長汀水土流失區(qū)地表裸土動態(tài)變化及生態(tài)分析

林思鄉(xiāng)，徐涵秋，林中立

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院、福州大學(xué)遙感信息工程研究所、福建省水土流失遙感監(jiān)測評估與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

長汀水土流失區(qū)地表裸土動態(tài)變化及生態(tài)分析

林思鄉(xiāng)，徐涵秋，林中立

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院、福州大學(xué)遙感信息工程研究所、福建省水土流失遙感監(jiān)測評估與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

為了對福建省長汀縣水土流失進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并對其治理成效進(jìn)行評價，基于Landsat衛(wèi)星影像和遙感信息技術(shù)，將裸土指數(shù)(NDSI)和不透水面指數(shù)(NDISI)相結(jié)合，提取長汀縣2001—2013年的地表裸土信息，從而對該縣近12 a來的地表裸土進(jìn)行時空變化分析；同時基于遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對長汀縣裸土變化的生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：長汀縣地表裸土面積在12 a間有了大幅度的減少；而生態(tài)狀況則隨之好轉(zhuǎn)，生態(tài)級別為優(yōu)、良等級所占的面積比例均有上升?；貧w分析表明，各年份的地表裸露度與RSEI生態(tài)值都呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明長汀縣近12 a生態(tài)質(zhì)量的改善與地表裸土面積的大量減少有直接的關(guān)系。

水土流失；裸土指數(shù)；不透水面指數(shù)；遙感生態(tài)指數(shù)；長汀縣

水土流失在當(dāng)今的生態(tài)環(huán)境問題中已經(jīng)日益突出。嚴(yán)重的水土流失會造成生態(tài)環(huán)境惡化，引發(fā)災(zāi)害，具有很大的危害性。由于特殊的自然地理?xiàng)l件和社會經(jīng)濟(jì)因素，水土流失已成為中國主要的環(huán)境問題之一。水土流失造成地表出現(xiàn)大面積的裸露土壤。因此，如何快速并準(zhǔn)確地定位裸土區(qū)域，進(jìn)行地表裸土的時空變化分析，對于水土流失的治理工作尤其重要[1]。目前，憑借著能夠?qū)崿F(xiàn)大面積觀測的特點(diǎn)，衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)已經(jīng)成為相關(guān)政府部門開展水土流失綜合治理工作時獲取數(shù)據(jù)的重要手段[2]。近年來，與水土流失、生態(tài)分析相關(guān)的遙感研究也陸續(xù)展開。吳清泉等[3]應(yīng)用SPOT影像數(shù)據(jù)，動態(tài)監(jiān)測了長汀縣水土流失區(qū)；李曉松等[4]基于遙感和GIS技術(shù)，對赤城縣的水土流失現(xiàn)狀、空間分布及其變化原因進(jìn)行了分析；徐涵秋[5]基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)和遙感指數(shù)法，從裸土面積、裸露強(qiáng)度和破碎度3方面對長汀縣地表裸土?xí)r空變化進(jìn)行了研究；白艷芬等[6]以青海湖環(huán)湖地區(qū)為研究區(qū)，通過遙感與GIS技術(shù)提取生態(tài)因子，計(jì)算出研究區(qū)的生態(tài)綜合脆弱度；孟巖等[7]基于中巴資源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過遙感技術(shù)方法提取反映生態(tài)環(huán)境狀況的相關(guān)指數(shù)，對墾利縣生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定量評價。

為了掌握長汀縣水土流失區(qū)地表裸土的動態(tài)變化情況，本文基于遙感空間信息提取技術(shù)，對該縣2001—2013年地表裸土的時空動態(tài)變化進(jìn)行分析，并利用新近提出的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI[8]對長汀縣這一期間的生態(tài)變化進(jìn)行分析。這不僅可以客觀地考察福建省政府2000年的政策對長汀縣水土流失治理帶來的效應(yīng)，還可以對長汀縣今后的水土保持工作和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 基本原理與方法

1.1 研究區(qū)概況

長汀縣是福建省龍巖市的山區(qū)縣，總面積約3090 km2。長汀縣屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1550～1750 mm，平均氣溫為18.3 ℃，在地形上呈中間低凹、四周隆起的盆地特征。長汀縣是我國南方典型的紅壤水土流失區(qū)，長期以來一直是福建省水土流失治理的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)區(qū)。

1.2 遙感影像處理與裸土信息提取

本次研究使用Landsat系列衛(wèi)星影像。遙感影像獲取的時間分別為：2001年10月12日(ETM+)、2004年10月 12日(TM)和2013年10月 5日(Landsat 8)。長汀縣水土保持工作在2000年被福建省委省政府納入為民辦實(shí)事項(xiàng)目后加大了水土流失治理工作的力度，因此本次研究選擇的時間段能夠有效地評價該政策對該縣的水土流失治理工作所帶來的效應(yīng)。

使用Chander等[9-10]提出的模型和參數(shù)對TM和ETM+影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正，將影像的DN值轉(zhuǎn)化成反射率；對于2013年的Landsat 8影像，采用USGS網(wǎng)站最新提供的反演模型進(jìn)行輻射校正。統(tǒng)一采用最鄰近像元法和二次多項(xiàng)式進(jìn)行影像之間的配準(zhǔn)，RMSE均小于0.5個像元。

目前，針對裸土信息提取的遙感指數(shù)主要有歸一化土壤指數(shù)NDSI(Normalized Difference Soil Index)[11]、裸土指數(shù)BI(Bare Soil Index)[12]和歸一化裸地指數(shù)NDBaI(Normalized Difference Bareness Index)[13]。經(jīng)過試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)NDSI較適合本次研究區(qū)的裸土信息提取，因此用該指數(shù)進(jìn)行裸土提取，其公式為：NDSI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR)，式中，MIR為中紅外波段的反射率；NIR為近紅外波段的反射率，分別對應(yīng)于TM5、TM4波段。

實(shí)際上，NDSI的波段構(gòu)成與用來增強(qiáng)建筑不透水面信息的NDBI[14]是一致的。從圖1a可以看出，土壤與不透水面在TM5波段的反射率都大于TM4波段的反射率。因此，利用NDSI進(jìn)行裸土信息提取的過程中，會使裸土與不透水面兩者都得到增強(qiáng)，導(dǎo)致二者混淆在一起。

首先通過NDSI與NDISI分別獲取得到土壤和不透水面兩者的增強(qiáng)影像，將增強(qiáng)后的裸土影像和不透水面影像合并成新影像，運(yùn)用邏輯算法來剔除裸土信息中混有的建筑不透水面，最終得到裸土分布圖。所采用的邏輯關(guān)系式為：

IfNDSI>t1andNDISI≤t2thenNDSI=1 else null

(1)

式中：t1為裸土的提取閾值；t2為不透水面的提取閾值。

從公式(1)可以看出，確定某像元是裸土的條件是該像元在裸土增強(qiáng)影像中的值必須大于t1，同時要滿足其在不透水面增強(qiáng)影像中的值要小于等于t2。滿足該條件的像元賦值1，確定為裸土，無法滿足該條件的像元均被賦予null值予以剔除，這樣就可以將建筑不透水面信息與裸土區(qū)分開來(圖1d)。

圖1 土壤與不透水面混淆分析

對于提取的裸土信息，使用高分辨率影像進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用2004年10月的SPOT 5高分辨率影像(10 m)驗(yàn)證2004年10月的裸土信息提取結(jié)果，2013年10月影像的提取結(jié)果則用Google Earth的2013年4月的高分辨率影像進(jìn)行驗(yàn)證。由于2001年的影像沒有同期高分辨率影像，所以采用不變像元法進(jìn)行精度驗(yàn)證，即利用2004年SPOT影像驗(yàn)證2001年影像的提取結(jié)果，但在驗(yàn)證過程應(yīng)選取土地覆蓋類型無明顯變化的像元。結(jié)果表明(表1)，3個年份所提取的裸土信息都有較高的精度。

表1 精度驗(yàn)證評價表

1.3 遙感生態(tài)指數(shù)RSEI

本文采用的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI[8]由4個指標(biāo)組成——濕度(Wet)、綠度(Green)、熱度(LST)和干度(Dry)，分別用纓帽變換的濕度分量、NDVI植被指數(shù)、地表溫度和裸土建筑指數(shù)來代表。RSEI采用主成分分析方法來集成以上4個指標(biāo)，并用歸一化的第一主成分(PC1)來代表：RSEI0=1-{PC1[f(Wet，NDVI，Dry，LST)]}；RSEI=(RSEI0-RSEI0_min)/(RSEI0_max-RSEI0_min)。因此，RSEI值介于0～1之間，RSEI值越接近0，生態(tài)越差，反之，生態(tài)越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 裸土變化分析

2.1.1 裸土的面積變化 依次對研究區(qū)2001年、2004年、2013年的裸土信息提取影像(圖2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各年份研究區(qū)的裸土面積(表2)。從表2可以看出，長汀縣地表裸土面積從2001年的128.59 km2降至2013年的60.17 km2，減少了53.21%。從圖2也可以看出，2001—2013年這12 a間代表裸土的白色區(qū)域大部分消失。分時段來看，2001—2004年每年減少裸土面積達(dá)到9.24 km2，水土流失治理速度較快；2004—2013年每年減少4.52 km2，治理速度有所減緩。

表2 長汀縣裸土面積

圖2 研究區(qū)各年份裸土分布(白色區(qū)域代表裸土)

2.1.2 裸土的空間變化 采用遙感圖像灰度差值法分析長汀縣裸土的空間變化(圖3)。圖中白色代表裸土增加的區(qū)域，灰色代表裸土減少的區(qū)域，黑色為裸土不變的像元與非裸土像元。2001—2013年的裸土差值結(jié)果主要表現(xiàn)為灰色，說明這12 a來長汀縣的裸土出現(xiàn)大量的減少。減少的裸土區(qū)域主要集中于中南部的河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)地區(qū)，而增加的裸土區(qū)域則主要集中在縣城一帶。

分階段看，2001—2004年該縣以灰色調(diào)為主，說明這階段裸土面積有較明顯減少。2004—2013年的差值影像灰、白分明，表明該階段在裸土減少的同時也有新的裸土產(chǎn)生，裸土減少主要集中在中南部的河田鎮(zhèn)，裸土的增加主要位于策武鎮(zhèn)與縣城的東北部。

長汀縣的水土流失治理工作在新中國成立之前就已經(jīng)開始，但不見成效。一直到1983年福建省政府以河田鎮(zhèn)作為福建省水土流失治理試點(diǎn)后，其治理工作才有所見效。2000年以后，長汀縣水土流失治理工作被福建省委省政府進(jìn)一步列為全省為民辦實(shí)事項(xiàng)目，其治理工作進(jìn)入加速階段。本次研究揭示的該縣2001—2013年的裸土變化數(shù)據(jù)也充分說明長汀縣水土保持工作在2000年被福建省納入為民辦實(shí)事項(xiàng)目后取得了明顯的成效。但研究表明(表2)，該縣在2004—2013年的治理速度有所減緩，2013年長汀縣的地表裸土面積仍有60.17 km2，說明長汀縣的水土流失治理仍是一個長期而艱巨的任務(wù)。

2.2 生態(tài)變化分析

RSEI指數(shù)計(jì)算出3個研究年份的RSEI值分別為0.749、0.707、0.789，表明2001—2013年間，長汀縣遙感生態(tài)指數(shù)RSEI雖有起伏，但總體呈上升的趨勢，從2001—2013年其均值上升了約5.1%。為進(jìn)一步分析長汀縣的生態(tài)變化，將各年份的RSEI以0.2為間隔劃分為5個層次，分別代表生態(tài)差、較差、中等、良、優(yōu)。統(tǒng)計(jì)表明(表3)，長汀縣生態(tài)級別為優(yōu)、良等級所占的比例由81.73%上升至87.38%，增加了近6個百分點(diǎn)，而生態(tài)等級為差、較差、中等則呈總體下降的趨勢。從長汀縣3個年份的生態(tài)分級影像(圖4)也可以看出，2001—2013年間生態(tài)優(yōu)、良等級所占的面積有明顯的增加，而中等及其以下生態(tài)等級所占的面積明顯減少，尤其是中等、較差2個等級的面積出現(xiàn)大幅度減少。

圖3 研究區(qū)裸土變化分析

RSEI級別2001年2004年2013年面積/km2百分比/%面積/km2百分比/%面積/km2百分比/%差(0～0.2)15.050.4911.830.3813.610.43較差(0.21～0.4)127.314.11125.274.0467.292.17中等(0.41～0.6)423.1713.67504.3216.29310.1210.02良(0.61～0.8)1249.0840.331541.1049.771219.6239.39優(yōu)(0.81～1.0)1282.0441.40914.1329.521486.0147.99合計(jì)3096.65100.003096.65100.003096.65100.00

圖4 長汀縣各研究年份生態(tài)分級影像

長汀縣的RSEI變化分析可以說明，該縣的生態(tài)質(zhì)量在這12 a間得到了改善。這顯然與長汀縣在這一期間裸土的大面積減少相呼應(yīng)。地表裸露的減少能夠降低地面的干度和熱度，相應(yīng)地提高了地面的綠度和濕度，從而使得RSEI值得到提高。福建水利信息網(wǎng)2012年公布的數(shù)據(jù)[16]：長汀縣累計(jì)治理水土流失面積7.85萬hm2，森林覆蓋率由1986年的59.8%提高到現(xiàn)在的79.4%，治理區(qū)植被覆蓋率由35%提高到91%，土壤侵蝕模數(shù)由8580 t·km-2·a-1下降到605 t·km-2·a-1，徑流系數(shù)由0.52下降到0.35，生態(tài)質(zhì)量大為改善。這與本研究基于RSEI的生態(tài)監(jiān)測結(jié)果相一致，說明長汀縣這一時段的水土流失治理，對該縣生態(tài)質(zhì)量的改善起到了積極的促進(jìn)作用。

2.3 地表裸土與生態(tài)變化的相關(guān)性分析

為了能夠定量地分析地表裸土變化所帶來的生態(tài)效應(yīng)，進(jìn)一步采用徐涵秋[17]的方法將所求取的各年份地表裸土信息轉(zhuǎn)換為地表裸露度，然后分別將其與各年份對應(yīng)的RSEI生態(tài)值進(jìn)行回歸分析。

分別在地表裸露度和RSEI影像上以5×5的網(wǎng)格進(jìn)行采樣，每幅影像約采16000個樣本，然后分別對其進(jìn)行線性、指數(shù)、對數(shù)等多種函數(shù)的回歸分析，結(jié)果表明線性關(guān)系是地表裸露度與RSEI生態(tài)值之間的最佳擬合關(guān)系(圖5，方程均通過0.1%的顯著性檢驗(yàn))。

圖5 地表裸露度與RSEI生態(tài)值的回歸分析

從圖5的回歸模型可以看出，各年份的地表裸露度與RSEI生態(tài)值都呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。3個年份的R2值分別為：0.9301、0.9228、0.8419，表明二者之間的相關(guān)關(guān)系很強(qiáng)。其斜率也比較一致，穩(wěn)定在-0.85左右，說明長汀縣地表裸土變化對生態(tài)的影響相對穩(wěn)定。地表裸露度的升高會造成RSEI生態(tài)值的相應(yīng)降低；反之，則會促使RSEI生態(tài)值上升。因此，長汀縣近12 a生態(tài)質(zhì)量的改善與地表裸土面積的大量減少有直接的關(guān)系。

3 結(jié)論

本文將裸土指數(shù)與不透水面指數(shù)相結(jié)合，并通過邏輯關(guān)系運(yùn)算進(jìn)行研究區(qū)裸土信息的提取。使得裸土信息中混入的建筑不透水面信息能被有效剔除。因此，雙指數(shù)法提取的裸土信息不會混有建筑用地等不透水面信息。

長汀縣在2001—2013年間水土保持工作效果顯著，12 a來地表裸土面積大幅度減少，從128.59 km2降至60.17 km2，減少了53.21%，面積凈減了68.42 km2，年均減少5.70 km2，并以河田與策武鎮(zhèn)地區(qū)的裸土減少最為明顯。遙感生態(tài)指數(shù)RSEI對長汀縣的生態(tài)質(zhì)量評價表明，2001—2013年該縣的生態(tài)質(zhì)量得以改善，其RSEI值從2001年的0.749提高至2013年的0.789，上升了約5.1%?？傮w上看，對長汀縣水土流失區(qū)近12 a來地表裸土與生態(tài)變化所進(jìn)行的分析，能夠客觀地反映當(dāng)?shù)厮帘３止ぷ鞯倪M(jìn)展以及福建省政府相關(guān)政策所帶來的效應(yīng)。

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Dynamics of Exposed Bare Soil Cover and Ecological Status in the Soil Loss Area of Changting County

LIN Si-xiang，XU Han-qiu，LIN Zhong-li

(CollegeofEnvironmentandResources，InstituteofRemoteSensingInformationEngineering，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)ujianProvincialKeyLaboratoryofRemoteSensingofSoilErosionandDisasterProtection，F(xiàn)uzhou350108，F(xiàn)ujian，China)

To investigate and monitor the current situation of soil erosion in Changting county，and evaluate the progress of water-soil conservation work，this study combined the normalized difference soil index (NDSI) and the normalized difference impervious surface index (NDISI) to extract bare soil information，based on the time-series Landsat images of Changting county and remote sensing technology，and then analyzed the spatiotemporal variation of bare soil distribution from 2001 to 2013.Meanwhile，an ecological analysis of Changting county based on the remote sensing ecological index (RSEI) was conducted.Results show that the area of bare soil in Changting county has been greatly reduced，and the ecological status has been improved.The proportion of excellent and good ecological grades has raised，while the low ecological grades have an overall downward trend.Analysis of regression showed that surface exposed degree and RSEI value have presented a significant linear negative relationship.This clearly shows that the improvement of ecological quality has a direct relation with the substantial reduction of exposed bare soil areas of Changting county in this 12 years.

soil erosion；bare soil index；impervious surface index；remote sensing ecological index；Changting county

2014-11-20

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAC08B01-05)

林思鄉(xiāng)(1990—)，男，福建漳州人，福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院碩士研究生，從事環(huán)境與資源遙感研究。E-mail：794800540@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.03.002

S714.7

A

1002-7351(2015)03-0007-06