一、实验名称

土壤侵蚀强度遥感估算实验

二、实验目的

根据“基于遥感数据的流域土壤侵蚀强度快速估测方法”文献中的方法，对杭州市及周边区域土壤侵蚀强度进行遥感估算实验。

三、实验内容

首先，利用遥感数据提取土地利用类型；
其次，利用植被指数模型提取植被覆盖度信息；
再次，利用数字高程模型生成坡度图；
最后，结合土壤侵蚀强度分级指标，将坡度图、土地类型图、植被覆盖度图空间叠加，判断和计算侵蚀强度等级，获得土壤侵蚀强度等级图。
最终在等级图上统计各个侵蚀等级的面积及面积百分比。

四、实验过程

1. 土地利用分类

• 打开ENVI，导入影像文件LC81190392013344BJC00_MTL_ref-1；
• 在工具栏中找到工具【Classification Workflow】进行土地利用分类操作；
• 选中影像文件，点击【Next】；
• 选中【Use Training Data】，点击【Next】；
• 在影像中根据不同的地物框选【Training Data】，此处将分为植被、裸地、水体、农田、建筑五类，具体分类情况如图1所示，选择完成后点击【Next】；

图1 土地利用分类样本

• 计算最大似然分类，并对结果进行平滑与聚合，即可生成土地利用分类结果（图2）。

图2 土地利用分类结果

2. 计算植被覆盖度

• 在工具栏中找到【Band Math】并计算图像的NDVI值，其公式如下:

$$NDVI=\frac{NIR-R}{NIR+R}$$

其中，$NIR$为近红外波段，$R$为红波段。
- 计算完成后即可得到生成的NDVI结果（图3）

图3 NDVI计算结果

• 右键点击NDVI结果，点击【Compute Statistics】统计NDVI值，根据公式（2）计算植被覆盖度。为了避免计算结果存在噪声，此处的$NDVI_{max}$和$NDVI_{min}$选取累计百分比为近似5%和95%的DN值作为最小值和最大值（表1）。
• $$VFC=\frac{NDVI-NDVI_{min}}{NDVI_{max}-NDVI_{min}}$$

表1 累计百分比

DN值	累计百分比
-0.0248	4.9578
0.5967	95.0795

• 在【Band Math】工具中输入公式，此处为了去除异常值，设计波段计算公式如下:

(b1 lt -0.0248)*0+(b1 gt 0.5967)*1+(b1 ge -0.0248 and b1 le 0.5967)*((b1+0.0248)/(0.5967+0.0248))

• 将输出的结果导入至ArcMap中进行分级，分级规则参考文献分级：①<30%；②30%-45%；③45%-60%;④60%-75%；⑤>75%，成图结果如图4所示。

图4 植被覆盖度分类结果

3. 计算坡度

• 将DEM影像导入到ArcGIS当中，选择工具【Spatial Analysis】中的【Slope】进行坡度分析。

图5 坡度分析

• 将分析结果进行分级，分级规则参考文献分级：①<5°；②5-8°；③8-15°;④15-25°；⑤25-35°；⑥>35°，成图结果如图6所示。

图6 坡度等级图

4. 叠加分析

• 参考文献中^[1]的土壤侵蚀强度分级指标表（表2），综合上述三幅图像进行叠加分析。

表2 土壤侵蚀强度分级指标

利用ArcMap的空间分析工具，将植被覆盖度、土地类型与坡度信息进行空间叠加。

① 将三种处理后的图像按照表3的规则进行重分类：

表3 重分类规则

② 利用ArcMap中的【Raster Calculator】工具对三种重分类的结果进行叠加统计，按照如下公式：

③ 经过计算可以得到63种不同植被覆盖度、土地类型与坡度的组合，具体数值如表4所示。

表4 63种组合对应栅格值

④ 统计不同组合的像元数，可以得到不同土壤侵蚀的情况（表5）。

表5 不同侵蚀等级统计结果

再将相同侵蚀强度的图斑进行合并，获得土壤侵蚀强度等级分布图（图7）。

图7 土壤侵蚀强度分级图

• 根据分级图统计不同侵蚀强度的像元数（表6）

表6 土壤侵蚀强度统计结果

五、结论

根据表4与图7的分布可以看出，微度侵蚀区域约占杭州市面积的82.60%，主要分布在杭州市城区及高建筑、耕地、裸地分布区。轻度所占比例为8.70%，中度侵蚀所占比例为5.79%，强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀面积总和低于3%，主要分布在山区坡面上，主要原因可能是区域内受到自然灾害因素的侵蚀。

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参考文献与资料：
[1]. 谭炳香,李增元,王彦辉,等.基于遥感数据的流域土壤侵蚀强度快速估测方法[J].遥感技术与应用,2005,(02):215-220.
[2]. Masami. ENVI提取NDVI与植被覆盖度估算[OL]. 微信公众号·一点规划