算式为：

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计算结果表明，使用该式平均精度达到89.9% ^{[11, 12]}。可用于本次研究。

K值的计算与K值图的研制，是基于研究区不同土壤类型100多个剖面点实测数据，矫正不同土壤类型土壤剖面点的有机质、机械组成等土壤普查数据，利用公式法计算不同土壤类型土壤剖面点的土壤K值，然后对土壤图的不同土壤类型赋相应土壤所属的K值。计算过程中根据土壤有机质、不同机械组成划分渗透级别与土壤结构等系数^{[17, 18]}，使土壤可蚀性K值更符合应用区域的实际。

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在USLE和RUSLE中，地形对土壤流失的影响用坡度坡长因子（LS）表示^[6]。根据单位水流功率理论推导出具有物理基础的LS计算方法^{[7, 8, 9]}，所建立的计算USEL模型中坡度坡长LS因子的方程式应用得较为广泛^{[19, 20]}。

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在水土流失定量遥感监测模型中，采用的植被因子与植被覆盖度关系式算法是卜兆宏等^{[21, 22]}提出的“用于土壤流失量遥感监测的植被因子算式”即：

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采用ERDAS软件处理遥感数据与图像分类。将卫星影像文件转换为image格式，在Arcview软件Warp模块下用商南县1∶5万地形图对卫星影像进行几何校正，误差保证在1/2个象元以内，用掩模运算获取商南县域的卫星遥感影像。在IDRISI软件下对其进行监督分类与最大似然法进行交互式混合分类，将不同植被覆盖度地区分出来，采用相应时期土地利用图，采取随机点位进行验证，分类精度达到93.2%，得到各类地物植被覆盖度C值（百分数）影像资料，最后利用公式（5）进行计算^{[21, 22]}。 1.3 数据及处理 1.3.1 资料收集

本研究所收集到的资料包括商南县1∶5万地形图 14幅，用于建立研究区数字高程模型，提取坡长坡度因子，并用于精校正遥感图像；商南县13个雨量站的雨量数据；商南县2010年1∶5万土地利用图，作为遥感图像解译的参考；商南县土壤类型图及二次土壤普查数据，用于估算当地土壤可蚀性因子；2010年9月环境小卫星（HJ-1B）图像资料，空间分辨率可达5 m，用于进行植被覆盖与水保措施因子以及土地利用解译等方面的研究。 1.3.2 数据处理

对地形图、土壤图、土地利用图，分别进行扫描、几何配准、矢量化、拼接，分层保存与管理；对遥感图像进行几何精校正、去除干扰信息、图像增强、信息提取、图像分类，并进行预处理和格式转换，建立统一的投影与坐标系统。 1.3.2.1 降雨侵蚀力R值的计算与制图

整理13个雨量站所记录数据，获取年内次降雨过程，用式（2）估算雨量站的R值，见表 1。

表 1 商南县雨量站点降雨侵蚀力 Table 1 Rainfall position of rainfall erosivity of Shangnan

表选项

GIS技术支持下，采用Kriging法进行30 m×30 m像元空间插值，交叉验证插值精度在允许范围（图 1）。

图 1 商南县降雨侵蚀力 Figure 1 Rainfall erosivity Map

图选项

以矫正后的不同类型土壤有机质、机械组成等资料（表 2），利用公式（3）计算不同土壤类型土壤剖面点K值，结合土壤类型图，制作研究区土壤可蚀性K值图（图 2）。本研究在K值计算中，根据流域内部土壤有机质、不同土壤机械组成的实际来划分渗透级别与土壤结构等系数，使土壤可蚀性K值更符合应用区域实际情况。

表 2 矫正后各土属类型机械组成及K值 Table 2 Aechanical components and K values of soil type of after correction

表选项

图 2 商南县土壤可蚀性图 Figure 2 Soil erodibility map

图选项

利用1∶5万地形图，数字化等高线与高程点，在ArcGIS中，模拟制作商南1∶5万数字高程模型（DEM），进而提取地形因子和坡度特征，获得地形坡度等级图。采用ENVIRIVER TOOLS，进行子流域边界提取，得到全县698条小流域分布图。 1.3.2.4 地形LS因子估算

采用公式（4），以像元为基础进行坡度和坡长因子估算（图 3）。

图 3 商南县土壤侵蚀LS因子图 Figure 3 Erodibility factor LS map

图选项

对收集到的环境小卫星遥感数据解译，结合商南县土地利用图进行分类，将地面分为山地、坡度和平地3大类，根据植被覆盖和土地类型提取地面覆盖和工程措施CP因子（图 4）。

图 4 商南县土壤侵蚀CP因子图 Figure 4 Erodibility CP factor map

图选项

CP因子计算是根据遥感影像资料上各类地物的植被覆盖度，用卜兆宏等^{[21, 22]}植被因子与植被覆盖度关系算式公式（5）计算求得植被因子值C。C是反映植被覆盖状况或作物管理因子，为无量纲参数。当地面完全裸露时，C值为1.0；而当地面得到良好的保护时，C值为0.001。对于P，0值代表无侵蚀地区；1值则用于表示未采取任何水保措施的地区。C和P值均在0～1之间变化。在所有土壤侵蚀因子中CP因子对侵蚀量的影响最大，CP因子作为侵蚀动力的抑制因子，反映了植被或作物以及管理措施对土壤流失的影响。 1.3.2.6 模型因子叠加

将商南县降雨侵蚀力图、土壤可蚀性图、地形因子LS值图、CP因子图进行叠加运算，获取像元土壤流失量，进行空间的统计和分析。 2 结果与分析 2.1 水土流失监测数据分析

商南县2010年水土流失定量监测结果统计，见表 3。经与商南县当地水保部门核实，平均侵蚀模数基本与当地情况符合。可以看出，微度水土流失面积占全县总面积的37.38%，轻度水土流失面积占全县总面积的26.05%，中度水土流失面积占全县总面积的7.16%，强度水土流失面积占全县总面积的4.32%，极强度水土流失面积占全县总面积的6.56%，剧烈水土流失面积占全县总面积的13.84%。总体上，轻度流失以上面积达68.13%，占一半以上。

表 3 小流域水土流失量监测结果统计 Table 3 The statistical results of monitoring soil erosion

表选项

全县698条小流域中，轻度侵蚀以上面积占小流域总面积百分比超过40%的达560条，占全部698条小流域总数的80.2%；绝大多数小流域呈现出轻度侵蚀以上的状况（图 5）。

图 5 698条小流域轻度侵蚀以上面积百分比分布 Figure 5 The percentage of areas of mild erosion

图选项

进一步分析结果显示，侵蚀模数超过5 000 t·km^-2·a^-1的小流域，占24.71%，即侵蚀等级在强度以上（包括强度）的小流域，在商南地区占近1/4，侵蚀模数小于2 500 t·km^-2·a^-1的小流域，占63.43%，即侵蚀等级在中度以下（不包括中度）的小流域，在商南地区占近2/3。 2.3 不同侵蚀度的面积与侵蚀量关系

从监测结果可以看出微度和轻度侵蚀面积占总面积的63.43%，流失量占总侵蚀量的5.27%，主要分布在人口稀少的山区，主要是由于人类居住和生活破坏造成的，要加大该区域的治理；中度和强度侵蚀面积占总面积的10.88%，流失量占总侵蚀量的7.59%，主要分布在中部山区，该区人口密度较大，对土壤过度开发利用；极强度和剧烈侵蚀面积占总面积的20.40%，流失量占总侵蚀量的87.14%，是造成全县水土流失的主要侵蚀区，主要分布在中部地区，说明该区域水土流失情况已非常严重，剧烈侵蚀强度面积虽小，但土壤受侵蚀危害很大，是综合治理的重点区域（图 6）。

图 6 小流域水土流失面积与流失量比较 Figure 6 Comparison of soil erosion area and loss volume

图选项

全县698条小流域平均侵蚀模数达到极强度和剧烈程度有462条，面积占到总面积的66.75%，土壤流失量占总流失量的86.69%，是整个商南县主要水土流失区域。从商南县监测结果看出除了地势较高、山地为主的县境北部和西南部因为林木覆盖土壤保持较好之外，侵蚀强度较大的小流域主要分布在中部区和东南部区域，且分布面积很广，该区域是丘陵低山和川道地区，因人口稠密，人为活动频繁，坡耕地分布多，道路建设、坡地耕作等人类活动频繁，造成森林减少，植被稀疏，加剧了水土流失的发生（图 7）。

图 7 商南县698条小流域平均侵蚀模数等级分布 Figure 7 Average erosion modulus level distribution of catchments

图选项

对商南县全县698条小流域水土流失进行了全面监测，从监测结果可以看出微度和轻度侵蚀面积占总面积的63.43%，水土流失量占总侵蚀量的5.27%，主要分布在商南县的北部和南部治理区；水土流失轻度等级以上面积达57.92%，占一半以上，该区域在今后应加强综合治理的管护工作；极强度和剧烈侵蚀面积占总面积的20.40%，侵蚀量占总侵蚀量的87.14%，是造成全县水土流失的主要侵蚀区，该区域主要分布在以县城为中心主河道两岸区域，主要是由于人为的过度开发利用和破坏造成的，今后应合理规划，限制不合理的开发和加大治理措施。从698条小流域整体分布来看，中轻度侵蚀以上面积与小流域总面积百分比超过40%的达560条，占全部698条小流域总数的80.2%；绝大多数小流域呈现出轻度等级以上的侵蚀状况。