基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮為例

蔣紅娟，黃義忠

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基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮為例

蔣紅娟，黃義忠*

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

石漠化已經成為我省最嚴重的生態災害，研究石漠化時空演變規律，對于石漠化治理和修復生態具有重要意義。本文利用Landsat遙感影像進行石漠化信息提取和解譯，基于研究區2000年、2006年、2010年、2015年四個時期的遙感影像，研究西疇縣興街鎮這15年間的石漠化時空演變趨勢。研究得出：該研究區的石漠化在全鎮范圍內的分布較廣，石漠化程度比較嚴重，主要以中度石漠化和重度石漠化為主，石漠化程度較高的地區集中分布在該鎮的西北部、南部，皆為典型喀斯特地貌地區。2015年的石漠化程度相比2000年、2006年和2010年有所減輕，但是石漠化的情況依然十分嚴重，南部、西北部的石漠化集中分布依然突出。該研究對于石漠化的調查、治理等工作具有一定的借鑒意義。

石漠化；Landsat遙感影像；興街鎮；NDVI；綠度

0 引言

石漠化是指氣候條件濕潤和生態環境系統脆弱的巖溶地區，受不合理的人類活動干擾，造成地表植被破壞，土壤嚴重流失，大面積基巖裸露的土地退化過程和結果，是喀斯特地區土地退化的極端形式[1]。石漠化的分布面積較廣，涉及云南、貴州、四川等八省，造成眾多地區人民遭受生態破壞、環境惡化等各種各樣的生態災害[2]。西疇縣位于文山州中部，是云南省石漠化程度最高的地區之一，該縣石漠化的治理一直是我省關注的重點[3]。在與石漠化的長期斗爭中，當地民眾渴望良好生態，堅定綠色發展。

近年來，眾多國內外學者對石漠化進行深入研究，湛亞禮對西南喀斯特地區石漠化的進展和發展趨勢進行研究[4]。閆妍等通過選取典型喀斯特地貌的成功石漠化治理縣，總結出5種石漠化治理模式并對其進行適宜性評價[5]。DOU Hongtao等以黔東南的各個州為單元，分析了各州的石漠化空間分布特征[6]。但絕大部分的研究是關于石漠化的現狀、形成原因及治理對策，關于應用遙感影像[7-9]提取石漠化區域，分析石漠化時空格局演變規律，以及實現石漠化地區動態監測[10]的研究甚少。基于此目的，本文選取西疇縣興街鎮2000-2015年內四個時期的遙感影像為研究對象，對石漠化時空格局演變進行定量分析，對石漠化調查提供基礎依據，為石漠化地區動態監測和治理奠定技術基礎。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

興街鎮位于云南省文山州，西疇縣的西南部，北緯23°9￠002~23°22￠002、東經104°30￠002~104°43￠002。興街鎮是西疇縣、麻栗坡縣、馬關縣、文山縣的交匯點，是交通重鎮之一。東接坪寨鄉、柏林鄉，西與新馬街鄉、蓮花塘相接，南鄰麻栗坡縣，是文山州“四個小城鎮”重點建設的城鎮之一，西疇縣對外開放的“窗口”，是西疇縣的綜合經濟貿易發展區。全鎮東西長18公里，南北寬23公里，具有“三個三分之一”之稱，三分之一是土山區，三分之一是石山區，三分之一是壩區。區域內主要河流是疇陽河，疇陽河一帶屬于壩區，是全縣水稻的主要生產基地，也是雜交水稻種植基地之一；東部為土山區，西部為喀斯特地貌區。全鎮面積261.9平方公里，共有13個村委會，人口約47471人，實現農民人均純收入1363元。氣候溫暖濕潤，最高海拔1530米，最低海拔1140米，年平均氣溫18℃，平均降水量1200毫米[11]。研究區如圖1所示。

1.2 數據來源

研究使用來源于地理空間數據云的2000年11月3日、2006年11月4日、2010年1月15日的Landsat4- 5 TM和2015年3月18日的Landsat8 TM遙感影像，空間分辨率為30 m，云量分別為0、2、3.43、4.57，所選的影像云量均小于5%，遙感影像符合條件且質量較好。原以五年為相等時間間隔，選取2000年、2005年、2010年、2015年的數據作為數據源，但由于2005年的數據質量不佳，故選取2006年的數據代替，其他數據源包括研究區的行政區劃圖。

圖1 研究區位置

1.3 數據預處理

首先對2000年11月3日、2006年11月4日、2010年1月15日的Landsat4-5 TM和2015年3月18日的Landsat8 TM遙感影像進行正射校正、大氣校正、輻射定標、圖像裁剪。研究區行政區劃圖的坐標系為“Xian_1980_3_Degree_Gk_Zone_35”，而遙感影像的坐標系為“UTM_Zone_48N”，兩者的坐標系不統一，無法將這兩個圖放在同一個圖層上。因此，在進行處理之前，需要將行政區劃圖的坐標系投影為“UTM_Zone_48N”，使兩者的投影坐標系相統一。經預處理后的遙感影像如圖2所示。

2 研究方法及分析

2.1 石漠化等級分類

根據前人石漠化分等的普遍方法，將該研究區石漠化分為無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極度石漠化6個等級[12]。石漠化等級劃分標準詳見表1。

2.2 石漠化等級分布

非監督分類也稱為“聚類分類”或“點群分類”[13]，它是在多光譜圖像中自動搜尋、定義自然相似光譜集群的過程，該方法不需要獲取圖像上地物的先驗知識，而是依靠圖像上不同地物的光譜或紋理信息進行信息提取，統計特征的差別來達到分類的目的，最后對各分類進行修正和確認。本研究中采用ISODATA（迭代自組織的數據分析法）法進行非監督分類，它是一種重復自組織數據分析技術，計算數據空間中均勻分布的類均值，然后用最小距離技術將剩余像元進行迭代聚合，每次迭代都重新計算均值，且根據所得的新均值，對像元進行再分類，獲得一個初步的分類結果，然后通過目視解譯進行類別定義和合并子類[14]，最終獲得石漠化等級圖。

圖2 各個時期預處理后遙感影像圖

表1 石漠化等級劃分標準

Tab.1 Standard of rock desertification classification

在西疇縣興街鎮2000年、2006年、2010年、2015年的石漠化分布等級圖中，可以看出該鎮的石漠化分布較廣，石漠化程度比較嚴重。西疇縣興街鎮石漠化程度較高的地區集中分布在該鎮的西北部、南部，皆為典型喀斯特地貌地區。從圖中可以直觀看到，2015年的極度石漠化程度相比2000年、2006年和2010年有所減輕，但是石漠化的情況依然十分嚴重，并且該鎮的南部、西北部的石漠化集中分布依然突出。四個時期的石漠化等級分布圖詳見圖3。

2.3 石漠化等級面積統計

在下列各表中，所涉及到各個石漠化等級統計的面積，是通過對應圖屬性表中的像元個數計算得到。這里所涉及到的影像圖的柵格大小都為“30×30”，它所代表的含義是實際面積30×30米，所以通過像元個數計算面積的計算公式為“像元個數×900÷666.67÷10000”（1畝=666.67平方米），為了計算方便并且能夠直觀顯示數據，我們將單位統一化為萬畝。下面各表中的面積都是按照上述計算公式得到，將直觀看到各個石漠化等級的面積變化情況，從而對研究區石漠化演變進行定量分析。

如下表2和圖4所示，西疇縣興街鎮石漠化程度較高，達到50%以上。其中，潛在石漠化占比在11%-17%之間，輕度石漠化占比在5%-11%之間，中度石漠化占比在17%-23%之間，重度石漠化占比在11%-22%之間，該鎮的石漠化程度主要以中度石漠化和重度石漠化為主。極度石漠化占比在1%-3%之間，極度石漠化占比較小。各個等級石漠化在15年間起伏變化，但變化幅度較小，2015年的極度石漠化相比2000年，2006年、2010年有所減少，這是一個令人欣喜的變化。

2.4 石漠化等級面積變化

在這15年間興街鎮各個等級石漠化面積起伏變化，無石漠化呈現先增加后減少的趨勢，潛在石漠化先減少后增加，輕度石漠化先減少后增加，中度石漠化先增加后減少再增加，重度石漠化先增加后減少，極度石漠化先減少后增加再減少，各個等級石漠化面積持續波動變化。四個時期各個等級石漠化面積變化詳見表3。

3 石漠化測度方法

3.1 NDVI植被指數方法分析

NDVI植被指數稱為歸一化植被指數[15]，計算歸一化植被指數是將多光譜數據變換為單獨的一個圖像波段，用來顯示植被的分布，較高的NDVI值預示著較多的綠色植被。它是近紅外波段的反射值與紅外波段的反射值之差比上兩者之和。NDVI值的范圍在-1到+1之間。

圖3 各個時期石漠化分布等級圖

表2 石漠化等級面積（單位：萬畝）

Tab.2 Area of rocky desertification grade

NDVI的標準算法如下：

式中：NIR為近紅外波段的反射值，Red為紅外波段的反射值。

因此，TM數據的計算公式為：

圖4 石漠化等級面積比例圖

表3 石漠化等級面積變化（單位：萬畝）

Tab.3 Area change of rock desertification grade

分別對研究區四個時期的遙感影像計算NDVI值，獲得NDVI圖像（圖5）。

圖5 各個時期NDVI圖

Fig.5 NDVI map of each period

通過計算，各個時期的NDVI平均值分別為：0.22，0.21，0.29，0.30，從2006年到2010年快速增長，增長了0.08。通過對比四個時期NDVI平均值，顯示出這15年間該地區的植被覆蓋度在增加，植被生長狀況逐漸好轉，生態環境明顯改善。但增長速度存在差別，從2000年到2005年，2010年到2015年NDVI平均值增長緩慢。

3.2 纓帽變換綠度指數方法分析

通過纓帽變換可以獲得三個因子，分別是亮度SBI、綠度GVI、濕度YVI。其中綠度可以反映植物的生長狀況和覆蓋度[16]。

TM數據的綠度GVI計算公式為：

因此分別對該研究區四個時期的數據進行纓帽變換處理，獲得綠度圖像（圖6）。

通過計算，得到四個時期的綠度平均值分別為：2.12，2.17，2.60，2.81，對這四個時期的綠度平均值進行對比，可以看出從2006年到2010年綠度平均值快速增長，而2000年到2006年和2010年到2015的綠度平均值增長緩慢。綠度平均值的變化趨勢與前述的NDVI平均值的變化趨勢保持一致。進一步說明在這15年間，雖然該地區植被覆蓋度起伏變化，但植被覆蓋度在增加，植被生長狀況良好，石漠化程度減輕，生態環境明顯改善。

4 驅動因素

4.1 自然環境的影響

西疇縣興街鎮地形復雜且地勢較高，石山區占全鎮總面積的1/3，喀斯特地形地貌分布范圍廣。氣候溫暖濕潤，降水量達到1200毫米，雨水沖刷導致嚴重水土流失，進而大面積基巖裸露，形成石漠化。由于該鎮特殊的自然環境，石漠化的存在和發育不可避免。植樹造林，保持水土成為首要工作。

4.2 貧困的影響

云南省貧困縣數量最多，石漠化程度與當地經濟情況存在密切聯系，當地經濟條件越差，石漠化所占比例越大，發生的幾率越高，石漠化程度也就越嚴重，石漠化的存在制約著當地經濟的發展。因此，石漠化和貧困化兩者互相作用，密切相關。要脫貧，首要任務就是石漠化治理，使得當地的生產條件和生態環境有所改善，從而改善社會經濟狀況。

圖6 各個時期綠度圖

4.3 石漠化工程治理的影響

石漠化治理是國務院批準實施的重點生態建設工程。石漠化工程治理是通過恢復林草植被，建設水土保持設施等治理措施，使得自然環境受損的石漠化地區逐步恢復的過程。對于已經發生石漠化的地區要實行綜合治理，使其逐步向良性發展，重點放在輕度和中度石漠化的治理上。通過石漠化工程治理，防止石漠化范圍擴大，逐步改善農村生產生活環境，使得石漠化向良好方向發展，生態環境得到改善。

5 結論

以Landsat衛星影像為數據源，對西疇縣興街鎮石漠化等級信息進行提取，在此基礎上分析石漠化分布現狀和發展趨勢，結果表明：

（1）西疇縣興街鎮石漠化從2000年程度加劇到逐漸減緩，石漠化工程治理取得了顯著成效。石漠化程度顯著變輕，由以前的重度、中度石漠化為主演變為輕度、中度石漠化為主，石漠化的發展趨勢得到有效遏制。

（2）遙感技術在石漠化治理研究中具有一定的必要性和優勢性。通過遙感技術，能夠客觀的評價石漠化程度、分布狀況、時空分布和演變規律，為石漠化治理提供科學依據。但是，該研究的不足之處在于原始數據質量和精度的影響，在后續的研究中采用更高分辨率的數據，例如高分影像數據和國內新興的新技術三維激光掃描[17]獲得石漠化三維圖，會在一定的程度上提高研究的科學性和精準性。

（3）NDVI植被指數和纓帽變換都是最為常用的遙感處理手段。通過對研究區各個時期的圖像進行處理，可以獲得NDVI值和綠度值隨時間的變化，用來反映研究區植被的變化，進而通過植被變化反映石漠化的程度和發展趨勢。這兩種方法簡單且易于操作，處理后得到的結果真實有效，可信度較高。

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Temporal and Spatial Evolution Analysis of Rocky Desertification Based on Landsat Remote Sensing Image: A Case Study of Xingjie Town, Xichou County

JIANG Hong-juan, HUANG Yi-zhong*

(Faculty of Land and Resources Engineering Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

Rocky desertification has become the most serious ecological disaster in our province. Studying the temporal and spatial evolution of rocky desertification is of great significance for the treatment of rocky desertification and restoration of ecology. This paper uses Landsat remote sensing imagery to extract and interpret rocky desertification information. Based on remote sensing images of the four periods of 2000, 2006, 2010 and 2015, studies the evolution of rocky desertification time and space since 15 years of Xingjie Town, Xichou County. The research shows that the rocky desertification in the study area is widely distributed in the whole town, and the degree of rocky desertification is relatively serious, mainly due to moderate rocky desertification and severe rocky desertification. The area is concentrated in the northwest and south of the town, all of which are typical karst landforms. The degree of rocky desertification in 2015 has been reduced compared with 2000, 2006 and 2010, but the situation of rocky desertification is still very serious, and the concentrated distribution of rocky desertification in the south and northwest is still prominent. This research has certain reference significance for the investigation and treatment of rocky desertification.

Rocky desertification; Landsat remote Sensing Image; Xingjie Town; NDVI; Greenness

TP79

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.038

蔣紅娟(1995-)，女，碩士研究生，研究方向為國土資源信息化。

黃義忠(1972-)，男，副教授，博士，研究方向為土地資源管理與環境地質。

蔣紅娟，黃義忠. 基于Landsat遙感影像的石漠化時空演變分析——以西疇縣興街鎮為例[J]. 軟件，2018，39（12）：166-171