基于SPOT-5影像的冷水江市巖溶區(qū)石漠化時空演變研究

陳 利，林 輝，孫 華

基于SPOT-5影像的冷水江市巖溶區(qū)石漠化時空演變研究

陳 利，林 輝，孫 華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

以湖南省冷水江市為研究區(qū)域,運用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù), 通過對比分析2005年和2011年兩期SPOT-5高分辨率遙感數(shù)據(jù),分別從石漠化土地的演變方向與規(guī)模、石漠化土地演變的速率和頻率等方面進行分析，來探討石漠化的時空演變過程及巖溶區(qū)土地石漠化時空演變的規(guī)律。研究結(jié)果表明: 2005～2011年,該市巖溶區(qū)石漠化破壞與治理同時存在,但破壞強度大于治理效果,石漠化總體變化為加劇趨勢。潛在石漠化，輕度石漠化，極重度石漠化呈發(fā)展趨勢，動態(tài)度最大是輕度石漠化為25.5%，發(fā)展速度最快。重度石漠化，極重度石漠化呈逆轉(zhuǎn)趨勢，逆轉(zhuǎn)動態(tài)度最大的是重度石漠化為5.1%，逆轉(zhuǎn)速度最快，石漠化局部得到治理，但整體惡化。冷水江市巖溶區(qū)域?qū)κl(fā)生率貢獻影響最大的部分是非石漠化區(qū)域轉(zhuǎn)化為輕度石漠化區(qū)域，由石漠化改善為非石漠化只占由非石漠化轉(zhuǎn)化為石漠化的62.5%。

石漠化；時空變化；SPOT-5；冷水江市

石漠化是指在熱帶、亞熱帶濕潤—半濕潤氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下,受人為活動干擾,使地表植被遭受破壞,造成土壤嚴重侵蝕,基巖大面積裸露,礫石堆積的土地退化現(xiàn)象,是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式[1-2]。石漠化的時空演變雖然只反映了一個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變遷，但它的結(jié)果卻直接會影響整個區(qū)域的經(jīng)濟和社會發(fā)展[3-4]。

目前，國外涉及到土地石漠化問題的研究相對比較少。國外學(xué)者早期主要是對喀斯特地貌特征、地質(zhì)成因、水文特征及其發(fā)育過程進行研究；在此之后，國內(nèi)學(xué)者在結(jié)合社會、經(jīng)濟發(fā)展需要，對喀斯特水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、喀斯特洞穴、地球物理勘探、喀斯特發(fā)育理論等做了大量研究。1990年代后，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，利用其大范圍、多尺度、快速的優(yōu)勢，對巖溶地區(qū)石漠化進行了調(diào)查、監(jiān)測研究，取得了大量的研究成果，著重探討了石漠化治理模式與方法、氣候、巖性、等與石漠化土地的相關(guān)性、石漠化的評價、石漠化驅(qū)動機制分析、石漠化的生態(tài)恢復(fù)、石漠化的演化規(guī)律等方面的問題[5-8]。

童立強[9]利用地理信息系統(tǒng)自動識別和提取的石漠化信息，經(jīng)人工交互解譯修正和野外驗證后與實地抽查相比較，圖斑正確率高達89.9%。陳起偉等[10]人應(yīng)用監(jiān)督分類和基于光譜特征的信息提取方法，提取各時段的石漠化信息圖通過疊加、對比分析，以及實地考察，分析了花江喀斯特峽谷區(qū)的石漠化的變化情況。胡寶清等[11]人采用3S技術(shù)，得到了石漠化分布以及驅(qū)動因子圖，并進行疊加運算和相關(guān)分析，診斷出了石漠化驅(qū)動機制，表明喀斯特石漠化是在脆弱的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)背景上由于人類的強烈擾動而形成的，是多種因子綜合的結(jié)果。張素紅、王兮之等[12-13]從景觀格局的角度對粵北石漠化典型區(qū)域的石漠化演變格局進行了分析。

目前我國的生態(tài)環(huán)境處于治理與破壞相持階段[14-16]，為了與目前我國正在進行的石漠化治理監(jiān)測以及規(guī)劃以縣域為地域單元相對應(yīng), 筆者選擇以縣級市行政區(qū)為尺度單元來研究石漠化動態(tài)變化特征與規(guī)律,以湖南省冷水江市為研究對象，利用2005年及2011年2期SPOT-5高分辨率影像數(shù)據(jù)進行空間變換，通過人機交互式解譯并進行野外實地驗證，圖班的正確率高達95%，與國內(nèi)外的其它學(xué)者用中等分辨率TM影像解譯相比，解譯精度顯著提高。本研究主要是對石漠化土地的動態(tài)變化進行分析，分別從石漠化土地的現(xiàn)狀及其分布特征、石漠化土地的演變方向與規(guī)模、石漠化土地演變的速率和頻率等方面進行分析，來探討石漠化的時空演變過程，揭示石漠化土地演變的規(guī)律。為石冷水江市漠化的治理規(guī)劃提供不可缺少的基礎(chǔ)和科學(xué)參考依據(jù),在“生態(tài)建設(shè)治理與破壞相持階段”的攻堅戰(zhàn)中提供戰(zhàn)略支持,為緩解冷水江市生態(tài)環(huán)境危機,實現(xiàn)生態(tài)安全和社會、經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

冷水江市地處湖南省中部，地處北緯27°30′49″～ 27°50′38″， 東 經(jīng) 111°18′57″～111°36′40″之間。東抵漣源市，南鄰新邵縣，西部和北部接新化縣。市中心城區(qū)東距婁底市87 km，南距邵陽市83 km，西距懷化市244 km，東北距省會長沙市236 km。市境周長128.5 km，南北最大縱長39 km，東西最大橫跨22 km，總面積439 km2。湘黔鐵路橫貫市境東西，東靠南北大動脈洛湛鐵路，上瑞高速公路擦境而過，資水蜿蜒流經(jīng)市區(qū)，規(guī)劃中的太（原）澳（門）高速公路縱貫?zāi)媳?。研究區(qū)域示意圖如圖1。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of studying area

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文利用2005年以及2011年的兩期SPOT-5遙感影像，空間分辨率為2.5m，SPOT-5衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射，是法國SPOT-5衛(wèi)星的第五顆衛(wèi)星上載有2臺高分辨率幾何成像裝置(HRG)、1臺寬視域植被探測儀(VGT)、1臺高分辨率立體成像裝置(HRS)等，前后模式實時獲得立體像對，運營性能有很大改善。

2.1 研究方法

本研究為了與全國第一、二次石漠化監(jiān)測結(jié)果具有一定的可比性，所以采用了國家林業(yè)局制定的技術(shù)指標體系[17]，即對巖溶區(qū)按照基巖裸露度(i1)、植被類型(i2)、植被蓋度(i3)、土壤厚度(i4)等4項指標綜合評定石漠化程度。各項指標評分標準見表1。

將上述4個指標評分進行加和,得到石漠化程度分級指標值(I),其分級標準如下(表2)。

表1 石漠化評價的指標和評分標準Table 1 Index and scoring criteria for rocky desertification evaluation

表2 石漠化程度分級及其指標值Table 2 Classification and index of rocky desertification degree

圖2 2005年冷水江市石漠化狀況Fig.2 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2005

3 研究結(jié)果與分析

石漠化時空格局演變是一個錯綜復(fù)雜的過程，涉及因素眾多，既是一種空間概念上的表達，又是時間序列上的演繹。所以要在探討石漠化的時空演變過程中解決3個基本的科學(xué)問題：一是要了解研究時段初期不同石漠化類型的轉(zhuǎn)移去向及研究時段末期不同石漠化類型的來源與構(gòu)成，計算和分析出不同石漠化類型的“演變規(guī)模與方向”；二是要反映不同區(qū)域石漠化類型的變化快慢，計算不同石漠化類型的演變速率；三是要以真實地反映出區(qū)域石漠化類型反復(fù)變化的劇烈程度，計

以2005年和2011年兩期SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要研究資料,對SPOT-5遙感數(shù)據(jù)進行圖像預(yù)處理，包括校正、融合、鑲嵌等處理過程[18-22]，并進行外業(yè)的樣地點調(diào)查，結(jié)合遙感影像建立解譯標志。以冷水江市的地形圖、區(qū)域水文地質(zhì)圖、土壤分布圖、森林資源二類調(diào)查資料及林相圖、2005年以來的該縣社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒等為輔助資料,利用遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，采用人機交互的半自動化方式進行石漠化強度遙感解譯和分類，根據(jù)遙感解譯標志進行研究區(qū)土地石漠化強度遙感解譯,并對初步解譯成果進行復(fù)核和必要的修改,生成研究區(qū)土地石漠化遙感解譯成果圖(圖 2、圖 3)。算出不同石漠化類型的演變頻率。因而本研究著重從這三個基本科學(xué)問題來研究冷水江市巖溶地區(qū)石漠化時空演變。

圖3 2011年冷水江市石漠化狀況Fig.3 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2011

3.1 石漠化時空演變的總體動態(tài)特征

通過ARCGIS操作平臺，將2期石漠化數(shù)據(jù)(圖2、圖3)進行空間疊加對比(表3)。由表3發(fā)現(xiàn)，從2005～2011年間，已石漠化土地的總面積由8 607.6 hm2變?yōu)?0 292.5 hm2，增加了1 684.9 hm2，由此可見石漠化面積變化比較明顯。非石漠化變化面積為1 170.5 hm2，潛在石漠化變化面積為584.5 hm2，輕度石漠化變化面積為771.2 hm2，中度石漠化變化面積為559 hm2，重度石漠化變化面積為559 hm2，極重度石漠化的面積為1 684.9 hm2，石漠化總的變化面積達6 100.3 hm2。

表3 冷水江市不同石漠化類型在巖溶區(qū)的面積和比例 (2005～2011年)?Table 3 Area and proportion of different type karst rocky desertification in Lengshuijiang city (2005～2011)

從表3可以發(fā)現(xiàn)：石漠化內(nèi)部各類型之間的演變異常劇烈。有4 345.3 hm2的變化面積發(fā)生在相互演變之中，占整個總變化面積的71.2%。也就是說，石漠化的變化大多是從一個等級變到了另一個等級，而并非在石漠化和無石漠化以及潛在石漠化之間直接變化。

冷水江市巖溶區(qū)面積為32425.5 hm2，占冷水江市土地總面積的74.2%。在ARCGIS技術(shù)支持下得到2005年與2011年冷水江市土地石漠化分布圖。比較兩期數(shù)據(jù)可知，冷水江市2011年石漠化面積與2005年相比有較大的變化(見圖2、圖3和表3)，具體表現(xiàn)如下。

(1) 冷水江市石漠化總體上呈惡化趨勢,不同程度的石漠化面積變化明顯。2005年非石漠化土地、潛在石漠化土地、輕度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、極重度石漠化土地面積占整個巖溶區(qū)面積比例分別為61.68%、10.85%、7.05%、11.43%、6.99%、2.01%；而2011年非石漠化土地、潛在石漠化土地、輕度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、極重度石漠化土地面積占整個巖溶區(qū)面積比例分別為55.98%、12.28%、15.5%、8.67%、5.02%、2.55%。

(2) 從表3、表4中可以看出,該市土地石漠化狀況改善與惡化現(xiàn)象并存。從2005年到2011年，12 005.2 hm2石漠化土地中有5 759.3 hm2得到改善，改善率達到48.0%；5 692 hm2石漠化土地繼續(xù)惡化，惡化率為47.4%。由表5可知，3 338.5 hm2非石漠化土地轉(zhuǎn)化為石漠化，轉(zhuǎn)化率達18.4%，其中1 383.3 hm2轉(zhuǎn)化為輕度石漠化，541.1 hm2轉(zhuǎn)化為中度石漠化，397 hm2轉(zhuǎn)化為重度石漠化，458.1 hm2轉(zhuǎn)化為極重度石漠化，559 hm2轉(zhuǎn)化為潛在石漠化。

3.2 石漠化時空演變分析

3.2.1 石漠化演變方向與規(guī)模

為了研究時段內(nèi)的石漠化類型結(jié)構(gòu)及其類型的轉(zhuǎn)移變化情況，分析監(jiān)測初期各種土地利用類型的轉(zhuǎn)移去向以及監(jiān)測末期各土地利用類型的來源。轉(zhuǎn)移矩陣能夠具體、全面的描述區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)、特征與各用地類型變化的方向，定量反映各種土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換情況，更好地了解其時空演變過程。本研究也采用同樣的方法研究石漠化土地的演變方向與規(guī)模，需要建立轉(zhuǎn)移矩陣模型來表征：

表4 石漠化演變類型統(tǒng)計Table 4 The statistics of rocky desertification evolution type hm2

式（1）中：Sij代表面積，單位hm2；n代表石漠化的類型數(shù)；i、j分別代表監(jiān)測初期與監(jiān)測末期的石漠化類型；Snn代表監(jiān)測時段內(nèi)石漠化類型的變化量，單位hm2；

利用圖1和圖2進行空間疊加運算，求算出由2005～2011年不同石漠化類型的轉(zhuǎn)移矩陣（表5）；這樣就充分考慮了石漠化類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出過程中發(fā)生的空間位置轉(zhuǎn)換，揭示了石漠化變化的真實情況，對研究石漠化變化的過程極為有利。由表5可知，在這5年有3 338.5 hm2非石漠化土地轉(zhuǎn)化為石漠化,轉(zhuǎn)化率達18.4%，其中1 383.3 hm2非石漠化轉(zhuǎn)化為輕度石漠化，541.1 hm2非石漠化轉(zhuǎn)化化為中度石漠化，397 hm2非石漠化轉(zhuǎn)化化為重度石漠化，458.1 hm2非石漠化轉(zhuǎn)化為極重度石漠化，559 hm2非石漠化轉(zhuǎn)化化為潛在石漠化，石漠化呈加劇的趨勢；輕度主要向非石漠化和潛在石漠化轉(zhuǎn)變，分別為626 hm2和687.6 hm2，占同類演變的44.15%和48.50%。從2005到2011年，演變成非石漠化的面積共有3 002.4 hm，演變到潛在石漠化以上的面積8487.8 hm2，若潛在石漠化既不算已石漠化土地，也不算非石漠化土地，那么在幾年內(nèi)演變成石漠化的土地與演變成非石漠化的土地，兩者的比值為117.11%，說明冷水江市石漠化的局部得到治理，整體惡化。

表5 石漠化狀況的動態(tài)轉(zhuǎn)移Table 5 Dynamic transferformation of rocky desertification status

3.2.2 石漠化演變速率與頻率

石漠化是一個動態(tài)的環(huán)境退化過程，這一過程可以通過其本身的景觀特征來加以表示，在土地利用和土地覆被變化研究中，各個土地利用類型用地面積的變化幅度和變化速率可以用土地利用動態(tài)度表示。它是指某一地區(qū)在某一時段內(nèi)某種土地利用變化類型的數(shù)量變化情況，表達式為：

式（2）中：K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量，T為研究時段長，當T的時段設(shè)定為年時，K值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。動態(tài)度的正、負號不代表大小，只表示石漠化演變方向。K值絕對值越高，表明石漠化發(fā)展或逆轉(zhuǎn)的速度越快。根據(jù)衛(wèi)星影像的判讀解譯，在ArcGIS軟件計算出研究區(qū)各級石漠化土地的面積，分析比較冷水江市石漠化動態(tài)發(fā)展方向與速度（表6）以及動態(tài)度圖（圖4）。

近5年來，冷水江市石漠化面積持續(xù)增加，中度石漠化以及重度石漠化發(fā)生逆轉(zhuǎn)，其年均面積減少分別為154.24 hm2、111.8 hm2，輕度石漠化、極重度石漠化面積不斷增大，其年均面積增加分別為563.62 hm2、39.4 hm2。從2005～2011年，石漠化土地年均增加336.98 hm2，以輕度石漠化面積增加速度最快，重度石漠化逆轉(zhuǎn)速度最快。潛在石漠化土地近幾年來持續(xù)發(fā)展，年均面積增加116.9 hm2。

表6 2005～2011年冷水江市石漠化土地面積與程度變化Table 6 2005～2011 LengshuiJiang city rocky desertification land area, and changing degree

由圖4可知，石漠化演變動態(tài)度最快的是輕度石漠化為25.5%，其次為極重度石漠化，為6.3%，說明這一區(qū)域土地利用變化最劇烈，動態(tài)性更強。除輕度石漠化外，石漠化演變動態(tài)度最低的是非石漠化，說明最好生態(tài)系統(tǒng)是最穩(wěn)定的，符合傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性特點。可見，石漠化的演變頻率不僅與人類活動的頻繁程度有關(guān)，可能還受其所在的地質(zhì)背景影響。

圖4 冷水江市不同石漠化土地演變類型動態(tài)度Fig. 4 Dynamic degree of different rocky desertification land evolution type in Lengsuijiang city

4 結(jié)論與討論

本研究以生態(tài)基準面概念為理論依據(jù)，在綜合性、主導(dǎo)性、可操作性原則指導(dǎo)下，通過對冷水江市各級石漠化土地分級指標基巖裸露率、植被類型、植被蓋度、土壤厚度和土地利用類型的野外調(diào)查與觀測，借鑒前人研究，擬定了冷水江市石漠化土地分級指征。運用“3S”技術(shù)進行了冷水江市巖溶典型分布區(qū)的石漠化土地動態(tài)變化研究。通過調(diào)查研究和分析，得出以下基本結(jié)論。

(1)在2005～2011年,冷水江市巖溶區(qū)石漠化治理與破壞同時存在,但破壞強度大于治理效果，石漠化呈加劇趨勢。

(2)冷水江市巖溶區(qū)域潛在、輕度、極重度石漠化呈發(fā)展趨勢，輕度石漠化的動態(tài)度最大，動態(tài)度為25.5%，發(fā)展速度最快，中度、極重度石漠化呈逆轉(zhuǎn)趨勢，重度石漠化逆轉(zhuǎn)動態(tài)度最大，動態(tài)度為5.1%，逆轉(zhuǎn)速度最快，冷水江市石漠化局部治理，整體惡化。

(3)冷水江市巖溶區(qū)域?qū)κl(fā)生率貢獻影響最大的部分是非石漠化區(qū)域轉(zhuǎn)化為輕度石漠化區(qū)域。由石漠化改善為非石漠化的土地只占由非石漠化轉(zhuǎn)化為石漠化土地的62.5%。由此可見，石漠化生態(tài)環(huán)境的建設(shè)重在預(yù)防。

(4)冷水江市生態(tài)環(huán)境的建設(shè)已經(jīng)引起社會的重視，得到了有效的改善，而潛在的石漠化以及輕度石漠化區(qū)域的保護為社會所忽視。

(5)由于受資源衛(wèi)星系列的多光譜遙感數(shù)據(jù)之光譜分辨率較低的限制，巖溶石漠化與土壤等信息在光譜特征上容易混淆，對分類結(jié)果的精度與準確度有較大的影響。鑒于此而提出在地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，以多波段的假彩色合成圖像為背景顯示，利用高分辨率遙感影像進行人機交互式修改驗證，以提高巖溶石漠化遙感調(diào)查的準確度。

本研究將3S技術(shù)引入冷水江市石漠化土地動態(tài)變化研究中，試圖利用高分辨率SPOT-5遙感影像，并通過多個數(shù)學(xué)模型的計算與分析，得出冷水江市石漠化土地動態(tài)變化的規(guī)律。但由于研究時間和相關(guān)資料的限制，并沒有對石漠化土地變化的趨勢分析作出全面的、系統(tǒng)的分析和論述，有待于進一步的探討和提高。

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Studies on space and time evolution of karst rocky desertification area in Lengshuijiang city based on SPOT-5 images

CHEN Li, LIN Hui, SUN Hua
(Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

By taking the karst rocky desertification area in Lengshuijiang city, Hunan province as the studying area, with remote sensing and geographic information system technology, the two stages SPOT-5 high-resolution remote sensing image data obtained in 2005 and 2011 were compared. In order to explore the process and law of temporal and spatial evolution of the karst rocky desertification area, the evolution direction, scale, speed and frequency of the rocky desertification land were investigated. The results show that the disruption behavior and governance activities in Lengshuijiang karst rocky desertification area took place simultaneity at the same time from 2005 to 2011, but the breaking strength was greater than the regulation effect and variation degree of rocky desertification was exacerbated in trend. Potential desertification, light desertification and heavy rock desertification all were in development trend. The light desertification that was in the fastest development had the maximum dynamic degree of 25.5%. The heavy rock desertification,very severe rocky desertification both showed a reverse trend, the severe rocky desertification had a maximum reverse dynamic degree of 5.1 %, the area’s reverse speed was the fastest, part of area were governed, but the overall was deteriorated. The largest effect factor that led Lengshuijiang karst region became rocky desertification is that the original non-desertification region was transformed into light desertification region. The area value of transforming from rocky desertification region into non- rocky desertification region accounted for 62.5% of that of transforming from non- rocky desertification into rocky desertification.

rocky desertification; space and time evolution; SPOT-5; Lengshuijiang city

S757.2

A

1673-923X(2012)08-0022-06

2012-03-12

國家重大專項:（E0305/1112/02)；中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)基金項目（07005B）

陳 利（1987—），男，碩士研究生；研究方向：林業(yè)遙感和地理信息系統(tǒng)；E-mail：csufcl@126.com

林 輝（1965—），女，湖北黃岡人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向：森林經(jīng)理學(xué)、林業(yè)遙感和地理信息系統(tǒng)

[本文編校：邱德勇]