基于遙感技術的石漠化調查研究

秦張丹，周麗蕓

摘 要 本文基于遙感技術，以最新時相的Landsat8衛星影像為數據源，通過綜合運用監督分類和植被覆蓋度的方法，以“室內與實地相結合、人機交互解譯與計算機自動提取雙結合”手段，對五萬界嶺幅進行巖性和石漠化解譯，分析其形成的人為和自然因素，為制定喀斯特石漠化綜合防治規劃提供依據。

關鍵詞 遙感;石漠化;界嶺幅

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A

Research on Rocky Desertification Based on Remote Sensing Technology

Qin Zhangdan， Zhou Liyun

（Hunan Institute of Geological Survey， Changsha Hunan 410116）

Abstract： Based on remote sensing technology， the latest Landsat8 satellite imagery was taken as the data source. The methods of supervised classification and vegetation coverage was applied，? the lithology interpret and rocky desertification of the 1/50，000 Jieling area was conducted. The man-made and natural factors of its formation was analyzed， which provide a basis for the formulation of comprehensive prevention and control of karst rocky desertification.

Keywords： remote sensing; rocky desertification; Jieling area

石漠化是在亞熱帶喀斯特地域環境背景下，由于土地利用與土地覆蓋變化，引起土壤嚴重侵蝕、基巖大面積裸露、土地生產力急劇下降、地表出現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。

據研究，目前通常采用的石漠化遙感解譯方法是：在確定評價或指標體系并建立分級指征后，以波段組合增強顯示為技術手段獲取石漠化的影像特征，從而建立遙感解譯標志;采用各種解譯算法，以目視解譯為主，輔以人機交互解譯確定石漠化程度和區域[2]。本文以Landsat8影像為主，天地圖·湖南、google earth上的高分多時相遙感數據為輔，采用監督分類和植被覆蓋度方法，解譯研究區的石漠化分布情況，從而指導驗證石漠化地質環境災害的控制情況。

1 工作區概況

本研究區為1∶50 000分幅中的界嶺幅（圖幅號為G49E004016），年平均氣溫約17℃（最低為1984年的16.2℃，最高為1998年的17.7℃）;年平均總日照時數超過1 400 h;降水的年際變化較大，季節分配不均，多集中在4—6月，屬較典型的亞熱帶大陸性季風濕潤氣候。

2 技術路線

2.1數據源

本文選用2014年1月30日的Landsat8多光譜影像對研究區進行石漠化解譯，該影像包括8個多光譜波段，空間分辨率為30 m，常用于地質解譯和地表覆蓋分類。

2.2等級劃分

石漠化的等級劃分暫無統一的標準，為便于研究，選取基巖裸露率為主要劃分依據，將研究區劃分為無石漠化（基巖裸露率≤30%）、輕度石漠化（基巖裸露率>30%）、中度石漠化（基巖裸露率>50%）和重度石漠化（基巖裸露率>70%）四個等級，分級標準。

3 巖性解譯

準確的碳酸鹽巖分布圖是石漠化調查的基礎，是巖溶石山區生態環境評價指標體系的重要因子[3]。因此，在石漠化解譯之前先對工作區的巖性進行劃分。

3.1 巖性解譯

Landsat衛星數據用于地質調查在我國已有幾十年的歷史，借助于該影像能夠很好地區分碳酸鹽巖、變質巖、花崗巖和碎屑巖。

碳酸鹽巖因溶蝕作用強，其所含有機質少于碎屑巖，該區域植被稀疏而土壤貧瘠，且山體圓渾。碎屑巖有機質含量豐富，巖石很容易被風化從而形成土壤，土壤肥沃，有利于植被生長，地表常被大量植被所覆蓋。巖漿巖在圖像上具有比較規則的平面幾何形態，且多數巖漿巖缺少層理特征。

3.2 巖性分布

對解譯結果進行面積統計，可知各類巖性在研究區中均有一定分布。其中，花崗巖所占比例為0.55%，變質巖為8.14%，碎屑巖為15.40%，碳酸鹽巖所占比例為73.66%，在研究區中所占比例最大，如圖1所示。

碳酸鹽巖根據其不同巖石類型可分為純碳酸鹽巖、碳酸鹽巖夾碎屑巖、碳酸鹽巖與碎屑巖互層和碎屑巖夾碳酸鹽巖[4]。研究區內的碳酸鹽巖以灰巖為主，以形成溶丘谷地和緩丘臺地巖溶地貌為主。

4 石漠化遙感解譯

4.1解譯方法

（1）監督分類

結合野外調查以及Google earth和天地圖·湖南上的高分辨率遙感影像，從色調上看，石漠化地區呈現紫紅色調，強度越大，顏色越深。（見表1）重度石漠化影像特征為深紫紅色，綠色極淡;中度石漠化為淺紫色調，夾雜飽和度較低的綠色調;輕度石漠化的紫紅色調較淡，部分表現為灰白色調，在遙感圖像上呈現出飽和度中等的綠色;無石漠化則呈飽和度較高的綠色;潛在石漠化介于輕度和無石漠化之間，色調表現為灰白色。由于TM743假彩色合成圖像在色調上能較好地區分石漠化地物，故可以采用監督分類的方法進行石漠化遙感解譯[5]。

（2）植被覆蓋度

植被覆蓋度作為地表植被覆蓋狀況的一個重要指標，意指是一定區域內植被在地表的垂直投影面積占總面積的比率。植被覆蓋度能生動地描述生態系統的現狀及區域生態系統環境變化，多用于荒漠化的調查評價[6]。根據實地調查和高分辨率遙感影像與TM影像對比分析發現，地表植被的覆蓋狀況能夠較好地反映巖溶石漠化的分布情況，植被覆蓋度的高低與石漠化的程度呈明顯的負相關關系[7]。據此，可將植被覆蓋率作研究石漠化的重要手段。

4.2 解譯流程

在進行信息提取之前，需先對原始影像進行處理。首先，對多光譜影像進行幾何配準，使其處于要求的坐標系統內;其次，按照工作區范圍對影像進行裁剪;最后，對影像進行743組合，增大石漠化地區與背景地物之間的對比度。石漠化信息的提取選用以下兩種方法。

（1）監督分類

解譯之前需選取樣本，樣本數據決定分類精度。根據巖溶石山地區石漠化調查資料情況、google earth和天地圖·湖南上的高分影像以及石漠化地區在TM影像的色調、紋理差異選取了無石漠化地區、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強度石漠化的訓練樣本，如表1所示。

（2）植被覆蓋度

根據增強型植被指數法建立研究區石漠化信息提取模型：

式中，Di為第i個像元的石漠化指數;

Mr、Mg分別為紅波段和綠波段的平均像元亮度值;

DNr、DNg分別為紅波段和綠波段的像元亮度值。

地表基巖的裸露率選用基巖裸露率遙感模型來表征石漠化指數，用以表征和評價巖溶石山地區石漠化等級劃分的關鍵指標。

基巖裸露率遙感模型選用“混合像元”條件下的等密度模型，用大氣校正后石漠化指數值的一個函數來表示基巖裸露率，表達式為：

式中，Dgi為第i個像元的巖石裸露率;

Di為第i個像元的石漠化指數;

D2max、D2min分別為研究區石漠化指數的最大值和最小值[8]。

5 結果及分析

5.1 石漠化提取結果

本文采用監督分類法和植被覆蓋度法將工作區地物進行石漠化等級劃分。由于石漠化只在巖溶山地區發生，在生成的結果中用碳酸鹽巖范圍將其掩膜，并將其他地區標記為非巖溶地區。不同等級石漠化的可區分情況如表2所示，該表由ENVI軟件中的可分性功能模塊自動生成。在監督分類的方法中，由于重度石漠化和中度石漠化、中度石漠化和輕度石漠化的色調基本相似，且多為混合像元，雖肉眼能夠將其區分，然而計算機自動識別技術依據的是每個訓練樣本的色調和紋理，像元的混合性以及樣本色調的相似性使得石漠化不同等級的可區分性較低，造成了計算機無法將其完全區分開。

為了吸收上述兩種方法的優勢并避免其不足，本文將兩種方法所得成果進行綜合取舍，并參考Google earth及天地圖·湖南上的高分辨率遙感影像進行人工編輯，得到最終成果圖2（d）。分析該圖可知：

（1）重度石漠化地區主要位于廉橋鎮北部及斫曹鄉大部，巖性以棋梓橋組（D2q）灰巖為主，該區有走向NE-SW向大坪里-水冢山壓性斷裂及冷水塘-撊子山壓性斷裂等通過。斷裂帶內巖溶洼地及落水洞很發育，而地表水資源較為貧瘠;每年進入11月份后，大部分地區水塘及泉水近于干涸，亦屬干旱缺水地區。

（2）整個工作區范圍中，除非碳酸鹽巖區外，還有不純碳酸鹽巖區，如泥灰巖、炭質灰巖、泥質灰巖區多為無石漠化地區。在石漠化地區中度石漠化地區面積最大，輕度石漠化地區的面積次之，重度石漠化地區所占范圍最小。

（3）石漠化在巖溶峰叢洼地的分布。除洼地底部外，洼地谷坡及溶丘多為石漠化地區。植被以灌木為主，中度石漠化地區基巖分布于峰叢坡度較緩的坡面，以灌叢、草坡為主。重度石漠化地區基巖連片分布，灌叢分布在峰叢上部及頂部。

5.2石漠化形成分析

喀斯特環境獨特的二元結構（即地表喀斯特景觀和地下喀斯特景觀組成的雙重結構體）和地貌特征與強烈的巖溶化過程是石漠化產生的主要原因，人類對生態的破壞和土地的不合理利用是石漠化激發的主要人為因素[9]。

（1）自然因素

據研究可知，石漠化的范圍與地貌、地質環境密切相關。喀斯特生態系統是受喀斯特地質背景制約的生態系統，具有較強的脆弱性和敏感性，系統抗干擾能力弱、穩定性差[10]。在由于巖石的富鈣性，在石漠化過程中可溶物質被大量遷移，導致該區成土時間長，土層薄[11]。脆弱的地質環境背景使得界嶺幅易于發生石漠化。

（2）人類活動

石漠化尤其是土地石漠化既有人為因素也有自然因素。在地質-歷史時期，巖溶區土壤、基巖自然侵蝕、溶蝕，其自身環境就孕育和存在著自然石漠化過程[12]。經濟的迅猛發展、人口的快速增長，導致土地的不合理耕作，礦產資源的不合理開采，植被的毀滅性破壞等，疊加了人為石漠化過程，從而加劇了石漠化的發展進程。巖溶地區的耕地主要分布于洼地、谷地和平原，規模和數量都很有限。為提高糧食的產量，在糧食單產很低、土地貧瘠的情況下，就會不斷擴大耕地面積，從而造成土壤嚴重侵蝕，基巖大面積出露、生產力嚴重下降的土地退化現象。因此，人類的工業活動也給石漠化的加劇帶來了重大影響。

6 結論

本文以Landsat8遙感數據為數據源，借助于“室內與實地雙結合、人機交互解譯與計算機自動提取相雙合”的手段對石漠化和地物光譜特征進行分析，建立了石漠化解譯標志;綜合采用監督分類法、植被覆蓋度法進行工作區的石漠化解譯，將工作區石漠化程度劃分為無石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和重度石漠化，為石漠化的野外調查和治理提供依據。在研究中發現，樣本的選取對石漠化解譯精度有重要影響，因此在解譯之前需選取典型且數量足夠的樣本。

參考文獻/References

[1]王世杰.喀斯特石漠化概念演繹及其科學內涵的探討[J].中國巖溶， 2002， 21（2）： 101-105.

[2]童立強，劉春玲，聶洪峰.中國南方巖溶石山地區石漠化遙感調查與演變研究[M].北京：科學出版社，2013：31-34.

[3]李麗，童立強，李小慧.基于植被覆蓋度的石漠化遙感信息提取方法研究[J].國土資源遙感，2010，22（2）：59-62.

[4]況順達，戴傳固，王尚彥，等.巖溶石漠化遙感信息增強技術探討[J].貴州地質，2009，26（1）：44-48.

[5]岳躍民，王克林，張兵，等.喀斯特石漠化信息遙感提取的不確定性[J].地球科學進展，2011，26（3）：266-274.

[6]雷麗，蔡雄飛，程星，等.影響貴州省喀斯特山區石漠化的自然因素分析[J].安徽農業科學，2009，37（9）：4244-4248.

[7]李森，董玉祥，王金華.土地石漠化概念與分級問題再探討[J].中國巖溶，2007，26（4）：279-284.