基于Landsat卫星影像的石漠化与水土流失相关性分析

赵元凌++王志刚

摘 要：石漠化是我国西南喀斯特地区普遍存在的生态环境问题。本文以典型喀斯特槽谷区重庆市酉阳县作为研究区域，研究分析区域内石漠化与水土流失的相关性。首先，利用Landsat8卫星影像和高程数据，计算坡度、土地利用、植被覆盖度、基岩裸露率等因子；然后，根据这些因子，制作酉阳县石漠化程度和水土流失强度分布图；在此基础上，计算分析酉阳县石漠化程度和水土流失强度相关性。结果表明，本文分析得到的水土流失与石漠化相关性成果，对制定石漠化区域未来治理措施具有良好的指导意义。

关键词：石漠化；水土流失；Landsat8；相关性

中图分类号：S157.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0009-03

我国西南岩溶区由于人为活动所造成的水土流失，形成原生地表植被破坏、岩石裸露的情况，存在严重的石漠化问题[1]。石漠化会导致土地生产力降低，影响当地农业经济，同时也破坏生态环境，制约可持续发展[2]。石漠化被认为是水土流失长期作用下的一种体现，两者之间有一定的因果关系[3]。近年来，许多学者从不同角度对石漠化与水土流失的关系进行了研究。尹辉等[4]对西南岩溶区的水土流失强度和石漠化程度进行了动态评价研究。詹奉丽等[5]、张琦等[6]、陈起伟[7]分别在贵州省的关岭县、六盘水市和安顺市对水土流失和石漠化之间的关系进行了分析。但是，相关研究中还没有涉及到喀斯特槽谷区的石漠化与水土流失的空间相关性分析。

Landsat8卫星由美国于2013年发射，其搭载的OLI传感器具有30m的空间分辨率，包含多个可见光和近红外波段[8]，可用于解译水土流失强度和石漠化程度。本文以Landsat8 OLI影像为主要数据源，对典型喀斯特槽谷区重庆市酉阳县的水土流失强度和石漠化程度空间相关性进行了研究，以为相关地区的水土流失和石漠化的综合治理提供理论依据。

1 研究区概况

酉阳县位于重庆市东南部，地理坐标为东经108°18′25″～109°19′18″、北纬28°19′28″～29°24′18″，东西宽98.3km，南北长119.7km，面积达5173km2，地形起伏较大，海拔在263m至1895m之间。酉阳县地处亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，年降雨量在1000mm至1500mm之间。酉阳县总人口约86万人，年均生产总值约达110亿元。近年来，酉阳县投入大量人力物力治理石漠化问题，但是目前石漠化问题依然严峻，严重影响当地经济发展，破坏生态环境。图1所示为酉阳县真彩色卫星影像图，其中黄色覆盖区域为喀斯特区域。

2 数据与方法

2.1 坡度

本文所使用的坡度数据是采用美国对地观测卫星Terra的高程产品，通过ArcGIS软件制作得来，分辨率为30m。如图2所示，酉阳县地面坡度分布在0～70°之间，最大69.05°、最小0°、平均坡度16.79°，其中，小于5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、大于35°的面积分别为：406.07km2、478.96km2、1544.42km2、1817.2km2、728.44km2、197.91km2。

2.2 土地利用

土地利用数据使用Landsat8 OLI影像作为数据源，采取面向对象的分类方法，在ENVI软件中解译得到。酉阳县的土地利用类型主要为林地、耕地和草地（图3），林地、耕地、草地、城镇、水体、裸地的面积分别为：3534.21km2、1028.9km2、569.18km2、15.65km2、24.84km2、0.22km2。

2.3 植被覆盖度

植被覆盖度利用Landsat8 OLI影像的红波段和近红外波段，首先通过式（1）计算归一化植被指数NDVI，再通过式（2）计算植被覆盖度FV。

（1）

（2）

其中：ρNIR是近红外波段反射率，ρRED是红波段反射率，NDVI0是无植被覆盖的区域NDVI值，NDVIV是完全植被覆盖区域NDVI值。实际中，可分别取累积概率密度为5%和95%的NDVI值作为NDVI0和NDVIV的估值，计算植被覆盖度FV。

如图4所示，酉阳县植被覆盖度小于30%、30～45%、45～60%、60～75%、大于75%的面积分别为：1185.95km2、878.69km2、931.65km2、857.95km2、1318.77km2。

2.4 基岩裸露率

基岩裸露率通过Landsat8 OLI影像的第5和第6波段计算得到，首先通过式（3）计算石漠化指数值Di。

Di=（DNi6Gi5-DNi5Gi6）/（DNi6Gi5+DNi5Gi6） （3）

其中，DN为像元亮度值，Gi5为第5波段所有像元亮度值的几何平均值，Gi6为第6波段所有像元亮度值的几何平均值；i为像元序号。然后根据式（4）计算基岩裸露率Ai。

Ai=（Di-Dmin）/（Dmax-Dmin） （4）

其中，Dmax为所有象元中石漠化指數最大值，Dmin为所有象元中石漠化指数最小值。

根据图5可知，基岩裸露率小于5%、5～30%、30～50%、50～70%、大于70%的面积分别为：446.21km2、1080.29km2、2405.99km2、1154.81km2、84.97km2。

2.5 水土流失强度

水土流失强度的划分标准参照表1，通过土地利用类型、植被覆盖度和坡度三个因子来划分。

2.6 石漠化程度

石漠化程度的划分标准参照表2，由不同比例的基岩裸露率来确定。

3 结果与分析

3.1 水土流失强度分布endprint

按照坡度、植被覆盖度、坡耕地三个指标判断，酉阳县地表水土流失强度以轻度、中度、强烈等级为主，水土流失较强的区域主要分布在槽谷两侧的槽壁上，较低的区域主要分布在槽谷底部（图6）。剧烈、极强度、强度、中度、轻度、微度面积分别为146.06km2、520.23km2、789.99km2、1267.56km2、47.18km2、1801.98km2。

3.2 石漠化程度分布

酉阳县石漠化较严重的区域主要分布在山岭的顶部（图7）。各等级的面积，无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化面积分别为：260.47km2、686.15km2、1620.54km2、838.29km2、53.16km2。

3.3 水土流失与石漠化相关性

通过酉阳县地表水土流失強度与石漠化程度关系分析（图8），可以发现轻度石漠化区水土流失强度变化幅度较大，说明轻度石漠化区是水土流失较为敏感的区域，好的土地利用方式和管理措施可以大幅度降低水土流失强度，坏的土地利用方式和管理措施可以大幅度加大水土流失强度。而中度和中度石漠化区地表可流失的土壤已经很有限，水土流失对土地利用方式和管理措施的敏感性较低；轻度石漠化区，由于地形叫平坦、植被生长较好，总体水土流失面积不大。

4 结语

本文对酉阳县石漠化程度与水土流失强度的相关性作了分析与研究。研究发现：首先，Landsat8 OLI影像可作为石漠化和水土流失遥感解译的数据源，其数据质量和适用性均能满足要求；其次，酉阳县中轻度石漠化区是水土流失较为敏感的区域，需要加强水土保持管理措施，防止水土流失，从而导致该区域的石漠化；最后，基于遥感和地理信息技术的水土流失与石漠化相关性分析能够很好指导石漠化区域未来治理措施的制定，相关分析方法值得进一步深入研究。

参考文献

[1]D. Yuan. Rock desertification in the subtropical karst of south China[J]. Geomorphology，1997，108：81-90.

[2]王恒松，熊康宁，刘云.喀斯特区地下水土流失机理研究[J].中国水土保持，2009（08）：11-15.

[3]曹建华，蒋忠诚，杨德生，等.贵州省岩溶区水土流失，石漠化受岩溶环境制约[J].中国水土保持，2009（1）：20-23.

[4]尹辉，蒋忠诚，罗为群，等.西南岩溶区水土流失与石漠化动态评价研究[J].水土保持研究，2011，18（1）：66-70.

[5]詹奉丽，兰安军，刘发勇，等.中国南方典型喀斯特区石漠化与水土流失的空间耦合性：以关岭县为例[J].贵州农业科学，2015，43（10）：200-204.

[6]张琦，蔡雄飞，汪发勇，等.喀斯特石漠化与水土流失强度耦合关系分析——以六盘水市为例[J].亚热带水土保持，2016，28（3）：7-11.

[7]陈起伟，卢绍香.岩溶区水土流失与石漠化相关性研究——以贵州安顺市为例[J].广东农业科学，2014，14：149-153.

[8]David P. ROY， et al. Landsat-8： Science and product vision for terrestrial global change research[J]. Remote Sensing of Environment，2014，145： 154-172.endprint