基于3S技術(shù)的廣西平果縣石漠化分布特征及演變規(guī)律

王君華，莫偉華，陳燕麗，莫建飛，鐘仕全，蘇永秀

(1.廣西區(qū)氣象減災(zāi)研究所，國家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地，530022，南寧;2.鹿寨縣氣象局，545600，廣西柳州;3.柳江縣氣象局，545100，廣西柳州)

巖溶石漠化(rocky and desertified land，RDL)是指在特定的自然環(huán)境背景下，受人為活動干擾，使地表植被破壞，造成土壤侵蝕程度嚴(yán)重及基巖大面積裸露的一種土地退化的表現(xiàn)形式［1］。中國西南是世界上最大、最集中的連片喀斯特地區(qū)［2］，不斷發(fā)展的石漠化不但影響該區(qū)農(nóng)、林、牧、漁、副業(yè)的發(fā)展，而且因其自然災(zāi)害承受能力低，旱、澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳妫?］，還因其分布地位于珠江和長江上游，石漠化伴隨的水土流失對兩江流域的生態(tài)安全造成了極大隱患，同時也影響著中國“西電東送”的大型水利樞紐工程;因此，有關(guān)石漠化的研究已成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)之一。

嚴(yán)重的石漠化問題已引起了社會各界的高度重視，近年來各級政府實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)重建工程，如封山育林、人工造林和退耕還林等工程，究竟生態(tài)治理效果如何，石漠化面積增減情況及演變趨勢如何，這些問題都是當(dāng)前政府部門、生態(tài)環(huán)境治理管理者非常關(guān)注的問題。一些專家學(xué)者［4-9］也多以RS和GIS技術(shù)為手段，對石漠化區(qū)時空分布特征和演變趨勢進(jìn)行了分析和研究，研究區(qū)域大多以貴州省石漠化發(fā)生嚴(yán)重的地區(qū)為主，而對中國西南巖溶地區(qū)石漠化最嚴(yán)重區(qū)域之一的廣西石漠化的演變趨勢研究較少。為此筆者采用1988、1998及2008年3個時相的30 m空間分辨率的TM/ETM遙感影像資料，以廣西平果縣典型喀斯特石漠化區(qū)為研究區(qū)域，運(yùn)用3S技術(shù)，研究該區(qū)上述3個時相的石漠化空間分布特征及演變規(guī)律，以期為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)重建提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

平果縣隸屬于廣西百色市，位于E 107°21'～107°51'、N 23°12'～ 23°51'之間，被譽(yù)為“南國鋁都”。全縣行政區(qū)域總面積2 485 km2，其中碳酸鹽面積占65.2%，以巖溶峰叢洼地石山為主，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率低，森林覆蓋率小，植被結(jié)構(gòu)簡單，以次生灌草為主，巖石裸露明顯，土地利用類型主要為耕地和灌草坡。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，雨量充沛，累年平均氣溫為21.9℃，累年平均降雨量為1 297.1 mm，年日照時間1 465.7 h，降雨過度集中且分配不均及雨熱同季的氣候特點(diǎn)，為喀斯特地貌的強(qiáng)烈發(fā)育提供了必要的溶蝕條件，促進(jìn)了石漠化的發(fā)生和發(fā)展。

2 研究方法

2.1 資料來源及處理

1)研究所用的TM/ETM衛(wèi)星數(shù)據(jù)為1988、1998及2008年3個時相共3景，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，所有衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)均經(jīng)過投影、鑲嵌、幾何精校正等預(yù)處理，其幾何校正誤差控制在1個像元以內(nèi)。

2)廣西碳酸鹽分布區(qū)矢量圖、平果縣行政邊界以及數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)等地理信息數(shù)據(jù)均來自廣西壯族自治區(qū)氣象減災(zāi)研究所遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3)為了建立石漠化遙感解譯標(biāo)志和驗(yàn)證石漠化信息遙感解譯精度，在研究區(qū)果化鎮(zhèn)典型石漠化區(qū)選取強(qiáng)度不同的3個訓(xùn)練區(qū)，分別于2007年4、6、9月，2008年1月和2011年7月赴訓(xùn)練區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察和觀測，觀測要素有植被總蓋度、植被類型分蓋度、植株類型的平均高度等。

2.2 巖溶石漠化指數(shù)模型

根據(jù)相關(guān)研究，TM/ETM數(shù)據(jù)的第4、5波段所含各類地物信息比較豐富，是區(qū)分地物最合適的波段，有利于植被覆蓋和裸巖的區(qū)分與判識，故選用這2個波段數(shù)據(jù)構(gòu)建石漠化比值植被指數(shù)模型:

式中:Iki為第i個像元的石漠化指數(shù)值;L4i為第i個像元第4波段亮度值;L5i為第i個像元第5波段亮度值為整景圖像第4波段所有像元亮度值的幾何平均值為整景圖像第5波段所有像元亮度值的幾何平均值。

然后根據(jù)石漠化指數(shù)模型，計(jì)算生成石漠化指數(shù)圖。

2.3 巖溶石漠化分級解譯標(biāo)準(zhǔn)

不同的地貌、地形、氣候及人類活動，區(qū)分植被和裸巖的石漠化指數(shù)閾值亦有所不同，結(jié)合前人的研究成果［10－12］及訓(xùn)練區(qū)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，修正分類模版比例閾值(表1)，并對石漠化指數(shù)中所有像元計(jì)算其植被和裸巖屬性。為此定義植被屬性指數(shù)

式中:R為所確定的植被屬性閾值;Ivi=1時為植被，否則為裸巖。

然后設(shè)計(jì)植被比例統(tǒng)計(jì)分類程序，即設(shè)定一定大小的模版(如4×4、6×6、8×8等)，計(jì)算模板范圍內(nèi)植被屬性像元所占比例，從543RGB偽彩色圖像中按人機(jī)交互識別不同等級石漠化區(qū)域，計(jì)算其石漠化指數(shù)圖中植被屬性比例，從而確定各等級石漠化指數(shù)模版對應(yīng)比例閾值。各模版數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果符合該閾值條件的像元?dú)w為某一類，即該模板內(nèi)像元的石漠化等級。考慮到制圖要求，決定采用6×6像元的區(qū)域(實(shí)地面積為180 m×180 m)作為分類模板。

表1 巖溶土地石漠化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grade standard of RDL

2.4 巖溶石漠化遙感解譯

1)根據(jù)廣西碳酸鹽分布矢量圖，結(jié)合DEM坡度數(shù)據(jù)，在預(yù)處理后的平果縣影像圖中，去除坡度小于15°的平原區(qū)和非碳酸鹽區(qū)，生成新的平果縣遙感基礎(chǔ)圖，并將區(qū)域外數(shù)據(jù)設(shè)為背景值“－2”。

2)采用選定典型地物感興趣區(qū)域?qū)ζ焦h石漠化遙感基礎(chǔ)圖進(jìn)行監(jiān)督分類，目的是區(qū)分出水體和陰影2類地物，并制作為掩膜圖層，其值設(shè)為“－1”。

3)由式(1)計(jì)算石漠化指數(shù)圖，利用石漠化分類統(tǒng)計(jì)程序，采用6×6模板，對石漠化指數(shù)圖中的像元按潛在、輕度、中度和重度4類石漠化等級進(jìn)行分類計(jì)算，并按石漠化等級分別賦值，其中水體、山體陰影和背景區(qū)像元不參與石漠化分級分類。

4)根據(jù)不同的分級形成分類矢量圖，在MapGIS系統(tǒng)中進(jìn)行圖斑識別、拓?fù)溥\(yùn)算以及石漠化面積統(tǒng)計(jì)和空間分析。

2.5 巖溶石漠化強(qiáng)度等級綜合評價(jià)

石漠化是一種土地退化極端現(xiàn)象，是一種自然災(zāi)害;因此，某一時相石漠化強(qiáng)度等級綜合評價(jià)可以參考有關(guān)文獻(xiàn)災(zāi)害綜合評價(jià)方法［13-14］。定義i時相評價(jià)單元石漠化強(qiáng)度等級指數(shù)

式中:Sij為i時相j等級程度石漠化面積，km2;Wij為i時相j等級程度石漠化權(quán)重，各等級權(quán)重分別賦值為 0.05、0.15、0.30、0.50;S 為研究區(qū)總面積，km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時相石漠化空間分布特征

在專業(yè)遙感數(shù)據(jù)處理軟件ENVI4.5及地理信息系統(tǒng)軟件MapGIS支持下，根據(jù)石漠化指數(shù)模型及分級標(biāo)準(zhǔn)，得到1988、1998及2008年3個時相廣西平果縣石漠化空間分布圖(圖1)。

由圖1(a)可以看出:1988年，重度石漠化主要分布在平果縣西南部的果化鎮(zhèn)，位于與天等縣、田東縣交界區(qū)域，呈大片連續(xù)分布，其余重度石漠化區(qū)呈蜂窩狀或條帶狀分布在中部的耶圩、海城、舊城、太平、坡造等鎮(zhèn)局部區(qū)域;中度石漠化成片狀主要分布于海城、耶圩、太平、果化等鎮(zhèn)局部區(qū)域;輕度石漠化主要分布在平果縣中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及平果縣東北角榜圩、梧圩、堆圩鎮(zhèn)局部區(qū)域，大多呈斑塊狀分布;潛在石漠化以平果縣碳酸鹽分布區(qū)的外圍區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

由圖1(b)可以看出:1998年，重度石漠化主要分布在南部果化鎮(zhèn)與天等縣、田東縣交界區(qū)域及光圩鎮(zhèn)西部，呈大片連續(xù)分布，其余重度石漠化區(qū)呈條帶狀、片狀分布于平果縣中部海城、那圩、太平、坡造等鎮(zhèn)局部區(qū)域;中度石漠化主要分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間以及光圩鎮(zhèn)西部的局部區(qū)域，成塊狀分布;輕度石漠化大多分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及東北部局部區(qū)域，多呈條帶狀分布;潛在石漠化為平果縣碳酸鹽分布區(qū)除重度、中度和輕度以外的區(qū)域。

圖1 1988、1998和2008年廣西平果縣石漠化空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of RDL in 1988，1998 and 2008

由圖1(c)可以看出:2008年，重度石漠化主要分布在果化鎮(zhèn)西南部，呈塊狀分布，其余重度石漠化區(qū)分布于中部局部區(qū)域，呈條帶狀分布;中度石漠化主要分布在果化鎮(zhèn)西南部、中部右江河谷東側(cè)，呈塊狀和條帶狀分布;輕度石漠化主要分布于中部、果化鎮(zhèn)西南部、光圩鎮(zhèn)西部以及東北部，呈條帶狀分布;潛在石漠化為平果縣碳酸鹽分布區(qū)除重度、中度和輕度以外的區(qū)域。

3.2 石漠化演變特征

對不同時相的各個等級類型石漠化面積和所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)石漠化強(qiáng)度綜合評價(jià)模型得出各時相石漠化強(qiáng)度綜合評價(jià)指數(shù)(表2)。可以看出:1998時相石漠化強(qiáng)度綜合評價(jià)指數(shù)最高，表明石漠化程度最嚴(yán)重，其次為1988時相和2008時相。1998時相與1988時相相比，除潛在石漠化面積減少之外，其余等級石漠化面積均增加，平果縣石漠化總體程度越來越嚴(yán)重，但局部區(qū)域如光圩鎮(zhèn)西部石漠化程度減輕(圖1(a)～(b));2008時相與1998時相相比，除潛在石漠化面積增加之外，其余等級石漠化面積均減少，石漠化總體程度明顯呈減輕趨勢，但局部區(qū)域石漠化程度依然很嚴(yán)重(圖1(b)～(c))。從1988時相到2008時相，石漠化總體程度經(jīng)歷稍加重然后逐漸減輕這一過程，但局部區(qū)域演變趨勢復(fù)雜多變。

4 結(jié)論與建議

1)采用3S技術(shù)、巖溶石漠化遙感監(jiān)測方法和分級評價(jià)模型，能夠反映石漠化發(fā)生嚴(yán)重的廣西百色市平果縣石漠化狀況，結(jié)果基本符合實(shí)地調(diào)查情況，可為當(dāng)?shù)厥卫砗蜕鷳B(tài)建設(shè)中的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)，同時也可為廣西乃至整個西南地區(qū)大規(guī)模開展石漠化研究提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

表2 平果縣不同時相不同等級石漠化的面積、比例及綜合評價(jià)指數(shù)表Tab.2 Area，proportion and CEI of various RDL in different periods

2)廣西百色市平果縣巖溶石漠化主要分布在西南部和中部，即主要分布在右江流域南岸的果化鎮(zhèn)和光圩鎮(zhèn)的西南部、平果縣中部的海城鎮(zhèn)、耶圩鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、坡造鎮(zhèn)及舊城鎮(zhèn)之間的區(qū)域以及平果縣東北部局部區(qū)域;1988—2008年，該縣總體石漠化程度經(jīng)歷了稍加重然后逐漸變輕的變化趨勢，石漠化呈現(xiàn)動態(tài)、緩慢、反復(fù)、可治理等特點(diǎn)。

3)廣西百色市平果縣潛在石漠化等級面積變化最大，演變頻率最快，在實(shí)施生態(tài)恢復(fù)重建等生態(tài)工程進(jìn)行石漠化治理時，建議采取先易后難、逐步改善的策略。首先優(yōu)先保護(hù)潛在石漠化區(qū)域，使其不向石漠化演變，然后，加大力度治理中度石漠化區(qū)域，使其不繼續(xù)惡化，最后，適當(dāng)改善重度石漠化區(qū)域環(huán)境，重度石漠化區(qū)裸巖面積大、土被少、土壤質(zhì)量低下且造壤速率緩慢，恢復(fù)難度大，在不被繼續(xù)破壞的前提下以自然恢復(fù)為主。

石漠化發(fā)展是人類活動與自然因素綜合作用的結(jié)果，人類活動在其演變過程中起主導(dǎo)作用，從平果縣石漠化演變各個時相的歷史背景考慮，平果縣石漠化程度趨勢緩慢變輕主要得益于政府近年來大刀闊斧地實(shí)施了一系列生態(tài)恢復(fù)重建工程。研究結(jié)果可在滇桂黔巖溶區(qū)域推廣應(yīng)用，為巖溶石漠化區(qū)域治理和生態(tài)建設(shè)中的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)。

［1］袁道先.巖溶石漠化問題的全球視野和我國的治理對策與經(jīng)驗(yàn)［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，25(9):19-25

［2］楊小青，胡寶清，曹少英.喀斯特山區(qū)石漠化生態(tài)治理效益模糊綜合評價(jià):以廣西都安瑤族自治縣為例［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24(2):22-26

［3］覃小群，蔣忠誠.廣西巖溶縣的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)［J］.地球與環(huán)境，2005，33(2):45-51

［4］白曉永，王世杰，陳起偉，等.貴州土地石漠化類型時空演變過程及其評價(jià)［J］.地理學(xué)報(bào)，2009，64(5):609-618

［5］李陽兵，王世杰，羅光杰，等.喀斯特石漠化演變軌跡的典型案例研究:以貴州盤縣為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(3):118-124

［6］陳起偉，熊康寧，藍(lán)安軍.基于“3S”的貴州喀斯特石漠化現(xiàn)狀及變化趨勢分析［J］.中國巖溶，2007，26(1):37-42

［7］熊康寧，陳起偉.基于生態(tài)綜合治理的石漠化演變規(guī)律與趨勢討論［J］.中國巖溶，2010，29(3):267-273

［8］王曉燕，徐志高.基于RS與GIS的巖溶區(qū)石漠化時空變化特征:以湖南省慈利縣為例［J］.水土保持研究，2008，15(5):7-10

［9］陳起偉，熊康寧，藍(lán)安軍.基于“3S”的貴州喀斯特石漠化現(xiàn)狀及變化趨勢分析［J］.中國巖溶，2007，26(1):37-42

［10］王世杰，李陽兵.生態(tài)建設(shè)中的喀斯特石漠化分級問題［J］.中國巖溶，2005，24(3):192-195

［11］李森，董玉祥，王金華.土地石漠化概念與分級問題再探討［J］.中國巖溶，2007，26(4):279-284

［12］胡娟，熊康寧，安裕倫.CBERS－02數(shù)據(jù)在喀斯特石漠化遙感調(diào)查中的應(yīng)用:以貴州黔南布依族自治州為例［J］.貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，26(2):39-41

［13］王君華，莫偉華，陳燕麗，等.基于遙感的廣西生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)方法研究［J］.氣象科學(xué)，2009，29(6):833-837

［14］王君華，莫偉華，鐘仕全，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的蔗區(qū)旱情監(jiān)測與評價(jià):以廣西崇左市為例［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(17):9103-9105