基于RS/GIS的土地石漠化时空变化趋势研究

苗书锋罗 成李 彪

（1.武汉科岛地理信息工程有限公司南宁分公司，广西 南宁 530000；2.广西师范学院，广西 南宁 530000）

基于RS/GIS的土地石漠化时空变化趋势研究

苗书锋1罗 成2李 彪2

（1.武汉科岛地理信息工程有限公司南宁分公司，广西 南宁 530000；2.广西师范学院，广西 南宁 530000）

石漠化是制约中国西南部发展的一种生态灾害，它引起水资源短缺、土地生产力下降、并加快了区域贫困的进程。只有充分认识石漠化的现状，掌握其发展趋势，才能制定有效的治理措施，缩小区域贫富差距，促进社会的和谐和稳定。广西平果县具有显著的喀斯特地貌，自1995年起铝业发展迅速，平果县也逐渐成长为“中国西部百强县”，高速的经济发展更易对本身具有喀斯特地貌的脆弱生态环境造成破坏。使用RS和GIS技术对1994年、2000年、2009年的TM影像处理，提取计算出植被覆盖率、土壤裸露率，得到石漠化分级图。分析平果县近些年裸岩石漠化的面积变化及其变化产生的原因，并提出石漠化治理的措施。

RS；GIS；石漠化治理

1 引言

喀斯特石漠化（Karst rocky desertification），简称石漠化，它以脆弱的生态地质环境为基础，以强烈的人类活动为驱动力，以土地生产力退化为本质，以出现类似荒漠化景观为标志[1]。中国的岩溶区面积较大，特别是西南片区，其裸露型岩溶区是世界三大碳酸岩分布片区之一，为东亚片区的核心部分，是发育程度较成熟的地方。“石漠化”发展最直接的后果就是土地资源的丧失，甚至会出现无地可耕的尴尬状况，而且饮水困难，严重影响地区的生活和经济发展。石漠化现象，使得农业生产条件更加差、生态环境恶化，进而影响了群众生存、生活的基本条件，很多地方被迫进行生态移民。

2 研究区域

平果县位于右江河畔，23°12′～23°51′N，107°21′～107°51′E，为百色市东大门。平果县的东北为大化县、其东边为马山县、东南与武鸣县为邻、南靠近隆安、西南与天等县交界、西为田东县、北与巴马、都安接壤。平果县“南（宁）—贵（阳）—昆（明）”经济带的咽喉地带，又处于“中国—东盟自由贸易区”，是大西南出海的重要通道。全县辖9个镇3个乡。全县大石山区面积占全县总面积的64.65%，全县67.83%的人口生活在大石山区，人均耕地面积约0.4亩。该地区的高温多雨亚热带季风气候加快了石漠化发展的进程。

3 研究方法

3.1数据来源

采用广西百色平果县1994年11月5日、2000年1月1日、2009年1月30日三年的Landset5 TM影像以及地形图进行研究，该TM影像共包含7个波段的TM影像和一个DEM影像。影像图像清晰，成像条件较好，很方便用于制作植被覆盖图、土壤裸露率图、裸岩率计算结果图、坡度图等，将得到的这些图层在软件Arcgis中进行叠加分析，从而得到百色市平果县石漠化等级分布图。其他辅助数据包括一些广西百色平果县的统计年鉴、平果县的行政区划图等资料。

3.2影像处理

多波段合成、影像载剪、影像增强、影像融合以及监督分类等。

在地理空间数据云网站下载3年不同时相即1994年11月5日、2000年1月1日、2009年1月30日的数据。数据下载好之后，共有7幅图，再进行波段的拼接，在ENVI4.8中点击Basic Tools—Layer Stacking，选择下载好的影像进行拼接成一幅图，一次对3年的影像图进行此操作。在软件中分别打开同一年份的影像图以及矢量图，先将矢量转化成感兴趣区域（ROI），再利用（ROI）从影像中裁剪出感兴趣区域。使用到的工具是Basic Tools—Subset Data via ROIs，裁剪出研究区。使用Enhance—Interactive—Stretching—Stretch Type—Linear工具进行空间域增强处理，根据图像的情况进行拉伸调整。经过一系列的预处理之后得到研究区的影像图。

3.3土地覆被图

首先基于envi4.8软件对图像进行分析，通过对照谷歌地图等卫星影像和实地考查后定义8类地物样本为林地、草地、耕地、居民区、裸岩、裸土、水域、其他地物。应用ROI Tools创建感兴趣区，最后评价训练样本，在研究过程中每个感兴趣区的分离性均大于1.8，属于合格样本。最后运用最大似然（likelihood classification）分类器执行监督分类。进行分类后处理，得到1994年、2000年、2009年平果县的土地覆被图如图1所示。

图1　1994年、2000年、2009年平果县的土地覆被图

3.4植被覆盖度

目前已经发展了很多利用遥感测量植被覆盖度的方法，较为实用的方法是利用植被指数近似估算植被覆盖度，常用的植被指数为NDVI。本次研究是使用李苗苗等[2]在像元二分模型的基础上研究的模型：

本次基于envi4.8来算植被覆盖度，分别取累积概率为5%和90%的NDVI值作为NDVImin和NDVImax。利用ENVI中 Band Math功能计算表1公式，最后得到单波段的植被覆盖度图像文件，像元值即表示这个像元内的平均植被覆盖度，最后生成平果县植被覆盖图，如图2所示。

表1　平果县1994年、2000年和2009年的NDVI值

图2　1994年、2000年、2009年平果县的植被覆盖图

3.5FCD模型计算裸土指数BI

FCD模型是基于森林的生物一物理特性而提出的，它以Landset TM 影像为数据源，主要构造四个指数：植被指数(VI)、裸土指数(BI)、阴影指数(SI)和热量指数(TI)[3]。其中植被指数可以采用AVI或NDVI等，

AVI=((B4+1)*256-B3)* (B4-B 3))，NDVI= (B4-B3 )/(B4+ B3)，BI=(B5+B3-B4-B1)/(B5+B3+B4+B1)，SI=(256-B l)(256-B2) (256-B3))。

因此本次研究采用Bl=(B5+B3-B4-B1)/ (B5+B3+B4+B1)来计算研究区的裸土指数，得到的三年的土壤裸露率图，如图3所示：

图3　1994年、2000年、2009年平果县的土壤裸露率图

3.6裸岩率的计算

在喀斯特地区，除居民点、水域、道路区域外，其它区域的土地覆被构成均可分成3大类: 植被、土壤和岩石[4]。利用公式：裸岩率=（1-土壤裸露率-植被覆盖率）*100%，在Arcgis中分别加载植被覆盖率和土壤裸露率的图像，然后利用空间分析的栅格计算器，输入公式分别得到3年的裸岩率，如图4所示。

图4　1994年、2000年、2009年平果县的裸岩率图

3.7坡度图

由DEM数据生成平果县的坡度图。加载DEM数据进Arcgis中，打开ArcToolbox，点击3D Analyst Tools—Raster Surface—Slope，输入数据得到Slope图，右键点击图层Slope，点击Properties窗口，点击Symbology，重新调整坡度分级。将类别调整为5类，得出平果县坡度图，图5。

图5　平果县的坡度图

3.8石漠化等级分布图

根据石漠化等级分级标准如表2所示，利用之前得到的裸岩率计算结果、植被覆盖度图和坡度图，将这3个分级因子图层进行叠加，依次得到百色平果县的石漠化等级分布图，如图6所示。

表2　平果县石漠化强度等级分级标准

图6　1994年、2000年、2009年平果县的石漠化分级分布图

4 数据分析

4.1植被覆盖度数据验证

主要采用的方法是在进行监督分类的时候除了通过在目视解译的时候对照相应年份的 Coogle地球来提高分类精度之外，还配以采用照相法对研究区主要土地类型的植被覆盖度进行外业实地调查，来确定分类是否正确进行数据的验证[5]。

4.2石漠化景观格局总体变化

在最后得到的石漠化类型变化图中，可以很直观的看出这两段时间内，石漠化的速度都是呈上升趋势。对比图6中3个时态石漠化的空间分布，西南部果化镇石漠化情况基本一致，而中部地区的石漠化情况都有不同程度的加重，一方面由于果化镇地区石漠化发育较强，该地区又是平果铝业公司生产原料的主要供应地之一，相对于其他区域政府的关注、治理力度都会比较大；另一方面从图 5中可以看出中部地区的坡度较大，多少年到多少年，平果县相继发生了干旱、暴雨、洪涝灾害、地震，泥石流、山体滑坡等地质灾害，这些都加剧了坡度大地区石漠化的速度。

从石漠化的类型上看，1994年至2000年时间段内石漠化速度比后9年的石漠化速度快，2000年至2009年，部分区域有呈现出石漠化程度降低甚至有向无石漠化转换的趋势。

4.3不同石漠化景观的变化情况

平果县石漠化分级逐年变化如图7所示。

图7　平果县石漠化分级逐年变化图

表3　1994年、2000年、2009年各石漠化类型构成情况 单位：km²

表4　1994年～2000年间石漠化斑块类型的转移矩阵 单位：km2

表5　2000年～2009年间石漠化斑块类型的转移矩阵 单位：km²

4.3.1潜在石漠化景观格局变化

从图6的空间分布看，中西部地区和北部地区转化较为明显，尤其是在1994年～2000年间，表现为向石漠化发展。速度上，1994年～2000年的转化速度较快，并且向较严重程度转化的面积较多，有364.445km²的潜在石漠化图斑转变为其他石漠化类型图斑，同时有37.979 km²的其他石漠化类型图斑转化为潜在石漠化。2000年～2009年间转化为石漠化类型的图斑面积降低为126.728km²。同时，114.98 km²的其他图斑转化为潜在石漠化类型图斑。

4.3.2轻度石漠化景观格局变化

在3个时期的石漠化等级动态变化图6中可以看出，轻度石漠化面积总体是减少的，但2000年至2009年间减少量较大，由1994年的335.837 km²减少为2000年的322.242km²，2000年后由322.242km²减少到2009年的240.586km²。但从转化类型面积上看，1994年～2000年轻度石漠化向严重程度转化的有112.248 km²，石漠化情况减轻的面积有32.098 km²，而2000年～2009年，有116.855 km²的原轻度石漠化的地区向严重程度转化，石漠化情况减轻的面积有97.326 km²。这两个方面对比可见2000年～20009年对于轻度石漠化区域的治理是初见成效的，但也不能忽视轻度石漠化向严重程度的转化情况。

4.3.3中度石漠化景观格局变化

从图6中可以看出，1994年中度石漠化类型的地区主要集中在西南部和东南部，到2000年，中度石漠化类型的地区有了很大的扩展，从52.857km²增长到529.602km²。对比表4可以看出这段时期有69.814 km²的中度石漠化图斑转化为更为严重的重度、极重度石漠化类型图斑，而中度石漠化能保持和向轻度发展的只有20.154km²。到2009年在空间上东南部、北部的原中度石漠化地区向轻度、潜在石漠化发展。从表5中反应出石漠化程度不变和好转的有282.362 km²，明显高于前一极端，但不能忽视的是有103.116 km²的区域向重度和极重度石漠化发展。

4.3.4重度、极重度石漠化景观格局变化

在空间构成上，图6中1994年重度、极重度石漠化的区域主要集中在西南部果化镇，总面积为385.708km²，而2000年和2009年重度、极重度石漠化的区域扩展到中部和北部坡度较高的地区，总面积分别达到459.807 km²和383.616 km²。在面积变化上，重度、极重度石漠化转化来源也有所不同，1994年～2000年主要是由潜在石漠化和中度石漠化类型转化而来，但2000年～2009年主要是由轻度和中度石漠化类型转化得到的。面积数量上，1994年～2000年有245.782 km²的新增重度、极重度石漠化图斑；2000年～2009年新增图斑面积降低为165.352 km²。

5 土地石漠化治理措施

从石漠化的数据得出，从2000年～2009年平果县石漠化的速度较2000年之前在降低，部分区域也呈现出石漠化程度降低甚至向无石漠化转换的趋势，所以，该区域石漠化整体的发展趋势为强度→中度→轻度→潜在、无明显石漠化。虽然石漠化治理已经初见成效，但该区域如果继续遭受破坏，演变的趋势很有可能逆转，进一步说明石漠化治理还是任重而道远。

5.1科学规划，富裕百姓

由于该地区教育落后，人口素质低，政府部门要加大教育投资，扩大宣传，让广大人民重视石漠化治理工作的重要性，同时政府要始终坚持生态优先的原则，正确处理改善生态与发展经济的关系，形成“意识—行为—生态—经济发展”的良性互动，争取生态与经济双赢。编制实施方案时，聘请相关专家进行指导，统一规划、科学配置、防治保结合，实现该区域生态、经济及社会的可持续发展。

5.2恢复生态环境

生物与工程措施并举，开展小流域综合治理，巩固退耕还林成果项目，加大封山育林、人工造林力度，在保护现有森林资源和林草植被的同时，加大和恢复林草植被。

5.3特色经济果树栽培

火龙果耐旱、需水量小，而且可在石山地缝中生长，经济效益也较高，可在光、温、热比较充足的地区大力推广种植火龙果。同时套种黄豆和花生等矮杆经济作物，促进农民增收。

5.4签订管护责任书

石漠化治理的各项工程和措施都需要相当大的投入，为了确保石漠化治理工作有条不紊地进行，并取得一定成果，应实施综合治理工程管护，签订管护责任书。

6 结论与讨论

应用RS和GIS软件，对平果县的土地石漠化变化的空间格局进行分析，揭示其动态变化规律。本研究方法通过验证，证明现实可行。该研究结果有助于保护喀斯特生态环境，同时，对石漠化的有效防治具有一定的意义。同时可以看到，近年来政府为治理石漠化采取了一系列有效的措施。例如，自2001年开始，将石山特殊灌木林划入公益林范围，实施封山育林、人工造林、加强管理、建沼气池。但是治理石漠化的道路还是充满荆棘的，还需要政府和当地群众的共同努力。

（1）建立时间序列数据库，定期对石漠化区域进行检测取样，利用模型将各个时期的研究结果进行比较，分析植被覆盖度的变化情况，并找出其影响的原因，为政府决策提供依据。

（2）利用GIS二次开发技术，开发针对于石漠化问题的监管系统，实现实时监控。

[1] 陈伟华.矿山石漠化形成机理及评价指标体系研究——以赫章县妈姑镇为例[D].贵阳:贵州大学,2008.

[2] 李苗苗.植被覆盖度的遥感估算方法研究[D].北京:中国科学院遥感应用研究所,2003.

[3] 江洪.一种以FCD模型从SPOT影像提取植被覆盖率的方法[J].地球信息科学学报,2005,(4):113-116.

[4] 张盼盼,胡远满,肖笃宁,等.一种基于多光谱遥感影像的喀斯特地区裸岩率的计算方法初探[J].2010,25(4):306-311.

[5] 易胜.基于RS和GIS岩溶地区植被覆盖度分析——以湖南洛塔为例[D].桂林:广西师范大学,2008.

Research on temporal and spatial variation of land rocky desertification based on RS/GIS

Rocky desertification is a kind of ecological disaster which restricts the development of Southwest China. It has caused water shortage, decreased land productivity, and accelerated the process of regional poverty. Only by fully understanding the status quo of rocky desertification, grasping the development trend, we can make effective management measures, narrow the gap between rich and poor, and promote social harmony and stability. Pingguo Guangxi county has a significant Karst landform, since 1995 the rapid development of aluminum industry, Pingguo county has gradually grown into a hundred counties in Western China, the rapid economic development of Karst Province, more easily to the fragile ecological environment caused by damage to the environment. Using RS and TM technology in 1994, 2000, 2009, GIS image processing, extracting the vegetation cover rate, soil bare rate, get the stone desertification grading map. Analysis of the changes in the area of bare rocky desertification in Pingguo County in recent years, and the reasons for the changes in the area, and put forward the measures of the treatment of rocky desertification.

RS; GIS; rocky desertification control

X14

A

1008-1151(2015)09-0052-04

2015-08-05

苗书锋（1978－），男，河南舞阳人，武汉科岛地理信息工程有限公司南宁分公司经理，从事测绘项目的经营、管理与技术支持。

罗成（1955－），男，广西合浦人，广西师范学院实验师，从事实验中心管理及测绘工程专业的教学工作。