昆明市石漠化敏感性評價

吳風(fēng)志，王金亮，張俊黎，陳慧蓉，高 雁

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

石漠化是濕潤喀斯特地區(qū)特有的、在脆弱的喀斯特地質(zhì)基礎(chǔ)上形成的一種荒漠化生態(tài)現(xiàn)象，是由于不合理的人為活動參與喀斯特自然過程，造成植被退化、水土資源流失，導(dǎo)致巖石大面積裸露，呈現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化現(xiàn)象，是水土流失的頂級表現(xiàn)［1］。

石漠化敏感性是指在自然狀況下發(fā)生石漠化可能性的大小。石漠化敏感性評價是為了識別容易形成石漠化的區(qū)域，評價石漠化對人類活動的敏感程度，并根據(jù)區(qū)域石漠化的形成機制，分析其區(qū)域規(guī)律，明確可能發(fā)生的石漠化類型、范圍和可能程度，從而為政府制定水土保持政策和宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)，為實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

昆明市地處滇中，是云南省喀斯特地貌發(fā)育的典型地區(qū)之一，針對昆明市進行石漠化敏感性評價，可以為昆明市生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護、宏觀規(guī)劃和管理等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市地處云南省中部，介于東經(jīng)102°10'～103°41'，北緯 24°26'～ 26°33'，南北長 2375km，東西寬152km，總面積21014.64km2。北臨金沙江，與四川省隔江相望，南部與玉溪市、紅河哈尼族自治州相連，西部與曲靖市接壤，是云南省政治、經(jīng)濟、文化、科技和交通的中心。

由于地處云南高原中部，高原是昆明市轄區(qū)的基本地貌形態(tài)，三面環(huán)山，南瀕滇池——云貴高原第一大湖?？傮w地形北部高，由北向南呈階梯狀逐漸降低，中部隆起，東西兩側(cè)較低，以湖盆喀斯特高原地貌形態(tài)為主，紅色山原地貌次之。最高海拔4247.70m，最低海拔746m，大部分地區(qū)海拔在1500～2800m。昆明屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短，年平均氣溫15℃左右。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，四季如春，氣候宜人，年降水量1100mm，具有典型的溫帶氣候的特點。

截止到2010年，全市人口總數(shù)643.20萬人，2010年全年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值 (GDP)2120.37億元，比上年增長14.0%。其中，第一產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值120.30億元，增長4.8%;第二產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值960.86億元，增長16.7%;第三產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值1039.21億元，增長12.6%。三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為 5.7∶45.3∶49.0。人均生產(chǎn)總值達到33550元。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)和分級

石漠化敏感性主要根據(jù)地形、地貌、植被蓋度和降水量等因素來確定，在參照國家環(huán)?？偩謱κ舾行栽u價的編制規(guī)范和相關(guān)研究［2～4］的基礎(chǔ)之上，結(jié)合昆明市實際情況，選取植被覆蓋率、裸巖率、坡度和降雨量4個因子作為昆明市石漠化敏感性評級指標(biāo)，各因子石漠化敏感性等級劃分如表1所示.

表1 評價指標(biāo)體系

按照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，在地理信息技術(shù)的支持下，按以下公式計算石漠化敏感性綜合評價等級:

式中，SSj為j空間單元石漠化敏感性指數(shù);Ci為i因子敏感性等級值。

2.2 技術(shù)路線

研究以TM影像為數(shù)據(jù)源，通過波段運算，獲取歸一化植被指數(shù) (NDVI)和裸土指數(shù) (BI)，在此基礎(chǔ)上借助像元二分模型，計算植被覆蓋率(Fv)和裸土率 (Fs)，通過植被覆蓋率 (Fv)、裸土率 (Fs)和裸巖率 (Fr)三者間的線性關(guān)系計算裸巖率 (Fr)。坡度圖利用DEM數(shù)據(jù)提取，年降雨量圖通過查閱相關(guān)文獻資料后對行政區(qū)賦值并轉(zhuǎn)換為柵格圖獲取，最后利用地理信息技術(shù)，將植被覆蓋率圖、裸巖率圖、坡度圖和年降雨量圖進行疊加，得到昆明市石漠化敏感性評價圖。具體技術(shù)路線如圖1所示。

2.2.1 植被覆蓋率計算

傳統(tǒng)測量植被覆蓋率的方法是地面測量，主要方法有目測法、采樣法及儀器法等。由于受到時間、天氣及其區(qū)域條件等的限制，傳統(tǒng)地面測量方法較適合于獲取點上的植被覆蓋率數(shù)據(jù)［5］。對于大范圍植被覆蓋率數(shù)據(jù)的測算，使用較多的是利用遙感方法測量，目前較常見的植被覆蓋率遙感測量方法有經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?、植被指?shù)法、像元分解模型法、FCD模型法、決策樹分類法及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［6］。本研究中植被覆蓋率的測算采用基于NDVI(歸一化植被指數(shù))的像元二分模型［7］，計算公式如下:

式中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域NDVI值，NDVIveg則代表完全植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

2.2.2 裸土率計算

裸土率的計算主要利用裸土指數(shù)BI［8］，BI指數(shù)的計算使用FCD模型中裸土指數(shù)的計算方法計算，裸土率Fs的計算參考利用NDVI估算植被覆蓋率的方法來實現(xiàn)，其估算公式如下:

式中，BIveg為完全被植被覆蓋的BI值，BIsoil為完全是裸土的BI值。

2.2.3 裸巖率計算

在喀斯特地區(qū)，除某些特殊區(qū)域外 (如居民點、水域、道路等)，其它區(qū)域的土地覆被構(gòu)成均可分成3大類:植被、土壤和巖石。因此，基于多光譜遙感影像的裸巖率計算方法認(rèn)為，在單位面積的區(qū)域內(nèi)，若植被覆蓋率達到Fv，裸土率占到Fs，那么裸巖率Fr則占到了 (1－Fv－Fs)［9］，即裸巖率公式為:

2.2.4 坡度計算

數(shù)字高程模型 (Digital Elevation Model，簡稱DEM)是區(qū)域地面高程的數(shù)學(xué)表示，是地理信息系統(tǒng)中賴以進行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)［10］。當(dāng)前用于地學(xué)研究所使用的各種地形因子數(shù)據(jù)，如坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率以及匯水面積等幾乎都以數(shù)字高程模型作為源數(shù)據(jù)。本研究所使用坡度數(shù)據(jù)派生于25m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

3 昆明市石漠化敏感性評價

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究所使用源數(shù)據(jù)主要有:四景30m分辨率Landsat TM遙感影像 (其中兩景為2007年3月底拍攝，其余為2008年4月初拍攝)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心;昆明市1∶50萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，昆明市1∶25萬土地利用數(shù)據(jù)(2009年)，數(shù)據(jù)來源于云南省國土資源廳;昆明市25m分辨率DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于ASTER GDEM數(shù)據(jù)下載平臺;昆明市2008年各縣 (區(qū))年降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于2009年云南省統(tǒng)計年鑒。

3.2 數(shù)據(jù)處理

研究所使用的TM影像數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何校正。為計算NDVI，需要進行大氣校正和輻射校正，來源于ASTER GDEM數(shù)據(jù)下載平臺的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過空間插值和替換對無值區(qū)、零值區(qū)和噪聲區(qū)進行處理。對經(jīng)過處理的遙感影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行裁剪，獲取研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

3.3 植被覆蓋率和裸巖率計算

分別選取昆明市遙感影像藍光波段、近紅外波段計算NDVI，綠光波段、紅光波段和近紅外波段計算BI，計算公式為:

式中，TM2、TM3、TM4分別對應(yīng)于綠光波段、紅光波段和近紅外波段。

按照技術(shù)路線，使用基于NDVI的混合像元二分模型方法計算昆明市植被覆蓋率。按照計算公式，計算植被覆蓋率，確定完全非植被覆蓋的像元NDVI值和完全植被所覆蓋的像元的NDVI值是關(guān)鍵，即NDVIsoil和NDVIveg。參照孫久虎等［7］利用像元二分模型估算北運河地區(qū)的植被覆蓋度，以圖像中的最小NDVI值作為NDVIsoil，而最大NDVI值作為NDVIveg。

由于圖像中不可避免地存在噪聲影響，一般而言，NDVI的極值并不是NDVI的真實最大值與最小值，因此，本研究對其取值時，并不是直接取區(qū)域中NDVI的極值作為最大值與最小值，而是選取給定置信度區(qū)間內(nèi)頻率為5%的NDVI值和頻率為95%的NDVI值作為NDVI的最大值與最小值。

裸土率參照植被覆蓋率的計算方法計算，利用植被覆蓋率、裸土率和裸巖率三者間的線性關(guān)系，通過波段運算，計算出裸巖率。

3.4 坡度圖和降雨量圖獲取

坡度圖由裁切的昆明市數(shù)字地面高程模型提取獲得。降雨量圖，通過查閱資料，將降雨量值賦值于各行政區(qū)域 (以縣為單位)，之后以降雨量值為屬性值，將行政區(qū)劃圖轉(zhuǎn)換為柵格圖并進行重采樣獲得降雨量圖。

3.5 昆明市石漠化敏感性評價

對植被覆蓋率圖、裸巖率圖、坡度圖和降雨量圖進行分級重分類，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一分辨率 (30m)的柵格圖，進行累積求四次方根，所得結(jié)果即為昆明市石漠化敏感性評價圖，對評價圖按表1分級標(biāo)準(zhǔn)進行分級重分類，對各敏感等級像元個數(shù)進行統(tǒng)計，并計算面積。昆明市石漠化敏感性各敏感等級所占面積及比例如表2所示。

表2 昆明市石漠化敏感性各敏感等級所占面積及比例統(tǒng)計表

分級、統(tǒng)計結(jié)果顯示，昆明市石漠化敏感性分為不敏感、輕度敏感、中度敏感和高度敏感四個等級。輕度敏感是指區(qū)域自身植被覆蓋率高，地形平坦，土質(zhì)條件較好，在自然和人為干擾情況下不易發(fā)生石漠化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題，輕度敏感所占面積為7581.50km2，面積比例為36.04%，在整個區(qū)域范圍內(nèi)均有分布;輕度敏感是指區(qū)域自然條件好，抗干擾能力較強，但已出現(xiàn)不明顯的石漠化等生態(tài)問題，輕度敏感區(qū)域在全區(qū)均勻分布，所占面積5564.97km2，面積比例26.45%;中度敏感是指區(qū)域范圍內(nèi)已有較為明顯的石漠化現(xiàn)象，生態(tài)抗干擾能力較弱，中度敏感區(qū)域主要分布于金沙江流域、昆明市中部偏西的富民縣以及東南部的宜良縣、石林縣等區(qū)域，所占面積2810.42km2，面積比例13.36%;高度敏感是指生態(tài)環(huán)境抗干擾能力較差，已出現(xiàn)或比較容易出現(xiàn)石漠化現(xiàn)象，主要分布于金沙江流域和東南部地區(qū)，這些區(qū)域為典型的喀斯特地貌，地表破碎、坡度較大，水土流失較為嚴(yán)重，所占面積 5080.30km2，面積比例達到24.15%。

總體而言，昆明市石漠化敏感性不敏感區(qū)域所占面積較少，輕度敏感以上區(qū)域面積占有較大比例。在區(qū)域開發(fā)與保護過程中，對各類型敏感區(qū)域都應(yīng)予以重視，重點加強高度敏感、中度區(qū)域生態(tài)整治與環(huán)境建設(shè)，同時不能忽視對不敏感、輕度敏感區(qū)域的保護，要做好相關(guān)防治工作，以防止敏感性的升級過度。

4 結(jié)語

以地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)和全球空間定位技術(shù)等為代表的地理信息技術(shù)的迅速發(fā)展，為研究地球表面各種空間信息和動態(tài)變化提供了良好的技術(shù)手段。

石漠化作為中國西南地區(qū)一個指示生態(tài)環(huán)境的重要因子，對其進行敏感性評價可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境整治與保護提供科學(xué)的參考依據(jù)。以不同的石漠化敏感區(qū)劃作為依據(jù)，可以確定相關(guān)生態(tài)環(huán)境整治、建設(shè)和保護的重點區(qū)域，對區(qū)域的開發(fā)利用過程中避免石漠化生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)有指導(dǎo)性的意義。

昆明市作為云南省喀斯特地貌發(fā)育的典型地區(qū)之一，石漠化敏感性總體偏高，在區(qū)域開發(fā)過程中，要根據(jù)敏感性區(qū)劃，采取相關(guān)整治、保護措施，防止石漠化生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)和進一步惡化。

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