基于TM影像的重慶市縣域石漠化變化研究

全勝+楊華

西南地區石漠化分布廣布，重慶彭水縣作為全國石漠化治理重點縣，生態環境脆弱，石漠化地區廣布，影響制約著當地社會經濟發展，人地關系矛盾突出，研究彭水縣石漠化的動態變化將為治理石漠化提供依據與理論基礎。本文借助GIS與RS技術，利用植被覆蓋度模型，土地利用，監督分類與人機交互相結合的手段分析了2005與2013年TM數據，并結合現有的彭水縣植被恢復工程、生態移民工程、農村移民工程等資料，分析了彭水縣2005至2013年彭水石漠化經初步治理后的動態變化。結果表明2005年2013年，彭水縣潛在石漠化面積減少。輕度石漠化增加，中度石漠化面積得以控制減少轉變為輕度石漠化，彭水縣重度石漠化和極重度石漠化面積基本保持不變且呈現出輕微下降。 本文旨在為彭水縣石漠化治理提供依據和技術支持。

在我國經濟飛速發展，城市化進程加快的時代背景下，生態問題成為比較突出的問題。如資源匱乏，人口密集、物種滅絕生態惡化等。重慶渝東南地區生態問題主要表現為土地石漠化。石漠化是由于在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發育的自然背景下，受人為活動干擾，使地表植被遭受破壞，導致土壤嚴重流失，基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現象，也是巖溶地區土地退化的極端形式。石漠化就是一種特殊的生態惡癥，造成土里利用率下降，嚴重危害自然生態環境，影響經濟發展。

一、研究區選取

彭水全縣巖溶地區分布廣泛，生態環境脆弱，再加上人們不和合理的土地利用，石漠化成為制約該地區經濟發展的重要問題。彭水縣是全國石漠化區域比較典型的區域，2011年被評為全國200個石漠化重點縣。

二、研究區地理概況

彭水縣地處中國西南重慶市渝東南苗族土家族自治縣，東經108.19度，北緯29.29度，土地面積約為3950平方公里。位于武陵山脈和婁山山脈褶皺區域，彭水縣地勢西北高東南低，呈現凹字型地貌特征。全縣平均海拔245米，無霜期311天，全省平均氣候17.7度。巖溶地區分布廣泛。

三、數據來源與研究方法

（一）基礎數據來源

（二）研究方法

基于TM遙感影像，對研究區的石漠化信息提取并且分類，采用的指標有植被覆蓋度，土地利用。由于研究需要，在解譯遙感信息前，要對有關影像數據進行預處理，盡量減小誤差。我們對研究區遙感影像采用envi4.8軟件進行，輻射校正、幾何糾正配準、裁剪等。

（三）石漠化分級指標體系

由于石漠化研究區，尺度與研究目的不同，導致石漠化分級體系存在差異。這次研究區域為彭水縣縣域尺度內，結合巖性，巖石裸露，植被覆蓋將石漠化程度劃分為，潛在石漠化，輕度石漠化，中度石漠化，重度石漠化，極重度石漠化。根據本研究區域情況綜合考慮，分別選取植被覆蓋度，土地利用為影響石漠化的因子。利用GIS與RS技術，人機交互相結合獲取數據，對研究區石漠化信息進行解譯。

（四）數據處理信息提取獲取

植被覆蓋度是指綠色植被（包括葉、莖、葉）在地面垂直投影面積統計區總面積的百分比。它是表示一個地區植被狀況的重要指標，可以表示這個地區生態環境變化以及現狀，可用于荒漠化評價研究。本文用植被覆蓋度劃分出石漠化與非石漠化區域，再根據土地利用疊加，目視解譯加以輔助提取石漠化遙感信息，可以有效簡單準確的提取出彭水縣研究區石漠化信息，目視解譯標準如下所示。

1.植被覆蓋度估算模型。我們采用象元線性分解模型，像元線性分解模型是一種簡單實用的遙感估算模型，它假設一個像元的地表由有植被覆蓋地表與無植被覆蓋地表組成，而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這兩個組分因子線性加權合成，各因子的權重是各自的面積在像元中所占的比例。

本文中對一個像元計算的植被指數可以表達為這個像元由綠色植被成分所貢獻的植被指數與由土壤成分所貢獻的植被指數這兩部分組成。綠色植被成分在這個像元中所占的權重可被近似地視為該像元的植被覆蓋度Fg，土壤覆蓋的權重則為1.0與植被覆蓋度的差值（1-Fg），則：

I=Fg*Ig+（1.0-Fg）*IO（1）

公式中I為植被指數；Io為裸土或無植被覆蓋區域像元的I值，即無植被像元的I值；Ig代表完全植被覆蓋區域像元的I值，即純植被像元的I值。變換后，可得以下計算植被覆蓋度的公式：

Fg=（I-Io）/（Ig-Io）（2）

歸一化差值植被指數（NDVI）又稱標準化差值植被指數，是近年來較為常用的一種監測植被的遙感指數，用于大區域的植被檢測。綠色植被反射光譜的突出特點是對紅光（RED）的高吸收率和對近紅外光（NIR）的高反射率，因此NDVI定義為：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED） （3）

公式中，NIR為近紅外波段反射率值；RED為可見光紅波段反射率值。

根據像元線性分解模型，圖像中每個像元的NDVI值可以看成是有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分貢獻的信息，由公式（3）變換可得利用NDVI計算植被覆蓋度的公式：

Fg=（NDVI-NDVIo）/（NDVIg-NDVIo） （4）

公式中NDVIo為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；NDVIg代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

參數取值

當最大植被覆蓋度可以近似地取100%，最小植被覆蓋度min可以近似地取0，即NDVIg=NDVImax和NDVIo=NDVImin。但是實際上Fgmax與Fgmin不能取100%，0，因此需要實測數據。只需要實測數據中的植被覆蓋度的最大值與最小值，并在圖像中找到這兩個實測數據所對應像元的NDVI值。計算公式變為：

Fg=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin） （5）

本次研究由于沒有當地的實測數值，通過envi選取訓練區方法獲得研究區的NDVImax與NDVImin的值分別為0.903和0.038。為了增強亮度反差，對圖像光譜進行線性擴展255.

非石漠化區域主要包括純植被覆蓋區域、水體、裸巖石礫地及耕地。將所得的是植被被覆蓋度，與現有的土地利用圖進行疊加分析，分離出石漠化區與非石漠化區。再根據彭水縣的植被覆蓋度，傳統經驗，目視解譯，劃分出石漠化程度，最終得到彭水縣石漠化遙感數據及分布狀況，如圖。

四、數據結果

分別將2013和2005年的遙感數據與現有數據相結合得到彭水縣石漠化面積（表1），結合相關的彭水石漠化治理工程措施資料.對數據進行疊加分析，總結得到彭水縣石漠化的成因及其治理現狀變化趨勢。

五、結果分析

（一）石漠化成因分析

彭水縣石漠化成因大致分為兩方面：人為因素和自然因素。

1.人為因素。人為因素為主要因素，其中包括過度放牧、工業污染、工業建設等。首先過牧過伐超過草場和林地的合理承載量，削弱草場和林地對生態環境的調節作用，而毀林開墾，更是直接性地破壞生態環境的平衡。如果遇到惡劣氣候，人為造成自然環境破壞，造成嚴重的水土流失，則進一步加速土地石漠化的形成。

工礦建設需要占地天然草場植被，破壞了生態環境，間接影響土地石漠化。工礦建設廢渣的亂堆亂放，造成大量的礫石堆積和基巖裸露，直接影響土地石漠化的形成。

2.自然因素。自然因素突出表現為地質災害。其主要表現方式為泥石流、滑坡、地震等；當然也包括長時間，集中降水，等災害性天氣。

（二）彭水縣石漠化演變分析

由表可見彭水縣2005年到2013年石漠化程度及其分布面積總體呈現下降趨勢，這得歸功于制植被恢復工程，農田建設，封山育林，生態移民，農村能源建設。石灰巖地區生態環境一般遵循灌叢草坡→火燒或割草→耕地→撂荒→草坡的過程。彭水縣潛在石漠化地區主要集中林業用地和耕地。2005年到2010年期間植被恢復工程，包括封山育林育草，人工造林，人工種草，畜牧業設施，經濟林果或中草藥面積達到了80萬畝，人為打破了這種固有的石灰巖地區生態破壞過程，同時對于基巖裸露度較高的耕地效果也相當明顯，大大的減少了潛在石漠化面積。2005年潛在石漠化面積28333.475公頃，2013年為19637.333公頃減少了30.69%。2005年到2013年彭水縣輕度石漠化面積減少，從23852.199公頃減少到18567.122公頃，中度石漠化面積從57933.623公頃減少到47844.623公頃，由此我們推斷，彭水縣采取以植被恢復為主，兼顧生態和經濟效益的治理理念，恢復措施效果顯著。使原來輕度石漠化區域和中度石漠化區域均出現下降趨勢，同時又有一部分中度石漠化區域下降為輕度石漠化區域。彭水縣2005年到2013年重度石漠化地區分別為12733.397公頃和11506.774公頃，極重度石漠化地區分別為333.335公頃，331.356公頃。重度石漠化地區與極重度石漠化地區相比其他石漠化地區，恢復起來相對困難。因此彭水縣采取生態移民等措施，根據相關資料彭水縣在五年內搬遷戶數4374戶，搬遷人數17817，使重度與極重度石漠化面積基本上保持穩定，還有略微下降的趨勢。

六、結語

（一）研究總結

本文借助GIS與RS技術，利用植被覆蓋度模型，土地利用，監督分類與人機交互相結合的手段分析了2005年與2013年TM數據。結合現有的彭水縣植被恢復工程、生態移民工程、農村移民工程等數據，分析了彭水縣2005至2013年彭水石漠化經初步治理后的動態變化。

石漠化不管是理論研究還是實際治理都是一個長期復雜的過程，既需要對自然環境進行有效的檢測，還需要石漠化治理理論的不斷創新。政府應完善治理政策，加大防治力度，以恢復植被覆蓋為中心，落實植被覆蓋工程，建立監測點動態監測，因地制宜，具體問題具體分析。不斷推進生態移民工程，植被恢復工程，加大科普宣傳力度，不斷完善石漠化綜合治理體系。

（二）研究不足

本次研究采用的遙感影像并不是高光譜數據，對于石漠化信息遙感解譯存在一定的誤差，結果并不精確。

解譯方式還是主要依賴目視解譯，目視解譯必定與實際情況有所差距，解譯精度不高，容易出現誤判，漏判。所以作者在以后的研究中會努力獲取高質量，光譜信息更完整，更精確的數據，全面提高信息提取的準確性。本研究僅僅選取了2005年和2013年的數據進行解譯，數據有限，對研究區石漠化范圍的分析并不完全正確。需要在今后的研究中加以改正與補充。

土地石漠化造成自然環境破壞，人地關系不和諧，嚴重制約當地經濟發展。正所謂綠水青山就是金山銀山，自然環境改善，我們的經濟才能搞上去，才能提高人們的生活水平，因此我們要在實踐中探索，在探索中發現，找出病根，對癥下藥。提出石漠化治理有效的辦法，從而保護環境，提高石漠化地區經濟水平，提升居民生活質量。最后由衷的希望各位專家能對本次研究提出寶貴的建議，讓筆者充分汲取經驗教訓，做出更高質量的研究成果。

（作者單位：重慶師范大學地理與旅游學院）