基于RS/GIS的土地石漠化時空變化趨勢研究

苗書鋒羅 成李 彪

（1.武漢科島地理信息工程有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000；2.廣西師范學院，廣西 南寧 530000）

基于RS/GIS的土地石漠化時空變化趨勢研究

苗書鋒1羅 成2李 彪2

（1.武漢科島地理信息工程有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000；2.廣西師范學院，廣西 南寧 530000）

石漠化是制約中國西南部發展的一種生態災害，它引起水資源短缺、土地生產力下降、并加快了區域貧困的進程。只有充分認識石漠化的現狀，掌握其發展趨勢，才能制定有效的治理措施，縮小區域貧富差距，促進社會的和諧和穩定。廣西平果縣具有顯著的喀斯特地貌，自1995年起鋁業發展迅速，平果縣也逐漸成長為“中國西部百強縣”，高速的經濟發展更易對本身具有喀斯特地貌的脆弱生態環境造成破壞。使用RS和GIS技術對1994年、2000年、2009年的TM影像處理，提取計算出植被覆蓋率、土壤裸露率，得到石漠化分級圖。分析平果縣近些年裸巖石漠化的面積變化及其變化產生的原因，并提出石漠化治理的措施。

RS；GIS；石漠化治理

1 引言

喀斯特石漠化（Karst rocky desertification），簡稱石漠化，它以脆弱的生態地質環境為基礎，以強烈的人類活動為驅動力，以土地生產力退化為本質，以出現類似荒漠化景觀為標志[1]。中國的巖溶區面積較大，特別是西南片區，其裸露型巖溶區是世界三大碳酸巖分布片區之一，為東亞片區的核心部分，是發育程度較成熟的地方。“石漠化”發展最直接的后果就是土地資源的喪失，甚至會出現無地可耕的尷尬狀況，而且飲水困難，嚴重影響地區的生活和經濟發展。石漠化現象，使得農業生產條件更加差、生態環境惡化，進而影響了群眾生存、生活的基本條件，很多地方被迫進行生態移民。

2 研究區域

平果縣位于右江河畔，23°12′～23°51′N，107°21′～107°51′E，為百色市東大門。平果縣的東北為大化縣、其東邊為馬山縣、東南與武鳴縣為鄰、南靠近隆安、西南與天等縣交界、西為田東縣、北與巴馬、都安接壤。平果縣“南（寧）—貴（陽）—昆（明）”經濟帶的咽喉地帶，又處于“中國—東盟自由貿易區”，是大西南出海的重要通道。全縣轄9個鎮3個鄉。全縣大石山區面積占全縣總面積的64.65%，全縣67.83%的人口生活在大石山區，人均耕地面積約0.4畝。該地區的高溫多雨亞熱帶季風氣候加快了石漠化發展的進程。

3 研究方法

3.1數據來源

采用廣西百色平果縣1994年11月5日、2000年1月1日、2009年1月30日三年的Landset5 TM影像以及地形圖進行研究，該TM影像共包含7個波段的TM影像和一個DEM影像。影像圖像清晰，成像條件較好，很方便用于制作植被覆蓋圖、土壤裸露率圖、裸巖率計算結果圖、坡度圖等，將得到的這些圖層在軟件Arcgis中進行疊加分析，從而得到百色市平果縣石漠化等級分布圖。其他輔助數據包括一些廣西百色平果縣的統計年鑒、平果縣的行政區劃圖等資料。

3.2影像處理

多波段合成、影像載剪、影像增強、影像融合以及監督分類等。

在地理空間數據云網站下載3年不同時相即1994年11月5日、2000年1月1日、2009年1月30日的數據。數據下載好之后，共有7幅圖，再進行波段的拼接，在ENVI4.8中點擊Basic Tools—Layer Stacking，選擇下載好的影像進行拼接成一幅圖，一次對3年的影像圖進行此操作。在軟件中分別打開同一年份的影像圖以及矢量圖，先將矢量轉化成感興趣區域（ROI），再利用（ROI）從影像中裁剪出感興趣區域。使用到的工具是Basic Tools—Subset Data via ROIs，裁剪出研究區。使用Enhance—Interactive—Stretching—Stretch Type—Linear工具進行空間域增強處理，根據圖像的情況進行拉伸調整。經過一系列的預處理之后得到研究區的影像圖。

3.3土地覆被圖

首先基于envi4.8軟件對圖像進行分析，通過對照谷歌地圖等衛星影像和實地考查后定義8類地物樣本為林地、草地、耕地、居民區、裸巖、裸土、水域、其他地物。應用ROI Tools創建感興趣區，最后評價訓練樣本，在研究過程中每個感興趣區的分離性均大于1.8，屬于合格樣本。最后運用最大似然（likelihood classification）分類器執行監督分類。進行分類后處理，得到1994年、2000年、2009年平果縣的土地覆被圖如圖1所示。

圖1　1994年、2000年、2009年平果縣的土地覆被圖

3.4植被覆蓋度

目前已經發展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，較為實用的方法是利用植被指數近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數為NDVI。本次研究是使用李苗苗等[2]在像元二分模型的基礎上研究的模型：

本次基于envi4.8來算植被覆蓋度，分別取累積概率為5%和90%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。利用ENVI中 Band Math功能計算表1公式，最后得到單波段的植被覆蓋度圖像文件，像元值即表示這個像元內的平均植被覆蓋度，最后生成平果縣植被覆蓋圖，如圖2所示。

表1　平果縣1994年、2000年和2009年的NDVI值

圖2　1994年、2000年、2009年平果縣的植被覆蓋圖

3.5FCD模型計算裸土指數BI

FCD模型是基于森林的生物一物理特性而提出的，它以Landset TM 影像為數據源，主要構造四個指數：植被指數(VI)、裸土指數(BI)、陰影指數(SI)和熱量指數(TI)[3]。其中植被指數可以采用AVI或NDVI等，

AVI=((B4+1)*256-B3)* (B4-B 3))，NDVI= (B4-B3 )/(B4+ B3)，BI=(B5+B3-B4-B1)/(B5+B3+B4+B1)，SI=(256-B l)(256-B2) (256-B3))。

因此本次研究采用Bl=(B5+B3-B4-B1)/ (B5+B3+B4+B1)來計算研究區的裸土指數，得到的三年的土壤裸露率圖，如圖3所示：

圖3　1994年、2000年、2009年平果縣的土壤裸露率圖

3.6裸巖率的計算

在喀斯特地區，除居民點、水域、道路區域外，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[4]。利用公式：裸巖率=（1-土壤裸露率-植被覆蓋率）*100%，在Arcgis中分別加載植被覆蓋率和土壤裸露率的圖像，然后利用空間分析的柵格計算器，輸入公式分別得到3年的裸巖率，如圖4所示。

圖4　1994年、2000年、2009年平果縣的裸巖率圖

3.7坡度圖

由DEM數據生成平果縣的坡度圖。加載DEM數據進Arcgis中，打開ArcToolbox，點擊3D Analyst Tools—Raster Surface—Slope，輸入數據得到Slope圖，右鍵點擊圖層Slope，點擊Properties窗口，點擊Symbology，重新調整坡度分級。將類別調整為5類，得出平果縣坡度圖，圖5。

圖5　平果縣的坡度圖

3.8石漠化等級分布圖

根據石漠化等級分級標準如表2所示，利用之前得到的裸巖率計算結果、植被覆蓋度圖和坡度圖，將這3個分級因子圖層進行疊加，依次得到百色平果縣的石漠化等級分布圖，如圖6所示。

表2　平果縣石漠化強度等級分級標準

圖6　1994年、2000年、2009年平果縣的石漠化分級分布圖

4 數據分析

4.1植被覆蓋度數據驗證

主要采用的方法是在進行監督分類的時候除了通過在目視解譯的時候對照相應年份的 Coogle地球來提高分類精度之外，還配以采用照相法對研究區主要土地類型的植被覆蓋度進行外業實地調查，來確定分類是否正確進行數據的驗證[5]。

4.2石漠化景觀格局總體變化

在最后得到的石漠化類型變化圖中，可以很直觀的看出這兩段時間內，石漠化的速度都是呈上升趨勢。對比圖6中3個時態石漠化的空間分布，西南部果化鎮石漠化情況基本一致，而中部地區的石漠化情況都有不同程度的加重，一方面由于果化鎮地區石漠化發育較強，該地區又是平果鋁業公司生產原料的主要供應地之一，相對于其他區域政府的關注、治理力度都會比較大；另一方面從圖 5中可以看出中部地區的坡度較大，多少年到多少年，平果縣相繼發生了干旱、暴雨、洪澇災害、地震，泥石流、山體滑坡等地質災害，這些都加劇了坡度大地區石漠化的速度。

從石漠化的類型上看，1994年至2000年時間段內石漠化速度比后9年的石漠化速度快，2000年至2009年，部分區域有呈現出石漠化程度降低甚至有向無石漠化轉換的趨勢。

4.3不同石漠化景觀的變化情況

平果縣石漠化分級逐年變化如圖7所示。

圖7　平果縣石漠化分級逐年變化圖

表3　1994年、2000年、2009年各石漠化類型構成情況 單位：km2

表4　1994年～2000年間石漠化斑塊類型的轉移矩陣 單位：km2

表5　2000年～2009年間石漠化斑塊類型的轉移矩陣 單位：km2

4.3.1潛在石漠化景觀格局變化

從圖6的空間分布看，中西部地區和北部地區轉化較為明顯，尤其是在1994年～2000年間，表現為向石漠化發展。速度上，1994年～2000年的轉化速度較快，并且向較嚴重程度轉化的面積較多，有364.445km2的潛在石漠化圖斑轉變為其他石漠化類型圖斑，同時有37.979 km2的其他石漠化類型圖斑轉化為潛在石漠化。2000年～2009年間轉化為石漠化類型的圖斑面積降低為126.728km2。同時，114.98 km2的其他圖斑轉化為潛在石漠化類型圖斑。

4.3.2輕度石漠化景觀格局變化

在3個時期的石漠化等級動態變化圖6中可以看出，輕度石漠化面積總體是減少的，但2000年至2009年間減少量較大，由1994年的335.837 km2減少為2000年的322.242km2，2000年后由322.242km2減少到2009年的240.586km2。但從轉化類型面積上看，1994年～2000年輕度石漠化向嚴重程度轉化的有112.248 km2，石漠化情況減輕的面積有32.098 km2，而2000年～2009年，有116.855 km2的原輕度石漠化的地區向嚴重程度轉化，石漠化情況減輕的面積有97.326 km2。這兩個方面對比可見2000年～20009年對于輕度石漠化區域的治理是初見成效的，但也不能忽視輕度石漠化向嚴重程度的轉化情況。

4.3.3中度石漠化景觀格局變化

從圖6中可以看出，1994年中度石漠化類型的地區主要集中在西南部和東南部，到2000年，中度石漠化類型的地區有了很大的擴展，從52.857km2增長到529.602km2。對比表4可以看出這段時期有69.814 km2的中度石漠化圖斑轉化為更為嚴重的重度、極重度石漠化類型圖斑，而中度石漠化能保持和向輕度發展的只有20.154km2。到2009年在空間上東南部、北部的原中度石漠化地區向輕度、潛在石漠化發展。從表5中反應出石漠化程度不變和好轉的有282.362 km2，明顯高于前一極端，但不能忽視的是有103.116 km2的區域向重度和極重度石漠化發展。

4.3.4重度、極重度石漠化景觀格局變化

在空間構成上，圖6中1994年重度、極重度石漠化的區域主要集中在西南部果化鎮，總面積為385.708km2，而2000年和2009年重度、極重度石漠化的區域擴展到中部和北部坡度較高的地區，總面積分別達到459.807 km2和383.616 km2。在面積變化上，重度、極重度石漠化轉化來源也有所不同，1994年～2000年主要是由潛在石漠化和中度石漠化類型轉化而來，但2000年～2009年主要是由輕度和中度石漠化類型轉化得到的。面積數量上，1994年～2000年有245.782 km2的新增重度、極重度石漠化圖斑；2000年～2009年新增圖斑面積降低為165.352 km2。

5 土地石漠化治理措施

從石漠化的數據得出，從2000年～2009年平果縣石漠化的速度較2000年之前在降低，部分區域也呈現出石漠化程度降低甚至向無石漠化轉換的趨勢，所以，該區域石漠化整體的發展趨勢為強度→中度→輕度→潛在、無明顯石漠化。雖然石漠化治理已經初見成效，但該區域如果繼續遭受破壞，演變的趨勢很有可能逆轉，進一步說明石漠化治理還是任重而道遠。

5.1科學規劃，富裕百姓

由于該地區教育落后，人口素質低，政府部門要加大教育投資，擴大宣傳，讓廣大人民重視石漠化治理工作的重要性，同時政府要始終堅持生態優先的原則，正確處理改善生態與發展經濟的關系，形成“意識—行為—生態—經濟發展”的良性互動，爭取生態與經濟雙贏。編制實施方案時，聘請相關專家進行指導，統一規劃、科學配置、防治保結合，實現該區域生態、經濟及社會的可持續發展。

5.2恢復生態環境

生物與工程措施并舉，開展小流域綜合治理，鞏固退耕還林成果項目，加大封山育林、人工造林力度，在保護現有森林資源和林草植被的同時，加大和恢復林草植被。

5.3特色經濟果樹栽培

火龍果耐旱、需水量小，而且可在石山地縫中生長，經濟效益也較高，可在光、溫、熱比較充足的地區大力推廣種植火龍果。同時套種黃豆和花生等矮桿經濟作物，促進農民增收。

5.4簽訂管護責任書

石漠化治理的各項工程和措施都需要相當大的投入，為了確保石漠化治理工作有條不紊地進行，并取得一定成果，應實施綜合治理工程管護，簽訂管護責任書。

6 結論與討論

應用RS和GIS軟件，對平果縣的土地石漠化變化的空間格局進行分析，揭示其動態變化規律。本研究方法通過驗證，證明現實可行。該研究結果有助于保護喀斯特生態環境，同時，對石漠化的有效防治具有一定的意義。同時可以看到，近年來政府為治理石漠化采取了一系列有效的措施。例如，自2001年開始，將石山特殊灌木林劃入公益林范圍，實施封山育林、人工造林、加強管理、建沼氣池。但是治理石漠化的道路還是充滿荊棘的，還需要政府和當地群眾的共同努力。

（1）建立時間序列數據庫，定期對石漠化區域進行檢測取樣，利用模型將各個時期的研究結果進行比較，分析植被覆蓋度的變化情況，并找出其影響的原因，為政府決策提供依據。

（2）利用GIS二次開發技術，開發針對于石漠化問題的監管系統，實現實時監控。

[1] 陳偉華.礦山石漠化形成機理及評價指標體系研究——以赫章縣媽姑鎮為例[D].貴陽:貴州大學,2008.

[2] 李苗苗.植被覆蓋度的遙感估算方法研究[D].北京:中國科學院遙感應用研究所,2003.

[3] 江洪.一種以FCD模型從SPOT影像提取植被覆蓋率的方法[J].地球信息科學學報,2005,(4):113-116.

[4] 張盼盼,胡遠滿,肖篤寧,等.一種基于多光譜遙感影像的喀斯特地區裸巖率的計算方法初探[J].2010,25(4):306-311.

[5] 易勝.基于RS和GIS巖溶地區植被覆蓋度分析——以湖南洛塔為例[D].桂林:廣西師范大學,2008.

Research on temporal and spatial variation of land rocky desertification based on RS/GIS

Rocky desertification is a kind of ecological disaster which restricts the development of Southwest China. It has caused water shortage, decreased land productivity, and accelerated the process of regional poverty. Only by fully understanding the status quo of rocky desertification, grasping the development trend, we can make effective management measures, narrow the gap between rich and poor, and promote social harmony and stability. Pingguo Guangxi county has a significant Karst landform, since 1995 the rapid development of aluminum industry, Pingguo county has gradually grown into a hundred counties in Western China, the rapid economic development of Karst Province, more easily to the fragile ecological environment caused by damage to the environment. Using RS and TM technology in 1994, 2000, 2009, GIS image processing, extracting the vegetation cover rate, soil bare rate, get the stone desertification grading map. Analysis of the changes in the area of bare rocky desertification in Pingguo County in recent years, and the reasons for the changes in the area, and put forward the measures of the treatment of rocky desertification.

RS; GIS; rocky desertification control

X14

A

1008-1151(2015)09-0052-04

2015-08-05

苗書鋒（1978－），男，河南舞陽人，武漢科島地理信息工程有限公司南寧分公司經理，從事測繪項目的經營、管理與技術支持。

羅成（1955－），男，廣西合浦人，廣西師范學院實驗師，從事實驗中心管理及測繪工程專業的教學工作。