基于GIS技术的全国水土流失动态监测与公告项目成果的应用与数据挖掘

姬俊虎，韩凤翔，周乐群，吴勇前

(1.长江流域水土保持监测中心站，湖北 武汉 430010；2.长江水利委员会 水土保持局，湖北 武汉 430010；3.秭归县水土保持局，湖北 秭归 443600)

全国水土流失动态监测与公告项目(以下简称“公告项目”)是由水利部水土保持监测中心会同七大流域机构实施的经常性专项业务费项目，自2013年实施以来，不仅获得了全国各水土流失重点防治区大量抽样县具有准确对应关系的关于土地利用、林草植被覆盖、林缘线、土壤侵蚀等数据成果，而且收集了大量基础资料。公告项目的数据成果采用统一的技术标准，获得的数据丰富、全面、具有时间连续性，各单项数据应用领域广，而且基于GIS平台可实现对具体对象的运算和统计，从而发掘成果数据的应用潜力。以三峡库区重点治理区抽样县——湖北省秭归县为例，介绍了单项数据的功能性和拓展应用，以探索多期单项成果的挖掘应用价值和同期多项成果的综合应用价值。

1 公告项目单项数据成果

(1)土地利用数据。土地利用数据是通过遥感影像解译得到的，遥感技术的日新月异使得获取的土地利用数据更加高效和准确，能更好地服务于水利前期规划[1]、小流域水土流失治理[2]和土壤侵蚀计算等。

(2)林草植被覆盖数据。林草植被覆盖数据在林业、牧业上应用广泛，常用于土壤侵蚀量计算和水土保持效益评价[3]，还可通过分析林草植被覆盖度，服务于农业产业结构调整[4]。

(3)林缘线数据。确定林缘线是植物空间划分的重要手段，可应用于林业上的防火带设计，有助于重要生态功能红线划定，还可应用于城市建设方面，如《大连市关于加强林地绿地保护严格审批监管程序的若干规定》中规定“今后任何单位和个人不得毁坏和侵占城市林地绿地，新建建设项目应与山体保持一定距离，城市林地林缘线5米内不得进行开发建设”。

(4)DEM数据。数字高程模型(DEM)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。应用GIS技术可以从DEM数据中获取坡度、坡向、坡长等数据，其中坡度常用于土壤侵蚀计算，坡度、坡长、坡向多用于分析对土壤侵蚀的影响[5-6]。此外，DEM还用于林业调查图斑界线的提取[7]。

(5)土壤侵蚀数据。土壤侵蚀数据是根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，应用土地利用现状、林草植被覆盖度、坡度等数据，通过空间运算获得的。数据成果不仅能反映土壤侵蚀在时间、空间上的分布特点，还能够反映土壤侵蚀现状和变化趋势，为生态文明建设提供技术支撑。

2 公告项目成果的功能性应用

2.1 服务于《中国水土保持公报》编制

公告项目自2013年实施以来一直为《中国水土保持公报》编制提供土地利用、林草植被覆盖、林缘线、土壤侵蚀等基础数据。2018年8月，《中国水土保持公报(2017年)》向社会发布，至此公告项目已经连续5年为《中国水土保持公报》编制提供数据支持。

2.2 服务于各项规划

水土流失动态监测覆盖范围广、数据时效性强，监测成果适合应用于各项规划，比如：长江流域水土保持监测中心站应用15 m影像解译完成的10万km2丹江口库区第一期水土流失动态监测成果，曾直接服务于丹江口库区25个县的丹江口库区及上游水土保持“十一五”规划[8]，在后续的小流域水土流失治理的可研、初设、施工设计(包括典型设计)等过程中也有应用；10万km2丹江口库区第二期水土流失动态监测成果曾应用于丹江口库区及上游水土保持“十二五”规划控制单元指标权重计算，以确定水土保持重点区域；丹江口库区及上游水土保持“十三五”规划也应用水土流失遥感监测成果计算控制单元指标权重[1]。

湖北省秭归县在进行2014年度三峡库区生态屏障区规划设计过程中，为使规划设计成果能更加贴近实际情况，使用了2013年度全国水土流失动态监测与公告项目长江流域秭归县的监测成果，完成了沙镇溪镇、梅家河乡、周坪乡、屈原镇等4个乡镇所涉及的屏障区的土地利用图和土壤侵蚀图，以及屏障区的调查、复核和规划，提升了工作效率，节省了财力和人力。

2.3 服务于水土流失治理

公告项目数据服务于水土流失治理，可辅助工程片区选址、措施布设等，使工作的推进做到有据可依、有的放矢。湖北省秭归县全国坡耕地水土流失综合治理工程罗圈荒项目区在2014年项目片区选址时，利用GIS平台对公告项目2013年土地利用数据和坡度数据、乡镇区划数据进行空间运算，按坡耕地占比对各村进行排序，选择坡耕地比例较高的村作为拟选片区，根据坡耕地集中连片、近水近路、利于产业调整的原则选择罗圈荒、贺坪、徐家山、蔡家坡、周家坡和后坪共6个片区。在工程措施布设时，调用GIS平台上之前的空间运算成果，以片区内坡耕地图斑为对象，按坡度条件选定5°～15°区间的坡地作为工程措施主要布设区域，再结合现场调查地块的立地条件设计梯坎，布设拦蓄排灌设施等。

3 公告项目成果的扩展应用

3.1 服务于政府职能部门日常管理

公告项目有土地利用、林草植被覆盖、土壤侵蚀等多期单项成果，经数据挖掘后可以发挥出更大的技术支撑作用。以多期土地利用年度监测成果为例，经GIS平台进行数据挖掘后，建立同名地物不同期次土地利用图斑之间的关联，追踪其年际演变关系，查找影响年度土地利用变化的主要因素，可以为政府职能部门的日常管理提供技术支撑。以湖北省秭归县2013、2014年公告项目遥感监测的土地利用成果为例，应用GIS平台可以追踪同名地物土地利用图斑的年际演变并建立一一对应的关联关系，进而分析变化的持续情况和造成变化的主因，判断土地利用变化对土壤侵蚀的影响，还可以进一步结合项目资料确定落实水土流失防治责任的责任主体，有助于政府职能部门有针对性地督促责任主体落实防护责任，提升水土保持日常管理的效率。

3.2 服务于政府水土保持目标考核

土壤侵蚀是土地退化和生态环境恶化的重要原因。为贯彻落实党中央、国务院关于生态文明建设的决策部署和水土保持法的要求，更好地发挥水土保持在改善生态环境、推动脱贫攻坚、增进民生福祉等方面的作用，水利部下发了《水利部关于加快推进水土保持目标责任考核的指导意见》(水保〔2017〕108号)，其中水土保持目标责任考核的指标体系由各省(自治区、直辖市)结合当地实际情况具体确定。公告项目数据的时效性、序列性、丰富性和标准性有助于其服务于政府水土保持目标考核，利用GIS平台对公告项目基础数据库进行空间运算，经数据挖掘建立多源数据间的关联，以水土流失面积、消长变化和分布变化为考核内容，以变化主因为治理(督查)导向，最终的治理成果又反馈到年度水土保持目标考核上，不仅有助于数据成果服务于各级政府的水土保持目标考核，使考核指标具体化，而且有助于项目成果有针对性地服务于水土流失治理，治理前后的效果对比可体现政府应对目标考核的作为，从而可更好地体现考核的初衷。应用流程见图1。

图1 公告项目成果服务于政府水土保持目标考核应用流程

(1)应用层一(本底数据)。从公告项目的遥感信息源入手，根据《水土保持遥感监测技术规范》(SL 592—2012)，对遥感影像进行遥感解译获取土地利用现状和林草植被覆盖度成果，应用地形数据获取坡度数据，辅以地形地貌、岩性、土壤、降水等基础数据构成用于空间运算的本底数据库，同时注重野外调查数据及地面监测数据的采集和整理，充实基础数据库，为空间运算成果的复核和后续应用奠定基础。如：调查灾害事件的范围，用以降低偶发灾害对水土保持考核指标的影响；分析三级区内监测点的地面监测数据及地形地貌、岩性、土壤、降水等条件，通过GIS平台圈定与监测点条件耦合的范围，以便用地面监测数据对该范围内的空间运算成果进行复核。

(2)应用层二(目标考核)。应用土地利用现状、林草植被覆盖度、坡度等本底数据，根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)获取土壤侵蚀数据，再叠加各基础数据，整理得到土壤侵蚀等级、面积及其所对应的坡度、土地利用类型或林草植被覆盖度数据，以及岩性、土壤、降水等基础数据。以该成果为基础，结合《水利部关于加快推进水土保持目标责任考核的指导意见》(水保〔2017〕108号)文件精神，在非偶发自然灾害区域以年度水土流失面积及其消长变化和分布变化作为评价内容，与其他指标共同来考核年度水土保持目标落实情况。

(3)应用层三(开展治理)。首先利用GIS软件分析出各土壤侵蚀等级地块所对应的岩性、土壤、降水、坡度、土地利用现状和林草植被覆盖度等数据，测算这些数据对各地块水土流失消长变化的影响值并排序，确定影响水土流失消长变化的主要因素；其次应用小流域边界数据，以土壤侵蚀等级和面积为主要指标，参考岩性、土壤、植被等基础数据，将各小流域进行治理优先顺序方面的排序；最后根据各地块的详细信息，结合资金情况确定治理范围和地块，设计水土流失治理措施。

(4)应用层四(效果展现)。通过对比治理前后的影像资料(包括照片、视频)和年度监测数据，展现治理效果，反映水土保持目标责任的落实情况。

上述应用层，以GIS平台和基础数据库为支撑，以数据间的关联为纽带，以考核指标为导向，以治理(督查)为手段，使水土流失现状、水土保持目标责任落实情况和治理工作之间环环相扣、互为关联，也使整个水土保持目标考核过程更加有据可循。

4 结 论

公告项目成果不仅为《中国水土保持公报》编制提供基础数据，还被广泛应用于相关规划、设计、治理过程中，经数据处理后可以更好地服务于政府职能部门的日常管理和政府的水土保持目标考核。随着公告项目的滚动实施、全覆盖型大数据的生成、数据处理技术的进步，公告项目成果未来将更好地服务于社会经济发展和生态文明建设。