坡度因子对喀斯特石漠化的影响

党宇宁， 南亲江， 吴 虹

(1. 南京工程高等职业学校，江苏南京211135； 2. 桂林理工大学，广西桂林541004)

坡度因子对喀斯特石漠化的影响

党宇宁1， 南亲江1， 吴 虹2

(1. 南京工程高等职业学校，江苏南京211135； 2. 桂林理工大学，广西桂林541004)

为了探索广西喀斯特石漠化的成因，选取地形因子中的坡度，对研究区遥感影像进行处理和石漠化信息分级，借助GIS技术进行定性、定量分析，结合GPS技术进行实地抽样调查，评价试验精度。结果表明：随坡度的增大，石漠化灾害程度有上升的趋势，但是当坡度>25°时，人类活动影响的变小，石漠化的整体发生率有所降低。石漠化主要受到自然因素的影响，但人类对生态的破坏活动会加剧石漠化的进程。

遥感技术；喀斯特；石漠化；坡度；广西

0 引 言

喀斯特石漠化是发生在亚热带岩溶地貌中的土地退化过程，代表性特征为土壤侵蚀严重、基岩大面积裸露、植被退化、土地生产力下降(王世杰，2002)。石漠化问题是世界性问题，更是限制我国西南地区可持续发展的重要因素。广西作为西南喀斯特地区之一，岩溶总面积达3万多km2，约占全区总面积的35%，石漠化问题给当地经济发展和人类生存带来了极大的障碍。由于坡度是石漠化形成和发展的一个重大影响因素，因此，以广西岩溶区作为研究对象，借助3S技术定性、定量分析坡度对石漠化的影响，研究成果对全区环境的综合治理、石漠化灾害的预防和控制以及经济的可持续发展，均具有重要的意义。

1 研究区概况

广西位于云贵高原的东南方向，多山地与高原，自西北向东南倾斜，出露的岩石以沉积岩中的碳酸盐岩最为发育，地壳遭受侵蚀，剥蚀和溶蚀，形成山川纵横、岩溶发育的地貌景观。

研究区属亚热带季风气候区，年平均气温16.0～23.0 ℃，温暖湿润的气候环境加上特殊的岩性地质条件，加速了喀斯特的强烈发育，充沛、集中的降雨，也会加大水土流失，导致石漠化问题愈加严重。

2 遥感数据源与研究方法

以MSDIS数据作为基本遥感信息源，先选定石漠化试验区，采用植被指数和石漠化指数的遥感图像处理方法，用监督分类法对石漠化信息进行提取，再借助GIS和GPS技术对石漠化的空间展布特征做定性分析和定量评价(姚书朋等，2015)。

2.1 EOS-MODIS数据特征

EOS(Earth Observation System)卫星是美国地球观测系统计划中一系列卫星的简称，主要功能是实现从单系列极轨空间平台对太阳辐射、大气、海洋和陆地所进行综合观测，以获取有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力系统等的信息，内容包括土地利用和土地覆盖研究以及气候的季节和年际变化研究、自然灾害监测和分析研究、较长时期的气候变化以及大气臭氧变化研究等，从而实现对大气和地球环境变化的长期观测(曲辉等，2002；何仲太，2014)。

TERRA和AQUA卫星是EOS计划中的重要卫星，都载有MODIS传感器。这种传感器是所有卫星中唯一将实时观测数据通过X波段向全世界直接广播，并且可以免费接收并无偿使用的星载仪器(何凤萍等，2013)。

2.2 EOS-MODIS数据应用于研究区的可行性

MODIS仪器的地面分辨率有3种，分别为250、500、1 000 m，扫描宽度2 330 km。研究区南北相距606 km，东西跨度769 km，远小于MODIS的视幅宽度，因此，只需1轨数据就足以覆盖整个研究区，而区内有环境影响力的最小石漠化区域的尺度一般超过1 000 m，加上MODIS最高空间分辨率为250 m，足以发现广西现有绝大多数岩溶石漠化分布区，而且MODIS数据获取敏捷，成像周期短，完全可以确保对全区石漠化信息的宏观监测。

2.3 数据获取与研究方法

数据获取先通过快视图选取质量较好的影像卫星类型和时间节点，再从网上下载影像数据，并对其品质进行评价，选取最适合研究的时间段和清晰无云的数据进行辐射纠正、边缘重叠去除和几何纠正等投影处理。

具体研究方法：(1) 首先结合遥感影像、基础地质图件以及研究区石漠化相关资料，绘制研究石漠化灾害等级分布图；(2) 对广西全区1∶25万地形图进行数字化处理，得到高程信息，在地理信息系统软件中借助“文件转换”模块，对矢量文件进行转化，在ArcView软件中利用不规则三角网(TIN)进行内插处理，再将不规则三角网TIN数据进行采样，转换成GRID数据，最后对数据做进一步检查，得到标准的DEM数据格式文档。在此基础上，实现研究区遥感图像的三维可视化(图1)。(3) 从数字高程模型中提取坡度信息,利用地理信息系统软件对石漠化程度和坡度特征进行定量分析。

图1 广西三维遥感透视图Fig.1 3D remote sensing scenograph of Guangxi

2.4 石漠化遥感研究方法

2.4.1 石漠化程度分级 结合石漠化等级划分原则，如综合性、主导因素以及相对一致性等原则，采用表1所示的石漠化分类分级标准进行遥感影像分类。

表1 石漠化强度分级Table 1 Grading of the intensity of rocky desertification

2.4.2 石漠化遥感信息分类 在遥感影像中每个像元的亮度值是该像元中地物的平均辐射值，可随地物的成分、纹理、状态、表面特征及所使用的电磁波段的不同而产生变化。因此在遥感影像中不同地物的光谱特征是不相同的(夏学齐等, 2006；王云涛等，2012)。通过统计对比岩溶区各标准地物在MODIS前7个波段中的灰度值和各个波段的相关系数矩阵，选取最优假彩色合成方案，结合野外调查与记录，利用GPS按点和路径要素记录样点的地理坐标及考察路径,并借助数码相机拍摄典型样点的石漠化景观,对照石漠化假彩色合成影像,区分各级石漠化遥感影像特征。

植被指数是利用卫星不同波段探测到的数据组合而成的能反映植物生长状况的指数，作为植被观测因子遥感模拟最普遍应用的模型，使石漠化评价中植被变化的定量测度成为可能。在MODIS数据中，它被分为归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index, EVI)2种类型(陈燕丽等，2014)。由于植被覆盖率是衡量石漠化程度最主要的标准之一，所以采用适合石漠化研究的NDVI植被指数进行石漠化信息增强。

石漠化的一个重要特点是岩石的大面积裸露，出露岩石所占总面积的百分比的大小可以作为衡量石漠化灾害程度的标准之一(苏维词，2002)。本次研究采用的石漠化指数通过波段比值法来达到增强石漠化遥感信息的目的。通过分析各个地物的波谱特征值，发现第二波段是植物的超强反射波段，可以显示各种微小地貌特征，尤其是在植被稀少的岩溶区，在图像上会呈现明显的差异。第六波段是绝大部分造岩矿物波谱曲线的高峰波段，说明该波段对岩性、地貌、构造的反映较好，且只有灰岩在第六波段的灰度值始终大于第二波段并与其他地物明显不同，因此尝试用短波红外/近红外波段的石漠化指数增强方法来反映石漠化信息。

具体方法：(1) 对植被指数和石漠化指数以及各波段进行标准化处理,使它们处于同一个数量级；(2) 进行主成分分析；(3) 对分析结果做监督分类；(4) 完成广西全区的石漠化遥感影像分布图。

结果表明：通过石漠化指数、植被指数的遥感信息增强处理后，能较好地反映石漠化信息。在监督分类中，以最大似然法的分类效果最好，能更准确地进行石漠化灾害等级分类。

2.4.3 石漠化遥感信息提取精度评价 遥感图像的分类精度评价通常用分类图与标准数据进行比较，以正确分类的百分比来表示精度的标准。目前普遍采用混合矩阵的方法(邢海花等，2013)。其统计参数主要有使用者精度、生产者精度、总体精度和Kappa系数。

对研究区的石漠化分类分级精度评价主要采用2种方法：(1) 进行实地GPS抽样调查；(2) 对原始影像的判读结果构建混淆矩阵进行评价。总体精度达到86%，能够满足调查要求。

3 坡度因子对喀斯特石漠化的影响

地形坡度是影响土壤侵蚀的重要动力条件，也是诱发喀斯特石漠化的原因之一。在重力作用下，坡度能够为地表径流的形成和冲刷提供加速度，且坡度越大，地表径流形成越快，速度越快，冲刷力也越强(姚岚等,2006)，因此坡度大小是衡量喀斯特石漠化程度的重要因子。坡度大小也会限制人类活动范围，因此坡度也是分析人类活动对石漠化影响的评价依据。

作出广西1∶25万数字矢量化地形图，从中提取高程信息，生成DEM数据，实现研究区的三维可视化，然后对碳酸盐岩区进行掩膜处理，在此基础上完成广西岩溶区的坡度分布图(图2)，将坡度分为0°～3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°、>25°共5个等级。

图2 广西岩溶区坡度分布图Fig.2 Slope distributions of karst areas in Guangxi region

在进行定量分析时，将0°～3°和3°～8°归并为0°～8°。通过地理信息系统软件进行叠加分析，统计出石漠化各个等级在不同坡度中的分布情况(杨青青等，2010)(表2)。

根据表2绘制研究区石漠化面积比率示意图(图3)。

表2 石漠化在不同坡度中的分布统计Table 2 Statistics of the distribution of rocky desertification at different slopes

图3 不同坡度石漠化发生率对比示意图Fig.3 Comparison of occurrence rates of rock desertification at different slopes

由分析结果可知，石漠化的发生率会随坡度的增加而变大，且在15°～25°坡度范围内，石漠化面积达到最大，发生率为33.21%；>25°的石漠化面积也较大，发生率为32.52%； 坡度在8°～15°之间的石漠化发生率29.56%；在0°～8°之间，石漠化发生率最小，为18.01%。

坡度的大小决定地表遭受侵蚀作用的强弱，在0°～25°范围内，坡度越大，土壤越易遭受侵蚀而变薄。但是当坡度>25°时(25°是农耕地的上限)，人类活动的影响变小，石漠化主要受自然因素的影响，石漠化比例有所降低。所以，人类活动也是影响石漠化的重要因素之一。

4 结 论

(1) 3S技术为多源数据的整合提供了很好的技术平台，可以快速地获取大量新的信息源，而EOS-MODIS数据获取准捷，时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率较高，已成为大尺度变化研究的一个重要的数据源。

(2) 借助EOS-MODIS遥感数据源对研究区石漠化信息进行分类，再采用地理信息系统软件进行定量分析，并对研究结果进行实地验证。结果表明：随着坡度的增大，石漠化程度有上升的趋势；但当坡度>25 °时，人类活动的影响变小，石漠化整体发生率有所降低，说明石漠化虽然主要受自然因素影响，但是人类对生态的破坏活动会加剧石漠化的进程。

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Effects of slope factors on karst rocky desertification

DANG Yuning1, NAN Qinjiang1, WU Hong2

(1. Nanjing Engineering Vocational College, Nanjing 211135, Jiangsu, China； 2. Guilin University of Technology，Guilin 541004，Guangxi, China)

In order to explore the genesis of karst rocky desertification in Guangxi, we selected a terrain factor of slope to process the remote sensing images in the study area and to grade the rocky desertification information. Furthermore, with the aid of the GIS technology for qualitative and quantitative analysis, we conducted field sampling investigation with GPS technology to evaluate the test accuracy. The result shows that with the increase of slope, the degree of rock desertification disasters displays an increasing trend. When the slope is greater than 25°, as the impact of human life activity becomes small, the overall incidence of rocky desertification decreased. Rocky desertification is mainly affected by natural factors, but human activity is an important factor the development of rocky desertification.

RS technology; karst; rocky desertification; slope; Guangxi

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.674

2016-05-06；

2016-06-13；编辑：陆李萍

科技部科研院所社会公益研究项目(2005DIB3J067)

党宇宁(1981— )，女，讲师，硕士，构造地质遥感专业，主要从事遥感、地质教学与研究工作，E-mail： 46388953@qq.com

TP751.1

A

1674-3636(2016)04-0674-04