基于GIS和RS的喀斯特石漠化時空變化圖譜分析——以貴州省羅甸縣為例

劉陳林， 王曉紅， 舒天竹

(貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州貴陽 550025)

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基于GIS和RS的喀斯特石漠化時空變化圖譜分析
——以貴州省羅甸縣為例

劉陳林， 王曉紅*， 舒天竹

(貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州貴陽 550025)

摘要[目的]研究貴州省羅甸縣喀斯特石漠化時空變化。[方法]運(yùn)用地學(xué)信息圖譜的理論與方法，基于Erdas9.2和ArcGIS9.3的軟件平臺，對2005和2014年羅甸縣的喀斯特石漠化進(jìn)行時空變化圖譜分析。[結(jié)果]2005～2014年石漠化等級變化很大，其增長最多的是輕度石漠化，增加面積為264.38 km2，占總面積的8.80%，主要來源于中度石漠化、輕度石漠化；其次為中度石漠化，增加面積為89.04 km2，占總面積的2.96%，主要來源于輕度石漠化；石漠化等級圖譜單元減少最多的是無明顯石漠化；潛在石漠化和輕度石漠化的類型屬于最不穩(wěn)定的等級類型。[結(jié)論]2005～2014年羅甸縣石漠化等級由輕度石漠化逐漸向強(qiáng)度石漠化演變，石漠化程度加重。

關(guān)鍵詞喀斯特石漠化；圖譜分析；GIS；RS；石漠化等級；時空變化；羅甸縣

石漠化是在亞熱帶碳酸鹽地區(qū)的自然條件下，由于不當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞郊暗乇砀采w物遭受破壞，引起水土流失、基巖裸露、土地生產(chǎn)力退化，使地表土地流失退化而出現(xiàn)類似荒漠景觀的過程。近年來，受人為活動的影響，喀斯特生態(tài)環(huán)境日益惡化，形成了石漠化景觀，這也被稱為“喀斯特貧困”現(xiàn)象[1-2]。

地學(xué)信息圖譜[3]是以計算機(jī)多維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感、地圖數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)與數(shù)字地球的大量數(shù)字信息等，經(jīng)過圖形概括和抽象模擬，顯示地球系統(tǒng)及各要素和現(xiàn)象的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)、時空演變規(guī)律的一種方法和手段，能夠把“表現(xiàn)空間單元特征的圖”與“表示時間開始的起點(diǎn)與過程的譜”合二為一。該手段彌補(bǔ)了基于非空間屬性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘方法在抽象思維和空間位置屬性方面的不足[4]，更深入地對空間圖譜與地學(xué)認(rèn)識進(jìn)行研究與分析，可推理、反演并預(yù)測出事物與現(xiàn)象的發(fā)展趨勢，從而制訂關(guān)鍵的科學(xué)規(guī)律和相關(guān)規(guī)劃與決策方案。空間圖譜的優(yōu)勢在于其對圖形信息量的壓縮、時空尺度的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的挖掘等技術(shù)的充分發(fā)揮，將信息圖譜進(jìn)行多維組合、轉(zhuǎn)換與顯示，既能系統(tǒng)地表述空間格局，又能科學(xué)地反演歷史的過程或推斷未來的發(fā)展趨勢[5]。以往的野外調(diào)查運(yùn)用3S技術(shù)對石漠化地區(qū)進(jìn)行研究，可解決數(shù)據(jù)不連續(xù)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，準(zhǔn)確反映石漠化的空間分布與強(qiáng)度，但是難以系統(tǒng)地表達(dá)空間格局和發(fā)展過程的變化。鑒于此，筆者結(jié)合圖譜系統(tǒng)對貴州省羅甸縣喀斯特石漠化時空變化進(jìn)行了研究，旨在為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1資料來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況羅甸縣屬于貴州省黔南布依族苗族自治州，位于云貴高原南緣向桂西北與丘陵過渡的斜坡地帶，106°23′~107°03′ E，25°04′~25°45′ N。地勢北高南低，呈階梯式下降，縣內(nèi)西北、北、東北和東南等地帶為環(huán)形山地，形成了羅甸縣的基本輪廓，使其縣境呈面向南的“撮箕口”地形，東西寬63 km，南北長72 km?？h境內(nèi)山地面積占總面積的85.8%，丘陵占9.7%，盆地占4.6%。年均溫度在20 ℃左右，極端最高氣溫為40.5 ℃，極端最低氣溫為-3.5 ℃，年平均降雨量為1 335 mm?？h境內(nèi)的碳酸鹽巖出露面積占研究區(qū)總面積的56.5%，人地矛盾突出，陡坡墾荒現(xiàn)象嚴(yán)重，年土壤侵蝕量689.77萬t以上。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)選取。選取2005和2014年的ETM影像，空間分辨率30 m×30 m，影像的云量較小，且2期影像選取時段的研究區(qū)植被生長旺盛，有利于NDVI指數(shù)的提取。

1.2.2數(shù)據(jù)處理。

1.2.2.1遙感數(shù)據(jù)處理。對2005和2014年的TM影像進(jìn)行輻射校正、正射糾正、幾何校正、圖像之間的配準(zhǔn)、圖像的拼接裁剪、圖像鑲嵌等預(yù)處理，以提高精度。運(yùn)用去霾處理、直方圖均衡化、直方圖匹配等方法處理圖像[6]。

1.2.2.2遙感圖像解譯分類。結(jié)合羅甸縣的縣域情況，將地類分為水體、農(nóng)田、裸地、建設(shè)用地、灌木林地和喬木林地，并用監(jiān)督分類方法進(jìn)行地類分類。監(jiān)督分類是先定義分類模版，再評價分類模版，最后執(zhí)行監(jiān)督分類，運(yùn)用聚類統(tǒng)計消除原始分類圖像上的小面積斑塊。對監(jiān)督分類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類精度評估，使其精度均達(dá)到84.21%以上。

1.2.3植被覆蓋度的提取。在ERDAS IMAGINE中建立模型，并利用3、4波段提取歸一化植被指數(shù)，計算公式為：NDVI=(b4-b3)/(b4+b3)。其中，NDVI為-1~1。再利用像元二分法，通過ERDAS軟件的建模工具以NDVI為基礎(chǔ)，得出2期影像數(shù)據(jù)的植被覆蓋度圖。

1.2.4石漠化等級圖譜的合成。參考熊康寧等[7]的石漠化等級分類，對羅甸縣喀斯特石漠化等級進(jìn)行分類。在ArcGIS軟件平臺上[8]，通過地圖代數(shù)運(yùn)算、圖譜預(yù)算及建立的圖譜系統(tǒng)[9]對提取出來的坡度圖、植被覆蓋度圖、基巖裸露圖進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，并生成研究區(qū)的石漠化空間分布圖譜[10]。

2結(jié)果與分析

2.1石漠化等級強(qiáng)度空間格局分布圖譜在ArcGIS軟件平臺上，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，得到2005和2014年研究區(qū)石漠化空間格局圖譜(圖1、2)及石漠化面積分布情況(表1)。

圖1　2005年羅甸縣石漠化等級強(qiáng)度空間分布圖譜Fig.1　Spatial distribution grade of stony desertification in Luodian County in 2005

由表1可知，2005年該研究區(qū)無明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化的面積為2 604.01 km2，占該研究區(qū)面積的86.67%。具體分布現(xiàn)狀：無明顯石漠化居第1位，面積為1 097.73 km2，占該區(qū)面積的36.54%；潛在石漠化居第2位，面積為767.68 km2，占該區(qū)面積的25.55%；輕度石漠化居第3位，面積為738.60 km2，占該區(qū)面積的24.58%；中度石漠化居第4位，面積為395.30 km2，占該區(qū)面積的13.16%；強(qiáng)度石漠化居第5位，面積為5.19 km2，占該區(qū)面積的0.17%。

2014年該研究區(qū)無明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化的面積為2 250.60 km2，占該研究區(qū)面積的74.91%。具體分布現(xiàn)狀：無明顯石漠化居第1位，面積為847.95 km2，占該區(qū)面積的28.40%；輕度石漠化居第2位，面積為707.64 km2，占該區(qū)面積的23.55%；潛在石漠化居第3位，面積為689.73 km2，占該區(qū)面積的22.96%；中度石漠化居第4位，面積為484.34 km2，占該區(qū)面積的16.12%；強(qiáng)度石漠化居第5位，面積為269.56 km2，占該區(qū)面積的8.97%。

圖2　2014年羅甸縣石漠化等級強(qiáng)度空間分布圖譜Fig.2　Spatial distribution grade of stony desertification in Luodian County in 2014

Table 1Distribution areas of stony desertification in Luodian County in 2005 and 2014

石漠化等級Gradeofstonydesertification2005年面積Areakm2比例Percentage%2014年面積Areakm2比例Percentage%無明顯Nosignificant1097.7336.54853.2328.40潛在Potential767.6825.55689.7322.96輕度Slight738.6024.58707.6423.55中度Medium395.3013.16484.3416.12強(qiáng)度Strong5.190.17269.568.97合計Total3004.50100.003004.50100.00輕度及以上面積Areaofmildandabove2604.0186.672250.6074.91

2.2石漠化等級強(qiáng)度時空變化圖譜2005～2014年羅甸縣石漠化等級強(qiáng)度轉(zhuǎn)移圖譜(圖3)是根據(jù)2005和2014年石漠化等級強(qiáng)度分類結(jié)果在ArcGIS9.3軟件平臺上合成，并通過數(shù)據(jù)導(dǎo)出得到2005～2014年石漠化時空變化圖譜面積(表2)。

由表2可知，2005~2014年由于不良人為活動影響，羅甸縣的無明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化面積均呈減少趨勢，而中度石漠化、強(qiáng)度石漠化面積呈增加趨勢，這說明研究區(qū)石漠化強(qiáng)度在由低等級向高等級轉(zhuǎn)變。

從圖4可以看出，2005~2014年羅甸縣喀斯特石漠化無明顯石漠化和強(qiáng)度石漠化轉(zhuǎn)移面積最大，其中無明顯石漠化總面積逐年減少，強(qiáng)度石漠化總面積逐年增加。

圖3　2005～2014年羅甸縣喀斯特石漠化等級強(qiáng)度時空變化圖譜Fig.3　Spatial distribution grade of Karst stony desertification in Luodian County in 2005-2014

km2

圖4　2005～2014年羅甸縣石漠化時空變化比較Fig.4　Temporal and spatial variation of stony desertification in Luodian County in 2005-2014

2.3石漠化漲落圖譜由表3可知,2005~2014年羅甸縣石漠化由低等級向高等級演變，具體表現(xiàn)為：無明顯石漠化的減少面積居第1位，為-244.50 km2，占-8.14%，平均每年減少面積為27.17 km2；中度石漠化和強(qiáng)度石漠化的面積呈增加趨勢，其中強(qiáng)度石漠化增加面積居第1位，為264.37 km2，占研究區(qū)面積的8.80%，平均每年增加面積29.38 km2；中度石漠化增加面積居第2位，增加面積為89.04 km2，占研究區(qū)面積的2.96%，平均每年增加面積9.89 km2。

3結(jié)論與討論

筆者運(yùn)用GIS、RS技術(shù)，通過建立喀斯特石漠化等級圖譜信息，能快速、準(zhǔn)確地把握2005~2014年羅甸縣石漠化時該研究結(jié)果表明，2005～2014年石漠化由低等級向高等級演變，其石漠化的嚴(yán)重程度呈增加趨勢，增加面積為353.42 km2，占總面積的 11.76%?？梢?，羅甸縣喀斯特地區(qū)防止和遏制石漠化的任務(wù)艱巨。盡管該地區(qū)也有高等級石漠化向低等級的轉(zhuǎn)變，但是轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)出面積。雖然羅甸縣正在加大植樹造林、生態(tài)恢復(fù)的力度，但是由于一些貧困地區(qū)的生態(tài)環(huán)境意識薄弱，仍存在亂砍濫伐、陡坡開墾、毀林等現(xiàn)象，從而造成水土流失、基巖裸露、石漠化加劇。因此，應(yīng)加強(qiáng)水土保持防護(hù)措施，大力恢復(fù)和重建生態(tài)環(huán)境，提高人們的生態(tài)保護(hù)意識，加大相應(yīng)的法律法規(guī)執(zhí)行力度，加強(qiáng)資源環(huán)境的保護(hù)和合理利用[11-12]。

表32005~2014年羅甸縣石漠化等級漲落圖譜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Table 3 Map data structure of encephalofluogram of stony desertification grade in Luodian County in 2005-2014

石漠化等級Gradeofstonydesertification總增減面積Totalincreasedarea∥km2占研究區(qū)比例Proportioninresearcharea∥%年增減面積Annualareachangekm2/年無明顯Nosignificant-244.50-8.14-27.17潛在Potential-77.95-2.59-8.66輕度Slight-30.96-1.03-3.44中度Medium89.042.969.89強(qiáng)度Strong264.378.8029.37

空變化過程。從石漠化等級變化圖譜、漲落圖譜可知，羅甸縣石漠化發(fā)生了很大變化，主要表現(xiàn)在：增長面積最大的圖譜單元是強(qiáng)度石漠化，其主要來源于中度石漠化和輕度石漠化的轉(zhuǎn)出；其次為中度石漠化；減少最大的是無明顯石漠化，主要退化為潛在石漠化和輕度石漠化；潛在石漠化和輕度石漠化的類型屬于最不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)出的圖譜單元大于轉(zhuǎn)入的。

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Atlas Analysis of spatiat-temporal evolution of Karst Rocky Desertification in LuoDian County Based on GIS and RS Technology——Taking Luodian County of Guizhou Province as an Example

LIU Chen-lin，WANG Xiao-hong，SHU Tian-zhu(College of Forestry, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Abstract[Objective]The research aimed to study spatial-temporal evolution in karst rocky desertification areas of Guizhou Province.[Method] Based on the software platform of Erdas9.2 and ArcGIS9.3, this research used Tupu of geoinformation as a theory and method, analysed Tupu of 2005 and 2014 described spatial-temporal evolution in Karst rocky desertification area at LuoDian County.[Result] The change of rocky desertification degrees are very greatly from 2005 to 2014.The biggest increases was mild rocky desertification, its increasing area was 264.38 km2, accounted for 8.8% of the total area, which mainly derived from moderate rocky desertification and mild rocky desertification.The second increases was moderate rocky desertification, its increasing area was 89.04 km2, accounted for 2.96% of the total area, which mainly derived from mild rocky desertification.Tupu units of rocky desertification degrees reduced the most is no obvious rocky desertification.The types of potential rocky desertification and mild rocky desertification belong to the most unstable degrees.[Conclusion] Accordingly, from 2005 to 2014 the strength of Luodian County’s rocky desertification degrees have been aggravated and gradually changed from mild rocky desertification to intensity rocky desertification.

Key wordsKarst rocky desertification; Atlas analyses; GIS; RS; Rocky desertification degree;Spatial-temporal evolution; Luodian County

收稿日期2015-12-21

作者簡介劉陳林(1991- )，男，貴州織金人，碩士研究生，研究方向：區(qū)域土壤侵蝕研究與評價技術(shù)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事“3S”技術(shù)研究。

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-150-04