基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮(zhèn)為例

蔣紅娟，黃義忠

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基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮(zhèn)為例

蔣紅娟，黃義忠*

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

石漠化已經(jīng)成為我省最嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)害，研究石漠化時空演變規(guī)律，對于石漠化治理和修復(fù)生態(tài)具有重要意義。本文利用Landsat遙感影像進(jìn)行石漠化信息提取和解譯，基于研究區(qū)2000年、2006年、2010年、2015年四個時期的遙感影像，研究西疇縣興街鎮(zhèn)這15年間的石漠化時空演變趨勢。研究得出：該研究區(qū)的石漠化在全鎮(zhèn)范圍內(nèi)的分布較廣，石漠化程度比較嚴(yán)重，主要以中度石漠化和重度石漠化為主，石漠化程度較高的地區(qū)集中分布在該鎮(zhèn)的西北部、南部，皆為典型喀斯特地貌地區(qū)。2015年的石漠化程度相比2000年、2006年和2010年有所減輕，但是石漠化的情況依然十分嚴(yán)重，南部、西北部的石漠化集中分布依然突出。該研究對于石漠化的調(diào)查、治理等工作具有一定的借鑒意義。

石漠化；Landsat遙感影像；興街鎮(zhèn)；NDVI；綠度

0 引言

石漠化是指氣候條件濕潤和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)脆弱的巖溶地區(qū)，受不合理的人類活動干擾，造成地表植被破壞，土壤嚴(yán)重流失，大面積基巖裸露的土地退化過程和結(jié)果，是喀斯特地區(qū)土地退化的極端形式[1]。石漠化的分布面積較廣，涉及云南、貴州、四川等八省，造成眾多地區(qū)人民遭受生態(tài)破壞、環(huán)境惡化等各種各樣的生態(tài)災(zāi)害[2]。西疇縣位于文山州中部，是云南省石漠化程度最高的地區(qū)之一，該縣石漠化的治理一直是我省關(guān)注的重點(diǎn)[3]。在與石漠化的長期斗爭中，當(dāng)?shù)孛癖娍释己蒙鷳B(tài)，堅(jiān)定綠色發(fā)展。

近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者對石漠化進(jìn)行深入研究，湛亞禮對西南喀斯特地區(qū)石漠化的進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行研究[4]。閆妍等通過選取典型喀斯特地貌的成功石漠化治理縣，總結(jié)出5種石漠化治理模式并對其進(jìn)行適宜性評價(jià)[5]。DOU Hongtao等以黔東南的各個州為單元，分析了各州的石漠化空間分布特征[6]。但絕大部分的研究是關(guān)于石漠化的現(xiàn)狀、形成原因及治理對策，關(guān)于應(yīng)用遙感影像[7-9]提取石漠化區(qū)域，分析石漠化時空格局演變規(guī)律，以及實(shí)現(xiàn)石漠化地區(qū)動態(tài)監(jiān)測[10]的研究甚少?；诖四康?，本文選取西疇縣興街鎮(zhèn)2000-2015年內(nèi)四個時期的遙感影像為研究對象，對石漠化時空格局演變進(jìn)行定量分析，對石漠化調(diào)查提供基礎(chǔ)依據(jù)，為石漠化地區(qū)動態(tài)監(jiān)測和治理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

興街鎮(zhèn)位于云南省文山州，西疇縣的西南部，北緯23°9￠002~23°22￠002、東經(jīng)104°30￠002~104°43￠002。興街鎮(zhèn)是西疇縣、麻栗坡縣、馬關(guān)縣、文山縣的交匯點(diǎn)，是交通重鎮(zhèn)之一。東接坪寨鄉(xiāng)、柏林鄉(xiāng)，西與新馬街鄉(xiāng)、蓮花塘相接，南鄰麻栗坡縣，是文山州“四個小城鎮(zhèn)”重點(diǎn)建設(shè)的城鎮(zhèn)之一，西疇縣對外開放的“窗口”，是西疇縣的綜合經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展區(qū)。全鎮(zhèn)東西長18公里，南北寬23公里，具有“三個三分之一”之稱，三分之一是土山區(qū)，三分之一是石山區(qū)，三分之一是壩區(qū)。區(qū)域內(nèi)主要河流是疇陽河，疇陽河一帶屬于壩區(qū)，是全縣水稻的主要生產(chǎn)基地，也是雜交水稻種植基地之一；東部為土山區(qū)，西部為喀斯特地貌區(qū)。全鎮(zhèn)面積261.9平方公里，共有13個村委會，人口約47471人，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民人均純收入1363元。氣候溫暖濕潤，最高海拔1530米，最低海拔1140米，年平均氣溫18℃，平均降水量1200毫米[11]。研究區(qū)如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究使用來源于地理空間數(shù)據(jù)云的2000年11月3日、2006年11月4日、2010年1月15日的Landsat4- 5 TM和2015年3月18日的Landsat8 TM遙感影像，空間分辨率為30 m，云量分別為0、2、3.43、4.57，所選的影像云量均小于5%，遙感影像符合條件且質(zhì)量較好。原以五年為相等時間間隔，選取2000年、2005年、2010年、2015年的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，但由于2005年的數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，故選取2006年的數(shù)據(jù)代替，其他數(shù)據(jù)源包括研究區(qū)的行政區(qū)劃圖。

圖1 研究區(qū)位置

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先對2000年11月3日、2006年11月4日、2010年1月15日的Landsat4-5 TM和2015年3月18日的Landsat8 TM遙感影像進(jìn)行正射校正、大氣校正、輻射定標(biāo)、圖像裁剪。研究區(qū)行政區(qū)劃圖的坐標(biāo)系為“Xian_1980_3_Degree_Gk_Zone_35”，而遙感影像的坐標(biāo)系為“UTM_Zone_48N”，兩者的坐標(biāo)系不統(tǒng)一，無法將這兩個圖放在同一個圖層上。因此，在進(jìn)行處理之前，需要將行政區(qū)劃圖的坐標(biāo)系投影為“UTM_Zone_48N”，使兩者的投影坐標(biāo)系相統(tǒng)一。經(jīng)預(yù)處理后的遙感影像如圖2所示。

2 研究方法及分析

2.1 石漠化等級分類

根據(jù)前人石漠化分等的普遍方法，將該研究區(qū)石漠化分為無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極度石漠化6個等級[12]。石漠化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

2.2 石漠化等級分布

非監(jiān)督分類也稱為“聚類分類”或“點(diǎn)群分類”[13]，它是在多光譜圖像中自動搜尋、定義自然相似光譜集群的過程，該方法不需要獲取圖像上地物的先驗(yàn)知識，而是依靠圖像上不同地物的光譜或紋理信息進(jìn)行信息提取，統(tǒng)計(jì)特征的差別來達(dá)到分類的目的，最后對各分類進(jìn)行修正和確認(rèn)。本研究中采用ISODATA（迭代自組織的數(shù)據(jù)分析法）法進(jìn)行非監(jiān)督分類，它是一種重復(fù)自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)，計(jì)算數(shù)據(jù)空間中均勻分布的類均值，然后用最小距離技術(shù)將剩余像元進(jìn)行迭代聚合，每次迭代都重新計(jì)算均值，且根據(jù)所得的新均值，對像元進(jìn)行再分類，獲得一個初步的分類結(jié)果，然后通過目視解譯進(jìn)行類別定義和合并子類[14]，最終獲得石漠化等級圖。

圖2 各個時期預(yù)處理后遙感影像圖

表1 石漠化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1 Standard of rock desertification classification

在西疇縣興街鎮(zhèn)2000年、2006年、2010年、2015年的石漠化分布等級圖中，可以看出該鎮(zhèn)的石漠化分布較廣，石漠化程度比較嚴(yán)重。西疇縣興街鎮(zhèn)石漠化程度較高的地區(qū)集中分布在該鎮(zhèn)的西北部、南部，皆為典型喀斯特地貌地區(qū)。從圖中可以直觀看到，2015年的極度石漠化程度相比2000年、2006年和2010年有所減輕，但是石漠化的情況依然十分嚴(yán)重，并且該鎮(zhèn)的南部、西北部的石漠化集中分布依然突出。四個時期的石漠化等級分布圖詳見圖3。

2.3 石漠化等級面積統(tǒng)計(jì)

在下列各表中，所涉及到各個石漠化等級統(tǒng)計(jì)的面積，是通過對應(yīng)圖屬性表中的像元個數(shù)計(jì)算得到。這里所涉及到的影像圖的柵格大小都為“30×30”，它所代表的含義是實(shí)際面積30×30米，所以通過像元個數(shù)計(jì)算面積的計(jì)算公式為“像元個數(shù)×900÷666.67÷10000”（1畝=666.67平方米），為了計(jì)算方便并且能夠直觀顯示數(shù)據(jù)，我們將單位統(tǒng)一化為萬畝。下面各表中的面積都是按照上述計(jì)算公式得到，將直觀看到各個石漠化等級的面積變化情況，從而對研究區(qū)石漠化演變進(jìn)行定量分析。

如下表2和圖4所示，西疇縣興街鎮(zhèn)石漠化程度較高，達(dá)到50%以上。其中，潛在石漠化占比在11%-17%之間，輕度石漠化占比在5%-11%之間，中度石漠化占比在17%-23%之間，重度石漠化占比在11%-22%之間，該鎮(zhèn)的石漠化程度主要以中度石漠化和重度石漠化為主。極度石漠化占比在1%-3%之間，極度石漠化占比較小。各個等級石漠化在15年間起伏變化，但變化幅度較小，2015年的極度石漠化相比2000年，2006年、2010年有所減少，這是一個令人欣喜的變化。

2.4 石漠化等級面積變化

在這15年間興街鎮(zhèn)各個等級石漠化面積起伏變化，無石漠化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，潛在石漠化先減少后增加，輕度石漠化先減少后增加，中度石漠化先增加后減少再增加，重度石漠化先增加后減少，極度石漠化先減少后增加再減少，各個等級石漠化面積持續(xù)波動變化。四個時期各個等級石漠化面積變化詳見表3。

3 石漠化測度方法

3.1 NDVI植被指數(shù)方法分析

NDVI植被指數(shù)稱為歸一化植被指數(shù)[15]，計(jì)算歸一化植被指數(shù)是將多光譜數(shù)據(jù)變換為單獨(dú)的一個圖像波段，用來顯示植被的分布，較高的NDVI值預(yù)示著較多的綠色植被。它是近紅外波段的反射值與紅外波段的反射值之差比上兩者之和。NDVI值的范圍在-1到+1之間。

圖3 各個時期石漠化分布等級圖

表2 石漠化等級面積（單位：萬畝）

Tab.2 Area of rocky desertification grade

NDVI的標(biāo)準(zhǔn)算法如下：

式中：NIR為近紅外波段的反射值，Red為紅外波段的反射值。

因此，TM數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為：

圖4 石漠化等級面積比例圖

表3 石漠化等級面積變化（單位：萬畝）

Tab.3 Area change of rock desertification grade

分別對研究區(qū)四個時期的遙感影像計(jì)算NDVI值，獲得NDVI圖像（圖5）。

圖5 各個時期NDVI圖

Fig.5 NDVI map of each period

通過計(jì)算，各個時期的NDVI平均值分別為：0.22，0.21，0.29，0.30，從2006年到2010年快速增長，增長了0.08。通過對比四個時期NDVI平均值，顯示出這15年間該地區(qū)的植被覆蓋度在增加，植被生長狀況逐漸好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境明顯改善。但增長速度存在差別，從2000年到2005年，2010年到2015年NDVI平均值增長緩慢。

3.2 纓帽變換綠度指數(shù)方法分析

通過纓帽變換可以獲得三個因子，分別是亮度SBI、綠度GVI、濕度YVI。其中綠度可以反映植物的生長狀況和覆蓋度[16]。

TM數(shù)據(jù)的綠度GVI計(jì)算公式為：

因此分別對該研究區(qū)四個時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行纓帽變換處理，獲得綠度圖像（圖6）。

通過計(jì)算，得到四個時期的綠度平均值分別為：2.12，2.17，2.60，2.81，對這四個時期的綠度平均值進(jìn)行對比，可以看出從2006年到2010年綠度平均值快速增長，而2000年到2006年和2010年到2015的綠度平均值增長緩慢。綠度平均值的變化趨勢與前述的NDVI平均值的變化趨勢保持一致。進(jìn)一步說明在這15年間，雖然該地區(qū)植被覆蓋度起伏變化，但植被覆蓋度在增加，植被生長狀況良好，石漠化程度減輕，生態(tài)環(huán)境明顯改善。

4 驅(qū)動因素

4.1 自然環(huán)境的影響

西疇縣興街鎮(zhèn)地形復(fù)雜且地勢較高，石山區(qū)占全鎮(zhèn)總面積的1/3，喀斯特地形地貌分布范圍廣。氣候溫暖濕潤，降水量達(dá)到1200毫米，雨水沖刷導(dǎo)致嚴(yán)重水土流失，進(jìn)而大面積基巖裸露，形成石漠化。由于該鎮(zhèn)特殊的自然環(huán)境，石漠化的存在和發(fā)育不可避免。植樹造林，保持水土成為首要工作。

4.2 貧困的影響

云南省貧困縣數(shù)量最多，石漠化程度與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況存在密切聯(lián)系，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件越差，石漠化所占比例越大，發(fā)生的幾率越高，石漠化程度也就越嚴(yán)重，石漠化的存在制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，石漠化和貧困化兩者互相作用，密切相關(guān)。要脫貧，首要任務(wù)就是石漠化治理，使得當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境有所改善，從而改善社會經(jīng)濟(jì)狀況。

圖6 各個時期綠度圖

4.3 石漠化工程治理的影響

石漠化治理是國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程。石漠化工程治理是通過恢復(fù)林草植被，建設(shè)水土保持設(shè)施等治理措施，使得自然環(huán)境受損的石漠化地區(qū)逐步恢復(fù)的過程。對于已經(jīng)發(fā)生石漠化的地區(qū)要實(shí)行綜合治理，使其逐步向良性發(fā)展，重點(diǎn)放在輕度和中度石漠化的治理上。通過石漠化工程治理，防止石漠化范圍擴(kuò)大，逐步改善農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，使得石漠化向良好方向發(fā)展，生態(tài)環(huán)境得到改善。

5 結(jié)論

以Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，對西疇縣興街鎮(zhèn)石漠化等級信息進(jìn)行提取，在此基礎(chǔ)上分析石漠化分布現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)果表明：

（1）西疇縣興街鎮(zhèn)石漠化從2000年程度加劇到逐漸減緩，石漠化工程治理取得了顯著成效。石漠化程度顯著變輕，由以前的重度、中度石漠化為主演變?yōu)檩p度、中度石漠化為主，石漠化的發(fā)展趨勢得到有效遏制。

（2）遙感技術(shù)在石漠化治理研究中具有一定的必要性和優(yōu)勢性。通過遙感技術(shù)，能夠客觀的評價(jià)石漠化程度、分布狀況、時空分布和演變規(guī)律，為石漠化治理提供科學(xué)依據(jù)。但是，該研究的不足之處在于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度的影響，在后續(xù)的研究中采用更高分辨率的數(shù)據(jù)，例如高分影像數(shù)據(jù)和國內(nèi)新興的新技術(shù)三維激光掃描[17]獲得石漠化三維圖，會在一定的程度上提高研究的科學(xué)性和精準(zhǔn)性。

（3）NDVI植被指數(shù)和纓帽變換都是最為常用的遙感處理手段。通過對研究區(qū)各個時期的圖像進(jìn)行處理，可以獲得NDVI值和綠度值隨時間的變化，用來反映研究區(qū)植被的變化，進(jìn)而通過植被變化反映石漠化的程度和發(fā)展趨勢。這兩種方法簡單且易于操作，處理后得到的結(jié)果真實(shí)有效，可信度較高。

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Temporal and Spatial Evolution Analysis of Rocky Desertification Based on Landsat Remote Sensing Image: A Case Study of Xingjie Town, Xichou County

JIANG Hong-juan, HUANG Yi-zhong*

(Faculty of Land and Resources Engineering Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

Rocky desertification has become the most serious ecological disaster in our province. Studying the temporal and spatial evolution of rocky desertification is of great significance for the treatment of rocky desertification and restoration of ecology. This paper uses Landsat remote sensing imagery to extract and interpret rocky desertification information. Based on remote sensing images of the four periods of 2000, 2006, 2010 and 2015, studies the evolution of rocky desertification time and space since 15 years of Xingjie Town, Xichou County. The research shows that the rocky desertification in the study area is widely distributed in the whole town, and the degree of rocky desertification is relatively serious, mainly due to moderate rocky desertification and severe rocky desertification. The area is concentrated in the northwest and south of the town, all of which are typical karst landforms. The degree of rocky desertification in 2015 has been reduced compared with 2000, 2006 and 2010, but the situation of rocky desertification is still very serious, and the concentrated distribution of rocky desertification in the south and northwest is still prominent. This research has certain reference significance for the investigation and treatment of rocky desertification.

Rocky desertification; Landsat remote Sensing Image; Xingjie Town; NDVI; Greenness

TP79

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.038

蔣紅娟(1995-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)閲临Y源信息化。

黃義忠(1972-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理與環(huán)境地質(zhì)。

蔣紅娟，黃義忠. 基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮(zhèn)為例[J]. 軟件，2018，39（12）：166-171