三峽庫區(qū)奉節(jié)到巴東段石漠化分布及驅(qū)動因子分析

王朋偉，牛瑞卿，江齊英，王 鵬

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074;2.水利部長江勘測技術(shù)研究所，武漢 430011)

石漠化是繼沙漠化和水土流失之后的我國第三大生態(tài)問題［1］。袁道先指出石漠化是中國南方亞熱帶巖溶地區(qū)嚴(yán)峻的生態(tài)問題，導(dǎo)致了巖溶風(fēng)化殘積層土的迅速貧瘠化［2－3］。我國石漠化主要分布于長江流域和珠江流域，其中長江流域面積最大，為732.1萬 hm2，占石漠化總面積的56.5%;珠江流域次之，為486.5萬 hm2，占37.5%［4］。三峽庫區(qū)奉節(jié)以東為震旦系到三疊系碳酸鹽巖組成，本地區(qū)巖溶發(fā)育，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，加上不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)石漠化發(fā)育。已有的研究通過建立石漠化解譯標(biāo)志、改進(jìn)植被指數(shù)、或者建立光譜關(guān)系模型等［5－6］進(jìn)行石漠化信息提取或者劃分影響石漠化的指標(biāo)體系，然后將各因子疊加后定量化于石漠化判讀［7－8］。以上所提的方法在某些方面滿足了石漠化調(diào)查的需要，然而存在無法建立石漠化與各驅(qū)動因子之間如何反饋定量化信息［9］的問題。本文利用RS與GIS技術(shù)研究三峽庫區(qū)奉節(jié)到巴東段石漠化分布特征，以及利用數(shù)據(jù)挖掘的方法獲取該地區(qū)石漠化影響因子對石漠化反饋作用，為當(dāng)?shù)卣凸芾聿块T提供科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)概況

奉節(jié)到巴東段處于震旦系到三疊系碳酸鹽巖組成的川鄂褶皺山地，地勢總體上自西北向東南降低，一般高程800～1 800 m。山脈走向亦受構(gòu)造控制，大巴山呈NW至NWW向崢嶸聳立于庫區(qū)之北，巫山山脈呈NE至NEE向綿延于鄂邊境，長江河谷深切山地中，兩岸山峰聳立，河谷狹窄，水流湍急。屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，研究區(qū)面積為618.1 km2。

2 石漠化及驅(qū)動因子提取

有很多因子對石漠化產(chǎn)生影響［10］，本文選擇巖性、居民區(qū)影響、坡度、植被作為研究的主要因子。氣象、土壤、社會經(jīng)濟(jì)等也能夠影響石漠化的發(fā)展，然而，由于研究區(qū)域小、影像分辨率低等特點，可以忽略它們的差異。石漠化規(guī)則挖掘流程見圖1。

圖1 石漠化規(guī)則挖掘流程Fig.1 Flow chart of rules-mining for rock desertification

2.1 數(shù)據(jù)介紹

遙感影像:奉節(jié)到巴東 LandSat5－TM影像(2004年4月22日，軌道號為126/38，1～5，7波段分辨率30 m，第6波段分辨率60 m，太陽高度角58.854 439 9°)。

等高線、地質(zhì)數(shù)據(jù):1∶50 000 等高線、1∶200 000標(biāo)準(zhǔn)分幅地質(zhì)圖，主要包括地層時代巖性、斷層分布、褶皺等。

2.2 影像預(yù)處理

2.2.1 輻射校正

對于LandSat5－TM來說，隨著時間的推移，星載傳感器的光電變化系統(tǒng)的靈敏度特性會發(fā)生偏差，這可以通過地面定期測定，并根據(jù)測量值進(jìn)行校正。光譜輻射值亮度與圖像DN值之間的關(guān)系為

式中:Gain為增益系數(shù)，Bias為偏移系數(shù)，在遙感數(shù)據(jù)獲取時，同時得到并記錄在遙感數(shù)據(jù)的頭文件中。計算表觀反射率ρ公式如下:

其中L是根據(jù)圖像DN值計算出來，D為日地之間距離(天文單位)，ESUN為大氣層頂?shù)钠骄柟庾V輻射度(見表1)，θ是太陽天頂角。

表1 LandSat5－TM的大氣層頂平均太陽光譜輻射度Table 1 Average solar spectral irradiances at the atmospheric top by landSat5－TM

2.2.2 幾何校正

利用研究區(qū)地形圖校正影像，使其保持具有相同的投影坐標(biāo)系統(tǒng)。影像坐標(biāo)系統(tǒng)從WGS84轉(zhuǎn)到西安80坐標(biāo)，使地形圖、地質(zhì)圖、遙感影像具有相同區(qū)域與坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 巖性因子劃分

石漠化影響最顯著的因素是巖性作用。本研究區(qū)主要地層為從志留系到三疊系之間，本地層碳酸鹽組劃分規(guī)則見表2。圖2是根據(jù)表2規(guī)則生成的巖性分類圖。

圖2 巖性分類圖Fig.2 Classification of lithology

2.4 水體與居民區(qū)影響因子提取

(1)水體提取:本研究區(qū)主要水體為長江以及長江支流，為了快速提取水體，本文根據(jù)鐘春棋(2008)等利用單波段閾值法和多波段增強(qiáng)圖閾值法進(jìn)行水體信息提取的差異［11］，從而確定出最佳水體綜合提取方法，即綜合利用多波段(TM2+TM3＞TM4+TM5)和單波段TM2建立起適合山區(qū)水體提取方法。

(2)居民區(qū)提取:快速、準(zhǔn)確、客觀地提取居民地信息是基于居民地與背景地物譜間差異原理。根據(jù)陳潔麗(2010)等提出利用波段3、波段4、波段5的差異，提出一種新的建筑指數(shù)(New Built－up Index，NBI)，并利用該指數(shù)提取居民區(qū)信息［12］。

式中:TM3，TM4，TM5分別為TM影像的紅波段、近紅外波段和短波紅外波段。本文對此方法進(jìn)行改進(jìn)，加入NDVI作為限制因素準(zhǔn)確定位居民區(qū)位置。居民區(qū)=(NDVI＜α ＆＆ NBI＞β)，α，β分別為隨機(jī)在居民區(qū)采樣的平均值。水體與居民區(qū)劃分見圖3。

圖3 水體與居民區(qū)分布圖Fig.3 Distribution of water and residential area

(3)居民住宅緩沖區(qū):易表達(dá)人類活動，間接反映人類干擾程度。越接近居民區(qū)，人類干擾越強(qiáng)烈，石漠化越強(qiáng)。居民區(qū)影響因子獲取:500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 m，大于 3 000 m 作為緩沖區(qū)。圖4為利用GIS的Buffer功能生成的影響區(qū)圖。

圖4 居民區(qū)影響區(qū)Fig.4 Areas influenced by residential area

表2 巖性分組表Table 2 Lithology grouping

2.5 像元二分植被覆蓋度反演模型

像元二分模型假設(shè)一個像元信息由土壤與植被2部分信息組成。通過遙感傳感器所觀測到的信息S，可以表達(dá)為由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息Sv與由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息Ss2部分組成，將S線性分解為Sv和Ss2部分:S=Sv+Ss。已有研究表明將NDVI引入二元植被覆蓋度反演模型［13］，因此計算覆蓋度的公式表示為

即圖像中每個像元的NDVI值可以看成是植被覆蓋部分和無植被覆蓋部分的NDVI的加權(quán)均值，其中NDVIsoil為無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被的純凈像元NDVI值;而NDVIveg則代表完全被植被覆蓋所覆蓋的像元NDVI值，即純植被象元的NDVI值，計算植被覆蓋公式如下:

本次研究的影像由于沒有當(dāng)?shù)氐膶崪y數(shù)值，通過選取訓(xùn)練區(qū)的方法獲取研究取得NDVIsoil和NDVIveg分別為0.165 695和0.667 447(如表3)，以及生成的植被覆蓋度圖(見圖5)。

圖5 植被覆蓋度Fig.5 Gradation of vegetation coverage

2.6 坡度信息獲取

地形是影響石漠化發(fā)生和發(fā)展的主要自然因素之一，坡度是地形的表現(xiàn)，坡度表示了局部地表坡面的傾斜程度，坡度大小直接影響著地表物質(zhì)流動與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模與強(qiáng)度，是制約生產(chǎn)力空間布局的重要因子。利用arcgis坡度分析功能生成坡度。坡度劃分等級為:0°～5°;5°～8°;8°～15°;15°～25°;25°～35°;35°～90°。圖6 為生成的坡度分級圖。

2.7 E－TVA石漠化增強(qiáng)指數(shù)

圖6 坡度分級圖Fig.6 Gradation of slope degrees

根據(jù)已有的文獻(xiàn)知，石漠化與植被指數(shù)有密切的關(guān)系，可以利用植被指數(shù)圖轉(zhuǎn)化成石漠化指數(shù)圖。Ts－EVI特征空間下的溫度植被角TVA說明了植被指數(shù)與地面溫度2種數(shù)據(jù)結(jié)合，可以衍生出更豐富的、清晰的地表信息［14］，能夠反饋出石漠化信息。石漠化與植被覆蓋度成反比，與溫度成正比。具體計算如下。

(1)增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI):是一個同時校正土壤和大氣影響的反饋機(jī)制指數(shù)。該指數(shù)能夠綜合消除土壤、陰影和大氣的影響，減小噪聲。表示為

式中:ρ*為大氣校正的的反射值;L=1，為土壤調(diào)節(jié)參數(shù);參數(shù) C1，C2分別為6.0和7.5。

(2)Ts－EVI特征空間下溫度植被角度:TM影像的熱紅外波段(第6波段)的DN計算出輻射亮度L，然后根據(jù)輻射亮值計算傳感器溫度，計算過程如下:首先根據(jù)L計算傳感器溫度

T單位為K，k1和k2是計算常數(shù)。Ts－EVI特征空間下溫度植被角度為

(3)定義E－TVA:巖溶石漠化在TM圖上特征明顯，通常以TM743合成假彩色圖像，無石漠化為比較飽和的綠色，色調(diào)均勻;微石漠化為綠色中略帶紫色斑點或斑塊;輕度石漠化為綠色中帶有紅紫色斑點或斑塊;中度石漠化多為斑雜狀影像，綠色斑塊與洋紅色斑塊相互混雜;重度石漠化總體上呈紅紫色，其中零星帶有綠色斑點［15］。根據(jù)TM743這些特點，利用直方圖匹配方法增強(qiáng)TVA形成E－TVA，石漠化效果更加明顯。圖7是生成的石漠化分級圖。

圖7 石漠化分級圖Fig.7 Gradation of rock desertification

表3 訓(xùn)練區(qū)NDVI值Table 3 NDVI values of training area

從石漠化分級圖中可以看出，通常距離居民地越遠(yuǎn)石漠化發(fā)生概率越低;中、重度石漠化主要分布在沿江兩岸，因為這些地區(qū)人類活動強(qiáng)烈且有脆弱的地質(zhì)環(huán)境(主要是碳酸鹽巖夾碎屑巖)。

3 石漠化與驅(qū)動因子關(guān)系分析

對石漠化指標(biāo)的量化和客觀化方面研究較少，主要以定性為主，各因素對石漠化影響主要依靠經(jīng)驗獲得，難以衡量其大小的客觀指標(biāo)，這也為石漠化研究的數(shù)據(jù)分析帶來困難?；谑奶攸c，利用數(shù)據(jù)挖掘的方法，科學(xué)、合理地尋找出石漠化等級與各個因子之間的關(guān)系。如圖8。

圖8中的網(wǎng)絡(luò)線，表示各種因子與石漠化等級之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，線的粗細(xì)表示了關(guān)聯(lián)強(qiáng)弱。粗線表示關(guān)聯(lián)強(qiáng)，細(xì)線次之。如圖中碳酸鹽巖夾碎屑巖－重度石漠化、居民地影響等級(0～500)－重度石漠化、植被等級(0.8～1)－無石漠化等的線均粗，說明它們之間關(guān)系緊密。這種關(guān)聯(lián)圖是一種比較直觀的表達(dá)式。從圖8中可以看出哪些屬性等級對石漠化影響更強(qiáng)烈，但不能綜合反應(yīng)石漠化多因素影響，下面采用決策樹C5.0算法綜合研究各因子對石漠化影響規(guī)則。

決策樹(Decision Tree，DT)根據(jù)信息增益熵的原理對屬性進(jìn)行分組，然后采用“分而治之”的方法將問題的搜索空間分為若干子集;也是一種簡單但卻廣泛使用的分類技術(shù)，它直接提供了在什么樣的條件下會得到什么樣的結(jié)果這樣規(guī)則的方法。本文以“if then”語句表示其規(guī)則，其意義是:如果“if”中的前提條件滿足，則得出“then”中的結(jié)論。

決策樹的構(gòu)造［16］:①計算分類所需的信息熵;②計算每個屬性X的條件熵;③計算屬性X的信息增益和信息增益率;④歸納決策樹;⑤設(shè)定迭代次數(shù)T，利用Boosting技術(shù)產(chǎn)生一系列決策樹模型，得到精度更高的復(fù)合決策樹模型。

圖8 石漠化因子關(guān)聯(lián)圖Fig.8 Correlation between rock desertification and influencing factors

從圖9可看出植被在石漠化研究中信息增益率最大，這是石漠化外部表現(xiàn)的原因;居民影響、坡度、巖性影響增益率基本差不多。說明植被對石漠化的解釋程度相對其它幾個變量較大，反映各個指標(biāo)對判別的相對重要性。

表4為影響因子與石漠化強(qiáng)度的規(guī)則集，抽取部分規(guī)則解釋如下:

規(guī)則2如果植被覆蓋度在“0.4 ～0.6”之間，中等覆蓋，且坡度比較陡，大約在“35°～ 90°”之間，此處的巖性為純碳酸鹽區(qū)，比如石灰?guī)r、白云巖或灰?guī)r與白云巖互層，且距離居民區(qū)比較遠(yuǎn)，則該地區(qū)可被認(rèn)為是無石漠化區(qū)，發(fā)生石漠化概率小。

規(guī)則15如果植被覆蓋度低，坡度在“15°～25°”，且該地區(qū)巖性為碳酸鹽巖夾碎屑巖，居民地影響較大，大概距居民地為“500～1 000 m”，則可認(rèn)為此區(qū)域發(fā)生中度石漠化概率大。

上面規(guī)則集反映了石漠化驅(qū)動因子與石漠化的關(guān)系集合，同時也反映了石漠化的脆弱性。巖性、坡度影響因子的變動都會對石漠化產(chǎn)生影響，特別是居民地影響較為強(qiáng)烈，從起因上看，是潛在的自然因素基礎(chǔ)上疊加人類工程活動所致，其發(fā)展趨勢取決于人地關(guān)系的協(xié)調(diào)。

圖9 變量重要性Fig.9 Importance of variables

表4 石漠化與驅(qū)動因子規(guī)則集Table 4 Rule sets of the influencing factors of rock desertification

4 結(jié)果與討論

(1)利用E－TVA模型提取石漠化因子，然后采用概率統(tǒng)計和C5.0決策數(shù)模型生成便于人們理解的關(guān)聯(lián)圖和規(guī)則集。從關(guān)聯(lián)圖中可以得到各個因子指標(biāo)對石漠化影響程度，然而這種關(guān)系只是單獨性，沒有考慮到石漠化綜合因素反饋的結(jié)果;而規(guī)則集中可以清晰地看出因子的定量指標(biāo)綜合對石漠化等級的影響。從規(guī)則集與變量重要性中可以看出植被對石漠化影響最為明顯，植被覆蓋度是巖溶石漠化最直接的表現(xiàn)之一。石漠化的產(chǎn)生不是某種孤立的因素造成的，而是多種因素綜合作用所形成的。

(2)從規(guī)則集得出如下規(guī)律:植被覆蓋度可以直觀反映石漠化程度;碳酸鹽含量較高的巖性對石漠化影響強(qiáng)烈;距居民影響區(qū)越近影響越強(qiáng)烈;坡度在“35°～90°”發(fā)生石漠化概率低，而坡度在“15°～35°”易發(fā)生石漠化。

(3)石漠化遙感信息提取精度與獲取的石漠化指標(biāo)度因子密切相關(guān)，而且受石漠化指標(biāo)度分段方法的影響，有待后續(xù)研究進(jìn)一步完善。

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