福建省永泰縣地表裸土動(dòng)態(tài)變化分析*

1.福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 2.福建省水土流失遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

林冬鳳1,2 廖杰1 楊淑珍1 莊玲玲1 范凱凱1 董治伶1

福建省永泰縣地表裸土動(dòng)態(tài)變化分析*

1.福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 2.福建省水土流失遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

林冬鳳1,2 廖杰1 楊淑珍1 莊玲玲1 范凱凱1 董治伶1

水土流失也叫土壤侵蝕，是目前威脅人類生態(tài)安全的重要表現(xiàn)形式之一。該研究采用Landsat 5和Landsat 8遙感數(shù)據(jù)影像為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行裸土提取和裸土動(dòng)態(tài)變化分析，并結(jié)合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和野外實(shí)地考察資料，對(duì)永泰縣1989—2015年間的水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，并對(duì)永泰縣的生態(tài)安全狀況進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)。遙感影像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理后的裸土識(shí)別制圖為水土流失治理工作提供了科學(xué)高效的技術(shù)支撐，為了對(duì)永泰縣水土流失進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其治理成效進(jìn)行評(píng)價(jià)，該文基于Landsat衛(wèi)星影像和遙感信息技術(shù)，將裸土指數(shù)（NDSI）與不透水面指數(shù)（NDISI）相結(jié)合，提取永泰縣1989—2015年的地表裸土信息，從而對(duì)該縣近26年來(lái)的地表裸土進(jìn)行時(shí)空變化分析。結(jié)果表明，永泰縣地表裸土面積在26年間大幅減少，特別在1995—2006年裸土減少速率最大，這說(shuō)明2000年后，永泰縣水土流失治理工作明顯加快。

遙感影像 水土流失 裸土指數(shù) 永泰縣

1 概述

水土流失是當(dāng)今影響環(huán)境生態(tài)安全最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，日益嚴(yán)重的水土流失已造成了地球生態(tài)環(huán)境的急劇退化，極大地?fù)p害了地球生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，由其誘發(fā)的各種災(zāi)害也給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了威脅和損害。我國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，由于水土流失的生態(tài)危害，導(dǎo)致植被覆蓋率急速降低，進(jìn)而導(dǎo)致沙漠化、泥石流、山洪等各種自然災(zāi)害頻發(fā)，使災(zāi)害頻發(fā)地的人們失去家園，背井離鄉(xiāng)。即使是在森林覆蓋率位居全國(guó)第一的福建省，水土保持現(xiàn)狀也不容樂(lè)觀。除了地處福建西部的長(zhǎng)汀縣是福建省水土流失的重災(zāi)區(qū)，福州市區(qū)近郊的永泰縣的水土流失狀況也十分嚴(yán)重，同樣也備受關(guān)注。

水土流失造成地表出現(xiàn)大面積的裸露土壤。對(duì)此，快速并準(zhǔn)確地定位裸土區(qū)域，進(jìn)行地表裸土的時(shí)空變化分析，對(duì)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(cè)的特點(diǎn)，衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)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(shí)獲取數(shù)據(jù)的重要手段。近年來(lái)，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[2]應(yīng)用SPOT影像數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了長(zhǎng)汀縣水土流失區(qū)；李曉松等[3]基于RS和GIS技術(shù)，對(duì)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[4]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個(gè)方面對(duì)長(zhǎng)汀縣地表裸土?xí)r空變化進(jìn)行了研究；為了掌握永泰縣水土流失區(qū)地表裸土的動(dòng)態(tài)變化情況，本文基于遙感空間信息提取技術(shù)，對(duì)該縣1989—2015年地表裸土的時(shí)空動(dòng)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(duì)永泰縣水土流失治理帶來(lái)的效應(yīng)，還可以對(duì)永泰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)。

2 研究區(qū)概況

永泰縣地處福建省中部，閩江下游大樟溪流域。1983年全縣水土流失現(xiàn)狀普查發(fā)現(xiàn)，造成永泰水土流失的主要原因是生產(chǎn)建設(shè)、生活消耗柴草和開發(fā)利用水土資源忽視水土保持[5]。若不采取有效措施，將會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的后果。為全面深入地貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記對(duì)長(zhǎng)汀水土保持工作的重要批示精神以及省委、省政府對(duì)水土保持工作的重要部署，永泰縣抓住機(jī)遇，堅(jiān)持務(wù)實(shí)舉措，積極推進(jìn)水土流失治理。從1983年起，永泰縣大力開展封山、育林、育草、種竹護(hù)岸，促進(jìn)植被增長(zhǎng),控制水土流失。幾年來(lái)共開展封禁防治點(diǎn)65個(gè),面積為7萬(wàn)畝，每個(gè)防治點(diǎn)配備1名管理員，并實(shí)行定目標(biāo)、定責(zé)任、勞績(jī)與報(bào)酬掛鉤的管理辦法。在封禁的同時(shí)，配合林業(yè)部門造林、補(bǔ)植、種果樹，盡量提高封禁經(jīng)濟(jì)效益。

3 裸土提取與分析

3.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)采用衛(wèi)星遙感影像，考慮到數(shù)據(jù)源的一致性，避免影像處理過(guò)程中可能產(chǎn)生的不確定性，所有遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)。由于該區(qū)的水土流失有效治理始于20世紀(jì)80年代，因此選取1989—2015年為研究時(shí)間范圍，更有助于全面揭示該區(qū)域水土流失治理的客觀情況。影像類型及其獲取時(shí)間分別為：1989.06.15(TM)、1995.11.23(TM)、2006.11.05(TM)、2013.10.23(OLI)和2015.09.27(OLI）。

3.2 研究數(shù)據(jù)預(yù)處理

其中1989.06.15(TM)、1995.11.23(TM)、2006.11.05(TM)影像用美國(guó)建立全國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)(NLCD)使用的標(biāo)準(zhǔn)化流程對(duì)影像進(jìn)行輻射校正，利用Chander等[6,7]和Chavez[8]的模型和參數(shù)將原始影像的灰度值(DN)轉(zhuǎn)換為傳感器處反射率，以減少不同時(shí)相的影像在地形、光照和大氣等方面的差異。2013.10.23(OLI)和2015.09.27(OLI）影像根據(jù)Landsat 8網(wǎng)站提供的公式和參數(shù)，將影像的亮度值轉(zhuǎn)換為大氣頂部的光譜輻射值[9]。

3.3 裸土信息提取

本文選擇典型的南方紅壤水土流失區(qū)福建省永泰縣作為研究區(qū)，其中以該區(qū)的盤谷鄉(xiāng)和城峰鎮(zhèn)為重點(diǎn)研究對(duì)象；研究區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年均降雨量1500～1700 mm；境內(nèi)四面環(huán)山，海拔在200～600 m，地礦資源豐富，土壤類型以可侵蝕性較高的紅壤為主。由于諸多自然和人為因素的影響，區(qū)域內(nèi)裸土大量分布，因此，可較好地驗(yàn)證裸土提取算法的可靠性。

裸土信息主要利用遙感指數(shù)法進(jìn)行提取。選用的是Kearney等人的歸一化差值裸土指數(shù)NDSI[6]，計(jì)算公式為：

式中，TM5和TM4分別代表TM影像的第5波段和第4波段的反射率。

但是NDSI實(shí)際增強(qiáng)的是地表具有高度、低植被覆蓋的地區(qū)，所增強(qiáng)的信息中不僅包含了裸土信息，還包含了建筑用地信息。由于土壤和建筑用地都在TM5波段的反射率大于TM4波段反射率的特征，如圖1所示。

因此公式（1）中的指數(shù)計(jì)算，土壤和建筑無(wú)法被很好地區(qū)分。對(duì)此，本文采用雙重指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)進(jìn)一步歸一化差值不透水面指數(shù)NDISI[10]來(lái)解決裸土信息和建筑信息混淆的問(wèn)題。計(jì)算公式為：

式中，TM6、TM5、TM4和TM2分別代表TM影像的第6、5、4、2波段的反射率。

從公式(2)可以看出，NDISI采用的特征波段主要是TM6和TM5，土壤和建筑物在這兩個(gè)波段的表現(xiàn)截然不同。土壤表現(xiàn)為TM5＞TM6，而建筑物表現(xiàn)為TM5＜TM6。因此利用公式（2）進(jìn)行處理的結(jié)果只會(huì)增強(qiáng)建筑用地，而土壤會(huì)呈現(xiàn)負(fù)值而被抑制[12]。

圖1 土壤與建筑用地的波譜曲線

根據(jù)以上兩個(gè)指數(shù)構(gòu)建閾值模型，可濾去裸土中的建筑用地信息。其構(gòu)建模型為：若“NDSI＞a且NDISI＜b”，則為裸土，否則為非裸土。其中，a、b為閾值。通過(guò)對(duì)NDSI和NDISI指數(shù)影像的統(tǒng)計(jì)，獲得其直方圖和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并在直方圖上通過(guò)目視判讀和人工調(diào)試，獲得a、b的最佳閾值。

精度驗(yàn)證采用野外實(shí)地驗(yàn)證結(jié)合高分辨率影像驗(yàn)證的方法。在永泰縣2006年、2013年和2015年的影像上隨機(jī)生成均勻分布的500個(gè)采樣點(diǎn)，通過(guò)高分辨率影像進(jìn)行判斷和解譯。對(duì)于其他影像則采用提取的裸土信息與其彩色合成影像對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 精度驗(yàn)證結(jié)果

3.4 裸土提取結(jié)果分析

分別對(duì)1989年、1995年、2006年、2013年、2015年的裸土提取影像（圖2）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出研究區(qū)各時(shí)相分布面積及所占比例，見表2。

表2 研究區(qū)裸土面積變化情況

從時(shí)間變化分析，由表2可以看出，永泰縣內(nèi)地表裸土面積在研究的時(shí)間段內(nèi)有很大變化，裸土面積不斷減少，從1989年的339.912 km2下降到2015年的246.209 km2，裸土面積減少了93.703 km2。地表裸露面積大幅減少，反映了永泰縣的水土流失治理已經(jīng)取得了顯著的成效。根據(jù)影像的年份將時(shí)間分為1989—1995年、1995—2006年、2006—2013年、2013—2015年四個(gè)時(shí)段，可以看出，前三個(gè)時(shí)段的裸土面積依次減少，減少的速度也依次加快。其中1995—2006年與2006—2013年時(shí)間段裸土減少面積最多。這說(shuō)明2000年福建省政府對(duì)永泰縣水土流失治理以后，該區(qū)的水土流失治理工作明顯加快。2013—2015年裸土年變化率最大，這跟政府在2013年采取的山洪災(zāi)害防治和生態(tài)治理密切相關(guān)。

圖2 1989-2015年研究區(qū)各時(shí)相裸土分布圖

從空間變化分析，由圖2和表2可知，永泰縣在20世紀(jì)80年代的地表裸露情況比較嚴(yán)重。1989年的裸土面積分布在研究的各個(gè)地區(qū)，該區(qū)的中部和中部偏上地區(qū)有連片的土壤裸露，山丘之間的溝壑植被稀少。隨著時(shí)間推移，連片的裸土慢慢地碎化，出現(xiàn)一種溝壑式向兩邊遞減、零碎分布的空間格局。為了進(jìn)一步分析裸土面積隨時(shí)間在空間的變化，本文將永泰劃分為八個(gè)不同的象限，并對(duì)不同年份各個(gè)象限的裸土面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到裸土方向變化，見圖3。

如圖3所示，研究區(qū)裸土在1989—2015年間向第六象限和第三象限收縮，其中第三象限變化量最大。結(jié)合2000年政府在水土治理方面采取的政策，本文將第三象限內(nèi)的盤谷鄉(xiāng)在不同時(shí)段裸土進(jìn)行單獨(dú)分析。

圖4中，在1989年，盤谷鄉(xiāng)裸土面積幾乎占了全鄉(xiāng)的2/3，并且裸土成片存在。1995年，盤谷鄉(xiāng)裸土面積總量有所減少，從四周集中到了中部地區(qū)，使得中部的裸土大片存在，生態(tài)環(huán)境極其惡劣。到2006年，雖然盤谷鄉(xiāng)土壤裸露情況仍然很嚴(yán)重，但是相比1989年和1995年來(lái)說(shuō)，已經(jīng)改善了許多。不僅裸土總量減少了很多，而且成片裸土的現(xiàn)象也開始慢慢消失。到2015年，盤谷鄉(xiāng)內(nèi)裸土面積總量減少了一半以上，主要集中在中部地區(qū)，東南部的裸土幾乎完全消失。本次研究所獲得的裸土變化數(shù)據(jù)基本體現(xiàn)了永泰縣水土流失治理重要?dú)v史時(shí)期所產(chǎn)生的政策效應(yīng)。1989—1995年的數(shù)據(jù)反映了1983年實(shí)施“試點(diǎn)”后的裸土變化情況；1995—2006年的數(shù)據(jù)則代表實(shí)施“為民辦實(shí)事”項(xiàng)目實(shí)施后的最新地表裸露數(shù)據(jù)?？偟膩?lái)看，本研究獲得的數(shù)據(jù)反映了隨著不同時(shí)期政策力度的加大，永泰縣裸土面積的減少越來(lái)越多、速度越來(lái)越快。

圖3 1989-2015年研究區(qū)裸土擴(kuò)展方向

圖4 盤谷鄉(xiāng)1989-2015年各時(shí)相裸土分布圖

4 結(jié)果與討論

目前常用的遙感裸土指數(shù)法無(wú)法對(duì)裸土信息進(jìn)行精準(zhǔn)的提取，其提取的信息中會(huì)含有建筑用地信息。本文通過(guò)土壤—不透水面雙重指數(shù)結(jié)合的方法可以很好地分離裸土中的建筑用地信息，有效提高裸土信息的提取精度。

1989—2015年間，永泰縣水土流失治理工作取得了顯著成績(jī)，主要表現(xiàn)為：地表裸土面積大幅減少，裸土面積從1989年的339.91km2減少到2015年的200.51 km2，大片裸土趨于破碎消失。永泰縣地表裸土面積減少客觀反映了該縣水土流失治理所取得的成績(jī)。特別是在1995—2006年間，裸土減少和植被覆蓋度上升最為明顯，這也表明了2000年福建省政府將永泰水土流失治理列為為民辦事項(xiàng)目后，進(jìn)一步推進(jìn)了該縣的水土流失治理工作。

[1]徐涵秋.福建省長(zhǎng)汀縣河田盆地區(qū)近35年來(lái)地表裸土變化的遙感時(shí)空分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33(10)：2946－2953.

[2]吳清泉，陳明華，陳文祥，等.福建省水蝕區(qū)土壤侵蝕遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J].水土保持通報(bào)，2007，27(4)：49－52.

[3]李曉松，姬翠翠，曾源，等.基于遙感和GIS的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)——以河北省赤城縣為例[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28(9)：1723－1729.

[4]徐涵秋.南方典型紅壤水土流失區(qū)地表裸土動(dòng)態(tài)變化分析——以福建省長(zhǎng)汀縣為例[J].地理科學(xué)，2013，33(4)：489－496.

[5]白艷芬，馬海州，張寶成，等.基于遙感和GIS技術(shù)的青海湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24(5)：635－641.

[6]Kearney M S,Rogers A S,Townshend J R G,et al.Developing a model for determining coastal marsh“health”[C]//ThirdThematicConference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments,Seattle,Washington, 1995：527-537.

[7]Chander G,Markham B L.Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41(11)：2674-2677.

[8]Chander G,Markham B L,Helder D L.Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS,TM,ETM+,and EO-1 ALI sensors [J].Remote Sensing of Environment,2009,113：893-903.

[9]徐涵秋.新型Landsat8衛(wèi)星影像的反射率和地表溫度反演[J]．地球物理報(bào)，2015,58（3）：741-747.

[10]Xu H Q.Analysis of impervious surface and its impact on urban heat environment using the normalized difference impervious surface index (NDISI)[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,2010,76(5)：557-565.

“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（ZJ1613）和福建省水土流失遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（福州大學(xué)）開放基金。