数字图像技术在地表风蚀监测中的应用

来源：赛杰奥

荒漠化(desertification)是指在干旱、半干旱和部分半湿润地区，由不合理的人类活动与脆弱的生态环境相互作用所造成的土地退化，是涉及当今资源与环境问题的重要方面，可导致土地生产力下降，从而造成土地资源短缺、自然环境恶化、生态平衡失调、灾害日趋严重等一系列威胁人类生存和发展的难题。荒漠化在世界各大洲均有分布，目前有上百个国家和地区的约1/3 的陆地面积受到荒漠化的威胁。而土壤风蚀是引起土地沙漠化的重要驱动力之一，也是土地沙漠化的主要表现形式之一。土壤风蚀常常发生在干旱少雨、风多风大、植被稀疏、地表松散的地区。

一般来讲，土壤风蚀的产生是由于一定速度的流动空气作用于土壤或其母质表面时，使土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤细颗粒物质损失的作用，还包括风沙两相流在运动过程中对近地表及地表物体的磨蚀和掏蚀作用。风蚀过程中，因粒径大小不同，土壤颗粒受到的推动力也就有所差别，从而呈现出3 种移动状态：最细的颗粒被风扬起的高度最高、搬运距离最远，常为悬移状态；质量稍大的颗粒被搬运的距离较小，多在30cm 近地表层内输移，构成地表风沙流，为跃移状态；质量再大的颗粒贴地表蠕动，速度和移动距离最小，为蠕移状态；更大更重的砾石碎屑等则可抵御一般的风力，不被吹动而留在地表，随着时间的积累，逐渐形成粗粒化地表。

▲ 侵蚀戈壁的形成 

土壤风蚀是由内、外两种因素共同导致的，既要有足够的外界风力吹动，又要有土壤自身结构松散、颗粒抗吹蚀能力差的内在前提。因此，目前除了我们无法改变的大气环流和天气条件外，地表自身的风蚀特征成为众多环境工作者研究的重要目标。实时监测与分析风蚀过程中的地表颗粒特征，对揭示风蚀成因、估算潜在风蚀量、预测风蚀速率等方面的研究具有重要意义，可为掌握荒漠化现状和动态变化趋势，以及制定合理的土壤风蚀防治对策提供科学依据。而在试验地获取地表的不同抗风蚀能力颗粒所占的比例及分布状况，则是判断该地区土壤风蚀程度和土壤潜在侵蚀量的先决条件。

近年来，基于遥感与数字图像处理技术的荒漠化监测和评价已渐渐成为荒漠化研究的一个热点方向。但目前大都是针对几平方千米至几十、几百平方千米的大尺度空间范围的地貌，或几十到几百平方米小尺度植被格局开展的研究，对于风蚀地表的详细或微观格局特征定量化研究较少涉及，显得十分不足。而对地表微尺度上的土壤颗粒进行格局分析有利于对土壤风蚀及其生态过程的深入了解，具有重要的意义。

《数字图像技术在地表风蚀监测中的应用》（虞毅等主编. 北京：科学出版社，2020.5）一书将数字图像处理技术引入我国荒漠化地表的监测领域，并且进行了一系列的吸收和转化研究，在改进和完善利用数字图像处理技术获取地表颗粒信息的基础上，结合风洞模拟实验，模拟风蚀过程中的地表粗粒化结构特征及风蚀演变规律；用地表颗粒信息数字图像采集与处理技术对内蒙古中西部的乌兰布和沙漠、毛乌素沙地及阴山北麓农牧交错区几种典型风蚀地表的土壤颗粒特征进行实地样方调查和统计分析，揭示其空间分布特征，并试着对研究区潜在风蚀风险性进行评价，以此丰富和完善土壤风蚀理论与技术体系，为实现粗粒化地表的非接触式、长期定点监测提供参考，也为制定科学合理的荒漠化防治措施提供理论依据，对西北地区生态环境建设及防沙治沙实践具有一定的理论和现实指导意义。

本书第5 章利用数字图像处理的风蚀地表粗化信息提取技术，以我国北方农牧交错带典型地貌类型沙地、草地和农地为研究对象开展实地抗风蚀能力评价方面的研究。

基于该技术提取得到的风蚀粗化信息，应用抗风蚀能力计算公式实地开展抗风蚀能力的评价研究，评价结果显示：毛乌素沙地沙丘不同坡向间抗风蚀能力差异显著，迎风坡抗风蚀能力最强，左侧脊线抗风蚀能力仅次于迎风坡，右侧脊线和背风坡的抗风蚀能力都很弱，尤以背风坡为最弱，基本为0，同一坡向内不同坡位间抗风蚀能力差异也很明显，各坡向均呈现出坡底抗风蚀能力最强，坡中其次，坡顶最小的规律；希拉穆仁草原度假村的演艺区、住宿办公区和跑马射箭活动区的抗风蚀能力明显高于草场区，平均高出2 倍，极端最大值的抗风蚀能力为0.91，反映出受现代旅游度假经济活动影响草原地区风蚀加剧的严重程度；武川县西北部农耕区弃耕地抗风蚀能力最大，未耕地居中，最弱的是耕地，反映出农耕活动同样加剧了风蚀进程，但现代旅游度假经济活动加快风蚀进程的影响力是传统农耕活动的10 倍之多，更进一步地反映出现代经济开发活动对环境的破坏之大、影响之巨前所未有。

▲ 各监测样地土壤抗风蚀能力指数

进一步地在对比前人研究的基础上，利用地表风蚀颗粒含量信息和地区风信资料，建立了简易的土壤潜在风蚀风险指数方程，并用其对几处典型风蚀地表的潜在风蚀风险性现状进行了判断和评价，结果表明：武川农耕地潜在风蚀风险最大，其次是乌审旗沙丘，再次为召河草原旅游区、磴口固定、半固定沙地，最后为戈壁灌丛地和裸露戈壁。这也提醒我们加大农牧交错区农田保护性耕作推广应用力度，在乌审旗流沙区制定合理的固沙措施，加强草原开发区土壤及植被恢复，在磴口有植被覆盖的固定、半固定沙地则应重视已有植被的保护，吉兰泰地区则可出于生产生活需要，多使用生态适应性强的植被进行建设。通过实际应用证明，本研究建立的土壤潜在风蚀风险指数能够较好地反映不同地区土壤风蚀现状特征，可信度较高，值得在土壤风蚀监测评价中推广应用。 

▲ 各监测样地土壤潜在风蚀风险指数

本书是课题组成员多年来所取得的相关研究结果的系统总结，所有作者为完成本书进行了大量的数据分析和资料整理工作，为本书的顺利完成贡献了辛勤的劳动与智慧，参与编写的有内蒙古农业大学、国际竹藤中心、温州大学、中国林业科学研究院沙漠林业实验中心、河北省水利技术试验推广中心、青海水利水电勘测设计研究院、内蒙古自治区林业科学研究院、内蒙古自治区水利科学研究院、水利部牧区水利科学研究所等单位的20 人。