基于遥感对甘堡小流域石漠化空间分布特征的研究

曾超毅

(贵州晟泰工程咨询有限公司,贵州 贵阳 550001)

1 引言

石漠化是指气候因素和人为活动造成的干旱、半干旱地区及半湿润地区土地退化、向荒漠景观变化的过程[1]。石漠化形成原因除了自然条件先天不足外,人类不合理的开发利用土地也是造成石漠化的主要原因。贵州省是石漠化分布面积最广、状况最复杂、类型最齐全的省份。石漠化研究对于喀斯特地区生态环境建设有着较为深远的意义[2,14]。

中国西南地区，由于资源与环境的不合理利用引起脆弱的喀斯特生态环境失衡，这些地区通过退耕还林、封山育林、种植适宜经果林、坡改梯等措施进行石漠化治理，取得了一些成效。如林中衍，麻新在实验研究区进行石山区生态综合治理试验，研究区小实验环境得到初步改善，水土流失初步得到遏制；龙健等用土地利用方式对土壤质量恢复能力方面进行研究；学术界对于喀斯特石漠化的研究成果主要包括[2～4]:喀斯特石漠化的危害、影响因子、防治措施以及相关治理模式研究,为石漠化地区生态环境治理提供了科学的理论支撑。但在大范围高精度的喀斯特石漠化演变趋势和动态变化方面还缺乏深入研究。

近年来“3S”技术主要应用于石漠化调查监测、空间分布、石漠化强度等级划分等方面。与传统野外调查、人工统计相比,“3S”技术在大范围、大规模、人类难以进入的复杂地形区域调查监测工作中精度高、效率高[15,16]。

2 研究区概况

安顺市西秀区位于贵州省中西部腹地,距贵州省省会贵阳90km，地处长江水系和珠江水系的分水岭上，地理位置为105°44′32″～106°21′58″,北纬25°56′30″～26°26′42″。地质构造复杂,山多坡陡，岩溶极为发育,地表水处于深切夹谷之中，山坡多发育成石灰土和岩泥土。出露地层有石灰系、二迭系及三迭系的石灰岩、沙页岩等。地势特点为西北部偏高东南部偏低,海拔1102～1695m,平均相对高差593m,年平均气温13.2～15℃,年日照时数968.6～1309.6h,年平均降水量1146.3mm, 全区总面积1724km2,总人口81.3万。安顺市西秀区甘堡小流域岩溶喀斯特发育，地形起伏，水土流失严重，流域呈不规则形状。流域地貌以山地为主，属低中山地貌。在脆弱的喀斯特自然背景下,植被遭受破坏,水土流失严重,石漠化明显。对于大范围地形较为复杂的喀斯特地区，应用遥感与地理信息技术能够宏观、快速获取地表信息，且精度较高，为石漠化面积、分布规律、石漠化程度以及演变趋势的研究提供一定的决策支持。

3 数据来源与处理

3.1 数据来源

本次研究主要收集资料包括：2012年quikbird 遥感影像，森林资源二类调查底图， GPS野外调查数据。并从收集的资料中提取相关的地理信息,主要包括行政边界、主要道路、河流、土地利用类型等。在ArcGIS平台下建立相关数据库及图层属性,以便进行数据统计和结果分析[4],从而提取地物更多的潜在信息[17～19]。

3.2 野外调查

按照“先内后外”的原则，先在室内结合两期遥感影像判读区划地类发生变化的图斑，对数据进行处理后，导入外业调查软件，对变化小班及上期特征点地类、基岩裸露度、植被覆盖度等因子进行外业核实调查，并录入外业调查软件，对于特征点和变化小班进行外业小班拍照。

4 研究方法与原理

以二类调查图斑数据为基础，在遥感影像上提取地类变化图斑，结合外业实地调查，完善其属性因子。根据闭合小流域原则，流域边界需经过分水岭，流域边界尽量少跨越行政乡镇，在预处理后的地形图上勾画出安顺市西秀区甘堡小流域边界。并用研究区流域边界对分类后的图进行掩膜提取、生成研究区土地利用现状分布图。

以遥感影像为基础，通过波段计算等处理，得出归一化植被指数 NDVI 和裸土指数BI，分别计算植被覆盖度和土壤裸露率；由土壤裸露率、植被覆盖度同基岩裸露率之间的关系，通过图层运算生成基岩裸露率图；对表层野外土壤厚度调查样点数据进行空间插值得出整个研究区的表层土壤厚度图；将上述植被覆盖率图、基岩裸露率图和表层土壤厚度图进行叠加处理，根据石漠化等级划分标准，通过人机交互式解译，结合野外调查样点数据加以修正，最终生成西秀区甘堡小流域石漠化分布图。

在ArcGIS平台下对土地利用矢量数据和石漠化矢量数据进行叠合分析，建立两种数据的空间对应关系，得出土地利用分布规律和研究区石漠化发生率之间的关系。研究中用到的是矢量数据叠合分析中的identity叠合分析，以其中一个多边形为控制边界，输出在这个控制边界以内的其它多边形部分。如输入数据灌木林和轻度石漠化图斑，设置有林地为控制边界，则输出数据为有林地中的轻度石漠化图斑。

4.1 标准归一化植被指数

Deering在1978年提出了将简单的比值植被指数RVI，经非线性归一化处理得到归一化植被指数(NDVI-Normalized Difference Vegetation Index)，其表达式为：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中：NIR：近红外波段；

R：红光波段。

NDVI在植被指数中有着非常重要的地位，它是植物生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，是用于监测植被变化最常用的植被指数。试验表明，NDVI对土壤背景的变化较为敏感。由于NDVI是单位像元内的植被类型、覆盖形态、生长状况等的综合反映，其大小取决于植被覆盖度fc(水平密度)和叶面积指数等要素，所以可以用NDVI估算植被覆盖度和叶面积指数。当植被覆盖度小于15%时，能将土壤背景与植被区分开；当植被覆盖度为25%～80%时，随着植被盖度的增大呈线性增加；植被覆盖度大于80%时，检测能力逐步下降[15～19]。

4.2 BI指数

BI裸土指数(Bare soil Index)，一个像素对应的植被覆盖率不仅与植被指数密切相关，还与土壤光谱信息有关。为了对植被状态的评价更为全面可靠,因此又定义了裸土指数。计算公式为

BI=((SWIR+R)-(B+NIR))/((SWIR+R)+(B+NIR))

(3)

式中：SWIR：中红外波段;

B：蓝光波段;

R,NIR同上。

根据植被指数和裸土指数定义一个二维空间,假设这个空间中植被覆盖率、植被指数和裸土指数密切相关,则植被覆盖率越大,植被指数也越大,裸土指数反而越小;如果裸土指数越大,植被数越小,植被覆盖率也越小。在植被指数和裸土指数所构成的二维空间中,像素的空间分布散点图越接近线性椭圆形,该植被指数与裸土指数之间的负相关性越大,则选用该植被指数[21～24]。

5 结果分析

5.1 土地利用分析

根据遥感影像，结合现场实际调查，将研究区划分21种土地利用类型(图1)：

图1 贵州省安顺市西秀区甘堡小流域土地利用现状图Fig.1 Status Quo of Land Use in Ganbao Small Watershed, Xixiu District, Anshun City, Guizhou Province

土地利用现状图中地物代码对应关系为：水田(011)、水浇地(012)、旱地(013)、果园(021)、茶园(022)、有林地(031)，灌木林地(032)、其他林地(033)、人工牧草地(042)、中覆盖度草地(043)、河流水面(111)、水库水面(113)、坑塘水面(114)、内陆滩涂(116)、水工建筑用地(118)、设施农用地(122)、裸地(127)、村庄(203)、采矿用地(204)、风景名胜及特殊用地(205)。岩石类型组合的划分参见文献[7]。

5.2 石漠化划分等级与指标

根据熊康宁等及黄秋昊和蔡运龙等的研究成果[3,4]，结合甘堡小流域的实际调查情况，以坡度、表层土壤厚度、植被覆盖率和基岩裸露率等作为石漠化等级强度的划分指标，将研究区的石漠化强度分成无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化 4个等级(表1)。

表1 石漠化分级标准Tab.1 Rocky Desertification Classification Standard

图2 石漠化现状图Fig.2 Current Status Map of Rocky Desertification

1)潜在石漠化土地基岩裸露度(或石砾含量)≥30%，土壤侵蚀不明显，且符合下列条件之一者为潜在石漠化。

(1) 植被综合盖度≥50%的有林地、灌木林地。

(2) 植被综合盖度≥70%的草地。

(3)梯土化旱地。

2)轻度石漠化土地一般表现为坡度在15°以上，植被结构较低、以稀疏的灌木林为主、土被覆盖率低。非开垦型的轻度石漠化土地主要由于人为活动反复破坏引起水土流失形成，土被分布零星、平均厚度小，这类土地空间异质性较为显著，不适宜耕山育林，植被恢复周期长，难度大。

3)中度石漠化类型，基岩裸露率高，区域平均土层厚度低，以中低覆盖度草地为主，植被覆盖度约在20%～35%之间。该类型植被生长环境较为恶劣，难于耕种，大部分为低覆盖度、低生物量、低结构植的生物群落。

4)强度石漠化和极强度石漠化基岩裸露面积大，植被覆盖度基本在20%以下，基岩裸露度高，荒漠化表现最为明显，是石漠化程度最高的等级。

5.3 石漠化强度分析

输出石漠化面积统计表，统计石漠化面积、各类石漠化在流域面积中的百分比(表2)。

表2 石漠化面积统计Tab.2 Statistics of Rocky Desertification Area

由表2可以看出，甘堡小流域面积为37059351.42m2，其中石漠化面积为17862985.66m2，石漠化百分比为48.2%，石漠化等级主要集中在轻度石漠化、潜在石漠化，强度和极强度石漠化所占面积较小。结合现场实际考察当地综合情况，拟对甘堡小流域轻度石漠化、潜在石漠化地区实施相应石漠化治理措施：在轻度石漠化地区实施人工种草、种植经果林；在潜在石漠化地区覆盖度较高区域实施封山育林、水保林等措施[5]。

5.4 土地利用现状与石漠化强度叠合分析

应用ArcGIS对土地利用矢量数据和石漠化矢量数据进行叠合分析，建立两种数据的空间对应关系，得出土地利用分布规律和研究区石漠化发生率之间的关系[6]。研究用到的是identity叠合分析，其输出数据为保留以其中一个输入多边形为控制边界之内的所有多边形，如输入数据灌木林和轻度石漠化图斑，设置有林地为控制边界，则输出数据为有林地中的轻度石漠化图斑[7]。

由表3分析，可以得出：石漠化主要分布在灌木林、草地、裸地区域。灌木林地石漠化程度主要表现为潜在石漠化，百分比高达90.27% ；草地石漠化程度主要表现为中度石漠化，百分比为80.56%；裸地中既有轻度石漠化，又有中度石漠化，百分率分别为49.94%、44.31%。

表3 不同土地利用石漠化情况Tab.3 Rocky Desertification of Different Land Uses %

研究区土地利用分布规律与石漠化发生率之间呈现以上关系，主要是由于该研究区地处我国西南地区，草地主要是中低覆盖度天然或人工草地，基岩裸露率高达70%以上，土被覆盖度达25%以下，植被覆盖度在20%～35%之间[13]。这类土地基岩裸露率高，区域平均土层厚度低，以中低覆盖度草地为主，植被生长环境较为恶劣，难于耕种，大部分为低覆盖度、低生物量、低结构植被的生物群落，与中度石漠化特征基本相符[14]。结合实地调查，该区域的灌木林中树木大多生长稀疏，而且以幼苗为主，植被结构低、土被覆盖率低，是轻度石漠化主要发生区域[10]。

5.5 结语

研究表明：研究区石漠化百分比为48.2%，其中石漠化强度主要集中表现为潜在石漠化、轻度石漠化，强度和极强度石漠化所占面积较小。可见甘堡小流域石漠化程度较轻。潜在、轻度石漠化主要集中发生在灌木林、裸地区域，中度石漠化主要集中在中低覆盖度草地区域，结合现场实际考察当地综合情况，拟对轻度石漠化、潜在石漠化地区实施相应石漠化治理、水土保持等措施。本研究对今后小流域石漠化研究治理提供一定的决策支持。

对石漠化的现状和空间分布的研究是石漠化研究最为基础的一项工作,传统调查手段多采用抽样调查方法，该方法统计结果大部分未连续、没有全覆盖研究区域，或者是通过纸质图纸进行外业调查核实，精度不高、效率低。利用“3S”技术进行石漠化监测、调查等方面研究，可实现大范围、大尺度及人类难以进入的复杂地形区域石漠化空间分布调查及动态分析研究，极大提高了调查精度和效率[11～13]。通过对不同时期的石漠化数据进行空间叠加分析，为分析监测间隔期内石漠化土地动态变化信息，当小班石漠化状况或程度发生变化时，确定石漠化土地动态变化与转移情况，记载其变化原因，进行变化原因分析，为石漠化地区生态环境保护及石漠化治理提供相关科学依据[19]。