基于RS和GIS的石漠化演變趨勢研究

摘 要： 在RS和GIS支持下，分別以2001年和2011年的TM遙感數據影像數據研究貴州省紫云縣石漠化現狀及演變趨勢。結果表明：紫云縣42.04%的土地發生石漠化，其中輕度、中度、強度石漠化分別占總面積的31.7%、5.38%、4.96%；石漠化的分布與地貌、高程、坡度、植被以及水文氣候等因素密切相關；通過RS和GIS技術直觀、全面的反應出該地區石漠化的發展趨勢，為當地石漠化災害防治和生態環境保護提供重要決策依據。

關鍵詞： 石漠化； RS； GIS； 演變趨勢

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2163（2013）03-0075-04

A Research of Rocky Desertification and Evolution Trend based on RS and GIS

HE shu ， ZENG jie

（school of Architectural and Surveying Mapping engineering， Jiangxi University

of Science and Technology， Ganzhou Jiangxi 341000，China）

Abstract： In support of RS and GIS，the present situation and evolution trend of rocky desertification are studied by using 2001 and 2011 TM remote sensing image data respectively in Ziyun County，Guizhou Province. The result shows that： Ziyun County， 42.04% of the land occurred rocky desertification， mild、moderate、intense rocky respectively of the total area of 31.7%、5.38%、4.96%； Rocky desertification distribution is closely related to factors such as topography， elevation， slope， vegetation and hydrology climate； RS and GIS technology is intuitive， comprehensive response to the rocky desertification trends and provide the important decision-making basis for the prevention of rocky desertification disasters and ecological environmental protection in this region.

Key words： Rocky Desertification； RS； GIS； Evolution Trend

0 引 言

石漠化即土石荒漠化，多發生在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和溶巖地質發育態勢強勁的自然條件下。受人為活動干擾，地表植被遭到嚴重破壞，由此導致水分和土壤大量流失、土地生產力持續下降、地表基巖大面積裸露而呈現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。中國的石漠化主要分布在貴州、云南、廣西、湖南、湖北、重慶、四川、廣東八個省市及自治區中，具體數字如表1所示。

表1 各省、市及自治區石漠化面積情況（2011年）

Tab.1 Provinces、municipalities and autonomous

regions in case of rocky area （2011）

省、市及自治區 石漠化面積（km2） 所占國土面積比例

貴州 325.7萬 18.6%

云南 279.1萬 22.1%

廣西 231.8萬 18.2%

湖南 147.9萬 11.4%

湖北 110.5萬 8.6%

重慶 90.5萬 7.1%

四川 78.5萬 6.1%

廣東 8.1萬 0.6%

其中，尤以貴州省石漠化災情最為嚴重。 根據2011年調查顯示，當前貴州省石漠化面積已達32 576.73km2，約占貴州省國土總面積的18.55%，占全國石漠化總面積的26.1%[2]。石漠化不但對當地經濟社會發展帶來制約和束縛，而且還極易導致山洪、滑坡、泥石流等地質災害的發生，嚴重威脅人民群眾生命財產安全。當前土地石漠化已與沙漠化、荒漠化、鹽堿化一起并稱為中國的四大生態災害。當前國內土地石漠化治理形勢非常嚴峻，已經到了非治不可、攸關民生的危急地步。

1 研究區基本概況

貴州省紫云苗族布依族自治縣，位于貴州省西南部，距省會貴陽市約160km。地理位置介于東經105°55′～106°29′、北緯25°21′～26°3′之間，其南北長76km，東西長52km。該縣境東臨羅甸、長順兩縣，南與望謨縣接壤，西北與鎮寧縣交界，北靠安順市西秀區。紫云縣地處貴州高原向廣西丘陵過渡斜坡地帶的中低山谷區，境內地勢南北較高而中部平緩，東西兩側向外側傾斜突出，其西部山脈屬烏蒙山系，其余則為苗嶺山系。海拔最高點為馬鬃嶺（1 682m），海拔最低點為喜翁河出口處（621m），平均海拔在1 000～1 300m之間。紫云縣國土總面積為227.5km2，人均占有土地面積0.68km2，人口密度為148人/平方公里。全縣耕地面積為55.374 km2，占全縣面積的24.3%，林業用地面積為81.53 km2，占全縣土地面積的35.83%。由于地質條件、自然氣候、人為活動等因素作用導致其境內溶巖地質發勢迅猛，石漠化災害在全縣12個鄉鎮中均有發生。

2 研究區數據選取與處理分析第3期 賀書，等：基于RS和GIS的石漠化演變趨勢研究 智能計算機與應用 第3卷

本研究選取紫云縣為研究樣區，充分考慮其區域特征、研究目的與研究內容及所在區域內遙感信息瞬時覆蓋地域的質量（例如云量<10%等技術指標），按照通用現勢性要求，對兩個時段分別選取合適比例尺的Landsat/TM衛星秋冬季數據（軌道號為127/42）。本次研究的目的在于探討石漠化的演變特征，擬分別提取經過預處理的2001年12月的Landsat/TM與2011年11月Landsat/TM衛星數據（秋季），利用RS與GIS技術，人機交互解譯出兩個不同時期同一地點的石漠化數據，對其進行分析研究，而后提煉得出其演變特征。

2.1 遙感數據的預處理

2.1.1 波段的選擇與合成

通過對比不同地物在TM影像7個波段數據繪制的波譜曲線可知，對植被、土壤及碳酸鹽巖3種地物而言，各地物反射率離散程度最好的3個波段分別是TM1（藍光波段）、TM4（近紅外波段）及TM7（短波紅外波段）。研究中選用TM1、TM4、TM7假彩色合成TM（147）影像，對區分植物、土壤及碳酸鹽巖3種地物具有比較明顯的效果[3]。

2.1.2 遙感影像增強處理

利用TM遙感影像解譯石漠化，圖像紋理信息為一項重要的解譯指標，為使影像更加清晰、可辨、可讀、并突出要提取的紋理信息，還需要對遙感影像紋理作增強處理。

2.1.3 遙感影像幾何校正

幾何校正是利用地面控制點和幾何校正數學模型來校正非系統因素產生的誤差，同時也是將圖像投影到平面上，使其符合地圖投影系統的過程。引起圖像幾何變形的原因一般分為兩大類：系統性和非系統性。系統性原因通常緣起于傳感器自身，有規律可循，并具有可預測性，可利用傳感器模型進行校正，一般衛星地面接收站就已經完成這項工作；非系統原因來自于幾何變形的不規律，多由傳感器平臺本身的高度、姿態等不穩定因素所引起，同時也會受地球曲率、空氣折射及地形變化等自然因素影響。平素常說的幾何校正就是為了消除這些非系統性的幾何變形。

2.2 石漠化判定指標的確定與選取

采用《喀斯特石漠化的遙感——GIS典型研究》一書中石漠化劃分的依據和原則，并結合貴州當地實際情況，將影響石漠化等級的主要指標分為基巖裸露度、坡度、土被、植被加土被、平均土厚等五個指標。綜合考慮上述指標，在本研究中，主要選取植被指標，坡度指標作為石漠化衛片解譯的輔助判定指標。

2.2.1 植被指標

植被指標在遙感影像的解譯工作中是一個重要的參考因素，當巖性、坡度指標確定以后，植被覆蓋度指標數值就反映了石漠化的輕重程度。植被結構信息可以由遙感影像的色調深淺以及色相來確定。詳細指標準則集列成表格，如表2所示。為了便于疊加分析，本次研究分別利用1991年12月Landsat TM影像與2001年11月Landsat TM影像，對研究區的土地利用類型進行解譯[4]。

表2 喀斯特地區石漠化Landsat 4、3、2組合波段影像特征表

Tab.2 The table of Landsat 4、3、2 combination band

image characteristics in karst rocky region

等級 植被（土被）% 基巖裸露% 影像特征

無石漠化 >70 <10 大紅、暗紅、塊狀

潛在石漠化 50—70 >30 淺紅、綠紅色、星狀

輕度石漠化 35—50 >50 品紅、斑狀

中度石漠化 20—35 >65 綠紅色、紅中帶白、斑狀

強度石漠化 10—20 >85 紅中帶白、灰白、斑狀

極度石漠化 <10 >90 白色、灰白色、斑狀

2.2.2 坡度指標

當巖性、地表植被等狀況恒定時，石漠化級別主要由地貌的坡度水平決定，通常坡度越大，石漠化發生的可能性也越大。特別是當坡度大于25°時，水土將難以保持，極易導致石漠化發生。在本研究中地貌坡度主要通過對1：50 000地形圖的數字化，建立數字高程模型（DEM），提取得到研究區的坡度圖，并與TM圖像進行疊加分析。同時，參照遙感影像陰影的深淺程度，進行解譯工作[4]。

2.3 工作流程的確定

本次研究選用的遙感影像為利用Landsat 4（近紅外），Landsat 3（紅光），Landsat 2（綠光）波段合成的Landsat（432）假彩色影像。Landsat（432）遙感影像能有效地反映植被覆蓋信息與石漠化分級和分布信息。根據石漠化等級劃分標準，建立解譯模型，其主要工作流程如圖1所示。

圖1 喀斯特石漠化遙感調查技術路線

Fig.1 The technology roadmap of remote

sensing survey karst

對解譯出的結果圖層利用Arc/Info轉換成Coverage圖層，進行拓撲計算，建立相應拓撲關系。又根據圖層所需比例尺精度對小圖斑應用ARC/INFO的Eliminate命令進行剔除，由此分別生成喀斯特2001年與2011年石漠化強度分級分布圖，如圖2、圖3所示。并以圖形繪制為基礎，分別建立了兩個時期的喀斯特石漠化數據庫。

圖2 紫云縣2001年石漠化分布圖

Fig.2 The rocky distribution map of zhiyun county 2001

圖3 紫云縣2011年石漠化分布圖

Fig.3 The rocky distribution map of zhiyun county 2011

2.4 基于圖譜分析的不同時期喀斯特石漠化演變特征研究

利用信息圖譜進行石漠化演變研究，就是將石漠化的等級變化強度、范圍和空間屬性利用圖譜形式進行形象表示，即石漠化信息圖譜是各分類等級石漠化的一種抽象數學形態的有效表達，所反映的是在某一特定區域內，石漠化在空間上的屬性、特征以及在時間上的變化過程。圖譜主要以地圖、遙感影像、調查統計資料為依據，石漠化信息圖譜的信息來源也極為豐富，可以石漠化數據庫為依憑，也可通過查詢檢索獲取更多的相關信息與各種數據，再利用RS和GIS技術，采用時空復合疊加的分析方法，結合圖形特征與數學模型完成統計、分析，從而進一步探討石漠化的時空演變特征。

根據石漠化的科學涵義和喀斯特區域特點，制訂了研究區石漠化分級分類的指標體系和判別特征，并據此對研究區2001年和2011年的TM影像進行遙感解譯，得到研究區2001年和2011年石漠化強度和空間分布數據。對兩個不同時期的數據進行統計分析，得出不同時期、相同等級石漠化面積對比柱狀圖，如圖4所示。

圖4 不同時期相同等級石漠化面積對比柱狀圖

Fig.4 Different periods of the same level rocky area contrast histogram

3 結束語

RS和GIS支持下的石漠化演變趨勢研究將數值計算與圖形處理有機地結合，具有快速、直觀、簡潔和易操作的特點。RS和GIS技術的飛速發展和應用使傳統的石漠化演變趨勢研究由定性、定量向綜合性、智能化完善與方向發展，數字化制圖、多屬性疊加分析等功能均為石漠化整治提供了科學依據，最終對順利實行西部開發戰略，幫助西部地區脫貧致富和實現地方經濟可持續增長具有重大的意義。

參考文獻：

[1]周忠發.遙感和GIS技術在貴州喀斯特地區土地石漠化研究中的應用[J].水土保持通報， 2001， 21（3）：52-54.

[2]張明陽，王克林，陳洪松，等. 基于RS和GIS的喀斯特區域水土流失動態監測與分析——以廣西環江縣為例[J]. 資源科學，2007， 29（3）：124-131.