基于高分六号遥感数据的区域石漠化监测应用

文|刘思晨 黄羲增 马瑞 孙斌 姬翠翠

1.重庆交通大学智慧城市学院

2.中国林业科学研究院资源信息研究所

一、前言

土地石漠化威胁着不同国家和地区，破坏了生态环境的可持续发展。面对各类灾害生态环境的侵袭，航天遥感技术可实现实时监控，为生态资源的保护提供有效信息[1]。基于中国高分系列卫星的航天遥感技术可在短时间内取得大面积的数据，并使用图像或非图像方式表现，方便进行观测与分析。该技术大大减少了因研究区域范围广阔，分布广泛消耗的大量人力、财力、时间成本，同时可准确快速提取信息，实现对石漠化的监测，对保护生态环境提供重要信息依据。

中国的石漠化问题比较突出，众多学者从20世纪80年代就开始对我国西南岩溶地区的石漠化现象及其成因进行了多方面的研究，对我国西南岩溶石漠化的特点、分布、形成原因、动态变化、影响因素和治理等方面有了初步的认识。

本文介绍了高分六号遥感数据在区域石漠化监测中的应用，通过植被覆盖度、岩石裸露率、坡度、土地覆被类型4个指标，对贵州省安顺市普定县进行石漠化监测，体现高分六号在区域石漠化监测的优势。

二、GF-6卫星应用优势

高分六号卫星（GF-6）于2018年6月2日成功发射，主要应用于精准农业观测、林业资源调查等行业，自然资源部为其主用户。该星实现了8谱段CMOS探测器的国产化研制，国内首次增加了能够有效反映作物特有光谱特性的红边波段，大幅提高了农业、林业、草原等资源监测能力。

GF-6卫星配置2米全色/8米多光谱高分辨率相机、16米多光谱中分辨率宽幅相机，2米全色/8米多光谱相机观测幅宽90km，16米多光谱相机观测幅宽800km，多光谱宽幅相机新增了两个红边波段（690～730nm、730～770 nm）、一个紫光波段（400～450nm）和一个黄光（590～630nm）波段。GF-6卫星与高分一号卫星（GF-1）组网运行后，使遥感数据获取的时间分辨率从4天缩短到2天，为生态文明建设等重大需求提供了遥感数据支撑。

同时国产GF-6卫星具有大角度、高频次和新谱段的特点，在地表信息识别上具有极高的精度和极强的稳健性，其红边波段对植被异常敏感，对林地非林地识别较为重要,能够有效地提高线性光谱混合分解的估算能力[2]，且拥有中高空间分辨率的GF传感器对于破碎地区的植物识别具有较好的应用潜力，能够在一定程度上解决混合像元等问题[3]。

三、GF-6卫星石漠化监测的应用

1.研究区概况

本文研究区为贵州省安顺市普定县（图1），属于亚热带季风湿润气候区，年降雨量1400mm，春旱在四月和五月时有发生，六月和七月会有暴雨。普定的总面积为1079.93km2，海拔在1041～1836m之间。该县地势为南、北部高，中间低，由南部和中部向三岔河河谷倾斜，岩溶地貌发育非常典型，崎岖的地貌使其非常容易发生地方侵蚀。岩溶面积占普定面积的84.27%，多种多样的喀斯特地貌峰丛、峰林、小丘和洼地在全县都有分布。

图1 研究区概况

2.数据源及其预处理

遥感数据为2020年5月28日的高分六号系列卫星所采集的云量低于5%并且分辨率为16m的多光谱数据；地形数据来源于Google Earth Engine云平台的SRTM V3产品的30m分辨率DEM数据；土地利用数据来源于Zendo平台提供的30m分辨率的GLC_FCS30-2020产品。

本文基于地面控制性实验获得的端元光谱及植被的冠层混合光谱信息，获取每个样地特定的岩石、植被、裸土、苔藓和建筑等不透水面的端元光谱。为避免外界环境对获取端元光谱差异，根据光谱仪性能条件，在晴朗、无云、低风、自然光照稳定并充足的时段（10∶00—14∶00），采用ASD Field Spec Pro光谱仪测量获得纯净端元光谱数据，获取端元光谱重采样为GF6影像对应波段得到端元光谱曲线，见图2。

图2 样地采集光谱数据重采样到GF-6对应波段光谱曲线

3.石漠化提取指标的选取

科学评定石漠化的等级以及确定评价指标的量化标准是石漠化信息提取的前提[4]。评价指标的选取不仅需要考虑石漠化表现特征，同时还需考虑石漠化演变过程的影响因素。植被覆盖度下降、大面积岩石裸露是石漠化最直接的表现特征，因此两者成为石漠化研究选用最多的分级指标，也是石漠化调查、评估和等级划分的重要依据[5]。坡度是石漠化演变过程中一个非常重要的影响因素，坡度越大，地表结构不稳定性就越强，越容易发生石漠化，因此也常被作为石漠化的分级指标[6-7]。

提质粒，将各片段质粒pCAMBIA1301-ProTkGG PPS-Gus经SalⅠ和NcoⅠ双酶切鉴定（图4）。用电击法转化农杆菌GV3101菌株。鉴定为阳性的PCR菌落（图5），置于4℃保存备用。

参考当前石漠化遥感监测指标体系研究现状，并考虑影响石漠化演变的主导因素、空间尺度大小、地理环境状况等特征，最终选取植被覆盖度、岩石裸露率、坡度、土地覆被类型4个指标作为本研究中石漠化分析的评价指标。

前人对于喀斯特地区石漠化等级划分研究颇多，但对石漠化等级划分体系的标准，不同学者考虑的角度不相同[8-9]。有学者将石漠化划分为极度、重、中、轻度和无石漠化5个等级[10]，也有的研究依据岩石裸露率和植被覆盖度指标，划分出无石漠化、潜在石漠化、轻度、中度及强度或极强度石漠化等[11]。而指标的阈值则主要根据空间尺度、分级目标以及遥感影像的解译方法等因素确定[12]。本文参考前人的研究成果[13]，结合数据的可得性、工作量及研究区实际情况等，将石漠化等级划分为无石漠化、轻度、中度和重度石漠化4个等级（表1）。

表1 石漠化等级标准

在研究植被覆盖度和岩石裸露率等指标时，GF-6卫星展现了其优势所在。根据赵鸿飞等研究[14]，基于GF-6卫星的植被覆盖度遥感估测表明，GF-6卫星宽幅数据较Landsat、MODIS等卫星数据的时空分辨率更高。同时，对比 GF-6 卫星WFV载荷和Landsat8 OLI、Sentinel-2载荷之间的地表信息识别能力[15]，GF-6卫星新增的红边波段能有效提高线性光谱混合分解的丰度值估算能力和决策树的分类精度，对于本文石漠化提取具有重要的作用。

（1）植被覆盖度和岩石裸露率获取

植被覆盖度和岩石裸露率采用线性光谱混合模型求取，像元混合光谱被理解为参与各端元光谱矩阵与其丰度矩阵的线性乘积，模型中加入丰度加和为1和丰度非负约束的FCLS算法求解。通过采集端元光谱数据和GF-6影像，获取研究区植被覆盖度分布图（图3）和岩石裸露率分布图（图4）。

图3 植被覆盖度空间分布图

图4 岩石裸露率空间分布图

（2）坡度提取

直接利用Google Earth Engine云平台的函数库中的“ee.Slope”函数，对获得的DEM数据进行坡度计算，得到普定区域坡度信息分布图（图5）。

图5 坡度信息分布图

该研究区域除不可能发生石漠化的水体和建筑用地以外，土地覆被类型主要包括林地、灌木林地、牧草地、未成林造林地、疏林地、无立木林地、宜林地、未利用地、旱地、苗圃地、林业辅助生产用地，结合《岩溶地区石漠化监测技术规定（2011修订）》，对不同的土地覆被类型进行分级赋值（表2），提取石漠化治理措施因子并获得其分布图（图6），参与最后的石漠化强度等级的计算。

表 2石漠化治理措施因子赋值表

图6 石漠化治理措施因子分布图

4.石漠化等级划分

综合考虑植被覆盖度、岩石裸露率、坡度、石漠化治理措施因子等4个指标，根据石漠化等级标准，建立CART决策树获取2020年普定研究区石漠化信息分布图（图7）。

5.结果分析

为验证本研究中石漠化遥感监测方法的可靠性，在研究结果（图7）中随机选取257个样本点，结合Google Earth高清卫星影像，采取人机交互解译的方法，验证计算结果的精度。在选取的样本点中有200个点实验结果与调查的石漠化程度一致，整体精度为85.82%，证明本研究所构建的石漠化遥感监测方法具有一定的可靠性。

从图7可知，石漠化主要发生在普定县的东部和西部，该地区东、西地势较高，土地覆被类型多属于疏林地、灌木林地，并且地貌崎岖，使得其非常容易发生地方侵蚀形成喀斯特地貌。重度石漠化零星分布于整个研究区域，仅占研究总面积的6.18%。无石漠化区域主要集中分布于研究区的中部，由于该地域地势较低，且土地覆被类型以梯田耕地为主，使得其不易发生石漠化。从空间分布上看，发生石漠化地区基本上与喀斯特地区范围吻合。

图7 石漠化等级分布图及精度验证示例

四、思考与展望

本文基于高分卫星影像数据，构建了一种石漠化遥感监测模型，获取了研究区域石漠化空间分布特征，同时进行了一定的思考与展望。

1.思考

利用遥感技术对土地石漠化的监测往往不是直接得到数据。土地石漠化是一个十分复杂的过程，由不同因素协同导致。例如该地坡度越大，地表结构在重力的作用下不稳定性越强，发生石漠化的可能性越大；而植被对于土地石漠化的发生具有抑制作用，植被发达的根系会将土壤紧紧地固定在一起，土地发生石漠化的可能性会降低。因此通过分析其中一种影响因子无法准确描述土地石漠化的程度。本研究在充分考虑土地发生石漠化的各种诱因的基础上，选取植被覆盖度、岩石裸露率等因子构建土地石漠化监测模型。此方法对于准确分析土地石漠化程度方面具有一定的可靠性和可行性。随着时代的发展，如何快速、准确、实时监测环境变化必然会成为环境监测的头等问题。利用遥感技术对环境进行监测，不仅劳动成本低，并且效率相对于传统监测方法有明显优势，并且伴随卫星观测分辨率的提高和遥感方法的进步，其准确性也会随之提高。对于生态监测，遥感技术具有重要的作用。

2.展望

对于融合了感应技术、计算机技术等现代科学的遥感技术，不仅可以实现信息采集、处理、分析的同步，还有效提高了采集环境信息的效率，有利于快速开展对土地石漠化监测和管理的工作。

目前，利用遥感技术大尺度宏观监测土地石漠化的方法与技术正逐步趋于成熟，其快速、实时监测的特性对于当今大数据时代是十分重要的。而随着遥感技术的发展，宏观监测的精度和准确度会变得更高，更利于人类管理土地资源，推动自然资源的可持续发展。

GF-6卫星宽幅数据在建立西南岩溶地区石漠化监测的模型相比其他卫星数据，体现了其一定的优势。在进行区域石漠化监测研究时，GF-6卫星为其提供了全新的数据来源和更精确和稳健的数据分析，有着极其广阔的应用场景，为国产数据拓宽了途径。同时，GF-6卫星具备中高分辨率和宽幅成像结合的能力，具有大范围、重访周期短、定量化探测等优势，能满足多种研究需求，如多种空间分辨率、多种光谱分辨率等需求。GF-6卫星作为我国第一颗具备红边谱段传感器的卫星，在农业、林业、气象等研究方面发挥了重要的作用，体现出国产卫星的进步和发展。随着高分系列卫星的不断发展，在未来，高分卫星数据有望实现对国外同类型卫星数据的替代，将中国卫星数据研究及发展引领至更高的平台。