基于Landsat衛星影像的石漠化與水土流失相關性分析

趙元凌++王志剛

摘 要：石漠化是我國西南喀斯特地區普遍存在的生態環境問題。本文以典型喀斯特槽谷區重慶市酉陽縣作為研究區域，研究分析區域內石漠化與水土流失的相關性。首先，利用Landsat8衛星影像和高程數據，計算坡度、土地利用、植被覆蓋度、基巖裸露率等因子；然后，根據這些因子，制作酉陽縣石漠化程度和水土流失強度分布圖；在此基礎上，計算分析酉陽縣石漠化程度和水土流失強度相關性。結果表明，本文分析得到的水土流失與石漠化相關性成果，對制定石漠化區域未來治理措施具有良好的指導意義。

關鍵詞：石漠化；水土流失；Landsat8；相關性

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0009-03

我國西南巖溶區由于人為活動所造成的水土流失，形成原生地表植被破壞、巖石裸露的情況，存在嚴重的石漠化問題[1]。石漠化會導致土地生產力降低，影響當地農業經濟，同時也破壞生態環境，制約可持續發展[2]。石漠化被認為是水土流失長期作用下的一種體現，兩者之間有一定的因果關系[3]。近年來，許多學者從不同角度對石漠化與水土流失的關系進行了研究。尹輝等[4]對西南巖溶區的水土流失強度和石漠化程度進行了動態評價研究。詹奉麗等[5]、張琦等[6]、陳起偉[7]分別在貴州省的關嶺縣、六盤水市和安順市對水土流失和石漠化之間的關系進行了分析。但是，相關研究中還沒有涉及到喀斯特槽谷區的石漠化與水土流失的空間相關性分析。

Landsat8衛星由美國于2013年發射，其搭載的OLI傳感器具有30m的空間分辨率，包含多個可見光和近紅外波段[8]，可用于解譯水土流失強度和石漠化程度。本文以Landsat8 OLI影像為主要數據源，對典型喀斯特槽谷區重慶市酉陽縣的水土流失強度和石漠化程度空間相關性進行了研究，以為相關地區的水土流失和石漠化的綜合治理提供理論依據。

1 研究區概況

酉陽縣位于重慶市東南部，地理坐標為東經108°18′25″～109°19′18″、北緯28°19′28″～29°24′18″，東西寬98.3km，南北長119.7km，面積達5173km2，地形起伏較大，海拔在263m至1895m之間。酉陽縣地處亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛，年降雨量在1000mm至1500mm之間。酉陽縣總人口約86萬人，年均生產總值約達110億元。近年來，酉陽縣投入大量人力物力治理石漠化問題，但是目前石漠化問題依然嚴峻，嚴重影響當地經濟發展，破壞生態環境。圖1所示為酉陽縣真彩色衛星影像圖，其中黃色覆蓋區域為喀斯特區域。

2 數據與方法

2.1 坡度

本文所使用的坡度數據是采用美國對地觀測衛星Terra的高程產品，通過ArcGIS軟件制作得來，分辨率為30m。如圖2所示，酉陽縣地面坡度分布在0～70°之間，最大69.05°、最小0°、平均坡度16.79°，其中，小于5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、大于35°的面積分別為：406.07km2、478.96km2、1544.42km2、1817.2km2、728.44km2、197.91km2。

2.2 土地利用

土地利用數據使用Landsat8 OLI影像作為數據源，采取面向對象的分類方法，在ENVI軟件中解譯得到。酉陽縣的土地利用類型主要為林地、耕地和草地（圖3），林地、耕地、草地、城鎮、水體、裸地的面積分別為：3534.21km2、1028.9km2、569.18km2、15.65km2、24.84km2、0.22km2。

2.3 植被覆蓋度

植被覆蓋度利用Landsat8 OLI影像的紅波段和近紅外波段，首先通過式（1）計算歸一化植被指數NDVI，再通過式（2）計算植被覆蓋度FV。

（1）

（2）

其中：ρNIR是近紅外波段反射率，ρRED是紅波段反射率，NDVI0是無植被覆蓋的區域NDVI值，NDVIV是完全植被覆蓋區域NDVI值。實際中，可分別取累積概率密度為5%和95%的NDVI值作為NDVI0和NDVIV的估值，計算植被覆蓋度FV。

如圖4所示，酉陽縣植被覆蓋度小于30%、30～45%、45～60%、60～75%、大于75%的面積分別為：1185.95km2、878.69km2、931.65km2、857.95km2、1318.77km2。

2.4 基巖裸露率

基巖裸露率通過Landsat8 OLI影像的第5和第6波段計算得到，首先通過式（3）計算石漠化指數值Di。

Di=（DNi6Gi5-DNi5Gi6）/（DNi6Gi5+DNi5Gi6） （3）

其中，DN為像元亮度值，Gi5為第5波段所有像元亮度值的幾何平均值，Gi6為第6波段所有像元亮度值的幾何平均值；i為像元序號。然后根據式（4）計算基巖裸露率Ai。

Ai=（Di-Dmin）/（Dmax-Dmin） （4）

其中，Dmax為所有象元中石漠化指數最大值，Dmin為所有象元中石漠化指數最小值。

根據圖5可知，基巖裸露率小于5%、5～30%、30～50%、50～70%、大于70%的面積分別為：446.21km2、1080.29km2、2405.99km2、1154.81km2、84.97km2。

2.5 水土流失強度

水土流失強度的劃分標準參照表1，通過土地利用類型、植被覆蓋度和坡度三個因子來劃分。

2.6 石漠化程度

石漠化程度的劃分標準參照表2，由不同比例的基巖裸露率來確定。

3 結果與分析

3.1 水土流失強度分布endprint

按照坡度、植被覆蓋度、坡耕地三個指標判斷，酉陽縣地表水土流失強度以輕度、中度、強烈等級為主，水土流失較強的區域主要分布在槽谷兩側的槽壁上，較低的區域主要分布在槽谷底部（圖6）。劇烈、極強度、強度、中度、輕度、微度面積分別為146.06km2、520.23km2、789.99km2、1267.56km2、47.18km2、1801.98km2。

3.2 石漠化程度分布

酉陽縣石漠化較嚴重的區域主要分布在山嶺的頂部（圖7）。各等級的面積，無明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化面積分別為：260.47km2、686.15km2、1620.54km2、838.29km2、53.16km2。

3.3 水土流失與石漠化相關性

通過酉陽縣地表水土流失強度與石漠化程度關系分析（圖8），可以發現輕度石漠化區水土流失強度變化幅度較大，說明輕度石漠化區是水土流失較為敏感的區域，好的土地利用方式和管理措施可以大幅度降低水土流失強度，壞的土地利用方式和管理措施可以大幅度加大水土流失強度。而中度和中度石漠化區地表可流失的土壤已經很有限，水土流失對土地利用方式和管理措施的敏感性較低；輕度石漠化區，由于地形叫平坦、植被生長較好，總體水土流失面積不大。

4 結語

本文對酉陽縣石漠化程度與水土流失強度的相關性作了分析與研究。研究發現：首先，Landsat8 OLI影像可作為石漠化和水土流失遙感解譯的數據源，其數據質量和適用性均能滿足要求；其次，酉陽縣中輕度石漠化區是水土流失較為敏感的區域，需要加強水土保持管理措施，防止水土流失，從而導致該區域的石漠化；最后，基于遙感和地理信息技術的水土流失與石漠化相關性分析能夠很好指導石漠化區域未來治理措施的制定，相關分析方法值得進一步深入研究。

參考文獻

[1]D. Yuan. Rock desertification in the subtropical karst of south China[J]. Geomorphology，1997，108：81-90.

[2]王恒松，熊康寧，劉云.喀斯特區地下水土流失機理研究[J].中國水土保持，2009（08）：11-15.

[3]曹建華，蔣忠誠，楊德生，等.貴州省巖溶區水土流失，石漠化受巖溶環境制約[J].中國水土保持，2009（1）：20-23.

[4]尹輝，蔣忠誠，羅為群，等.西南巖溶區水土流失與石漠化動態評價研究[J].水土保持研究，2011，18（1）：66-70.

[5]詹奉麗，蘭安軍，劉發勇，等.中國南方典型喀斯特區石漠化與水土流失的空間耦合性：以關嶺縣為例[J].貴州農業科學，2015，43（10）：200-204.

[6]張琦，蔡雄飛，汪發勇，等.喀斯特石漠化與水土流失強度耦合關系分析——以六盤水市為例[J].亞熱帶水土保持，2016，28（3）：7-11.

[7]陳起偉，盧紹香.巖溶區水土流失與石漠化相關性研究——以貴州安順市為例[J].廣東農業科學，2014，14：149-153.

[8]David P. ROY， et al. Landsat-8： Science and product vision for terrestrial global change research[J]. Remote Sensing of Environment，2014，145： 154-172.endprint