廣西河池地區巖溶石漠化遙感特征測度方法研究

摘 要 本文以廣西河池地區為研究對象，嘗試應用各種遙感研究方法，分析研究巖溶石漠化現狀和發展趨勢。研究中分 別利用1973年MSS數據、1990/1994年TM數據、1999年ETM+數據，通過不同年代數據的對比分析，分別運用NDVI、纓帽變換綠度指數、掩模分區、基于巖溶石漠化植被指數和主成分分析的信息提取方法等四種研究方法，對研究區進行定量測度，以分析其巖溶石漠化現狀及發展趨勢。通過研究發現，四種研究方法的作用各有特點、各有所長、相輔相成，可根據實際需要選取其中的方法應用到巖溶石漠化的研究和監測中。

關鍵詞 巖溶石漠化；遙感特征；測度；廣西河池

中圖分類號：TP7 文獻標識碼：B

Abstract： This paper takes Hechi of Guangxi area as the research object， using the 1973 MSS data， 1990/1994 TM data and ETM+ data in 1999， by comparing the different in data analysis， using the four methods of NDVI vegetation index， vegetation index， tasseled cap transformation mask division， information extraction method analysis of karst rocky desertification and vegetation index based on principal components respectively， quantitative analysis of the current situation and development trend of the research area of karst rocky desertification. The study found that the four methods have their own characteristics and function， can be selected according to each one has his good points complement each other， which method could be applied to the research and monitoring of Karst Rocky Desertification in the actual needs.

Keyword： Karst rocky desertification； remote sensing characteristics； measure； Hechi of Guangxi

0 引言

巖溶石漠化范圍廣，地形條件復雜，邊界不規則，生態環境惡劣，以及交通不便等因素，因此采用常規野外勘測手段難以進行有效監測。吳虹等在《石漠化遙感動態測度與基于T-GIS的定量評價》[1]一文中指出“衛星遙感以其廣視域、多波段、多時像和快速等優點，成為巖溶石漠化監測與快速評價技術的最佳選擇”。文中還指出“由于“化”是石漠化的重要特征，而“化”具有時變性，因此，遙感必須考慮對“化”動態特征信息的提取和定量分析”[1]。所以，要定量地開展石漠化遙感，必須準確地對巖溶石漠化進行遙感特征測度。前人在石漠研究方面做了許多工作，也取得了不少成果，但是鮮見應用遙感方法對巖溶石漠化進行定量測度，本研究在借鑒前人研究的基礎上，應用各種遙感特征測度方法對巖溶石漠化進行定量測度，對比分析闡述各種測度方法的優劣性，并對測度結果進行定量分析[4]。

1 巖溶石漠化遙感特征測度

測度就是測量、測定和量度。其數學定義就是測量幾何區域的尺度[4]。遙感特征測度即是定量地測量目標地物時間特征、空間特征和波譜特征[2]。巖溶石漠化特征測度，是對空間角度變化（大面積植被破壞，水土流失—空間變化）、時間角度變化（同一地區巖溶石漠化測度特征隨著年度的變化而變化）的定量描述和表示。

巖溶石漠化遙感特征測度主要內容包括：應用多種遙感數字圖像處理方法測定某地各個年代各程度（類型）石漠化面積，各年代植被現狀。由此確定該地石漠化程度、時空變化趨勢，對該地石漠化進行有效監測。其主要包含：空間變化特征測度：包括空間位置、形狀、周長、面積等，反映石漠化的空間變化規律。

波譜變化特征測度：包括波譜屬性、石漠化程度等，反映石漠化現狀、類型、屬性。

時間變化特征測度：包括時間變化率，時間變化對石漠化的影響，反映石漠化隨時間變化而變化的規律。

2 研究區遙感特征測度方法分析

本研究區位于桂黔交界的廣西河池市一帶，主要包括廣西河池市市區及其環江縣、南丹縣、東蘭縣、巴馬縣等所屬區域，其坐標范圍為北緯24°00′00″～25°00′00″，東經107°15′00″～108°15′00″之間，面積約11300 km2。

本文在研究區內，應用NDVI、纓帽變換綠度指數、掩模分區、基于巖溶石漠化植被指數和主成分分析的信息提取方法等四種方法，分別采用1973年12月29日MSS數據、1990年8月6日與1994年5月29日鑲嵌（兩個年代各一景進行鑲嵌再根據研究區范圍截取獲得）TM數據、1999年9月24日ETM+數據（注：各年代數據均來源于互聯網免費下載數據），定量測度分析研究區巖溶石漠化現狀及發展趨勢。

2.1 NDVI植被指數方法應用分析

NDVI植被指數稱為歸一化植被指數[2]，為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和。

其運算公式為：

式中：DNNIR為近紅外波段的計數值（灰度值），DNR為紅波段計數值（灰度值）[2]

因此，TM數據的計算公式為：

NDVI=（TM4-TM3）/（TM4+TM3） （2）

MSS數據的計算公式為：

NDVI=（MSS6-MSS5）/（MSS6+MSS5） （3）

經過處理（圖1），各年代NDVI平均值呈逐年增長趨勢，由1973年的0.11，增長到1990/94年的0.44，1999年的0.45。通過三個年代NDVI平均值的縱向對比（圖2），可以說明在20世紀70年代到90年代，該區域的植被覆蓋度在逐年增加，植被生長狀況逐漸好轉，生態環境得到明顯改善。但增加的速度不一，從70年代到90年代初，NDVI值快速增長，而從90年代初到90年代末，其值卻緩慢增長。說明從70年代到90年代初，植被覆蓋度的增長速率較大，而從90年代初到90年代末其增長速率明顯放緩，反映該地區這一時間段石漠化程度有所加重。

2.2 纓帽變換綠度指數方法應用分析

采取纓帽變換處理，可以獲得三個有明確地物意義的分量，分別是亮度分量、綠度分量、濕度分量[5]。其中綠度分量可以反映植被的生長狀況和覆蓋度[2]。因此筆者對該區三個年代的數據采用纓帽變換處理，獲得綠度分量的圖像（圖3）。

MSS數據的綠度分量計算公式為[2]：（MSS6+MSS7）-（MSS4+MSS5）

TM數據的綠度分量計算公式為[2]：TM4-TM4-TM2-TM1；

通過統計分析，得出三個年代的綠度平均值分別是：4.32、34.77、8.08，對這三個值作柱狀圖（圖4）進行縱向對比可以看出，從上世紀70年代初到90年代初，綠度分量的平均值快速增加，從1973年的4.32增加到1990/94年的34.77，增加了8倍多，這一階段綠度值的變化趨勢與前述NDVI植被指數值的變化趨勢是相符的，進一步證明了從70年代初到90年代初，該地區植被覆蓋度在逐年快速增加，植被生長狀況逐漸好轉，生態環境得到明顯改善這一結論。但從90年代初到90年代末，綠度分量平均值卻急劇下降。筆者認為，這反映出該地區從90年代初到90年代末，由于經濟社會快速發展，基礎設施建設項目增多，人類活動更加頻繁，導致自然生態環境遭到破壞，石漠化程度日趨嚴重。

2.3 掩模分區方法應用分析

采用掩模分區方法的目的在于去除碎屑巖山地、水體、農田、城區和道路等非巖溶區域的信息，對研究區內各巖溶山地的石漠化程度進行橫向對比，使研究更具針對性和實效性。

筆者應用掩模分區方法，將全區每個年代的數據各分成對應相同的6個區域（均為石漠化程度相對嚴重和集中分布的區域），其中1區位于研究區北部拔貢鎮一帶，2區位于研究區東部河池市區和東江鎮一帶，3區位于研究區東南部永安五竹一帶，4區位于研究區中南部九圩鎮到巖灘鎮一帶，5區位于研究區西部三石鎮一帶，6區位于研究區西部巴馬瑤族自治縣一帶。

通過對各個分區作NDVI植被指數和纓帽變換處理，統計得出三個年代各個區的NDVI值和纓帽變換綠度分量值及其對比分析柱狀圖，如圖5、圖6所示。

據圖5、圖6，筆者得到以下4點分析認識：

1、從NDVI值的橫向對比來看，三個年代的NDVI值均是4區最大，1區其次，6區最小。NDVI值越大，則植被覆蓋度越高，生長狀況越好，石漠化程度越低[2]；反之亦然。因此可以看出4區的石漠化程度最低，1區其次，6區的石漠化程度最嚴重，其它區的石漠化程度根據NDVI值的大小位列其中。

2、從NDVI值的縱向對比來看，各分區的NDVI值從1973年到1990/94年再到1999年均呈現增長的趨勢，其中從1973年到1990/94年增長較為迅速，而從1990/94年到1999年增長較緩慢。這個變化趨勢與前述研究區NDVI值的變化趨勢是一致的。說明各區從1973年到1990/94年植被覆蓋度逐漸提高，植被生長狀況逐漸好轉，石漠化程度逐步減輕，而從1990/94年到1999年植被覆蓋度增長緩慢，石漠化程度日益加重。

3、從纓帽變換綠度分量值的橫向對比來看，三個年代的綠度分量值均是4區最高，1區其次，6區最小。綠度值越大，則葉綠素越高，植被覆蓋度越高，植被越茂盛，植被生長狀況越好，石漠化程度越低[2]；反之亦然。因此同樣可以看出4區的石漠化程度最低，1區其次，6區的石漠化程度最嚴重，其它分區的石漠化程度根據綠度值的大小位列其中。這一分析結果與NDVI值的分析結果一致，這就相互證明了NDVI植被指數與纓帽變換綠度分量對于研究植被覆蓋度及其生長狀況的有效性與可信度。

4、從纓帽變換綠度分量值的縱向對比來看，各分區的綠度值從1973年到1990/94年呈急劇增長的趨勢，反映該地區在這一時間段內植被覆蓋度逐漸好轉，生態環境得到改善，石漠化程度減輕。而從1990/94年到1999年綠度值又迅速下降，反映出由于該地區在這一時間段內生態環境遭到破壞，石漠化程度逐步惡化。這一變化趨勢與前述整個研究區綠度值的變化趨勢是一致的，這也相互驗證了綠度處理結果的有效性與可信性。

2.4 基于巖溶石漠化植被指數和主成分分析的信息提取方法應用分析

這一方法的基本思路是設計植被指數，將巖溶石漠化植被指數處理后的影像作為綠波段，與一個TM/ETM+數據的原始波段及主成分分析第一主分量進行假彩色合成，所得影像可以突出和增強顯示巖溶石漠化信息。

2.4.1 巖溶石漠化植被指數

筆者根據TM/ETM+數據各波段的類型和特點，在借鑒前人工作成果和多方試驗的基礎上設計出用于研究石漠化的植被指數[2]，可稱之為巖溶石漠化植被指數。將其表示為KVI，其表達公式為：

式中：DNNIR為近紅外波段的計數值（灰度值），DNR為紅波段計數值（灰度值），DNB為藍波段計數值（灰度值），DNG為綠波段計數值（灰度值）[2]。

2.4.2 綜合應用分析

首先對研究區進行主成分分析，其變換公式可以表示為：Y=AX，式中：X為待變換圖像數據矩陣，Y為變換后的數據矩陣；A為實現這一線性變換的變換矩陣[2]。A矩陣的轉置矩陣即為所求的K-L變換的變換矩陣T[2]。將變換矩陣T其代入Y=AX，則可得[2]：

（5）

由此可知，因ETM+數據有7個單波段，則對ETM+數據進行主成分分析的各個主成分依次可表示為[2]：

PC1=a11 ETM+1+ a12 ETM+2+ a13 ETM+3+……+ a17 ETM+7

PC2=a21 ETM+1+ a22 ETM+2+ a23 ETM+3+……+ a27 ETM+7

PC3=a31 ETM+1+ a32 ETM+2+ a33 ETM+3+……+ a37 ETM+7

PC4=a41 ETM+1+ a42 ETM+2+ a43 ETM+3+……+ a47 ETM+7

PC5=a51 ETM+1+ a52 ETM+2+ a53 ETM+3+……+ a57 ETM+7

PC6=a61 ETM+1+ a62 ETM+2+ a63 ETM+3+……+ a67 ETM+7

PC7=a71 ETM+1+ a72 ETM+2+ a73 ETM+3+……+ a77 ETM+7

（6）

通過試驗研究發現，將TM/ETM+的2波段作為紅波段，將巖溶石漠化植被指數圖像作為綠波段，將主成分分析第一主分量作為藍波段，進行假彩色影像合成，即組合方式為R（TM2）⊕G（KVI）⊕B（PC1），處理后，石漠化區域呈紅褐色、紫紅色或者粉紅色，石漠化程度越深、顏色越深，而石漠化輕微或者非石漠化區域，呈現綠色，如圖7所示。

通過上述處理，通過色調特征的差異，可將嚴重石漠化區、一般石漠化區和潛在石漠化區區分開來。在圖中，嚴重石漠化區域呈紫紅色、粉紅色，一般石漠化區域呈暗綠色、墨綠色、淺綠色，潛在石漠化區域呈藍綠色、青色。

3 結論

（1）NDVI植被指數和纓帽變換處理方法是常用的遙感測度方法，通過對研究區各年代數據的處理，所得NDVI植被指數值或纓帽變換綠度值隨時間的變化，反映研究區植被的變化[2]，進而通過植被的變化反映研究區巖溶石漠化程度的變化。處理結果表明這兩種方法簡單有效，處理過程操作性強，所得結果真實可信。

（2）掩模分區方法是將研究區巖溶石漠化程度較嚴重的區域分區截取出來，對各年代分別進行遙感處理（本文進行了NDVI植被指數和纓帽變換兩種處理），該方法是本文的創新點之一。對研究區應用該方法的處理結果表明，該方法可選擇性去除農田、水體、建筑物等研究區內非石漠化信息的影響，同時可對各分區的巖溶石漠化程度進行時間變化的縱向對比和同一年代各分區巖溶石漠化程度的橫向對比。對研究區各巖溶石漠化嚴重區域進行的定量測度，針對性強。

（3）應用基于巖溶石漠化植被指數和主成分分析的巖溶石漠化信息提取方法，對研究區原始影像、巖溶石漠化植被指數處理影像、主成分分析影像的合成處理，可以突出和增強顯示石漠化信息，較好地將嚴重石漠化區域、一般石漠化區域、潛在石漠化區域區分開來。

（4）本次研究中應用的四種遙感測度方法能有效監測巖溶石漠化的現狀及發展趨勢，每種測度方法各有特點、各有所長、相輔相成。應在巖溶石漠化的研究和監測中，根據實際需要選取相關方法。

參考文獻/References

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