廣西河池地區(qū)巖溶石漠化遙感特征測(cè)度方法研究

摘 要 本文以廣西河池地區(qū)為研究對(duì)象，嘗試應(yīng)用各種遙感研究方法，分析研究巖溶石漠化現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。研究中分 別利用1973年MSS數(shù)據(jù)、1990/1994年TM數(shù)據(jù)、1999年ETM+數(shù)據(jù)，通過不同年代數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，分別運(yùn)用NDVI、纓帽變換綠度指數(shù)、掩模分區(qū)、基于巖溶石漠化植被指數(shù)和主成分分析的信息提取方法等四種研究方法，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行定量測(cè)度，以分析其巖溶石漠化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。通過研究發(fā)現(xiàn)，四種研究方法的作用各有特點(diǎn)、各有所長、相輔相成，可根據(jù)實(shí)際需要選取其中的方法應(yīng)用到巖溶石漠化的研究和監(jiān)測(cè)中。

關(guān)鍵詞 巖溶石漠化；遙感特征；測(cè)度；廣西河池

中圖分類號(hào)：TP7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Abstract： This paper takes Hechi of Guangxi area as the research object， using the 1973 MSS data， 1990/1994 TM data and ETM+ data in 1999， by comparing the different in data analysis， using the four methods of NDVI vegetation index， vegetation index， tasseled cap transformation mask division， information extraction method analysis of karst rocky desertification and vegetation index based on principal components respectively， quantitative analysis of the current situation and development trend of the research area of karst rocky desertification. The study found that the four methods have their own characteristics and function， can be selected according to each one has his good points complement each other， which method could be applied to the research and monitoring of Karst Rocky Desertification in the actual needs.

Keyword： Karst rocky desertification； remote sensing characteristics； measure； Hechi of Guangxi

0 引言

巖溶石漠化范圍廣，地形條件復(fù)雜，邊界不規(guī)則，生態(tài)環(huán)境惡劣，以及交通不便等因素，因此采用常規(guī)野外勘測(cè)手段難以進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。吳虹等在《石漠化遙感動(dòng)態(tài)測(cè)度與基于T-GIS的定量評(píng)價(jià)》[1]一文中指出“衛(wèi)星遙感以其廣視域、多波段、多時(shí)像和快速等優(yōu)點(diǎn)，成為巖溶石漠化監(jiān)測(cè)與快速評(píng)價(jià)技術(shù)的最佳選擇”。文中還指出“由于“化”是石漠化的重要特征，而“化”具有時(shí)變性，因此，遙感必須考慮對(duì)“化”動(dòng)態(tài)特征信息的提取和定量分析”[1]。所以，要定量地開展石漠化遙感，必須準(zhǔn)確地對(duì)巖溶石漠化進(jìn)行遙感特征測(cè)度。前人在石漠研究方面做了許多工作，也取得了不少成果，但是鮮見應(yīng)用遙感方法對(duì)巖溶石漠化進(jìn)行定量測(cè)度，本研究在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種遙感特征測(cè)度方法對(duì)巖溶石漠化進(jìn)行定量測(cè)度，對(duì)比分析闡述各種測(cè)度方法的優(yōu)劣性，并對(duì)測(cè)度結(jié)果進(jìn)行定量分析[4]。

1 巖溶石漠化遙感特征測(cè)度

測(cè)度就是測(cè)量、測(cè)定和量度。其數(shù)學(xué)定義就是測(cè)量幾何區(qū)域的尺度[4]。遙感特征測(cè)度即是定量地測(cè)量目標(biāo)地物時(shí)間特征、空間特征和波譜特征[2]。巖溶石漠化特征測(cè)度，是對(duì)空間角度變化（大面積植被破壞，水土流失—空間變化）、時(shí)間角度變化（同一地區(qū)巖溶石漠化測(cè)度特征隨著年度的變化而變化）的定量描述和表示。

巖溶石漠化遙感特征測(cè)度主要內(nèi)容包括：應(yīng)用多種遙感數(shù)字圖像處理方法測(cè)定某地各個(gè)年代各程度（類型）石漠化面積，各年代植被現(xiàn)狀。由此確定該地石漠化程度、時(shí)空變化趨勢(shì)，對(duì)該地石漠化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。其主要包含：空間變化特征測(cè)度：包括空間位置、形狀、周長、面積等，反映石漠化的空間變化規(guī)律。

波譜變化特征測(cè)度：包括波譜屬性、石漠化程度等，反映石漠化現(xiàn)狀、類型、屬性。

時(shí)間變化特征測(cè)度：包括時(shí)間變化率，時(shí)間變化對(duì)石漠化的影響，反映石漠化隨時(shí)間變化而變化的規(guī)律。

2 研究區(qū)遙感特征測(cè)度方法分析

本研究區(qū)位于桂黔交界的廣西河池市一帶，主要包括廣西河池市市區(qū)及其環(huán)江縣、南丹縣、東蘭縣、巴馬縣等所屬區(qū)域，其坐標(biāo)范圍為北緯24°00′00″～25°00′00″，東經(jīng)107°15′00″～108°15′00″之間，面積約11300 km2。

本文在研究區(qū)內(nèi)，應(yīng)用NDVI、纓帽變換綠度指數(shù)、掩模分區(qū)、基于巖溶石漠化植被指數(shù)和主成分分析的信息提取方法等四種方法，分別采用1973年12月29日MSS數(shù)據(jù)、1990年8月6日與1994年5月29日鑲嵌（兩個(gè)年代各一景進(jìn)行鑲嵌再根據(jù)研究區(qū)范圍截取獲得）TM數(shù)據(jù)、1999年9月24日ETM+數(shù)據(jù)（注：各年代數(shù)據(jù)均來源于互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載數(shù)據(jù)），定量測(cè)度分析研究區(qū)巖溶石漠化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 NDVI植被指數(shù)方法應(yīng)用分析

NDVI植被指數(shù)稱為歸一化植被指數(shù)[2]，為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和。

其運(yùn)算公式為：

式中：DNNIR為近紅外波段的計(jì)數(shù)值（灰度值），DNR為紅波段計(jì)數(shù)值（灰度值）[2]

因此，TM數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為：

NDVI=（TM4-TM3）/（TM4+TM3） （2）

MSS數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為：

NDVI=（MSS6-MSS5）/（MSS6+MSS5） （3）

經(jīng)過處理（圖1），各年代NDVI平均值呈逐年增長趨勢(shì)，由1973年的0.11，增長到1990/94年的0.44，1999年的0.45。通過三個(gè)年代NDVI平均值的縱向?qū)Ρ龋▓D2），可以說明在20世紀(jì)70年代到90年代，該區(qū)域的植被覆蓋度在逐年增加，植被生長狀況逐漸好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。但增加的速度不一，從70年代到90年代初，NDVI值快速增長，而從90年代初到90年代末，其值卻緩慢增長。說明從70年代到90年代初，植被覆蓋度的增長速率較大，而從90年代初到90年代末其增長速率明顯放緩，反映該地區(qū)這一時(shí)間段石漠化程度有所加重。

2.2 纓帽變換綠度指數(shù)方法應(yīng)用分析

采取纓帽變換處理，可以獲得三個(gè)有明確地物意義的分量，分別是亮度分量、綠度分量、濕度分量[5]。其中綠度分量可以反映植被的生長狀況和覆蓋度[2]。因此筆者對(duì)該區(qū)三個(gè)年代的數(shù)據(jù)采用纓帽變換處理，獲得綠度分量的圖像（圖3）。

MSS數(shù)據(jù)的綠度分量計(jì)算公式為[2]：（MSS6+MSS7）-（MSS4+MSS5）

TM數(shù)據(jù)的綠度分量計(jì)算公式為[2]：TM4-TM4-TM2-TM1；

通過統(tǒng)計(jì)分析，得出三個(gè)年代的綠度平均值分別是：4.32、34.77、8.08，對(duì)這三個(gè)值作柱狀圖（圖4）進(jìn)行縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯瑥纳鲜兰o(jì)70年代初到90年代初，綠度分量的平均值快速增加，從1973年的4.32增加到1990/94年的34.77，增加了8倍多，這一階段綠度值的變化趨勢(shì)與前述NDVI植被指數(shù)值的變化趨勢(shì)是相符的，進(jìn)一步證明了從70年代初到90年代初，該地區(qū)植被覆蓋度在逐年快速增加，植被生長狀況逐漸好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善這一結(jié)論。但從90年代初到90年代末，綠度分量平均值卻急劇下降。筆者認(rèn)為，這反映出該地區(qū)從90年代初到90年代末，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目增多，人類活動(dòng)更加頻繁，導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境遭到破壞，石漠化程度日趨嚴(yán)重。

2.3 掩模分區(qū)方法應(yīng)用分析

采用掩模分區(qū)方法的目的在于去除碎屑巖山地、水體、農(nóng)田、城區(qū)和道路等非巖溶區(qū)域的信息，對(duì)研究區(qū)內(nèi)各巖溶山地的石漠化程度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，使研究更具針?duì)性和實(shí)效性。

筆者應(yīng)用掩模分區(qū)方法，將全區(qū)每個(gè)年代的數(shù)據(jù)各分成對(duì)應(yīng)相同的6個(gè)區(qū)域（均為石漠化程度相對(duì)嚴(yán)重和集中分布的區(qū)域），其中1區(qū)位于研究區(qū)北部拔貢鎮(zhèn)一帶，2區(qū)位于研究區(qū)東部河池市區(qū)和東江鎮(zhèn)一帶，3區(qū)位于研究區(qū)東南部永安五竹一帶，4區(qū)位于研究區(qū)中南部九圩鎮(zhèn)到巖灘鎮(zhèn)一帶，5區(qū)位于研究區(qū)西部三石鎮(zhèn)一帶，6區(qū)位于研究區(qū)西部巴馬瑤族自治縣一帶。

通過對(duì)各個(gè)分區(qū)作NDVI植被指數(shù)和纓帽變換處理，統(tǒng)計(jì)得出三個(gè)年代各個(gè)區(qū)的NDVI值和纓帽變換綠度分量值及其對(duì)比分析柱狀圖，如圖5、圖6所示。

據(jù)圖5、圖6，筆者得到以下4點(diǎn)分析認(rèn)識(shí)：

1、從NDVI值的橫向?qū)Ρ葋砜?，三個(gè)年代的NDVI值均是4區(qū)最大，1區(qū)其次，6區(qū)最小。NDVI值越大，則植被覆蓋度越高，生長狀況越好，石漠化程度越低[2]；反之亦然。因此可以看出4區(qū)的石漠化程度最低，1區(qū)其次，6區(qū)的石漠化程度最嚴(yán)重，其它區(qū)的石漠化程度根據(jù)NDVI值的大小位列其中。

2、從NDVI值的縱向?qū)Ρ葋砜?，各分區(qū)的NDVI值從1973年到1990/94年再到1999年均呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)，其中從1973年到1990/94年增長較為迅速，而從1990/94年到1999年增長較緩慢。這個(gè)變化趨勢(shì)與前述研究區(qū)NDVI值的變化趨勢(shì)是一致的。說明各區(qū)從1973年到1990/94年植被覆蓋度逐漸提高，植被生長狀況逐漸好轉(zhuǎn)，石漠化程度逐步減輕，而從1990/94年到1999年植被覆蓋度增長緩慢，石漠化程度日益加重。

3、從纓帽變換綠度分量值的橫向?qū)Ρ葋砜?，三個(gè)年代的綠度分量值均是4區(qū)最高，1區(qū)其次，6區(qū)最小。綠度值越大，則葉綠素越高，植被覆蓋度越高，植被越茂盛，植被生長狀況越好，石漠化程度越低[2]；反之亦然。因此同樣可以看出4區(qū)的石漠化程度最低，1區(qū)其次，6區(qū)的石漠化程度最嚴(yán)重，其它分區(qū)的石漠化程度根據(jù)綠度值的大小位列其中。這一分析結(jié)果與NDVI值的分析結(jié)果一致，這就相互證明了NDVI植被指數(shù)與纓帽變換綠度分量對(duì)于研究植被覆蓋度及其生長狀況的有效性與可信度。

4、從纓帽變換綠度分量值的縱向?qū)Ρ葋砜矗鞣謪^(qū)的綠度值從1973年到1990/94年呈急劇增長的趨勢(shì)，反映該地區(qū)在這一時(shí)間段內(nèi)植被覆蓋度逐漸好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境得到改善，石漠化程度減輕。而從1990/94年到1999年綠度值又迅速下降，反映出由于該地區(qū)在這一時(shí)間段內(nèi)生態(tài)環(huán)境遭到破壞，石漠化程度逐步惡化。這一變化趨勢(shì)與前述整個(gè)研究區(qū)綠度值的變化趨勢(shì)是一致的，這也相互驗(yàn)證了綠度處理結(jié)果的有效性與可信性。

2.4 基于巖溶石漠化植被指數(shù)和主成分分析的信息提取方法應(yīng)用分析

這一方法的基本思路是設(shè)計(jì)植被指數(shù)，將巖溶石漠化植被指數(shù)處理后的影像作為綠波段，與一個(gè)TM/ETM+數(shù)據(jù)的原始波段及主成分分析第一主分量進(jìn)行假彩色合成，所得影像可以突出和增強(qiáng)顯示巖溶石漠化信息。

2.4.1 巖溶石漠化植被指數(shù)

筆者根據(jù)TM/ETM+數(shù)據(jù)各波段的類型和特點(diǎn)，在借鑒前人工作成果和多方試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出用于研究石漠化的植被指數(shù)[2]，可稱之為巖溶石漠化植被指數(shù)。將其表示為KVI，其表達(dá)公式為：

式中：DNNIR為近紅外波段的計(jì)數(shù)值（灰度值），DNR為紅波段計(jì)數(shù)值（灰度值），DNB為藍(lán)波段計(jì)數(shù)值（灰度值），DNG為綠波段計(jì)數(shù)值（灰度值）[2]。

2.4.2 綜合應(yīng)用分析

首先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行主成分分析，其變換公式可以表示為：Y=AX，式中：X為待變換圖像數(shù)據(jù)矩陣，Y為變換后的數(shù)據(jù)矩陣；A為實(shí)現(xiàn)這一線性變換的變換矩陣[2]。A矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣即為所求的K-L變換的變換矩陣T[2]。將變換矩陣T其代入Y=AX，則可得[2]：

（5）

由此可知，因ETM+數(shù)據(jù)有7個(gè)單波段，則對(duì)ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析的各個(gè)主成分依次可表示為[2]：

PC1=a11 ETM+1+ a12 ETM+2+ a13 ETM+3+……+ a17 ETM+7

PC2=a21 ETM+1+ a22 ETM+2+ a23 ETM+3+……+ a27 ETM+7

PC3=a31 ETM+1+ a32 ETM+2+ a33 ETM+3+……+ a37 ETM+7

PC4=a41 ETM+1+ a42 ETM+2+ a43 ETM+3+……+ a47 ETM+7

PC5=a51 ETM+1+ a52 ETM+2+ a53 ETM+3+……+ a57 ETM+7

PC6=a61 ETM+1+ a62 ETM+2+ a63 ETM+3+……+ a67 ETM+7

PC7=a71 ETM+1+ a72 ETM+2+ a73 ETM+3+……+ a77 ETM+7

（6）

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將TM/ETM+的2波段作為紅波段，將巖溶石漠化植被指數(shù)圖像作為綠波段，將主成分分析第一主分量作為藍(lán)波段，進(jìn)行假彩色影像合成，即組合方式為R（TM2）⊕G（KVI）⊕B（PC1），處理后，石漠化區(qū)域呈紅褐色、紫紅色或者粉紅色，石漠化程度越深、顏色越深，而石漠化輕微或者非石漠化區(qū)域，呈現(xiàn)綠色，如圖7所示。

通過上述處理，通過色調(diào)特征的差異，可將嚴(yán)重石漠化區(qū)、一般石漠化區(qū)和潛在石漠化區(qū)區(qū)分開來。在圖中，嚴(yán)重石漠化區(qū)域呈紫紅色、粉紅色，一般石漠化區(qū)域呈暗綠色、墨綠色、淺綠色，潛在石漠化區(qū)域呈藍(lán)綠色、青色。

3 結(jié)論

（1）NDVI植被指數(shù)和纓帽變換處理方法是常用的遙感測(cè)度方法，通過對(duì)研究區(qū)各年代數(shù)據(jù)的處理，所得NDVI植被指數(shù)值或纓帽變換綠度值隨時(shí)間的變化，反映研究區(qū)植被的變化[2]，進(jìn)而通過植被的變化反映研究區(qū)巖溶石漠化程度的變化。處理結(jié)果表明這兩種方法簡單有效，處理過程操作性強(qiáng)，所得結(jié)果真實(shí)可信。

（2）掩模分區(qū)方法是將研究區(qū)巖溶石漠化程度較嚴(yán)重的區(qū)域分區(qū)截取出來，對(duì)各年代分別進(jìn)行遙感處理（本文進(jìn)行了NDVI植被指數(shù)和纓帽變換兩種處理），該方法是本文的創(chuàng)新點(diǎn)之一。對(duì)研究區(qū)應(yīng)用該方法的處理結(jié)果表明，該方法可選擇性去除農(nóng)田、水體、建筑物等研究區(qū)內(nèi)非石漠化信息的影響，同時(shí)可對(duì)各分區(qū)的巖溶石漠化程度進(jìn)行時(shí)間變化的縱向?qū)Ρ群屯荒甏鞣謪^(qū)巖溶石漠化程度的橫向?qū)Ρ?。?duì)研究區(qū)各巖溶石漠化嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行的定量測(cè)度，針對(duì)性強(qiáng)。

（3）應(yīng)用基于巖溶石漠化植被指數(shù)和主成分分析的巖溶石漠化信息提取方法，對(duì)研究區(qū)原始影像、巖溶石漠化植被指數(shù)處理影像、主成分分析影像的合成處理，可以突出和增強(qiáng)顯示石漠化信息，較好地將嚴(yán)重石漠化區(qū)域、一般石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域區(qū)分開來。

（4）本次研究中應(yīng)用的四種遙感測(cè)度方法能有效監(jiān)測(cè)巖溶石漠化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，每種測(cè)度方法各有特點(diǎn)、各有所長、相輔相成。應(yīng)在巖溶石漠化的研究和監(jiān)測(cè)中，根據(jù)實(shí)際需要選取相關(guān)方法。

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