昆明市石漠化敏感性評價

吳風志，王金亮，張俊黎，陳慧蓉，高 雁

(云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

石漠化是濕潤喀斯特地區特有的、在脆弱的喀斯特地質基礎上形成的一種荒漠化生態現象，是由于不合理的人為活動參與喀斯特自然過程，造成植被退化、水土資源流失，導致巖石大面積裸露，呈現類似荒漠景觀的土地退化現象，是水土流失的頂級表現［1］。

石漠化敏感性是指在自然狀況下發生石漠化可能性的大小。石漠化敏感性評價是為了識別容易形成石漠化的區域，評價石漠化對人類活動的敏感程度，并根據區域石漠化的形成機制，分析其區域規律，明確可能發生的石漠化類型、范圍和可能程度，從而為政府制定水土保持政策和宏觀決策提供科學依據，為實現區域經濟和社會的可持續發展服務。

昆明市地處滇中，是云南省喀斯特地貌發育的典型地區之一，針對昆明市進行石漠化敏感性評價，可以為昆明市生態環境建設與保護、宏觀規劃和管理等提供依據。

1 研究區概況

昆明市地處云南省中部，介于東經102°10'～103°41'，北緯 24°26'～ 26°33'，南北長 2375km，東西寬152km，總面積21014.64km2。北臨金沙江，與四川省隔江相望，南部與玉溪市、紅河哈尼族自治州相連，西部與曲靖市接壤，是云南省政治、經濟、文化、科技和交通的中心。

由于地處云南高原中部，高原是昆明市轄區的基本地貌形態，三面環山，南瀕滇池——云貴高原第一大湖。總體地形北部高，由北向南呈階梯狀逐漸降低，中部隆起，東西兩側較低，以湖盆喀斯特高原地貌形態為主，紅色山原地貌次之。最高海拔4247.70m，最低海拔746m，大部分地區海拔在1500～2800m。昆明屬于低緯度高原山地季風氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短，年平均氣溫15℃左右。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴寒，四季如春，氣候宜人，年降水量1100mm，具有典型的溫帶氣候的特點。

截止到2010年，全市人口總數643.20萬人，2010年全年實現地區生產總值 (GDP)2120.37億元，比上年增長14.0%。其中，第一產業實現增加值120.30億元，增長4.8%;第二產業實現增加值960.86億元，增長16.7%;第三產業實現增加值1039.21億元，增長12.6%。三次產業結構為 5.7∶45.3∶49.0。人均生產總值達到33550元。

2 研究方法

2.1 評價指標和分級

石漠化敏感性主要根據地形、地貌、植被蓋度和降水量等因素來確定，在參照國家環保總局對石漠化敏感性評價的編制規范和相關研究［2～4］的基礎之上，結合昆明市實際情況，選取植被覆蓋率、裸巖率、坡度和降雨量4個因子作為昆明市石漠化敏感性評級指標，各因子石漠化敏感性等級劃分如表1所示.

表1 評價指標體系

按照表1的分級標準，在地理信息技術的支持下，按以下公式計算石漠化敏感性綜合評價等級:

式中，SSj為j空間單元石漠化敏感性指數;Ci為i因子敏感性等級值。

2.2 技術路線

研究以TM影像為數據源，通過波段運算，獲取歸一化植被指數 (NDVI)和裸土指數 (BI)，在此基礎上借助像元二分模型，計算植被覆蓋率(Fv)和裸土率 (Fs)，通過植被覆蓋率 (Fv)、裸土率 (Fs)和裸巖率 (Fr)三者間的線性關系計算裸巖率 (Fr)。坡度圖利用DEM數據提取，年降雨量圖通過查閱相關文獻資料后對行政區賦值并轉換為柵格圖獲取，最后利用地理信息技術，將植被覆蓋率圖、裸巖率圖、坡度圖和年降雨量圖進行疊加，得到昆明市石漠化敏感性評價圖。具體技術路線如圖1所示。

2.2.1 植被覆蓋率計算

傳統測量植被覆蓋率的方法是地面測量，主要方法有目測法、采樣法及儀器法等。由于受到時間、天氣及其區域條件等的限制，傳統地面測量方法較適合于獲取點上的植被覆蓋率數據［5］。對于大范圍植被覆蓋率數據的測算，使用較多的是利用遙感方法測量，目前較常見的植被覆蓋率遙感測量方法有經驗模型法、植被指數法、像元分解模型法、FCD模型法、決策樹分類法及其神經網絡法等［6］。本研究中植被覆蓋率的測算采用基于NDVI(歸一化植被指數)的像元二分模型［7］，計算公式如下:

式中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域NDVI值，NDVIveg則代表完全植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

2.2.2 裸土率計算

裸土率的計算主要利用裸土指數BI［8］，BI指數的計算使用FCD模型中裸土指數的計算方法計算，裸土率Fs的計算參考利用NDVI估算植被覆蓋率的方法來實現，其估算公式如下:

式中，BIveg為完全被植被覆蓋的BI值，BIsoil為完全是裸土的BI值。

2.2.3 裸巖率計算

在喀斯特地區，除某些特殊區域外 (如居民點、水域、道路等)，其它區域的土地覆被構成均可分成3大類:植被、土壤和巖石。因此，基于多光譜遙感影像的裸巖率計算方法認為，在單位面積的區域內，若植被覆蓋率達到Fv，裸土率占到Fs，那么裸巖率Fr則占到了 (1－Fv－Fs)［9］，即裸巖率公式為:

2.2.4 坡度計算

數字高程模型 (Digital Elevation Model，簡稱DEM)是區域地面高程的數學表示，是地理信息系統中賴以進行地形分析的核心數據系統［10］。當前用于地學研究所使用的各種地形因子數據，如坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率以及匯水面積等幾乎都以數字高程模型作為源數據。本研究所使用坡度數據派生于25m分辨率數字高程模型數據。

3 昆明市石漠化敏感性評價

3.1 數據來源

研究所使用源數據主要有:四景30m分辨率Landsat TM遙感影像 (其中兩景為2007年3月底拍攝，其余為2008年4月初拍攝)，數據來源于中國科學院對地觀測與數字地球科學中心;昆明市1∶50萬基礎地理數據，昆明市1∶25萬土地利用數據(2009年)，數據來源于云南省國土資源廳;昆明市25m分辨率DEM數據，數據來源于ASTER GDEM數據下載平臺;昆明市2008年各縣 (區)年降雨量數據，數據來源于2009年云南省統計年鑒。

3.2 數據處理

研究所使用的TM影像數據已經過幾何校正。為計算NDVI，需要進行大氣校正和輻射校正，來源于ASTER GDEM數據下載平臺的數字高程模型數據，需要經過空間插值和替換對無值區、零值區和噪聲區進行處理。對經過處理的遙感影像和數字高程模型數據進行裁剪，獲取研究區遙感影像數據和數字高程模型數據。

3.3 植被覆蓋率和裸巖率計算

分別選取昆明市遙感影像藍光波段、近紅外波段計算NDVI，綠光波段、紅光波段和近紅外波段計算BI，計算公式為:

式中，TM2、TM3、TM4分別對應于綠光波段、紅光波段和近紅外波段。

按照技術路線，使用基于NDVI的混合像元二分模型方法計算昆明市植被覆蓋率。按照計算公式，計算植被覆蓋率，確定完全非植被覆蓋的像元NDVI值和完全植被所覆蓋的像元的NDVI值是關鍵，即NDVIsoil和NDVIveg。參照孫久虎等［7］利用像元二分模型估算北運河地區的植被覆蓋度，以圖像中的最小NDVI值作為NDVIsoil，而最大NDVI值作為NDVIveg。

由于圖像中不可避免地存在噪聲影響，一般而言，NDVI的極值并不是NDVI的真實最大值與最小值，因此，本研究對其取值時，并不是直接取區域中NDVI的極值作為最大值與最小值，而是選取給定置信度區間內頻率為5%的NDVI值和頻率為95%的NDVI值作為NDVI的最大值與最小值。

裸土率參照植被覆蓋率的計算方法計算，利用植被覆蓋率、裸土率和裸巖率三者間的線性關系，通過波段運算，計算出裸巖率。

3.4 坡度圖和降雨量圖獲取

坡度圖由裁切的昆明市數字地面高程模型提取獲得。降雨量圖，通過查閱資料，將降雨量值賦值于各行政區域 (以縣為單位)，之后以降雨量值為屬性值，將行政區劃圖轉換為柵格圖并進行重采樣獲得降雨量圖。

3.5 昆明市石漠化敏感性評價

對植被覆蓋率圖、裸巖率圖、坡度圖和降雨量圖進行分級重分類，轉換為統一分辨率 (30m)的柵格圖，進行累積求四次方根，所得結果即為昆明市石漠化敏感性評價圖，對評價圖按表1分級標準進行分級重分類，對各敏感等級像元個數進行統計，并計算面積。昆明市石漠化敏感性各敏感等級所占面積及比例如表2所示。

表2 昆明市石漠化敏感性各敏感等級所占面積及比例統計表

分級、統計結果顯示，昆明市石漠化敏感性分為不敏感、輕度敏感、中度敏感和高度敏感四個等級。輕度敏感是指區域自身植被覆蓋率高，地形平坦，土質條件較好，在自然和人為干擾情況下不易發生石漠化、水土流失等生態環境問題，輕度敏感所占面積為7581.50km2，面積比例為36.04%，在整個區域范圍內均有分布;輕度敏感是指區域自然條件好，抗干擾能力較強，但已出現不明顯的石漠化等生態問題，輕度敏感區域在全區均勻分布，所占面積5564.97km2，面積比例26.45%;中度敏感是指區域范圍內已有較為明顯的石漠化現象，生態抗干擾能力較弱，中度敏感區域主要分布于金沙江流域、昆明市中部偏西的富民縣以及東南部的宜良縣、石林縣等區域，所占面積2810.42km2，面積比例13.36%;高度敏感是指生態環境抗干擾能力較差，已出現或比較容易出現石漠化現象，主要分布于金沙江流域和東南部地區，這些區域為典型的喀斯特地貌，地表破碎、坡度較大，水土流失較為嚴重，所占面積 5080.30km2，面積比例達到24.15%。

總體而言，昆明市石漠化敏感性不敏感區域所占面積較少，輕度敏感以上區域面積占有較大比例。在區域開發與保護過程中，對各類型敏感區域都應予以重視，重點加強高度敏感、中度區域生態整治與環境建設，同時不能忽視對不敏感、輕度敏感區域的保護，要做好相關防治工作，以防止敏感性的升級過度。

4 結語

以地理信息系統技術、遙感技術和全球空間定位技術等為代表的地理信息技術的迅速發展，為研究地球表面各種空間信息和動態變化提供了良好的技術手段。

石漠化作為中國西南地區一個指示生態環境的重要因子，對其進行敏感性評價可以為區域生態環境整治與保護提供科學的參考依據。以不同的石漠化敏感區劃作為依據，可以確定相關生態環境整治、建設和保護的重點區域，對區域的開發利用過程中避免石漠化生態環境問題的出現有指導性的意義。

昆明市作為云南省喀斯特地貌發育的典型地區之一，石漠化敏感性總體偏高，在區域開發過程中，要根據敏感性區劃，采取相關整治、保護措施，防止石漠化生態環境問題的出現和進一步惡化。

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