基于高分六號遙感數據的區域石漠化監測應用

文|劉思晨 黃羲增 馬瑞 孫斌 姬翠翠

1.重慶交通大學智慧城市學院

2.中國林業科學研究院資源信息研究所

一、前言

土地石漠化威脅著不同國家和地區，破壞了生態環境的可持續發展。面對各類災害生態環境的侵襲，航天遙感技術可實現實時監控，為生態資源的保護提供有效信息[1]?；谥袊叻窒盗行l星的航天遙感技術可在短時間內取得大面積的數據，并使用圖像或非圖像方式表現，方便進行觀測與分析。該技術大大減少了因研究區域范圍廣闊，分布廣泛消耗的大量人力、財力、時間成本，同時可準確快速提取信息，實現對石漠化的監測，對保護生態環境提供重要信息依據。

中國的石漠化問題比較突出，眾多學者從20世紀80年代就開始對我國西南巖溶地區的石漠化現象及其成因進行了多方面的研究，對我國西南巖溶石漠化的特點、分布、形成原因、動態變化、影響因素和治理等方面有了初步的認識。

本文介紹了高分六號遙感數據在區域石漠化監測中的應用，通過植被覆蓋度、巖石裸露率、坡度、土地覆被類型4個指標，對貴州省安順市普定縣進行石漠化監測，體現高分六號在區域石漠化監測的優勢。

二、GF-6衛星應用優勢

高分六號衛星（GF-6）于2018年6月2日成功發射，主要應用于精準農業觀測、林業資源調查等行業，自然資源部為其主用戶。該星實現了8譜段CMOS探測器的國產化研制，國內首次增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的紅邊波段，大幅提高了農業、林業、草原等資源監測能力。

GF-6衛星配置2米全色/8米多光譜高分辨率相機、16米多光譜中分辨率寬幅相機，2米全色/8米多光譜相機觀測幅寬90km，16米多光譜相機觀測幅寬800km，多光譜寬幅相機新增了兩個紅邊波段（690～730nm、730～770 nm）、一個紫光波段（400～450nm）和一個黃光（590～630nm）波段。GF-6衛星與高分一號衛星（GF-1）組網運行后，使遙感數據獲取的時間分辨率從4天縮短到2天，為生態文明建設等重大需求提供了遙感數據支撐。

同時國產GF-6衛星具有大角度、高頻次和新譜段的特點，在地表信息識別上具有極高的精度和極強的穩健性，其紅邊波段對植被異常敏感，對林地非林地識別較為重要,能夠有效地提高線性光譜混合分解的估算能力[2]，且擁有中高空間分辨率的GF傳感器對于破碎地區的植物識別具有較好的應用潛力，能夠在一定程度上解決混合像元等問題[3]。

三、GF-6衛星石漠化監測的應用

1.研究區概況

本文研究區為貴州省安順市普定縣（圖1），屬于亞熱帶季風濕潤氣候區，年降雨量1400mm，春旱在四月和五月時有發生，六月和七月會有暴雨。普定的總面積為1079.93km2，海拔在1041～1836m之間。該縣地勢為南、北部高，中間低，由南部和中部向三岔河河谷傾斜，巖溶地貌發育非常典型，崎嶇的地貌使其非常容易發生地方侵蝕。巖溶面積占普定面積的84.27%，多種多樣的喀斯特地貌峰叢、峰林、小丘和洼地在全縣都有分布。

圖1 研究區概況

2.數據源及其預處理

遙感數據為2020年5月28日的高分六號系列衛星所采集的云量低于5%并且分辨率為16m的多光譜數據；地形數據來源于Google Earth Engine云平臺的SRTM V3產品的30m分辨率DEM數據；土地利用數據來源于Zendo平臺提供的30m分辨率的GLC_FCS30-2020產品。

本文基于地面控制性實驗獲得的端元光譜及植被的冠層混合光譜信息，獲取每個樣地特定的巖石、植被、裸土、苔蘚和建筑等不透水面的端元光譜。為避免外界環境對獲取端元光譜差異，根據光譜儀性能條件，在晴朗、無云、低風、自然光照穩定并充足的時段（10∶00—14∶00），采用ASD Field Spec Pro光譜儀測量獲得純凈端元光譜數據，獲取端元光譜重采樣為GF6影像對應波段得到端元光譜曲線，見圖2。

圖2 樣地采集光譜數據重采樣到GF-6對應波段光譜曲線

3.石漠化提取指標的選取

科學評定石漠化的等級以及確定評價指標的量化標準是石漠化信息提取的前提[4]。評價指標的選取不僅需要考慮石漠化表現特征，同時還需考慮石漠化演變過程的影響因素。植被覆蓋度下降、大面積巖石裸露是石漠化最直接的表現特征，因此兩者成為石漠化研究選用最多的分級指標，也是石漠化調查、評估和等級劃分的重要依據[5]。坡度是石漠化演變過程中一個非常重要的影響因素，坡度越大，地表結構不穩定性就越強，越容易發生石漠化，因此也常被作為石漠化的分級指標[6-7]。

提質粒，將各片段質粒pCAMBIA1301-ProTkGG PPS-Gus經SalⅠ和NcoⅠ雙酶切鑒定（圖4）。用電擊法轉化農桿菌GV3101菌株。鑒定為陽性的PCR菌落（圖5），置于4℃保存備用。

參考當前石漠化遙感監測指標體系研究現狀，并考慮影響石漠化演變的主導因素、空間尺度大小、地理環境狀況等特征，最終選取植被覆蓋度、巖石裸露率、坡度、土地覆被類型4個指標作為本研究中石漠化分析的評價指標。

前人對于喀斯特地區石漠化等級劃分研究頗多，但對石漠化等級劃分體系的標準，不同學者考慮的角度不相同[8-9]。有學者將石漠化劃分為極度、重、中、輕度和無石漠化5個等級[10]，也有的研究依據巖石裸露率和植被覆蓋度指標，劃分出無石漠化、潛在石漠化、輕度、中度及強度或極強度石漠化等[11]。而指標的閾值則主要根據空間尺度、分級目標以及遙感影像的解譯方法等因素確定[12]。本文參考前人的研究成果[13]，結合數據的可得性、工作量及研究區實際情況等，將石漠化等級劃分為無石漠化、輕度、中度和重度石漠化4個等級（表1）。

表1 石漠化等級標準

在研究植被覆蓋度和巖石裸露率等指標時，GF-6衛星展現了其優勢所在。根據趙鴻飛等研究[14]，基于GF-6衛星的植被覆蓋度遙感估測表明，GF-6衛星寬幅數據較Landsat、MODIS等衛星數據的時空分辨率更高。同時，對比 GF-6 衛星WFV載荷和Landsat8 OLI、Sentinel-2載荷之間的地表信息識別能力[15]，GF-6衛星新增的紅邊波段能有效提高線性光譜混合分解的豐度值估算能力和決策樹的分類精度，對于本文石漠化提取具有重要的作用。

（1）植被覆蓋度和巖石裸露率獲取

植被覆蓋度和巖石裸露率采用線性光譜混合模型求取，像元混合光譜被理解為參與各端元光譜矩陣與其豐度矩陣的線性乘積，模型中加入豐度加和為1和豐度非負約束的FCLS算法求解。通過采集端元光譜數據和GF-6影像，獲取研究區植被覆蓋度分布圖（圖3）和巖石裸露率分布圖（圖4）。

圖3 植被覆蓋度空間分布圖

圖4 巖石裸露率空間分布圖

（2）坡度提取

直接利用Google Earth Engine云平臺的函數庫中的“ee.Slope”函數，對獲得的DEM數據進行坡度計算，得到普定區域坡度信息分布圖（圖5）。

圖5 坡度信息分布圖

該研究區域除不可能發生石漠化的水體和建筑用地以外，土地覆被類型主要包括林地、灌木林地、牧草地、未成林造林地、疏林地、無立木林地、宜林地、未利用地、旱地、苗圃地、林業輔助生產用地，結合《巖溶地區石漠化監測技術規定（2011修訂）》，對不同的土地覆被類型進行分級賦值（表2），提取石漠化治理措施因子并獲得其分布圖（圖6），參與最后的石漠化強度等級的計算。

表 2石漠化治理措施因子賦值表

圖6 石漠化治理措施因子分布圖

4.石漠化等級劃分

綜合考慮植被覆蓋度、巖石裸露率、坡度、石漠化治理措施因子等4個指標，根據石漠化等級標準，建立CART決策樹獲取2020年普定研究區石漠化信息分布圖（圖7）。

5.結果分析

為驗證本研究中石漠化遙感監測方法的可靠性，在研究結果（圖7）中隨機選取257個樣本點，結合Google Earth高清衛星影像，采取人機交互解譯的方法，驗證計算結果的精度。在選取的樣本點中有200個點實驗結果與調查的石漠化程度一致，整體精度為85.82%，證明本研究所構建的石漠化遙感監測方法具有一定的可靠性。

從圖7可知，石漠化主要發生在普定縣的東部和西部，該地區東、西地勢較高，土地覆被類型多屬于疏林地、灌木林地，并且地貌崎嶇，使得其非常容易發生地方侵蝕形成喀斯特地貌。重度石漠化零星分布于整個研究區域，僅占研究總面積的6.18%。無石漠化區域主要集中分布于研究區的中部，由于該地域地勢較低，且土地覆被類型以梯田耕地為主，使得其不易發生石漠化。從空間分布上看，發生石漠化地區基本上與喀斯特地區范圍吻合。

圖7 石漠化等級分布圖及精度驗證示例

四、思考與展望

本文基于高分衛星影像數據，構建了一種石漠化遙感監測模型，獲取了研究區域石漠化空間分布特征，同時進行了一定的思考與展望。

1.思考

利用遙感技術對土地石漠化的監測往往不是直接得到數據。土地石漠化是一個十分復雜的過程，由不同因素協同導致。例如該地坡度越大，地表結構在重力的作用下不穩定性越強，發生石漠化的可能性越大；而植被對于土地石漠化的發生具有抑制作用，植被發達的根系會將土壤緊緊地固定在一起，土地發生石漠化的可能性會降低。因此通過分析其中一種影響因子無法準確描述土地石漠化的程度。本研究在充分考慮土地發生石漠化的各種誘因的基礎上，選取植被覆蓋度、巖石裸露率等因子構建土地石漠化監測模型。此方法對于準確分析土地石漠化程度方面具有一定的可靠性和可行性。隨著時代的發展，如何快速、準確、實時監測環境變化必然會成為環境監測的頭等問題。利用遙感技術對環境進行監測，不僅勞動成本低，并且效率相對于傳統監測方法有明顯優勢，并且伴隨衛星觀測分辨率的提高和遙感方法的進步，其準確性也會隨之提高。對于生態監測，遙感技術具有重要的作用。

2.展望

對于融合了感應技術、計算機技術等現代科學的遙感技術，不僅可以實現信息采集、處理、分析的同步，還有效提高了采集環境信息的效率，有利于快速開展對土地石漠化監測和管理的工作。

目前，利用遙感技術大尺度宏觀監測土地石漠化的方法與技術正逐步趨于成熟，其快速、實時監測的特性對于當今大數據時代是十分重要的。而隨著遙感技術的發展，宏觀監測的精度和準確度會變得更高，更利于人類管理土地資源，推動自然資源的可持續發展。

GF-6衛星寬幅數據在建立西南巖溶地區石漠化監測的模型相比其他衛星數據，體現了其一定的優勢。在進行區域石漠化監測研究時，GF-6衛星為其提供了全新的數據來源和更精確和穩健的數據分析，有著極其廣闊的應用場景，為國產數據拓寬了途徑。同時，GF-6衛星具備中高分辨率和寬幅成像結合的能力，具有大范圍、重訪周期短、定量化探測等優勢，能滿足多種研究需求，如多種空間分辨率、多種光譜分辨率等需求。GF-6衛星作為我國第一顆具備紅邊譜段傳感器的衛星，在農業、林業、氣象等研究方面發揮了重要的作用，體現出國產衛星的進步和發展。隨著高分系列衛星的不斷發展，在未來，高分衛星數據有望實現對國外同類型衛星數據的替代，將中國衛星數據研究及發展引領至更高的平臺。