基于RS和GIS的巖溶石漠化與大氣降雨關系
——以貴州省典型巖溶石漠化地區(qū)為例

孫 悅,蔡湘文,程 洋,蘇春田

(1.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541006;2.中國地質科學院 巖溶地質研究所,廣西 桂林 541004)

基于RS和GIS的巖溶石漠化與大氣降雨關系
——以貴州省典型巖溶石漠化地區(qū)為例

孫 悅1,蔡湘文1,程 洋2,蘇春田2

(1.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541006;2.中國地質科學院 巖溶地質研究所,廣西 桂林 541004)

以貴州省典型巖溶石漠化地區(qū)為例,采用不同時相的TM多光譜數(shù)據(jù)和19個基準地面氣象觀測站及自動站1999—2013年的逐日降雨數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,以遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)為技術手段和平臺，1999—2013年的年均降雨量和年暴雨頻率為評價因子,運用地統(tǒng)計學和空間信息分析方法分析巖溶石漠化與大氣降雨的關系。結果表明:降雨(非暴雨)是加劇巖溶石漠化進程的因素之一,也是減緩巖溶石漠化進程的重要因素;暴雨加速了巖溶石漠化的演化進程,對巖溶石漠化的恢復起反作用。

遙感;地理信息系統(tǒng);巖溶石漠化;降雨;暴雨

0 引 言

巖溶石漠化是指在南方熱帶、亞熱帶脆弱的巖溶環(huán)境中,在不合理的人類活動基礎上造成的植被退化、土壤侵蝕和大面積的基巖裸露，土地生產(chǎn)力嚴重下降,地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程[1-4]。

當前,巖溶石漠化已成為中國西南巖溶區(qū)最嚴重的地質環(huán)境問題, 嚴重制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展, 威脅當?shù)鼐用竦纳鏃l件, 對長江、 珠江下游地區(qū)的防洪和生態(tài)環(huán)境是巨大的潛在威脅。 為此， 黨的十八大提出“要實施重大生態(tài)修復工程,增強生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)能力,推進石漠化綜合治理”。

巖溶石漠化的成因及其演變機理的研究是進行有效的石漠化綜合治理的前提。近年來,許多研究者對巖溶石漠化成因及其演變機理的研究取得了不錯的成績[5-13],證明了地層巖性、地形坡度、水文地貌、土地利用類型和人口密度是巖溶石漠化發(fā)生和發(fā)展的主要驅動因素,為石漠化治理提供了理論依據(jù)。本次研究的目標是定量分析巖溶石漠化與大氣降雨的關系,推動不同地形條件下石漠化演變規(guī)律研究,完善巖溶石漠化成因及其演變機理的理論體系,為制定有前瞻性和針對性的生態(tài)環(huán)境保護和恢復規(guī)劃提供科學依據(jù),推進石漠化防治工作的進程。

地處中國西南的貴州省以連續(xù)分布面積最大、發(fā)育類型最齊全、景色最秀麗的巖溶景觀著稱于世。但是,由于巖溶生態(tài)地質環(huán)境的脆弱性和人類不合理社會經(jīng)濟活動,貴州省是我國巖溶石漠化面積最大、發(fā)育程度最嚴重的省份。以貴州省為研究區(qū)定量分析巖溶石漠化與大氣降雨的關系有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究思路

基于RS技術分別提取1999年和2013年的巖溶石漠化信息,以兩期巖溶石漠化信息為基礎,分析貴州省的石漠化演變情況;利用地統(tǒng)計學研究貴州省的年均降雨量和年均暴雨頻率;最后,基于GIS平臺和空間信息分析法研究大氣降雨與巖溶石漠化的關系。以“獲取數(shù)據(jù)→處理數(shù)據(jù)→分析數(shù)據(jù)→結論”為研究路線,詳細的技術路線如圖1所示。

2 巖溶石漠化信息提取

2.1 基于RS技術的巖溶石漠化信息自動提取

本次研究的遙感數(shù)據(jù)為1999年9月和2013年8月獲取的2個時相的TM數(shù)據(jù),2景遙感圖像的云量均小于5%,無明顯噪聲,影像質量很好，滿足巖溶石漠化信息自動提取的需求(圖2、圖3)。

根據(jù)地物波譜特性, 植被在TM4(0.76～0.90 μm)波段的高反射率和絕大多數(shù)礦物在TM5(1.55～1.75 μm)波段的高反射率(對裸露基巖反映較好),故首先選取TM5/TM4運算為石漠化信息增強方式,采用二次圖像信息分析分類方法[2，12]提取石漠化信息;然后通過人機交互解譯提高石漠化信息的提取精度,減少“同物異譜”和“同譜異物”現(xiàn)象給計算機自動識別和信息提取帶來的誤差。這種巖溶石漠化信息遙感提取方法有較好的實踐結果,其成果精度優(yōu)于1∶25萬成果精度要求[14],符合本次研究的精度要求。

2.2 巖溶石漠化演變分析

根據(jù)石漠化的演變程度不同, 將石漠化演變分為5個等級:較好改善、 輕度改善、 基本未變、 輕度惡化、 嚴重惡化。 將1999和2013年的巖溶石漠化信息進行空間疊加分析, 研究區(qū)巖溶石漠化演變?nèi)鐖D4所示， 各石漠化演變等級面積統(tǒng)計見表1。

圖1 技術路線圖

圖2 1999年巖溶石漠化圖

圖3 2013年巖溶石漠化圖

圖4 1999—2013年巖溶石漠化演變圖

表1 1999—2013年巖溶石漠化演變等級面積統(tǒng)計

Table 1 Statistics of karst rocky desertification evolution areas from 1999 to 2013

碳酸鹽巖輕度惡化重度惡化基本未變輕度改善較好改善面積/km21212161401304104192131602159比例/%-1.160.2585.9510.861.78

注：碳酸鹽巖面積是根據(jù)1∶25萬區(qū)域地質圖統(tǒng)計。

可知,研究區(qū)石漠化以改善為主,總改善面積為15 319 km2,是總惡化面積的近9倍,占碳酸鹽巖總面積的12.64%;總惡化面積為1 705 km2,占碳酸鹽巖總面積的1.41%。

3 1999—2013年貴州省大氣降雨分析

3.1 1999—2013年貴州省大氣降雨概況

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)中的《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/),選取了貴州省19個基本、基準地面氣象觀測站及自動站1999—2013年的逐日降雨數(shù)據(jù),統(tǒng)計了1999—2013年貴州省的年均降雨量和年均暴雨(日降雨量大于50 mm)天數(shù)，詳見表2。

3.2 基于地統(tǒng)計學和空間差值研究貴州大氣降雨的空間分布規(guī)律

采用協(xié)同克里格法對年均降雨量和年均暴雨天數(shù)進行空間差值,貴州省1999—2013年年均降雨量空間分布和年均暴雨天數(shù)空間分布如圖5、圖6所示。

表2 1999—2013年貴州省大氣降雨統(tǒng)計

圖5 1999—2013年年均降雨量空間分布圖

4 巖溶石漠化與大氣降雨關系分析

采用基于GIS平臺的空間信息分析方法分析巖溶石漠化與大氣降雨的相關關系。將1999—2013年的貴州省巖溶石漠化演變信息與貴州省降雨量空間分布圖和年均暴雨天數(shù)空間分布圖分別進行空間疊加分析,相關數(shù)據(jù)見表3和圖7。

圖6 1999—2013年年均暴雨天數(shù)空間分布圖

表3 巖溶石漠化演變與年均降雨量相關性統(tǒng)計

Table 3 Statistics of evolution and annual mean rainfall in karst rocky desertification area %

年均降雨量/mm最小最大8009009001000100011001100120012001300輕度惡化率0.210.320.732.252.85重度惡化率0.030.060.140.590.61基本未變率1.964.047.7026.9727.92輕度改善率6.894.375.3916.5820.74較好改善率1.070.650.802.314.92

注: 惡化率=年均降雨量惡化面積/年均降雨量面積。

圖7 巖溶石漠化演變與年均降雨量

可見,巖溶石漠化惡化與降雨量呈明顯的正相關,石漠化惡化隨降雨量的增加變嚴重,尤其是降雨量從1 000 mm遞增到1 200 mm時,石漠化惡化率增加了近3倍。大量的降雨導致水土流失,基巖裸露,最終加劇巖溶石漠化進程。石漠化改善與降雨量沒有明顯的相關關系,大氣降雨在造成水土流失的同時也會促進植被的生長,非暴雨降雨是石漠化恢復與重建的重要因素之一。

由表4和圖8可知,巖溶石漠化惡化與年均暴雨天數(shù)呈明顯的正相關,石漠化惡化隨年均暴雨日數(shù)的增加變嚴重。暴雨對地表造成強烈的沖刷,加劇水土流失、基巖裸露,大大縮短巖溶石漠化演化進程。石漠化改善與降雨量沒有明顯的相關關系,年均暴雨天數(shù)超過5.5天的地區(qū)石漠化改善率明顯低于年均暴雨天數(shù)小于5.5天的地區(qū),暴雨對石漠化恢復與重建起反作用。

表4 研究區(qū)巖溶石漠化演變信息與年均暴雨天數(shù)統(tǒng)計

注: 惡化率=年均暴雨次數(shù)惡化面積/年均暴雨天數(shù)面積。

圖8 巖溶石漠化演變與年均暴雨天數(shù)關系

5 結 論

RS和GIS是研究大空間尺度問題最有效的技術方法之一,利用RS技術快速、準確地提取了研究區(qū)超過12萬km2的巖溶石漠化信息。GIS強大的數(shù)據(jù)分析功能為石漠化演變規(guī)律、年均降雨量和年均暴雨日數(shù)的空間分布的分析提供了基礎。大氣降雨是巖溶石漠化演變的重要因素,降雨(非暴雨)一方面加速了巖溶石漠化的惡化,石漠化惡化隨降雨量的增加變嚴重;另一方面,降雨(非暴雨)會促進植被的生長,是石漠化改善的重要因素之一。暴雨是石漠化惡化的重要因素,巖溶石漠化惡化與年均暴雨天數(shù)呈明顯的正相關,石漠化惡化隨年均暴雨日數(shù)的增加變嚴重,暴雨對石漠化改善起反作用。

通過上述研究,在石漠化治理工程中應考慮緩解暴雨沖刷的工程措施,減輕暴雨對巖溶石漠化的不利影響。大尺度巖溶石漠化信息遙感自動提取的方法還可以改進,可以引入面向對象的遙感分類方法和基于時間序列的遙感分類方法。氣象站點的數(shù)量還應該進一步增加,氣象數(shù)據(jù)的空間差值算法還有較大的提升空間,這兩者的進步能顯著提升年均降雨量空間分布圖和年均暴雨天數(shù)空間分布圖的精度。

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Relationship between karst rocky desertification and atmospheric precipitation based on RS and GIS —A typical karst rocky desertification area case from Guizhou

SUN Yue1, CAI Xiang-wen1,CHENG Yang2, SU Chun-tian2

(1.College of Earth Sciences,Guilin University of Technology, Guilin 541006,China;2.Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Science,Guilin 541004,China)

Taking the typical karst rocky desertification area in Guizhou Province as an example, TM multispectral data in different time phases and daily rainfall data from 1999 to 2013 in 19 basic ground meteorological observation stations and automatic stations as data source, remote sensing (RS) and geographical information system (GIS) as technical means and platform, the average annual rainfall and rainstorm frequency from 1999 to 2013 as evaluation factors,the relationship between karst rocky desertification and atmospheric precipitation is analyzed by the method of geo-statistics and spatial information analysis.The results show that rainfall (non storm) is one of the factors that aggravate the karst rocky desertification process. It is also an important factor in slowing the karst rocky desertification process. Rainstorm accelerated the evolution process of karst rocky desertification, and it was counterproductive to the recovery of karst rocky desertification.

RS;GIS;karst rocky desertification;rainfall;rainstorm

1674-9057(2015)04-0834-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.023

2015-05-04

中國地質調(diào)查局地質調(diào)查項目(12120114069001-01；12120115046601);桂林理工大學自然地理學重點學科項目

孫 悅(1990—),女,碩士研究生,研究方向:環(huán)境遙感。

蔡湘文,博士,副教授, 2004042@glut.edu.cn。

孫悅,蔡湘文,程洋,等.基于RS和GIS的巖溶石漠化與大氣降雨關系——以貴州省典型巖溶石漠化地區(qū)為例[J].桂林理工大學學報，2015,35(4):834-838.

TP79；P642.254；P426.615

A