基于SPOT-5影像的冷水江市巖溶區石漠化時空演變研究

陳 利，林 輝，孫 華

基于SPOT-5影像的冷水江市巖溶區石漠化時空演變研究

陳 利，林 輝，孫 華

（中南林業科技大學 林業遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

以湖南省冷水江市為研究區域,運用遙感與地理信息系統技術, 通過對比分析2005年和2011年兩期SPOT-5高分辨率遙感數據,分別從石漠化土地的演變方向與規模、石漠化土地演變的速率和頻率等方面進行分析，來探討石漠化的時空演變過程及巖溶區土地石漠化時空演變的規律。研究結果表明: 2005～2011年,該市巖溶區石漠化破壞與治理同時存在,但破壞強度大于治理效果,石漠化總體變化為加劇趨勢。潛在石漠化，輕度石漠化，極重度石漠化呈發展趨勢，動態度最大是輕度石漠化為25.5%，發展速度最快。重度石漠化，極重度石漠化呈逆轉趨勢，逆轉動態度最大的是重度石漠化為5.1%，逆轉速度最快，石漠化局部得到治理，但整體惡化。冷水江市巖溶區域對石漠化發生率貢獻影響最大的部分是非石漠化區域轉化為輕度石漠化區域，由石漠化改善為非石漠化只占由非石漠化轉化為石漠化的62.5%。

石漠化；時空變化；SPOT-5；冷水江市

石漠化是指在熱帶、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,受人為活動干擾,使地表植被遭受破壞,造成土壤嚴重侵蝕,基巖大面積裸露,礫石堆積的土地退化現象,是巖溶地區土地退化的極端形式[1-2]。石漠化的時空演變雖然只反映了一個區域的生態環境變遷，但它的結果卻直接會影響整個區域的經濟和社會發展[3-4]。

目前，國外涉及到土地石漠化問題的研究相對比較少。國外學者早期主要是對喀斯特地貌特征、地質成因、水文特征及其發育過程進行研究；在此之后，國內學者在結合社會、經濟發展需要，對喀斯特水文地質、工程地質、喀斯特洞穴、地球物理勘探、喀斯特發育理論等做了大量研究。1990年代后，隨著3S技術的發展，利用其大范圍、多尺度、快速的優勢，對巖溶地區石漠化進行了調查、監測研究，取得了大量的研究成果，著重探討了石漠化治理模式與方法、氣候、巖性、等與石漠化土地的相關性、石漠化的評價、石漠化驅動機制分析、石漠化的生態恢復、石漠化的演化規律等方面的問題[5-8]。

童立強[9]利用地理信息系統自動識別和提取的石漠化信息，經人工交互解譯修正和野外驗證后與實地抽查相比較，圖斑正確率高達89.9%。陳起偉等[10]人應用監督分類和基于光譜特征的信息提取方法，提取各時段的石漠化信息圖通過疊加、對比分析，以及實地考察，分析了花江喀斯特峽谷區的石漠化的變化情況。胡寶清等[11]人采用3S技術，得到了石漠化分布以及驅動因子圖，并進行疊加運算和相關分析，診斷出了石漠化驅動機制，表明喀斯特石漠化是在脆弱的生態環境地質背景上由于人類的強烈擾動而形成的，是多種因子綜合的結果。張素紅、王兮之等[12-13]從景觀格局的角度對粵北石漠化典型區域的石漠化演變格局進行了分析。

目前我國的生態環境處于治理與破壞相持階段[14-16]，為了與目前我國正在進行的石漠化治理監測以及規劃以縣域為地域單元相對應, 筆者選擇以縣級市行政區為尺度單元來研究石漠化動態變化特征與規律,以湖南省冷水江市為研究對象，利用2005年及2011年2期SPOT-5高分辨率影像數據進行空間變換，通過人機交互式解譯并進行野外實地驗證，圖班的正確率高達95%，與國內外的其它學者用中等分辨率TM影像解譯相比，解譯精度顯著提高。本研究主要是對石漠化土地的動態變化進行分析，分別從石漠化土地的現狀及其分布特征、石漠化土地的演變方向與規模、石漠化土地演變的速率和頻率等方面進行分析，來探討石漠化的時空演變過程，揭示石漠化土地演變的規律。為石冷水江市漠化的治理規劃提供不可缺少的基礎和科學參考依據,在“生態建設治理與破壞相持階段”的攻堅戰中提供戰略支持,為緩解冷水江市生態環境危機,實現生態安全和社會、經濟、環境的可持續發展打下基礎。

1 研究區概況

冷水江市地處湖南省中部，地處北緯27°30′49″～ 27°50′38″， 東 經 111°18′57″～111°36′40″之間。東抵漣源市，南鄰新邵縣，西部和北部接新化縣。市中心城區東距婁底市87 km，南距邵陽市83 km，西距懷化市244 km，東北距省會長沙市236 km。市境周長128.5 km，南北最大縱長39 km，東西最大橫跨22 km，總面積439 km2。湘黔鐵路橫貫市境東西，東靠南北大動脈洛湛鐵路，上瑞高速公路擦境而過，資水蜿蜒流經市區，規劃中的太（原）澳（門）高速公路縱貫南北。研究區域示意圖如圖1。

圖1 研究區位置Fig.1 The location of studying area

2 數據源與研究方法

2.1 數據源

本文利用2005年以及2011年的兩期SPOT-5遙感影像，空間分辨率為2.5m，SPOT-5衛星于2002年5月4日發射，是法國SPOT-5衛星的第五顆衛星上載有2臺高分辨率幾何成像裝置(HRG)、1臺寬視域植被探測儀(VGT)、1臺高分辨率立體成像裝置(HRS)等，前后模式實時獲得立體像對，運營性能有很大改善。

2.1 研究方法

本研究為了與全國第一、二次石漠化監測結果具有一定的可比性，所以采用了國家林業局制定的技術指標體系[17]，即對巖溶區按照基巖裸露度(i1)、植被類型(i2)、植被蓋度(i3)、土壤厚度(i4)等4項指標綜合評定石漠化程度。各項指標評分標準見表1。

將上述4個指標評分進行加和,得到石漠化程度分級指標值(I),其分級標準如下(表2)。

表1 石漠化評價的指標和評分標準Table 1 Index and scoring criteria for rocky desertification evaluation

表2 石漠化程度分級及其指標值Table 2 Classification and index of rocky desertification degree

圖2 2005年冷水江市石漠化狀況Fig.2 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2005

3 研究結果與分析

石漠化時空格局演變是一個錯綜復雜的過程，涉及因素眾多，既是一種空間概念上的表達，又是時間序列上的演繹。所以要在探討石漠化的時空演變過程中解決3個基本的科學問題：一是要了解研究時段初期不同石漠化類型的轉移去向及研究時段末期不同石漠化類型的來源與構成，計算和分析出不同石漠化類型的“演變規模與方向”；二是要反映不同區域石漠化類型的變化快慢，計算不同石漠化類型的演變速率；三是要以真實地反映出區域石漠化類型反復變化的劇烈程度，計

以2005年和2011年兩期SPOT-5衛星數據為主要研究資料,對SPOT-5遙感數據進行圖像預處理，包括校正、融合、鑲嵌等處理過程[18-22]，并進行外業的樣地點調查，結合遙感影像建立解譯標志。以冷水江市的地形圖、區域水文地質圖、土壤分布圖、森林資源二類調查資料及林相圖、2005年以來的該縣社會經濟統計年鑒等為輔助資料,利用遙感和地理信息系統等技術手段，采用人機交互的半自動化方式進行石漠化強度遙感解譯和分類，根據遙感解譯標志進行研究區土地石漠化強度遙感解譯,并對初步解譯成果進行復核和必要的修改,生成研究區土地石漠化遙感解譯成果圖(圖 2、圖 3)。算出不同石漠化類型的演變頻率。因而本研究著重從這三個基本科學問題來研究冷水江市巖溶地區石漠化時空演變。

圖3 2011年冷水江市石漠化狀況Fig.3 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2011

3.1 石漠化時空演變的總體動態特征

通過ARCGIS操作平臺，將2期石漠化數據(圖2、圖3)進行空間疊加對比(表3)。由表3發現，從2005～2011年間，已石漠化土地的總面積由8 607.6 hm2變為10 292.5 hm2，增加了1 684.9 hm2，由此可見石漠化面積變化比較明顯。非石漠化變化面積為1 170.5 hm2，潛在石漠化變化面積為584.5 hm2，輕度石漠化變化面積為771.2 hm2，中度石漠化變化面積為559 hm2，重度石漠化變化面積為559 hm2，極重度石漠化的面積為1 684.9 hm2，石漠化總的變化面積達6 100.3 hm2。

表3 冷水江市不同石漠化類型在巖溶區的面積和比例 (2005～2011年)?Table 3 Area and proportion of different type karst rocky desertification in Lengshuijiang city (2005～2011)

從表3可以發現：石漠化內部各類型之間的演變異常劇烈。有4 345.3 hm2的變化面積發生在相互演變之中，占整個總變化面積的71.2%。也就是說，石漠化的變化大多是從一個等級變到了另一個等級，而并非在石漠化和無石漠化以及潛在石漠化之間直接變化。

冷水江市巖溶區面積為32425.5 hm2，占冷水江市土地總面積的74.2%。在ARCGIS技術支持下得到2005年與2011年冷水江市土地石漠化分布圖。比較兩期數據可知，冷水江市2011年石漠化面積與2005年相比有較大的變化(見圖2、圖3和表3)，具體表現如下。

(1) 冷水江市石漠化總體上呈惡化趨勢,不同程度的石漠化面積變化明顯。2005年非石漠化土地、潛在石漠化土地、輕度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、極重度石漠化土地面積占整個巖溶區面積比例分別為61.68%、10.85%、7.05%、11.43%、6.99%、2.01%；而2011年非石漠化土地、潛在石漠化土地、輕度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、極重度石漠化土地面積占整個巖溶區面積比例分別為55.98%、12.28%、15.5%、8.67%、5.02%、2.55%。

(2) 從表3、表4中可以看出,該市土地石漠化狀況改善與惡化現象并存。從2005年到2011年，12 005.2 hm2石漠化土地中有5 759.3 hm2得到改善，改善率達到48.0%；5 692 hm2石漠化土地繼續惡化，惡化率為47.4%。由表5可知，3 338.5 hm2非石漠化土地轉化為石漠化，轉化率達18.4%，其中1 383.3 hm2轉化為輕度石漠化，541.1 hm2轉化為中度石漠化，397 hm2轉化為重度石漠化，458.1 hm2轉化為極重度石漠化，559 hm2轉化為潛在石漠化。

3.2 石漠化時空演變分析

3.2.1 石漠化演變方向與規模

為了研究時段內的石漠化類型結構及其類型的轉移變化情況，分析監測初期各種土地利用類型的轉移去向以及監測末期各土地利用類型的來源。轉移矩陣能夠具體、全面的描述區域土地利用變化的結構、特征與各用地類型變化的方向，定量反映各種土地利用類型之間的相互轉換情況，更好地了解其時空演變過程。本研究也采用同樣的方法研究石漠化土地的演變方向與規模，需要建立轉移矩陣模型來表征：

表4 石漠化演變類型統計Table 4 The statistics of rocky desertification evolution type hm2

式（1）中：Sij代表面積，單位hm2；n代表石漠化的類型數；i、j分別代表監測初期與監測末期的石漠化類型；Snn代表監測時段內石漠化類型的變化量，單位hm2；

利用圖1和圖2進行空間疊加運算，求算出由2005～2011年不同石漠化類型的轉移矩陣（表5）；這樣就充分考慮了石漠化類型轉入和轉出過程中發生的空間位置轉換，揭示了石漠化變化的真實情況，對研究石漠化變化的過程極為有利。由表5可知，在這5年有3 338.5 hm2非石漠化土地轉化為石漠化,轉化率達18.4%，其中1 383.3 hm2非石漠化轉化為輕度石漠化，541.1 hm2非石漠化轉化化為中度石漠化，397 hm2非石漠化轉化化為重度石漠化，458.1 hm2非石漠化轉化為極重度石漠化，559 hm2非石漠化轉化化為潛在石漠化，石漠化呈加劇的趨勢；輕度主要向非石漠化和潛在石漠化轉變，分別為626 hm2和687.6 hm2，占同類演變的44.15%和48.50%。從2005到2011年，演變成非石漠化的面積共有3 002.4 hm，演變到潛在石漠化以上的面積8487.8 hm2，若潛在石漠化既不算已石漠化土地，也不算非石漠化土地，那么在幾年內演變成石漠化的土地與演變成非石漠化的土地，兩者的比值為117.11%，說明冷水江市石漠化的局部得到治理，整體惡化。

表5 石漠化狀況的動態轉移Table 5 Dynamic transferformation of rocky desertification status

3.2.2 石漠化演變速率與頻率

石漠化是一個動態的環境退化過程，這一過程可以通過其本身的景觀特征來加以表示，在土地利用和土地覆被變化研究中，各個土地利用類型用地面積的變化幅度和變化速率可以用土地利用動態度表示。它是指某一地區在某一時段內某種土地利用變化類型的數量變化情況，表達式為：

式（2）中：K為研究時段內某一土地利用類型動態度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量，T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。動態度的正、負號不代表大小，只表示石漠化演變方向。K值絕對值越高，表明石漠化發展或逆轉的速度越快。根據衛星影像的判讀解譯，在ArcGIS軟件計算出研究區各級石漠化土地的面積，分析比較冷水江市石漠化動態發展方向與速度（表6）以及動態度圖（圖4）。

近5年來，冷水江市石漠化面積持續增加，中度石漠化以及重度石漠化發生逆轉，其年均面積減少分別為154.24 hm2、111.8 hm2，輕度石漠化、極重度石漠化面積不斷增大，其年均面積增加分別為563.62 hm2、39.4 hm2。從2005～2011年，石漠化土地年均增加336.98 hm2，以輕度石漠化面積增加速度最快，重度石漠化逆轉速度最快。潛在石漠化土地近幾年來持續發展，年均面積增加116.9 hm2。

表6 2005～2011年冷水江市石漠化土地面積與程度變化Table 6 2005～2011 LengshuiJiang city rocky desertification land area, and changing degree

由圖4可知，石漠化演變動態度最快的是輕度石漠化為25.5%，其次為極重度石漠化，為6.3%，說明這一區域土地利用變化最劇烈，動態性更強。除輕度石漠化外，石漠化演變動態度最低的是非石漠化，說明最好生態系統是最穩定的，符合傳統的生態系統穩定性特點。可見，石漠化的演變頻率不僅與人類活動的頻繁程度有關，可能還受其所在的地質背景影響。

圖4 冷水江市不同石漠化土地演變類型動態度Fig. 4 Dynamic degree of different rocky desertification land evolution type in Lengsuijiang city

4 結論與討論

本研究以生態基準面概念為理論依據，在綜合性、主導性、可操作性原則指導下，通過對冷水江市各級石漠化土地分級指標基巖裸露率、植被類型、植被蓋度、土壤厚度和土地利用類型的野外調查與觀測，借鑒前人研究，擬定了冷水江市石漠化土地分級指征。運用“3S”技術進行了冷水江市巖溶典型分布區的石漠化土地動態變化研究。通過調查研究和分析，得出以下基本結論。

(1)在2005～2011年,冷水江市巖溶區石漠化治理與破壞同時存在,但破壞強度大于治理效果，石漠化呈加劇趨勢。

(2)冷水江市巖溶區域潛在、輕度、極重度石漠化呈發展趨勢，輕度石漠化的動態度最大，動態度為25.5%，發展速度最快，中度、極重度石漠化呈逆轉趨勢，重度石漠化逆轉動態度最大，動態度為5.1%，逆轉速度最快，冷水江市石漠化局部治理，整體惡化。

(3)冷水江市巖溶區域對石漠化發生率貢獻影響最大的部分是非石漠化區域轉化為輕度石漠化區域。由石漠化改善為非石漠化的土地只占由非石漠化轉化為石漠化土地的62.5%。由此可見，石漠化生態環境的建設重在預防。

(4)冷水江市生態環境的建設已經引起社會的重視，得到了有效的改善，而潛在的石漠化以及輕度石漠化區域的保護為社會所忽視。

(5)由于受資源衛星系列的多光譜遙感數據之光譜分辨率較低的限制，巖溶石漠化與土壤等信息在光譜特征上容易混淆，對分類結果的精度與準確度有較大的影響。鑒于此而提出在地面調查的基礎上，以多波段的假彩色合成圖像為背景顯示，利用高分辨率遙感影像進行人機交互式修改驗證，以提高巖溶石漠化遙感調查的準確度。

本研究將3S技術引入冷水江市石漠化土地動態變化研究中，試圖利用高分辨率SPOT-5遙感影像，并通過多個數學模型的計算與分析，得出冷水江市石漠化土地動態變化的規律。但由于研究時間和相關資料的限制，并沒有對石漠化土地變化的趨勢分析作出全面的、系統的分析和論述，有待于進一步的探討和提高。

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Studies on space and time evolution of karst rocky desertification area in Lengshuijiang city based on SPOT-5 images

CHEN Li, LIN Hui, SUN Hua
(Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

By taking the karst rocky desertification area in Lengshuijiang city, Hunan province as the studying area, with remote sensing and geographic information system technology, the two stages SPOT-5 high-resolution remote sensing image data obtained in 2005 and 2011 were compared. In order to explore the process and law of temporal and spatial evolution of the karst rocky desertification area, the evolution direction, scale, speed and frequency of the rocky desertification land were investigated. The results show that the disruption behavior and governance activities in Lengshuijiang karst rocky desertification area took place simultaneity at the same time from 2005 to 2011, but the breaking strength was greater than the regulation effect and variation degree of rocky desertification was exacerbated in trend. Potential desertification, light desertification and heavy rock desertification all were in development trend. The light desertification that was in the fastest development had the maximum dynamic degree of 25.5%. The heavy rock desertification,very severe rocky desertification both showed a reverse trend, the severe rocky desertification had a maximum reverse dynamic degree of 5.1 %, the area’s reverse speed was the fastest, part of area were governed, but the overall was deteriorated. The largest effect factor that led Lengshuijiang karst region became rocky desertification is that the original non-desertification region was transformed into light desertification region. The area value of transforming from rocky desertification region into non- rocky desertification region accounted for 62.5% of that of transforming from non- rocky desertification into rocky desertification.

rocky desertification; space and time evolution; SPOT-5; Lengshuijiang city

S757.2

A

1673-923X(2012)08-0022-06

2012-03-12

國家重大專項:（E0305/1112/02)；中南林業科技大學青年科學基金項目（07005B）

陳 利（1987—），男，碩士研究生；研究方向：林業遙感和地理信息系統；E-mail：csufcl@126.com

林 輝（1965—），女，湖北黃岡人，博士，教授，博導；研究方向：森林經理學、林業遙感和地理信息系統

[本文編校：邱德勇]