基于Landsat8巫山石漠化區域監測識別方法探討

陳艷英 徐彥平 楊琴 游揚聲

（1 重慶市氣象科學研究所，重慶 401147；2 重慶市開州區突發事件預警信息發布中心，重慶 405400；3 重慶市氣候中心，重慶 401147；4重慶大學土木學院，重慶 400045）

0 引言

石漠化也稱石山化，指石灰巖山區植被強烈退化后巖石裸露的現象。巖溶石漠化是在熱帶、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，地表植被受人為活動干擾遭受破壞，造成土壤嚴重侵蝕，基巖大面積裸露，土地退化的表現形式。隨著我國對生態文明建設的日益重視，石漠化也逐漸為公眾所知曉。石漠化被喻為“地球的癌癥”，反映了其治理的艱巨性。

20 世紀90年代以來，遙感技術在石漠化演變過程、石漠化的分布、石漠化提取等研究中得到廣泛應用。李麗等以云南隆林各族自治縣為研究區，結合土地利用現狀，根據植被覆蓋度提取了研究區石漠化分布狀況；凌成星等基于中巴資源一號02B星數據，用改進的增強植被指數（EVI）提取石漠化信息，并使用水體指數（NDWI）修正水體信息，結合空間坡度圖層進行決策樹分析，對貴州省務川仡佬族苗族自治縣進行石漠化提取，抽樣檢驗表明石漠化提取精度達到88.2%；李偉等以植被類型、梯土化旱地因子、地形坡度、基巖裸露度、植被綜合蓋度5個因素為石漠化判識因子，建立石漠化識別條件，將研究區分為石漠化區域、潛在石漠化區域及非石漠化區域三類，并對巖基裸露度、地形坡度、植被綜合蓋度（結合旱地分布）、植被類型4類因子進行評分，從低到高將石漠化區域分為輕度石漠化區域、中度石漠化區域、重度石漠化區域、極重度石漠化區域4類，對廣西百色市凌云縣進行石漠化監測識別，以野外實地調查為佐證，驗證了該方法具有較高準確性及可行性；蘇欣利用地質數據、歸一化植被指數、歸一化巖石指數、植被覆蓋度、土壤厚度等數據，構造石漠化提取指標，對重慶涪陵地區的10個鄉鎮街道進行了石漠化提取；黃巖等基于美國陸地衛星4～5號專題制圖儀（thematic mapper） 所獲取的多波段掃描影像提取植被覆蓋度數據，并結合坡度數據、巖性背景資料及土壤厚度數據等，建立石漠化提取指標，對重慶南川進行了石漠化的提取，并進行了精度的驗證；朱大運等以GF-1和Landsat-OLI為源數據，運用歐氏距離，以貴州關嶺—貞豐花江一帶為研究區，對多種植被指數在石漠化提取過程中的可分性和類型識別能力進行了定量的對比評價，結果表明，石漠化信息提取中推薦使用的最優植被指數均為歸一化植被指數（NDVI），其次為長勢監測指數（GRNDVI）。

在進行石漠化監測識別過程中，通常根據數據的獲取情況，采用不同的數據進行石漠化提取，選取對石漠化識別比較敏感的數據進行研究，例如土地利用現狀、植被覆蓋度、歸一化植被指數、增強型植被指數、地理國情地表覆蓋、坡度、100 m 數字高程數據、巖石裸露度、巖土性質等數據。由此可見，在石漠化識別中，指標的選取并不固定。本文選取植被覆蓋度、土地利用類型、巖石裸露度、巖土類型數據對巫山石漠化區域進行識別。

1 研究區概況

重慶巖溶地區有37個區縣，轄888個鄉鎮、101個街道辦事處。截至2006年末，巖溶地區總人口共3055萬人，其中農業人口占76.23%，全年實現地區生產總值約2923.1億元，糧食總產量為967.7萬噸。重慶石漠化典型的區域主要分布于渝東北及渝東南地區，其余地區零星分布。

巫山縣位于重慶市東北部（圖1），幅員面積為2958 km，地處三峽庫區腹心，介于30.767°—31.467°N，109.55°—110.183°E。長江橫貫東西，大寧河、抱龍河等7 條支流呈南北縱向分布。深谷和中低山相間分布，地形起伏大，最高海拔達2698 m，最低海拔僅有63 m，屬典型的喀斯特地貌。

全縣山地占總面積約96%，丘陵平壩僅占4%。全縣農業人口約占93.3%，人地關系緊張，土地過墾較嚴重。坡旱地分布廣，大于25°的陡坡地占比大；森林覆蓋率小，僅為12.97%；荒山草坡面積大，且土薄、坡陡，成片天然草場少，多呈塊狀分布。大量的良田沃土被交通、居住等建筑用地占用，農業生產與土地資源間存在較大的反差。

圖1 巫山位置及高程圖Fig. 1 Wushan location and elevation map

巫山屬于貧困山區農業縣，是長江三峽庫區重點淹沒縣之一，喀斯特地貌遍布全縣，地表破碎。境內水土流失嚴重，地質災害及氣象次生災害頻繁。石漠化是制約巫山發展的主要因素，碳酸鹽巖面積約為991 km，占巫山縣總面積的33.5%。2017年，巫山石漠化土地面積達到811.7 km。

2 資料與方法

2.1 研究資料的整理

1）Landsat8數據處理

Landsat8數據來源于地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn/）。

巫山縣包含Landsat8數據中的第38行、126列和第39行、126列。由于第39行、126列在巫山只有紅椿鄉南部及廟宇鎮東南角，范圍較小。為了便于數據處理，選擇了第38行、126列的數據后，通過ENVI軟件對LandSat8數據進行大氣校正、輻射定標處理，最終挑選了2013年10月24日、2014年10月11日、2015年10月14日、2017年5月28日、2017年11月4日共5組數據對巫山進行石漠化提取。

2）植被凈初級生產力數據

整理國家衛星中心提供的植被凈初級生產力（NPP）數據，計算巫山2000—2018年NPP及植被固碳量。

3）植被覆蓋度

對植被指數數據逐月產品MYD13A3（來源于NASA官網）進行投影、格式轉換、裁剪，合成年歸一化植被指數（NDVI）數據，并利用NDVI計算出年植被覆蓋度（VC），裁剪出巫山區域，形成2000—2018年巫山植被覆蓋度數據序列。

4）地理信息數據

收集整理2016年土地利用數據和2004年巖土類型數據（來源于中科院北京數字空間科技有限公司）、100 數字高程數據（DEM）和重慶行政區劃數據（來源于中國氣象局信息中心）。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度、巖石裸露度的計算

在ENVI軟件中可實現基于Landsat數據的歸一化植被指數NDVI和植被覆蓋度VC的計算。

歸一化植被指數NDVI采用可見光紅光波段（波長在0.76～0.90 μm ）和近紅外波段（波長在0.63～0.69 μm）計算，公式如下：

植被覆蓋度計算公式如下：

其中，

VC

為植被覆蓋度，

N

_為格點植被指數，

N

_為裸地或無植被覆蓋區域植被指數，

N

_為完全植被覆蓋區域植被指數。此處

N

_和

N

_分別取NDVI累計百分率分別為5%和95%時的對應取值。當

N

_＜

N

_時，

VC

=0；

N

_＞

N

_，

VC

=1；

N

_≤

N

_≤

N

_，采用公式（2）計算植被覆蓋度。

基于ENVI軟件，利用公式（1）計算巫山不同日期植被指數NDVI。表1為NDVI累計百分率為5%和95%時對應的NDVI數值。

表1 5%和95%累計百分率對應NDVI值Table 1 NDVI values at cumulative percentages of 5%and 95%

根據表1及公式（2）計算巫山5次衛星過境時的植被覆蓋度。

基于植被覆蓋度計算巖土裸露度

R

，

R

=1-

VC

，

VC

為植被覆蓋度。

R

為0～1，值越大，說明巖石裸露越多。

2.2.2 石漠化區域判別標準的建立

巖石裸露度、植被覆蓋度、平均土層厚度、坡度、巖土類型、地質分布等數據常被用到，研究選用的指標略有區別，本文在參照已有研究的基礎上，根據現有數據，選取了植被覆蓋度、巖土裸露度、巖土類型、土地利用類型建立石漠化識別指標。

對植被覆蓋度、巖石裸露度兩個指標進行重分類并評分，表2給出了植被覆蓋度、巖石裸露度的評分結果。表2中，植被覆蓋度大（或者水體、硬化地等人工地表），評分較低；其余植被覆蓋度較小的非水體和建筑地表，評分較高。巖石裸露度小（或者巖石裸露度接近1的水體、硬化地等人工地表），評分較低；其余巖石裸露度較大的非水體和建筑地表，評分較高。

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表2 植被覆蓋度、巖石裸露度評分標準Table 2 Scoring standards for vegetation coverage and rock exposure

表3 給出了土地利用類型的評分。評分值高，則現石漠化的概率高、石漠化程度重；評分值低，則出現石漠化的概率低、石漠化程度輕或無石漠化。表4中的地貌類型評分同理。

表3 土地利用類型評分表Table 3 Land use type scoring standard

表4 地貌類型評分表Table 4 Landform type scoring standard

對以上4個指標的評分求和，依據求和結果給出石漠化分級，表5給出巫山石漠化區域評分。

表5 巫山石漠化分級評分表Table 5 Grading of Wushan rocky desertification

在此基礎上，將植被覆蓋度、巖石裸露率和植被類型數據疊加運算，設置下列7個條件：①基巖裸露度＜30%；②有林地、灌木林地、疏林地、牧草地；③水田；建設用地；水域；④基巖裸露度≥30%；⑤植被綜合蓋度≥50%的有林地、灌木林地；⑥植被綜合蓋度≥70%的牧草地；⑦梯土化旱地。非石漠化和潛在石漠化區域分別疊加運算，參與疊加運算的所有數據投影、分辨率、行列數要求一致。

非石漠化區域判別：滿足①和②；或滿足③。

潛在石漠化區域判別：滿足④和⑤；或滿足④和⑥；或滿足④和⑦。

最后，結合表5及非石漠化區域、潛在石漠化區域的判別條件，將巫山分為非石漠化區域、潛在石漠化區域、輕度石漠化區域、中度石漠化區域、重度石漠化區域、極重度石漠化區域6個等級。

2.2.3 生態植被監測分析

利用MODIS/AQUA逐月植被指數產品MYD13A3，采用最大值合成法合成季節植被指數，對季節植被指數取均值，得到格點年平均植被指數。

式中，

NDVI

為格點上的年植被指數；

NDVI

為格點上的季節植被指數；

n

為1、2、3、4，代表4個季節。格點年植被凈初級生產力

NPP

計算如下：

式中，

NPP

為格點上的年植被凈初級生產力；

NPP

為格點上的月植被凈初級生產力；

n

為1～12的整數，代表月份。

計算區域內年平均植被覆蓋度、植被凈初級生產力，見公式（5）。

式中，

AVG

為植被覆蓋度或植被凈初級生產力的區域均值，

Grid

為植被覆蓋度或植被凈初級生產力格點值，

count

為計算區域內的格點點數。

3 石漠化監測結果分析

利用選取的5次過境數據提取石漠化區域，給出了非石漠化區域、潛在石漠化區域、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化6個等級的面積及每次提取的石漠化區域的總面積，見表6。

由表6可見，石漠化6個分區中非石漠化區域面積最大，其次是潛在石漠化區域，極重度和重度石漠化區域面積分居第3及第4位，輕度和中度石漠化區域分居第5及第6位。取5次監測結果均值作為標準值，計算每次監測結果的相對誤差，見表7。

從表7可見，監測面積呈波動變化。5次監測中，非石漠化區域及潛在石漠化區域面積較穩定，分別在0.81%～1.1%、0.31%～17.18%波動；極重度石漠化區域變化最大，在17.09%～31.59%波動；輕度、中度、重度石漠化區域面積分別在9.94%～29.19%、0.06%～24.95%、1.66%～18.53% 波動，其中輕度石漠化區域面積波動范圍僅次于極重度石漠化區域。

監測面積變化的影響因素主要來自遙感數據和地表信息的變化。衛星過境時的姿態使掛載儀器產生傾斜，儀器的傾斜導致傳感器在同一個區域接收的地表反射信息產生變化（在地表起伏大的區域，傳感器接收的地表反射信息變化更加明顯），從而影響遙感監測指標；衛星過境時的光強對地表反射率也會產生影響，從而對大范圍的監測指標產生影響。其次，地表反射信息影響遙感數據計算的石漠化分級指標，從而影響石漠化提取結果。同時，農作物的收割、休作及植被的不同生長季也會影響遙感監測指標及石漠化提取結果。

對5次石漠化計算指標進行加權平均并分級，得到石漠化分布結果，見圖2。將該結果作為石漠化提取結果（見表8），并依此對石漠化區域進行分析。

加權后監測石漠化區域面積為875.9 km，非石漠化和潛在石漠化區域面積分別為1302.8 km、771.1 km。其中紅椿鄉西南部由于缺乏遙感數據，該鄉南部石漠化分類結果有待進一步確認。

由圖2可見，巫山石漠化區域分布與地形及土地利用相關，產生6個集中分布區：1）集中分布于大寧河流域及其支流小三峽區域；2）集中分布在七耀山山脈邊緣至巫山縣城東部呈東北—西南帶狀的區域；3）集中在省道105西部—官渡河—長江女峰下游區域，呈東北—西南帶狀分布；4）集中分布在巫山東南篤坪鄉南部及雪花鄉；5）集中分布在巫山東北部當陽鄉、廟堂鄉北部區域；6）河流右岸的狹長區域也有石漠化分布。非石漠化主要分布在縣城、水域、林地等區域，潛在石漠化區域主要分布在草地、灌木地、農業用地區域。

圖2 巫山石漠化監測結果Fig. 2 Wushan rocky desertification monitoring results

表8 巫山石漠化分級加權面積統計結果Table 8 Statistical results of Wushan rocky desertification weighted area

4 石漠化區域生態環境分析

將監測結果分為三類，即非漠化區域、潛在石漠化區域、石漠化區域（包含輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化4個分級），計算三個區域2001—2018年MODIS植被覆蓋度、植被凈初級生產力NPP、植被固碳量，見圖3、圖4。

表6 巫山石漠化分級面積統計Table 6 Statistics of Wushan rocky desertification classification

表7 巫山石漠化分級相對誤差Table 7 Relative error of Wushan rocky desertification classification

從圖3可見，巫山石漠化區域、潛在石漠化區域、非石漠化區域植被覆蓋均呈增加趨勢，非石漠化區域植被覆蓋度最大，在60.5%～69.5%；潛在石漠化區域植被覆蓋度略低于非石漠化區域植被覆蓋度，在56.5%～66.0%；石漠化區域植被覆蓋度最低，在54.5%～64.3%。植被覆蓋度最小、最大值分別出現在2001和2017年。

從圖4可見，石漠化區域、潛在石漠化區域、非石漠化區域的植被凈初級生產力及固碳量差異明顯，其中植被凈初級生產力及固碳量兩個指標在石漠化區域最小，在非石漠化區域最大；三個分區的植被凈初級生產力及固碳量在2001—2018年呈現波動上升的趨勢，且變化趨勢基本一致。

5 總結與展望

5.1 總結

1）利用Landsat8遙感數據計算的植被覆蓋度及巖石裸露度、土地利用數據、巖土類型數據建立了石漠化監測識別指標，提取巫山石漠化區域，結果分為6個等級。石漠化區域面積為875.9 km（包含輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化4個分級），非石漠化和潛在石漠化區域面積分別為1302.8和771.1 km。

圖3 巫山非漠化區域、潛在石漠化區域、石漠化區域2001—2018年植被覆蓋度Fig.3 The vegetation coverage of Wushan nondesertification area, potential rocky desertification area,and rocky desertification area from 2001 to 2018

圖4 巫山2001—2018年植被凈初級生 產力（NPP）及植被固碳量Fig.4 Vegetation net primary productivity and vegetation carbon sequestration in Wushan from 2001 to 2018

2）巫山非石漠化區域植被生態環境最好，其次是潛在石漠化區域，石漠化區域植被生態環境遜色于非石漠化區域及潛在石漠化區域生態環境。

5.2 不足與展望

在利用Landsat8數據、土地分類數據、地貌數據對巫山進行石漠化監測識別過程中，發現以下問題有待討論：1）土地利用數據的精度及時效性對監測結果產生的影響不容忽視；2）在水域、建筑物及道路等硬化地、待開發用地等人為活動引起的植被破壞的區域，植被覆蓋少，當土地利用數據得不到及時更新時，容易與石漠化區域混淆；3）在作物間歇期的農田區域，植被覆蓋度偏低、巖土裸露度偏高，容易與石漠化區域混淆而造成誤判。針對以上問題，后續可在同一年內收集中多組數據，對不同時期的數據融合，利用融合后的數據進行滾動識別、相互交叉驗證，從而提升識別的精度。