滇东南岩溶山区地质环境特性遥感探测分析

张晓伦，邵妍妍，杨永平，陈 占，陈国平，万保峰

(1.昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650033；3.云南省国防科技工业局综合研究所，云南 昆明 650118)

0 引 言

岩溶石漠化已成为继西北沙漠化和黄土高原水土流失之后的我国第三大生态问题，越来越制约着当地经济和社会的发展，近些年来引起众多专家学者的高度重视[1]。

云南地处我国西南边陲，是全国岩溶分布最广和石漠化严重省区之一[2-3]，区域内的石漠化面积在不断扩张，生态环境在逐步恶化，给当地人民的生产、生活及经济发展带来严重影响[4]。目前，专家学者对云南岩溶山区石漠化已进行了一系列研究并取得了一些成果[5-9]:张华等[5]对滇池流域石漠化分布特征及面积进行统计分析，通过地面调查及遥感解译分析石漠化成因，提出生态修复与土地综合治理措施；王宇等[6，10]对云南岩溶石漠化分布与成因进行分析，提出石漠化综合治理的指导思想；李乡旺[11]基于地貌、土壤、植被及生态因子对云南石漠化区划研究，以便于因地制宜进行石漠化治理；张靖宙[12]对云南省建水县不同石漠化治理模式下碳储量功能进行评价；陶文星等[7]、姚家平等[8]、陈虎等[9]、米微等[13]针对云南石漠化地区的土地利用状况、土壤、草地分布等进行分析，从土地利用与作物种植方面提出石漠化治理的措施。专家学者对滇东南岩溶山区的研究主要集中于石漠化现状、成因、危害与治理修复，为石漠化治理与生态修复提供了有力的理论支撑。

目前，针对滇东南岩溶山区地质环境特性调查主要是基于野外实地调查的方式，而滇东南地区地跨文山州、红河州、玉溪市、昆明市、曲靖市5个州市，地域面积广阔，山河纵横，采用人工进行岩溶山区地质环境特性调查费时、耗力、开销大。遥感技术具有宏观、快捷、经济、准确、信息量大等特点，充分发挥遥感对地探测优势，利用遥感技术对滇东南岩溶区地质环境进行大范围快速、准确地调查与特性分析具有重要的现实作用。

本研究拟采用遥感探测技术，对滇东南岩溶山区地质环境进行大范围快速、准确地调查与特性分析，并绘制研究区内的岩溶地貌图、断裂构造分布图、岩性分布图及石漠化分布图，研究成果将为深入分析区域内石漠化的演化与地质环境之间的相关性提供理论基础，为区域生态环境的规划、管理和防治提供科学依据。

1 研究区概况

滇东南岩溶山区位于云南省东南部(图1)，地跨文山州、红河州、玉溪市、昆明市、曲靖市5个州市，总面积75 295.9 km2。地理坐标位于北纬22°30′～26°06′，东经101°52′～106°11′。

图1 研究区TM543影像图Fig.1 The TM543 image of the study area

该地区位于环太平洋和特提斯两构造域的复合部位，东与桂西北、黔西南相连，南与越北古陆相接，西接哀牢山造山带，北连扬子稳定地台区；受区域板块间的相互作用以及地块内部的地裂运动的综合影响，断裂构造十分发育，它们控制着区域构造格局、沉积作用及沉积体系类型与展布[14-15]。区内地形地貌复杂，各种岩溶地貌均有分布。沉积碳酸盐岩系地层发育较全，从震旦系到三叠系均有沉积，分布广泛的各类碳酸盐岩为岩溶作用提供了物质基础。碳酸盐岩的沉积与发育的地质构造造就了区内复杂的地形地貌，在研究区域内各种岩溶地貌均有分布。

滇东南岩溶山区年平均气温为 17.6 ℃，属于低纬度亚热带高原季风气候，平均海拔为 1 000～1 400 m ，年平均降雨量为 1 400 mm，降雨主要集中在每年的5—10月，期间降雨量占全年降雨量的80%以上。在这种气候环境下，地表、地下径流对碳酸盐岩溶蚀作用强烈，一方面形成了绚丽多彩的岩溶地貌景观，另一方面形成了中国西南地区特有的脆弱岩溶生态环境，各类岩溶灾害频繁，岩溶石漠化表现尤为突出。

2 数据与方法

本研究采用的遥感影像数据(表1)是Landsat TM/ETM+，由美国地质调查局官网下载(http://www.usgs.gov/)，共8幅影像，其中多光谱波段空间分辨率为 30 m。研究采用的云南省地质图等相关地质资料通过全国地质资料馆(http://www.ngac.cn/125cms/c/qggnew/index.htm)获取。

表1 研究区遥感数据参数Tab.1 The remote sensing data parameters of study area

由于研究区地理区位和气候环境差别较大，面积较广，涉及8幅遥感影像，再加上8幅影像获取的时间有一定差异，因此在利用遥感技术探测研究区地质环境之前，需要对遥感影像进行辐射校正、几何精度校正、图像拼接与裁剪等预处理。

地表覆盖状况是地质环境的直观表现，遥感影像是利用不同的电磁波段对地物信息进行探测记录，不同地物在不同波段具有不同的波谱响应特性，多光谱影像数据能够很好地记录并呈现地表覆盖信息。通过分析TM/ETM+遥感数据的各波段特性，确定在本研究中采用TM5、TM4、TM3 3个波段合成假彩色遥感影像数据。3个波段可以兼容红外波段和可见光波段信息的优势，地物色彩色调差异明显，清晰度高，层次感好，能很好地呈现地表覆盖信息与地质环境状况信息。本研究基于ENVI5.2平台利用TM543(RGB)合成假彩色遥感影像(图1)，结合实地调查数据，构建研究区岩溶地貌、断裂构造等地质环境解译标志，基于ArcGIS 10.2平台进行研究区地质环境解译与分析。

3 结果与分析

3.1 岩溶地貌特征解译分析

喀斯特岩溶地貌的发育与碳酸盐岩的岩石类别、地质构造环境、气候环境、出露状况及地形因素等有着紧密的联系，根据其影响因素的不同可以有不同的类别划分方法与原则。单纯地依靠某种因素进行岩溶地貌类型的划分，不能全面反映不同地区与不同岩溶地貌类型的特征[16]。因此，综合实地调查与遥感对地探测影像的地表覆盖特性，本研究将岩溶地貌类型划分为7类，即：峰林洼地、峰丛洼地、岩溶平原、岩溶丘陵、岩溶山地、岩溶槽谷和岩溶盆地。

喀斯特岩溶具有独特的地貌形态，在遥感合成影像上通常形成独特的地貌特征、色彩色调与纹理特征，针对研究区域各种岩溶地貌类型构建其遥感解译标志(表2)。

表2 研究区喀斯特地貌类型的遥感解译标志Tab.2 The remote sensing interpretation signs of karst landform types in study area

续表Continued

针对研究区已建立的7种岩溶地貌类型的遥感解译标志，基于ArcGIS 10.2技术平台，通过人机交互解译并制作得到研究区的岩溶地貌图(图2)。分别到岩溶山区的16个县区进行野外实地地质环境与石漠化状况调查，其结果如下：丘北、砚山、文山与蒙自一带为峰林洼地；广南西部为峰丛洼地；富宁地区、广南东部、屏边及峨山地区为岩溶山地；师宗与罗平靠近南盘江地区为岩溶槽谷地区；玉溪、弥勒、石林、陆良与曲靖等偏北地区主要是岩溶盆地；在文山东部存在少部分地区土壤富集为平原；开远东部地区为岩溶丘陵。遥感解译出的岩溶地貌类型结果与实地调查结果吻合度较高，结果可信度较高。

图2 滇东南岩溶山区岩溶地貌图Fig.2 Karst landforms of karst mountain area in southeast Yunnan

根据研究区岩溶地貌图统计各岩溶地貌类型的面积并处理得到其所占比例结构,结果显示：研究区中岩溶山地分布面积最大，为 25 645.595 km2，所占比例为35%；其次为岩溶盆地、峰林洼地、岩溶丘陵、峰丛洼地，面积分别为 16 010.25 km2、13 883.207 km2、7 264.988 km2、6 821.621 km2，所占比例分别为22%、19%、10%、9%；岩溶槽谷面积较小，为 3 621.437 km2，占总面积的5%；岩溶平原的面积最小，仅为 264.679 km2。

根据遥感解译得到的研究区岩溶地貌图(图2)，分析各岩溶地貌类型的分布格局得出：峰林洼地在研究区内发育强烈，大面积连片分布，主要集中于红河州中部地区和文山州南部地区，曲靖的罗平也有少量分布；峰丛洼地主要分布于文山州的西畴北部地区和广南县南部地区，其分布面积比峰林洼地少得多，分布比较零散；岩溶山地所占面积最大，主要分布于峨山、石屏、河口和文山州东部与广西交界地区；岩溶槽谷主要分布于师宗、罗平地区，其走向与师宗—罗平断裂一致，形成的原因也是师宗—罗平褶皱断裂；岩溶盆地在研究区中所占比例较大，延伸方向近南北，近似直线状分布于曲靖、昆明和红河东部地区，与区域中的小江断裂方向一致；岩溶平原在研究区内最少，主要分布于罗平中南部；岩溶丘陵所占面积较大，成片状集中于弥勒、丘北和开远地区，也有一些分布于富宁西南地区。

3.2 断裂构造解译分析

滇东南岩溶山区位于环太平洋和特提斯两构造域的复合部位，断裂构造十分发育，区域内的断裂构造控制着区域内地块格局、沉积与展布[14]。基于对研究区1∶100万地质图的解读，并综合遥感宏观解译，依据断裂的性质、规模及对区域的影响作用，大致可以将研究区分为2种断裂构造类型：一类是深切地壳的大型断裂，如区域西南界线的红河断裂；另一类是区域断裂，控制着区域构造格局，如小江断裂、弥勒—师宗—罗平断裂带、广南—富宁断裂等。参考前人研究成果可知，研究区内主要有川滇地块、扬子地块南缘、弥勒—罗平台地、南盘江断陷盆地、个旧台地和右江断陷盆地等大地构造单元[14,17]。

在遥感影像上，断裂构造的行迹主要表现为线状特征，通常是以特定的色调、纹理、水系展布等影像特征显示。为利用遥感深化对研究区断裂构造的解译，本研究首先建立了研究区典型断裂构造的遥感解译标志(表3)。

表3 研究区断裂构造解译标志Tab.3 The remote sensing interpretation signs of tectonic in study area

基于研究区断裂构造遥感解译标志，结合野外调查及前人对该区域的研究，本研究在ArcGIS平台上人机交互解译提取研究区断裂构造信息，获取研究区断裂构造分布，进而绘制研究区的区域断裂构造分布图(图3)。遥感解译出的区域断裂构造分布情况与前人地质资料[14,17](图4)基本吻合。

图3 滇东南岩溶山区断裂构造分布图Fig.3 The tectonic map of karst mountain area in Southeast Yunnan图4 滇东南地区构造格局示意图[14]Fig.4 The schematic diagram of tectonic framework in Southeast Yunnan

在研究区内，解译出的区域线性构造断裂共9条，其中南北向(NS)2条(F2-1、F2-2)，属于小江断裂带，近乎平行向南延伸终止于红河断裂，将研究区东西向划分为两块区域。北东向(NE)5条(F3、F4、F5)，F3中的3条近似平行断裂属于弥勒—师宗—罗平褶皱断裂带，呈反“S”型，在罗平境内延伸方向转为北北东向，F4是开远—师宗断裂位于弥勒—罗平断裂带下部，F5为开远—丘北断裂，呈“之”字状；弥勒—师宗—罗平断裂将小江断裂东部地区划分为两部分，南部被开远—师宗断裂和开远—丘北断裂划分为3个小区域。北西向(NW)2条(F1、F6)，其中一条延伸性强、深切地壳的大型断裂为红河断裂(F1)，为扬子地台与印支地块间的边界构造带，向东南延伸至越南，为研究区的西南部边界；另外一条位于研究区东部的是广南—富宁断裂(F6)。

3.3 岩性解译分析

滇东南岩溶地区主要位于扬子地块西南缘与华南加里东褶皱带结合部，少部分位于右江陆内造山带。研究区内沉积碳酸盐岩系地层发育较全，从震旦系到三叠系均有沉积。岩性状况对石漠化分布有较大的影响作用。因此，准确地划分碳酸盐岩分布是研究滇东南石漠化动态监测和过程模拟的基础，是治理滇东南石漠化区域生态环境的重要前提。

在确定研究区碳酸盐岩分布时，本研究以云南省地质图、云南省区域地质志、西南岩溶石山地区碳酸盐岩分布图[1]为基础，根据岩层组岩石化学成分的不同，把研究区内碳酸盐岩划分为：纯灰岩、纯白云岩、灰岩与白云岩互层、碳酸盐岩夹碎屑岩、碳酸盐岩与碎屑岩互层、碎屑岩夹碳酸盐岩[1]。结合已有地质资料、野外调查与遥感对地探测影像的地表覆盖特性，建立研究区不同岩性的遥感影像解译标志。

表4 研究区岩性遥感解译标志Tab.4 The remote sensing interpretation signs of lithology in study area

续表Continued

根据研究区已建立的岩性遥感解译标志， 基于ArcGIS软件平台，本研究将地质图与遥感影像配准，采用人机交互解译，借助区域地质图及西南岩溶石山地区碳酸盐岩分布图[1]确定研究区中6种碳酸盐岩与非碳酸盐岩的分布范围，进而绘制出研究区岩性分布图(图5已在文中建立岩性解译标志)，分析研究区岩性分布状况，为后续研究岩性与岩溶石漠化关系提供基础准备。

图5 滇东南岩溶山区岩性分布图Fig.5 The lithology distribution map of karst mountain area in Southeast Yunnan

根据研究区岩性分布格局可知：非碳酸盐岩主要分布于研究区西部，小江断裂以西的地区；碳酸盐岩多分布于东部、南部，小江断裂以东地区，占研究区面积的3/4，以碎屑岩夹碳酸盐岩、纯灰岩和灰岩与白云岩互层为主。

基于研究区的岩性分布图对研究区各种岩性面积作出统计并处理得到其所占比率结构(图6)。

图6 滇东南岩溶山区岩性面积统计图Fig.6 The area proportion of lithology in Southeast Yunnan karst mountain area

3.4 岩溶石漠化状况信息提取分析

3.4.1 石漠化状况信息提取

岩溶石漠化作为一种自然灾害形式，具有影响广泛、危害大、持续时间长、不容易恢复等特点。区域石漠化面积的扩大，引起水库淤积、河流堵塞，防洪能力下降，水旱灾害发生频繁，使区域生态环境和生存条件恶化，严重威胁着当地人民的生存环境[18]。提取石漠化分布信息及等级划分则是制定应对石漠化生态灾害措施的基础。目前，关于石漠化的评价指标仍没有统一的方案[19-20]，结合野外实地调查，植被覆盖度是反映石漠化的主要地表特征，也是评价石漠化的关键指标[21]。参考已有的研究成果[21-23]，本研究将研究区石漠化景观划分为5个等级，即无石漠化(植被覆盖度>80%)、潜在石漠化(植被覆盖度60%～80%)、轻度石漠化(植被覆盖度40%～60%)、中度石漠化(植被覆盖度20%～40%)和强度石漠化(植被覆盖度<20%)。

植被覆盖度是指植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是评价地表覆盖状况的重要指标，在荒漠化的调查评价中应用较多。像元二分模型法是假设一个像元所反映的地表由植被与无植被覆盖的两部分地表组成，传感器获取的光谱信息由这2个组分因子线性加权合成，各因子的权重是各自的面积在该像元中所占的比率，其中植被覆盖的地表在像元中占的百分比即为该像元中植被的覆盖度。

本研究利用选择植被和无植被覆盖地表光谱反射率差异比较大的近红外波段(TM4)和红光波段(TM3)获取研究区NDVI，然后采用像元二分模型法计算出研究区植被覆盖度[21,24]，根据研究区石漠化景观等级划分标准，得到研究区石漠化分级分布特征(图7)及各等级石漠化所占比重。

图7 滇东南岩溶山区石漠化分布图Fig.7 The map of rocky desertification in Southeast Yunnan karst mountain area

3.4.2 岩溶石漠化与地质环境特性关系分析

从研究区石漠化分布图可知：区域内石漠化现象较为严重，石漠化面积占总面积的57.56%，其中轻度石漠化占23.36%，在各等级中所占的比重最大，普遍存在于研究区范围内；中度石漠化占19.44%，零散分布于研究区中，曲靖、石林和丘北北部地区出现成片状的中度石漠化区域；强度石漠化占14.76%，连片状集中于开远—丘北—广南地区。

将研究区石漠化分布图分别与岩溶地貌图、断裂构造分布图和岩性分布图空间叠加分析发现：

1)峰林洼地和峰丛洼地区域都存在着严重石漠化现象，主要为连片状的强度石漠化和零散分布的中度石漠化；岩溶盆地中也存在石漠化区域，多为斑块状的中度石漠化和轻度石漠化区域；岩溶山地与岩溶平原地区多为无石漠化区域；岩溶槽谷中存在着潜在石漠化区域；岩溶丘陵地区多分布着潜在石漠化区域，也有一些零星的轻度和中度石漠化区域。峰林洼地与峰丛洼地中小山体连片呈现，中间夹杂少量平地，形成岩溶漏斗，这一特殊岩溶地貌形态水体富集与植被生长，加剧了石漠化的形成。

2)石漠化严重的区域主要集中于丘北—个旧台地，即红河断裂、开远—丘北断裂与广南—富宁断裂包围的区域；小江断裂和弥勒—罗平断裂中间地区也存在着一些连片状的石漠化区域；小江断裂以西的地区多为无石漠化区域。丘北—个旧台地受到区域板块间的相互作用以及扬子地块内部的地裂运动的综合影响，断裂构造十分发育，断裂构造控制着区域构造格局、沉积作用及沉积体系类型与展布，进而对石漠化的分布起到控制作用。

3)非碳酸盐岩区域多呈无石漠化或潜在石漠化状态，也有些地区出现零散的石漠化现象；石漠化主要分布于碳酸盐岩地区。其中，纯灰岩地区石漠化极为严重，区域内多分布着强度石漠化和中度石漠化；纯白云岩地区也存在着石漠化现象，多为轻度石漠化，有些区域出现中度石漠化；灰岩与白云岩互层的区域易于发生石漠化，丘北以北的地区石漠化多为潜在石漠化和轻度石漠化，而开远西南地区出现连片的强度石漠化和中度石漠化；碳酸盐岩夹碎屑岩与碳酸盐岩与碎屑岩互层区域存在的石漠化多为零星的潜在石漠化和轻度石漠化斑块，局部存在着片状强度石漠化区域；碎屑岩夹碳酸盐岩地区石漠化也比较严重，多为一些中度石漠化和强度石漠化斑块，丘北和砚山地区则为成片的强度石漠化区域，中间镶嵌着轻度石漠化斑点。灰岩与白云岩均属于碳酸盐岩，碳酸盐岩主要化学成分是碳酸钙，遇水易于溶蚀，有助于石漠化的形成；由于灰岩的硬度较小，白云岩的硬度稍大，灰岩地区溶蚀程度强烈，致使灰岩地区石漠化严重，白云岩地区石漠化程度稍低于灰岩地区。

4 结 论

地质环境特性包含内容比较广泛，本文在研究过程中仅选择了岩溶地貌、断裂构造、岩性分布与岩溶石漠化4个方面进行研究，目的是为了着重分析岩溶地貌、断裂构造与岩性分布3种地质环境与岩溶石漠化在空间分布上的相关联程度，揭示3种地质环境对岩溶石漠化形成的影响与内在控制作用。

本研究通过对研究区岩溶地貌、断裂构造、岩性及岩溶石漠化等地质环境特性的遥感探测，结合野外实地调查结果，对滇东南岩溶地区地质环境特性综合分析得出以下结论。

1)研究区各岩溶地貌类型中，岩溶山地分布最为广泛，峰林洼地与岩溶丘陵大面积连片分布，岩溶槽谷主要集中于师宗—罗平断裂带，岩溶盆地分布近南北状、与小江断裂方向一致，峰林洼地则零散分布，岩溶平原极少。各岩溶地貌类型与岩溶地区石漠化的发育程度有明显的相关性，峰林洼地与峰丛洼地区域易发生石漠化。

2)研究区断裂构造十分发育，对区域构造格局和沉积体系展布控制作用明显。区域断裂构造对喀斯特岩溶石漠化发育的影响主要有两方面:一方面是走向较长,纵向较深的区域深大断裂为地下水系统提供良好的循环条件，加速岩溶地貌的演化，加剧岩溶石漠化发育；另一方面断裂构造的发育控制着沉积体系与类型，在滇东南岩溶地区内对碳酸盐岩的沉积控制作用明显，影响着石漠化的发育空间与分布区域。

3)从岩溶石漠化的空间分布格局来看，岩性起着显著的控制作用，纯灰岩地区极易发生石漠化，灰岩与白云岩互层与碎屑岩夹碳酸盐岩地区也易于发生石漠化。