坡度因子對喀斯特石漠化的影響

黨宇寧， 南親江， 吳 虹

(1. 南京工程高等職業(yè)學校，江蘇南京211135； 2. 桂林理工大學，廣西桂林541004)

坡度因子對喀斯特石漠化的影響

黨宇寧1， 南親江1， 吳 虹2

(1. 南京工程高等職業(yè)學校，江蘇南京211135； 2. 桂林理工大學，廣西桂林541004)

為了探索廣西喀斯特石漠化的成因，選取地形因子中的坡度，對研究區(qū)遙感影像進行處理和石漠化信息分級，借助GIS技術(shù)進行定性、定量分析，結(jié)合GPS技術(shù)進行實地抽樣調(diào)查，評價試驗精度。結(jié)果表明：隨坡度的增大，石漠化災(zāi)害程度有上升的趨勢，但是當坡度>25°時，人類活動影響的變小，石漠化的整體發(fā)生率有所降低。石漠化主要受到自然因素的影響，但人類對生態(tài)的破壞活動會加劇石漠化的進程。

遙感技術(shù)；喀斯特；石漠化；坡度；廣西

0 引 言

喀斯特石漠化是發(fā)生在亞熱帶巖溶地貌中的土地退化過程，代表性特征為土壤侵蝕嚴重、基巖大面積裸露、植被退化、土地生產(chǎn)力下降(王世杰，2002)。石漠化問題是世界性問題，更是限制我國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。廣西作為西南喀斯特地區(qū)之一，巖溶總面積達3萬多km2，約占全區(qū)總面積的35%，石漠化問題給當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人類生存帶來了極大的障礙。由于坡度是石漠化形成和發(fā)展的一個重大影響因素，因此，以廣西巖溶區(qū)作為研究對象，借助3S技術(shù)定性、定量分析坡度對石漠化的影響，研究成果對全區(qū)環(huán)境的綜合治理、石漠化災(zāi)害的預(yù)防和控制以及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，均具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

廣西位于云貴高原的東南方向，多山地與高原，自西北向東南傾斜，出露的巖石以沉積巖中的碳酸鹽巖最為發(fā)育，地殼遭受侵蝕，剝蝕和溶蝕，形成山川縱橫、巖溶發(fā)育的地貌景觀。

研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫16.0～23.0 ℃，溫暖濕潤的氣候環(huán)境加上特殊的巖性地質(zhì)條件，加速了喀斯特的強烈發(fā)育，充沛、集中的降雨，也會加大水土流失，導(dǎo)致石漠化問題愈加嚴重。

2 遙感數(shù)據(jù)源與研究方法

以MSDIS數(shù)據(jù)作為基本遙感信息源，先選定石漠化試驗區(qū)，采用植被指數(shù)和石漠化指數(shù)的遙感圖像處理方法，用監(jiān)督分類法對石漠化信息進行提取，再借助GIS和GPS技術(shù)對石漠化的空間展布特征做定性分析和定量評價(姚書朋等，2015)。

2.1 EOS-MODIS數(shù)據(jù)特征

EOS(Earth Observation System)衛(wèi)星是美國地球觀測系統(tǒng)計劃中一系列衛(wèi)星的簡稱，主要功能是實現(xiàn)從單系列極軌空間平臺對太陽輻射、大氣、海洋和陸地所進行綜合觀測，以獲取有關(guān)海洋、陸地、冰雪圈和太陽動力系統(tǒng)等的信息，內(nèi)容包括土地利用和土地覆蓋研究以及氣候的季節(jié)和年際變化研究、自然災(zāi)害監(jiān)測和分析研究、較長時期的氣候變化以及大氣臭氧變化研究等，從而實現(xiàn)對大氣和地球環(huán)境變化的長期觀測(曲輝等，2002；何仲太，2014)。

TERRA和AQUA衛(wèi)星是EOS計劃中的重要衛(wèi)星，都載有MODIS傳感器。這種傳感器是所有衛(wèi)星中唯一將實時觀測數(shù)據(jù)通過X波段向全世界直接廣播，并且可以免費接收并無償使用的星載儀器(何鳳萍等，2013)。

2.2 EOS-MODIS數(shù)據(jù)應(yīng)用于研究區(qū)的可行性

MODIS儀器的地面分辨率有3種，分別為250、500、1 000 m，掃描寬度2 330 km。研究區(qū)南北相距606 km，東西跨度769 km，遠小于MODIS的視幅寬度，因此，只需1軌數(shù)據(jù)就足以覆蓋整個研究區(qū)，而區(qū)內(nèi)有環(huán)境影響力的最小石漠化區(qū)域的尺度一般超過1 000 m，加上MODIS最高空間分辨率為250 m，足以發(fā)現(xiàn)廣西現(xiàn)有絕大多數(shù)巖溶石漠化分布區(qū)，而且MODIS數(shù)據(jù)獲取敏捷，成像周期短，完全可以確保對全區(qū)石漠化信息的宏觀監(jiān)測。

2.3 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

數(shù)據(jù)獲取先通過快視圖選取質(zhì)量較好的影像衛(wèi)星類型和時間節(jié)點，再從網(wǎng)上下載影像數(shù)據(jù)，并對其品質(zhì)進行評價，選取最適合研究的時間段和清晰無云的數(shù)據(jù)進行輻射糾正、邊緣重疊去除和幾何糾正等投影處理。

具體研究方法：(1) 首先結(jié)合遙感影像、基礎(chǔ)地質(zhì)圖件以及研究區(qū)石漠化相關(guān)資料，繪制研究石漠化災(zāi)害等級分布圖；(2) 對廣西全區(qū)1∶25萬地形圖進行數(shù)字化處理，得到高程信息，在地理信息系統(tǒng)軟件中借助“文件轉(zhuǎn)換”模塊，對矢量文件進行轉(zhuǎn)化，在ArcView軟件中利用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)進行內(nèi)插處理，再將不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)進行采樣，轉(zhuǎn)換成GRID數(shù)據(jù)，最后對數(shù)據(jù)做進一步檢查，得到標準的DEM數(shù)據(jù)格式文檔。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)研究區(qū)遙感圖像的三維可視化(圖1)。(3) 從數(shù)字高程模型中提取坡度信息,利用地理信息系統(tǒng)軟件對石漠化程度和坡度特征進行定量分析。

圖1 廣西三維遙感透視圖Fig.1 3D remote sensing scenograph of Guangxi

2.4 石漠化遙感研究方法

2.4.1 石漠化程度分級 結(jié)合石漠化等級劃分原則，如綜合性、主導(dǎo)因素以及相對一致性等原則，采用表1所示的石漠化分類分級標準進行遙感影像分類。

表1 石漠化強度分級Table 1 Grading of the intensity of rocky desertification

2.4.2 石漠化遙感信息分類 在遙感影像中每個像元的亮度值是該像元中地物的平均輻射值，可隨地物的成分、紋理、狀態(tài)、表面特征及所使用的電磁波段的不同而產(chǎn)生變化。因此在遙感影像中不同地物的光譜特征是不相同的(夏學齊等, 2006；王云濤等，2012)。通過統(tǒng)計對比巖溶區(qū)各標準地物在MODIS前7個波段中的灰度值和各個波段的相關(guān)系數(shù)矩陣，選取最優(yōu)假彩色合成方案，結(jié)合野外調(diào)查與記錄，利用GPS按點和路徑要素記錄樣點的地理坐標及考察路徑,并借助數(shù)碼相機拍攝典型樣點的石漠化景觀,對照石漠化假彩色合成影像,區(qū)分各級石漠化遙感影像特征。

植被指數(shù)是利用衛(wèi)星不同波段探測到的數(shù)據(jù)組合而成的能反映植物生長狀況的指數(shù)，作為植被觀測因子遙感模擬最普遍應(yīng)用的模型，使石漠化評價中植被變化的定量測度成為可能。在MODIS數(shù)據(jù)中，它被分為歸一化植被指數(shù)(NDVI)和增強型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)2種類型(陳燕麗等，2014)。由于植被覆蓋率是衡量石漠化程度最主要的標準之一，所以采用適合石漠化研究的NDVI植被指數(shù)進行石漠化信息增強。

石漠化的一個重要特點是巖石的大面積裸露，出露巖石所占總面積的百分比的大小可以作為衡量石漠化災(zāi)害程度的標準之一(蘇維詞，2002)。本次研究采用的石漠化指數(shù)通過波段比值法來達到增強石漠化遙感信息的目的。通過分析各個地物的波譜特征值，發(fā)現(xiàn)第二波段是植物的超強反射波段，可以顯示各種微小地貌特征，尤其是在植被稀少的巖溶區(qū)，在圖像上會呈現(xiàn)明顯的差異。第六波段是絕大部分造巖礦物波譜曲線的高峰波段，說明該波段對巖性、地貌、構(gòu)造的反映較好，且只有灰?guī)r在第六波段的灰度值始終大于第二波段并與其他地物明顯不同，因此嘗試用短波紅外/近紅外波段的石漠化指數(shù)增強方法來反映石漠化信息。

具體方法：(1) 對植被指數(shù)和石漠化指數(shù)以及各波段進行標準化處理,使它們處于同一個數(shù)量級；(2) 進行主成分分析；(3) 對分析結(jié)果做監(jiān)督分類；(4) 完成廣西全區(qū)的石漠化遙感影像分布圖。

結(jié)果表明：通過石漠化指數(shù)、植被指數(shù)的遙感信息增強處理后，能較好地反映石漠化信息。在監(jiān)督分類中，以最大似然法的分類效果最好，能更準確地進行石漠化災(zāi)害等級分類。

2.4.3 石漠化遙感信息提取精度評價 遙感圖像的分類精度評價通常用分類圖與標準數(shù)據(jù)進行比較，以正確分類的百分比來表示精度的標準。目前普遍采用混合矩陣的方法(邢海花等，2013)。其統(tǒng)計參數(shù)主要有使用者精度、生產(chǎn)者精度、總體精度和Kappa系數(shù)。

對研究區(qū)的石漠化分類分級精度評價主要采用2種方法：(1) 進行實地GPS抽樣調(diào)查；(2) 對原始影像的判讀結(jié)果構(gòu)建混淆矩陣進行評價。總體精度達到86%，能夠滿足調(diào)查要求。

3 坡度因子對喀斯特石漠化的影響

地形坡度是影響土壤侵蝕的重要動力條件，也是誘發(fā)喀斯特石漠化的原因之一。在重力作用下，坡度能夠為地表徑流的形成和沖刷提供加速度，且坡度越大，地表徑流形成越快，速度越快，沖刷力也越強(姚嵐等,2006)，因此坡度大小是衡量喀斯特石漠化程度的重要因子。坡度大小也會限制人類活動范圍，因此坡度也是分析人類活動對石漠化影響的評價依據(jù)。

作出廣西1∶25萬數(shù)字矢量化地形圖，從中提取高程信息，生成DEM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)研究區(qū)的三維可視化，然后對碳酸鹽巖區(qū)進行掩膜處理，在此基礎(chǔ)上完成廣西巖溶區(qū)的坡度分布圖(圖2)，將坡度分為0°～3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°、>25°共5個等級。

圖2 廣西巖溶區(qū)坡度分布圖Fig.2 Slope distributions of karst areas in Guangxi region

在進行定量分析時，將0°～3°和3°～8°歸并為0°～8°。通過地理信息系統(tǒng)軟件進行疊加分析，統(tǒng)計出石漠化各個等級在不同坡度中的分布情況(楊青青等，2010)(表2)。

根據(jù)表2繪制研究區(qū)石漠化面積比率示意圖(圖3)。

表2 石漠化在不同坡度中的分布統(tǒng)計Table 2 Statistics of the distribution of rocky desertification at different slopes

圖3 不同坡度石漠化發(fā)生率對比示意圖Fig.3 Comparison of occurrence rates of rock desertification at different slopes

由分析結(jié)果可知，石漠化的發(fā)生率會隨坡度的增加而變大，且在15°～25°坡度范圍內(nèi)，石漠化面積達到最大，發(fā)生率為33.21%；>25°的石漠化面積也較大，發(fā)生率為32.52%； 坡度在8°～15°之間的石漠化發(fā)生率29.56%；在0°～8°之間，石漠化發(fā)生率最小，為18.01%。

坡度的大小決定地表遭受侵蝕作用的強弱，在0°～25°范圍內(nèi)，坡度越大，土壤越易遭受侵蝕而變薄。但是當坡度>25°時(25°是農(nóng)耕地的上限)，人類活動的影響變小，石漠化主要受自然因素的影響，石漠化比例有所降低。所以，人類活動也是影響石漠化的重要因素之一。

4 結(jié) 論

(1) 3S技術(shù)為多源數(shù)據(jù)的整合提供了很好的技術(shù)平臺，可以快速地獲取大量新的信息源，而EOS-MODIS數(shù)據(jù)獲取準捷，時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率較高，已成為大尺度變化研究的一個重要的數(shù)據(jù)源。

(2) 借助EOS-MODIS遙感數(shù)據(jù)源對研究區(qū)石漠化信息進行分類，再采用地理信息系統(tǒng)軟件進行定量分析，并對研究結(jié)果進行實地驗證。結(jié)果表明：隨著坡度的增大，石漠化程度有上升的趨勢；但當坡度>25 °時，人類活動的影響變小，石漠化整體發(fā)生率有所降低，說明石漠化雖然主要受自然因素影響，但是人類對生態(tài)的破壞活動會加劇石漠化的進程。

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Effects of slope factors on karst rocky desertification

DANG Yuning1, NAN Qinjiang1, WU Hong2

(1. Nanjing Engineering Vocational College, Nanjing 211135, Jiangsu, China； 2. Guilin University of Technology，Guilin 541004，Guangxi, China)

In order to explore the genesis of karst rocky desertification in Guangxi, we selected a terrain factor of slope to process the remote sensing images in the study area and to grade the rocky desertification information. Furthermore, with the aid of the GIS technology for qualitative and quantitative analysis, we conducted field sampling investigation with GPS technology to evaluate the test accuracy. The result shows that with the increase of slope, the degree of rock desertification disasters displays an increasing trend. When the slope is greater than 25°, as the impact of human life activity becomes small, the overall incidence of rocky desertification decreased. Rocky desertification is mainly affected by natural factors, but human activity is an important factor the development of rocky desertification.

RS technology; karst; rocky desertification; slope; Guangxi

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.674

2016-05-06；

2016-06-13；編輯：陸李萍

科技部科研院所社會公益研究項目(2005DIB3J067)

黨宇寧(1981— )，女，講師，碩士，構(gòu)造地質(zhì)遙感專業(yè)，主要從事遙感、地質(zhì)教學與研究工作，E-mail： 46388953@qq.com

TP751.1

A

1674-3636(2016)04-0674-04