基于GEE 的曲靖石漠化時空演變過程分析

陳 棋 張 超 田湘云 史小蓉 張玉薇 方攀飛

（西南林業大學林學院，云南 昆明 650233）

石漠化作為一種次生的自然災害，指在熱帶、亞熱帶脆弱的巖溶地區，由于受到不合理的人類活動干擾，發生地表植被破壞、土壤侵蝕和基巖裸露等退化極端現象，是我國第三大生態問題[1]。云南省是我國石漠化分布的典型省份之一，石漠化面積居全國第二。坐落于滇東的曲靖地區，位于長江流域和珠江源流域重要的水源補給區和生態功能區，是全國主體功能區劃、長江經濟帶以及滇中城市圈的重點經濟建設區，具有重要的生態區位和經濟區位。曲靖地區是典型的高原巖溶生態環境脆弱區之一，喀斯特地貌發育劇烈、發生類型完整，石漠化分布范圍廣。

進入21 世紀以來，改善石漠化地區的生態環境質量，成為解決石漠化地區人地矛盾，推進生態文明和經濟建設的重要途徑之一。然而，石漠化地區復雜的自然地理和人文環境，使生態修復工作具有長期性、艱巨性和復雜性。針對石漠化生態修復工作的特性，國內外學者對石漠化地區開展了地形地質[2-3]、信息提取[4-5]、演變過程[6-7]、驅動因素[8-9]和修復治理[10-11]等方面的研究。目前，準確獲取大尺度石漠化時空分布特征信息仍是該領域研究中的關鍵和技術瓶頸[12]。由于研究目的、方法、數據源以及研究區自然狀況的差異，在石漠化研究中主要呈現如下不足：空間尺度較小，多為小流域區域或縣域尺度，對大范圍的石漠化分布狀況研究不夠全面；時間分辨率偏低，所構建的時間序列較短，未能長時間連續性地描述石漠化的演變過程；遙感數據的不確定性，遙感數據多受物候變化、云霧、雨雪等自然因素和圖像處理方法的影響，影響石漠化斑塊信息提取的準確性和可比性。

大尺度、高時空分辨率的遙感數據集，由于其數據量龐大，難以收集和處理，且對于單機軟、硬件配置要求高，因而序列構建困難。為了規避上述問題，部分研究通過構建樣點區域某幾個離散時間點遙感數據的方法開展研究[13]。近年來，云處理平臺Google Earth Engine（GEE）改變了傳統單機處理遙感數據的方法，其海量的遙感數據集、龐大的云儲存空間、高性能的云計算能力及其交互式的開發環境，為大尺度高時空分辨率的遙感研究提供了新途徑[14-15]。本研究借助GEE 平臺，以Landsat 系列數據為主要數據源，結合地形特征，對曲靖地區2000—2020 年石漠化時空演變過程進行定量分析，以期為今后的石漠化斑塊遙感識別、時空變化特征分析及綜合治理研究提供參考。

1 研究區概況

曲靖市地處云南省東部，位于24°19′～27°03′N，102°03′～104°50′E，東西橫跨178 km，南北縱距302 km，國土面積28 923 km2。境內地勢自西北向東南傾斜，海拔695～4 017 m，地形復雜多樣，以高原山地為主，兼有高原盆地、高山、河槽、湖盆等多種地貌。水系發達，隸屬長江、珠江兩大水系，是重要的生態安全保護區。全境位于亞熱帶高原季風氣候區，年均氣溫15.1 ℃，年均降水量1 036 mm。區內植被以亞熱帶植被為主，森林類型主要為常綠闊葉林和針葉林。喀斯特地貌分布和發育廣泛，生態系統脆弱，是云貴高原區石漠化發生的主要地區，亦為全國石漠化監測的重點地區。

2 材料與方法

2.1 數據收集與預處理

獲取2000—2020 年覆蓋研究區的Landsat 系列影像（包括TM、ETM + 、OLI 傳感器，來源于USGS 和NASA 提供的經大氣校正的Landsat存檔數據集），共1 458 景。獲取SRTM DEM（空間分辨率30 m），對其進行坡度提取和分級，依據《森林資源規劃設計調查技術規程》（GB/T 26424—2010）[16]：坡度0°～5°為I 級平坡，6°～15°為II 級緩坡，16°～25°為III 級斜坡，26°～35°為IV 級陡坡，36°～45°為V 級急坡，≥46°為VI級險坡。

由于研究區地處低緯度地區，衛星遙感多受云霧影響，高質量影像數量較少。因此，借助GEE 平臺對影像進行如下處理：1）根據時間序列篩選影像（選取各年度1 月1 日至12 月31 日的影像）；2）使用去云算法對影像進行去云處理（借助數據集中的質量評估（QA）頻段，對影像進行云像元掩膜）；3）采用均值算法合成影像；4）拼接和裁剪獲得年度最優影像[17-18]。

2.2 石漠化等級劃分

依據相關技術標準[19]、各省（地區）巖溶地區石漠化監測實施細則以及各學者建立的石漠化等級劃分標準[20-21]，對石漠化等級的劃分標準見表1。

表1 石漠化等級劃分標準Table 1 Rocky desertification grade classification standard

2.3 石漠化表征指標計算

巖石裸露率和植被覆蓋度作為石漠化發生區域最顯著的特征，在石漠化信息定量提取中至關重要。在GEE 平臺中，通過計算歸一化巖石指數（NDRI）和歸一化植被指數（NDVI），采用像元二分法模型獲取研究區巖石裸露率（RE）和植被覆蓋度（FVC）[22]。各石漠化表征指標的計算方法見式（1）～（4）。

式中：BandSWIR為短波紅外波段；BandNIR為近紅外波段；BandRED為紅光波段；NDRIMIN取NDRI累計貢獻率為5%的值；NDRIMAX取NDRI 累計貢獻率為95%值；NDVIMIN取NDVI 累計貢獻率為5%的值；NDVIMAX取NDVI 累計貢獻率為95%值。

2.4 石漠化斑塊的遙感識別

1）植被覆蓋度的提取。以2007 年森林資源連續清查樣地數據（共156 個）為真值數據，對研究區2007 年提取的植被覆蓋度進行精度檢驗，其提取的平均絕對誤差為20%，平均相對誤差為14%。

2）石漠化斑塊的提取。基于石漠化表征遙感因子，依據石漠化等級劃分標準，使用決策樹圖像分類方法對石漠化斑塊進行提取；并采用目視解譯的方法，對隨機抽取的2020 年142 個樣點進行石漠化遙感識別精度檢驗；進而以2020 年石漠化遙感識別數據為基準，采用混淆矩陣的方法，對2000—2019 年石漠化遙感識別結果分別進行精度檢驗。結果顯示：2020 年石漠化遙感識別的精度為61%；2000—2019 年石漠化遙感識別的Kappa 系數均達0.61 以上，用戶精度均可達70.00%。

2.5 石漠化時空演變過程模型

單一等級石漠化動態度（K）和綜合等級石漠化動態度（P）已成為定量分析石漠化時空演變過程的重要指標[22-23]，其計算方法見式（5）～（6）。

式中：K為研究時段內某一石漠化類型動態度；Ua和Ub分別為研究期初及研究期末該類石漠化類型的數量；T為研究時段間隔年數；P為研究時段內綜合等級石漠化類型動態度；Uai、Ubi為研究區域內第i類石漠化類型在研究起始年和終止年的統計面積，S為研究區總的國土面積，n為石漠化類型數。

3 結果與分析

3.1 曲靖地區石漠化空間分布格局

3.1.1 水平空間分布格局特征

曲靖地區石漠化狀況在水平空間上呈現北重南輕、西重東輕的分布特征（圖1）。2001 年曲靖地區石漠化發生面積最大，占國土面積28.03%；2020 年石漠化發生的面積最小，占國土面積15.88%。2000—2020 年北部的會澤縣和宣威市石漠化發生面積占國土面積的8.18%～16.35%；南部的羅平縣和師宗縣石漠化發生面積占國土面積的1.28%～2.14%；中部的沾益區和麒麟區石漠化發生面積占國土面積的2.75%～4.68%；西部的馬龍區和陸良縣石漠化發生面積占國土面積的2.70%～3.72%；東部的富源縣石漠化發生面積占國土面積的0.97%～2.03%。無石漠化和潛在石漠化主要分布于北部的會澤縣和宣威市，以及南部的羅平縣和師宗縣。

圖1 曲靖地區石漠化的水平空間分布格局Fig. 1 Horizontal distribution pattern of rocky desertification in Qujing

3.1.2 坡度空間分布格局特征

石漠化沿坡度空間分布方面具有一定規律性。各等級坡度空間中均以無石漠化和潛在石漠化為主，輕度石漠化和中度石漠化次之。2000—2020 年，曲靖地區無石漠化主要分布于6°～25°的緩坡、斜坡地區，分布面積占國土面積的17.25%～27.04%；潛在石漠化主要分布于0°～15°的平坡、緩坡地區，分布面積占國土面積的30.44%～31.12%。各等級坡度空間石漠化發生面積從大到小依次為6°～15°、16°～25°、26°～35°、0°～5°、36°～45°、≥46°；其中輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化的發生規律大致相似，按發生面積從大到小依次為6°～15°、16°～25°、26°～35°、0°～5°、36°～45°、≥46°；極重度石漠化按分布面 積從大到小依次為6°～15°、16°～25°、0°～5°、26°～35°、36°～45°、≥46°。

曲靖地區石漠化的坡度分布見圖2。由圖2可知，在不同坡度空間中無石漠化和中度石漠化演變最劇烈，極重度石漠化演變最平緩。坡度為15°以下的地區，地勢平坦，地形起伏度小，人為活動頻繁，各等級石漠化年均變化量隨坡度增大而增加；坡度為15°以上的地區，人為干擾強度隨坡度增加而減小，氣候、土壤和植被等自然因素成為驅動石漠化發生的主導因子，各等級石漠化年均變化量隨之減少。

圖2 曲靖地區石漠化的坡度分布Fig. 2 Slope distribution of rocky desertification in Qujing

3.2 曲靖地區石漠化時序演變過程

21 年間，曲靖地區石漠化的發生面積總體呈下降趨勢，石漠化狀況得到明顯改善，見圖3。石漠化發生面積從2000 年的7 983.63 km2（占國土面積27.61%）到2020 年的4 593.21 km2（占國土面積15.88%），減少了3 390.42 km2（占國土面積11.73%），其中，輕度石漠化和中度石漠化的發生面積從2000 年的6 280.90 km2到2020 年的3 788.32 km2，減少了2 492.58 km2；重度石漠化和極重度石漠化發生面積從2000 年的1 702.73 km2到2020 年的804.89 km2，減少了897.84 km2。

圖3 曲靖地區2000—2020 年各等級石漠化面積Fig. 3 Area of rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

從時間序列上看，根據各時期演變特征，可將石漠化演變過程劃分為5 個階段：

1）不穩定階段（2000—2005 年）。石漠化發生面積呈“增加—減少—增加—減少—增加”的趨勢，石漠化演變方向和演變幅度均不穩定。此階段前期生態修復工程初顯成效，但自然災害的發生和生態修復工程的實施造成短期內石漠化惡化。

2）明顯改善階段（2005—2008 年）。石漠化發生面積呈減少的趨勢，年均減少量為國土面積的1.07%。這一階段屬石漠治理探索期，一方面開展第二次石漠化監測工作，摸清石漠化信息；另一方面進行集體林權制度改革，提高當地居民生態保護的積極性和參與度。

3）嚴重惡化階段（2008—2011 年）。石漠化發生面積呈增加的趨勢，年均增加量為國土面積的0.72%。該階段由于推廣沼氣、電力、太陽能等清潔能源，有效減少了人類生產、生活對植被的破壞，但連續旱災造成石漠化的嚴重惡化。

4）持續改善階段（2011—2016 年）。石漠化發生面積呈減少的趨勢。此階段前期生態修復工作成效顯著，主要原因：一方面，生態文明建設被納入“五位一體”國家總體布局，加大了生態系統保護力度；另一方面隨著城鎮化的發展和新農村的建設，水利設施、道路等基礎設施的完善，提高了居民生產、生活條件，導致石漠化面積持續減少。

5）穩定改善階段（2016—2020 年）。石漠化發生面積狀況呈先增加后減少的趨勢，其中，2016—2017 年石漠化發生面積增加了國土面積的0.16%；2017—2020 年曲靖石漠化面積持續減少，年均減少量為國土面積的0.15%。這一階段，石漠化綜合治理工程納入“十三五”建設規劃，植樹造林、封山育林和坡地梯化等綜合措施的實施，成為改善石漠化狀況的重要因素。前期生態恢復的面積與工程實施驅動石漠化發生的面積基本持平，因而石漠化面積變化不明顯。

3.3 曲靖地區石漠化動態度分析

3.3.1 單一等級石漠化動態度

采用單一等級石漠化動態度可更清晰地描述曲靖地區2000—2020 年各等級石漠化的演變趨勢和變化幅度，見圖4。近21 年來，潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和極重度石漠化發生面積總體呈減少趨勢，平均動態度分別為-0.09%、-1.66%、-3.12%、-4.01%和-1.02%。無石漠化面積總體呈增加趨勢，平均動態度為2.01%。在此期間，潛在石漠化平均動態度數值最小，其余等級石漠化平均動態度數值均較大。上述結果表明，曲靖石漠化狀況總體呈改善趨勢。同時，除潛在石漠化面積變化幅度最小，其余等級石漠化變化幅度較大，其中以重度石漠化面積幅度最大，演變過程最為劇烈。

圖4 曲靖地區2000—2020 年單一等級石漠化動態度變化曲線Fig. 4 The change curves of single grade rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

3.3.2 綜合等級石漠化動態度

2000—2020 年，曲靖地區石漠化年均變化面積為453.14 km2，平均綜合石漠化動態度為1.50%。綜合等級石漠化動態度變化見圖5，2001—2002年曲靖地區綜合等級石漠化動態度最高為2.67%，變化面積為771.12 km2，2017—2018 年曲靖地區綜合等級石漠化動態度最低為0.11%，變化面積為33.01 km2。綜上表明，研究時段內曲靖地區石漠化面積變化幅度較大，其中2001—2002 年石漠化演變過程最為劇烈，2017—2018 年石漠化演變過程較為平緩。

圖5 曲靖地區2000—2020 年綜合等級石漠化動態度變化曲線Fig. 5 The change curves of comprehensive grade rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

4 結論與討論

4.1 討論

4.1.1 GEE 平臺影像處理的影響因素分析

季節變化致使基巖裸露程度和植被覆蓋度發生變化，形成季節性石漠化。以GEE 平臺中的Landsat 系列數據為數據源，根據時間序列，采用均值算法擬合圖像，構建具有高時間分辨率的觀測數據集，減少了季相變化對植被覆蓋度和巖石裸露率的影響，從而降低了季節性石漠化對石漠化斑塊信息提取的不確定性影響，增加了數據間的可比性。但是，研究時間跨度較長（2000—2020 年），單一傳感器數據無法完全涵蓋，綜合采用了TMETM + OLI 三種傳感器，進行觀測數據集的構建，傳感器間的基準參數的不同可能會造成數據間的差異，如OLI 傳感器與TMETM +傳感器相比，其信噪比、輻射分辨率及波段光譜均得到了優化[24]。此外，在構建過程中，年度獲取影像的數量和時間分布的不同，可能會對影像均值合成的效果產生一定影響。

4.1.2 石漠化空間分布的影響因素分析

研究結果顯示，曲靖地區石漠化水平分布格局呈北高南低、西重東輕；垂直分布規律為坡度15°以下的平坡和緩坡地區，坡度與石漠化發生面積呈正相關；坡度15°以上的斜坡、陡坡、急坡和險坡地區，坡度與石漠化發生面積呈負相關。然而，石漠化的分布與發展不僅和植被覆蓋度、巖石裸露率直接相關，亦受坡度、巖性、人口和社會經濟發展水平等驅動因子的影響[25]。曲靖地處云貴高原中部，屬于滇東高原向黔西高原過渡帶，整體地勢由西北向東南傾斜，中部為長江、珠江兩大水系分水嶺地帶。境內多為高原山地、間有高原盆地，高山、中山、低山、河槽和湖盆多種地貌并存；西北部海拔較高，以高原山地及高原盆地地貌為主，坡度距離長，地形起伏相對較小，加之北部二縣（宣威市、會澤縣）為人口大縣，人為活動范圍廣，土地的承載力較大；東南部海拔較低，多為低山、河槽和湖盆地帶，人口分布較少，土地承載力相對北部較低；導致北部石漠化發生面積大于南部的石漠化發生面積。

此外，人為活動空間主要分布于0°～15°。較為平坦的地區適宜人類進行一系列生產和生活活動，當人口壓力大于該區域的環境承載力，人類就會擴大活動空間，隨著坡度的增加超過25°時，人類活動空間達到上限，坡度越大越不利于人類生產活動，從而形成了這種垂直分布格局。這與石漠化在坡度空間上的發生和變化規律相似。25°以內的平坡、緩坡、斜坡區域，石漠化分布面積占石漠化總面積78.09%～80.85%，平均年度石漠化變化面積占石漠化總變化面積76.8%，具有變化劇烈、發生速度快、分布面積廣的特點。25°以上的陡坡、急坡和險坡地區，石漠分布面積相對較少，僅占石漠化總面積19.15%～21.91%；演變緩慢，平均年度變化面積僅為石漠化總變化面積的23.2%；隨著坡度的增加，各等級石漠化分布的面積均在減少，而該地區的重度石漠化和極重度石漠化相對于輕度石漠化和中度石漠化演變較為穩定。

由此，坡度為25°以下的坡度空間人為活動頻繁，大部分石漠化是在不合理的人為干擾驅動發生的；生態修復時以開展人工造林，坡耕地梯化等人為修復為主。坡度為25°以上的地區，由于土地利用率低該區域受人類影響相對較小，自然因素是主要驅動力。生態修復時由于立地條件較差等原因，以封山育林為主的自然修復為主要措施。

4.1.3 石漠化動態變化的影響因素分析

石漠化的發生及變化是在復雜的自然干擾和人為干擾的驅動下形成的[26]。研究時段內，曲靖地區石漠化分布面積總體呈下降趨勢，生態環境得以改善，這得益于20 世紀80 年代以來相關的地方林業發展政策的引導以及生態修復工程的實施。

然而，曲靖退耕還林工程全面實施時間，以及石漠化綜合治理和“十三五規劃”的實施開始時間，分別與2002—2003 年和2016—2017 年石漠化惡化的時間一致，表現為中度、重度和極重度石漠化發生面積的增加。此外，曲靖市是云南干旱的重災區，而云南省在2001 年、2005 年、2006 年、2008 年、2009 年、2010 年、2011 年、2012 年、2013 年、2015 年、2019 年和2020 年均發生了不同程度的旱災。這與研究區石漠化發生惡化的時間相吻合，其中2000—2001 年表現為重度和極重度石漠化面積的增加；2004—2005 年和2008—2009 年演變特征為輕度、中度、重度和極重度石漠化發生面積增加；2009—2010 年演變特征表現潛在、輕度、中度和重度石漠化面積增加；2010—2011 年石漠化演變特征表現為潛在、輕度、重度和極重度石漠化發生面積的增加；2012—2013 年主要表現為重度石漠化發生面積的增加；2014—2015 年主要表現為極重度石漠化發生面積的增加；2018—2019 年表現為中度和極重度石漠化面積的增加；2019—2020 年表現為重度和極重度石漠化面積的增加。

由此初步可得，合理的人為干擾對石漠化地區的生態修復具有積極的驅動作用；而不合理的人為干擾和自然災害對石漠化的惡化具有驅動作用。

4.2 結論

本研究基于GEE 平臺，使用2000—2020 年的Landsat 遙感數據提取了曲靖地區石漠化斑塊信息，并從空間分布特征、時序演變過程、動態度變化三個方面開展研究。結果表明：

1）GEE 平臺能提供一個開源的云計算平臺，降低了數據量和運算量對長時空序列遙感研究的限制；能通過去云和均值等算法提高影像數據質量，減少季相變化對石漠化信息提取的差異，提高數據的可比性。

2）曲靖地區石漠化空間分布呈北高南低，西重東輕的水平分布格局；以及坡度為15°以下，坡度越大石漠化發生面積和演變幅度越大；15°以上坡度越大石漠化發生面積和演變幅度越小的坡度空間分布規律。其中，坡度為6°～15°的斜坡地區和16°～25°的陡坡地區石漠化發生的面積最大、演變最為劇烈。

3）2000—2020 年曲靖地區石漠化發生面積整體呈減少趨勢，生態環境逐步得到了改善。21 年間石漠化面積共減少3 390.42 km2（占國土面積的11.73%），平均年減少量為161.45 km2（占國土面積的0.56%）；石漠演變經過了不穩定、明顯改善、嚴重惡化、持續改善和穩定改善5 個階段。