基于Landsat8巫山石漠化區(qū)域監(jiān)測識(shí)別方法探討

陳艷英 徐彥平 楊琴 游揚(yáng)聲

（1 重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147；2 重慶市開州區(qū)突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，重慶 405400；3 重慶市氣候中心，重慶 401147；4重慶大學(xué)土木學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

石漠化也稱石山化，指石灰?guī)r山區(qū)植被強(qiáng)烈退化后巖石裸露的現(xiàn)象。巖溶石漠化是在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下，地表植被受人為活動(dòng)干擾遭受破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕，基巖大面積裸露，土地退化的表現(xiàn)形式。隨著我國對生態(tài)文明建設(shè)的日益重視，石漠化也逐漸為公眾所知曉。石漠化被喻為“地球的癌癥”，反映了其治理的艱巨性。

20 世紀(jì)90年代以來，遙感技術(shù)在石漠化演變過程、石漠化的分布、石漠化提取等研究中得到廣泛應(yīng)用。李麗等以云南隆林各族自治縣為研究區(qū)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，根據(jù)植被覆蓋度提取了研究區(qū)石漠化分布狀況；凌成星等基于中巴資源一號02B星數(shù)據(jù)，用改進(jìn)的增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）提取石漠化信息，并使用水體指數(shù)（NDWI）修正水體信息，結(jié)合空間坡度圖層進(jìn)行決策樹分析，對貴州省務(wù)川仡佬族苗族自治縣進(jìn)行石漠化提取，抽樣檢驗(yàn)表明石漠化提取精度達(dá)到88.2%；李偉等以植被類型、梯土化旱地因子、地形坡度、基巖裸露度、植被綜合蓋度5個(gè)因素為石漠化判識(shí)因子，建立石漠化識(shí)別條件，將研究區(qū)分為石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域及非石漠化區(qū)域三類，并對巖基裸露度、地形坡度、植被綜合蓋度（結(jié)合旱地分布）、植被類型4類因子進(jìn)行評分，從低到高將石漠化區(qū)域分為輕度石漠化區(qū)域、中度石漠化區(qū)域、重度石漠化區(qū)域、極重度石漠化區(qū)域4類，對廣西百色市凌云縣進(jìn)行石漠化監(jiān)測識(shí)別，以野外實(shí)地調(diào)查為佐證，驗(yàn)證了該方法具有較高準(zhǔn)確性及可行性；蘇欣利用地質(zhì)數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)、歸一化巖石指數(shù)、植被覆蓋度、土壤厚度等數(shù)據(jù)，構(gòu)造石漠化提取指標(biāo)，對重慶涪陵地區(qū)的10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道進(jìn)行了石漠化提取；黃巖等基于美國陸地衛(wèi)星4～5號專題制圖儀（thematic mapper） 所獲取的多波段掃描影像提取植被覆蓋度數(shù)據(jù)，并結(jié)合坡度數(shù)據(jù)、巖性背景資料及土壤厚度數(shù)據(jù)等，建立石漠化提取指標(biāo)，對重慶南川進(jìn)行了石漠化的提取，并進(jìn)行了精度的驗(yàn)證；朱大運(yùn)等以GF-1和Landsat-OLI為源數(shù)據(jù)，運(yùn)用歐氏距離，以貴州關(guān)嶺—貞豐花江一帶為研究區(qū)，對多種植被指數(shù)在石漠化提取過程中的可分性和類型識(shí)別能力進(jìn)行了定量的對比評價(jià)，結(jié)果表明，石漠化信息提取中推薦使用的最優(yōu)植被指數(shù)均為歸一化植被指數(shù)（NDVI），其次為長勢監(jiān)測指數(shù)（GRNDVI）。

在進(jìn)行石漠化監(jiān)測識(shí)別過程中，通常根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取情況，采用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行石漠化提取，選取對石漠化識(shí)別比較敏感的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，例如土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋度、歸一化植被指數(shù)、增強(qiáng)型植被指數(shù)、地理國情地表覆蓋、坡度、100 m 數(shù)字高程數(shù)據(jù)、巖石裸露度、巖土性質(zhì)等數(shù)據(jù)。由此可見，在石漠化識(shí)別中，指標(biāo)的選取并不固定。本文選取植被覆蓋度、土地利用類型、巖石裸露度、巖土類型數(shù)據(jù)對巫山石漠化區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

1 研究區(qū)概況

重慶巖溶地區(qū)有37個(gè)區(qū)縣，轄888個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、101個(gè)街道辦事處。截至2006年末，巖溶地區(qū)總?cè)丝诠?055萬人，其中農(nóng)業(yè)人口占76.23%，全年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值約2923.1億元，糧食總產(chǎn)量為967.7萬噸。重慶石漠化典型的區(qū)域主要分布于渝東北及渝東南地區(qū)，其余地區(qū)零星分布。

巫山縣位于重慶市東北部（圖1），幅員面積為2958 km，地處三峽庫區(qū)腹心，介于30.767°—31.467°N，109.55°—110.183°E。長江橫貫東西，大寧河、抱龍河等7 條支流呈南北縱向分布。深谷和中低山相間分布，地形起伏大，最高海拔達(dá)2698 m，最低海拔僅有63 m，屬典型的喀斯特地貌。

全縣山地占總面積約96%，丘陵平壩僅占4%。全縣農(nóng)業(yè)人口約占93.3%，人地關(guān)系緊張，土地過墾較嚴(yán)重。坡旱地分布廣，大于25°的陡坡地占比大；森林覆蓋率小，僅為12.97%；荒山草坡面積大，且土薄、坡陡，成片天然草場少，多呈塊狀分布。大量的良田沃土被交通、居住等建筑用地占用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與土地資源間存在較大的反差。

圖1 巫山位置及高程圖Fig. 1 Wushan location and elevation map

巫山屬于貧困山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，是長江三峽庫區(qū)重點(diǎn)淹沒縣之一，喀斯特地貌遍布全縣，地表破碎。境內(nèi)水土流失嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害及氣象次生災(zāi)害頻繁。石漠化是制約巫山發(fā)展的主要因素，碳酸鹽巖面積約為991 km，占巫山縣總面積的33.5%。2017年，巫山石漠化土地面積達(dá)到811.7 km。

2 資料與方法

2.1 研究資料的整理

1）Landsat8數(shù)據(jù)處理

Landsat8數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）。

巫山縣包含Landsat8數(shù)據(jù)中的第38行、126列和第39行、126列。由于第39行、126列在巫山只有紅椿鄉(xiāng)南部及廟宇鎮(zhèn)東南角，范圍較小。為了便于數(shù)據(jù)處理，選擇了第38行、126列的數(shù)據(jù)后，通過ENVI軟件對LandSat8數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、輻射定標(biāo)處理，最終挑選了2013年10月24日、2014年10月11日、2015年10月14日、2017年5月28日、2017年11月4日共5組數(shù)據(jù)對巫山進(jìn)行石漠化提取。

2）植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)

整理國家衛(wèi)星中心提供的植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)，計(jì)算巫山2000—2018年NPP及植被固碳量。

3）植被覆蓋度

對植被指數(shù)數(shù)據(jù)逐月產(chǎn)品MYD13A3（來源于NASA官網(wǎng)）進(jìn)行投影、格式轉(zhuǎn)換、裁剪，合成年歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，并利用NDVI計(jì)算出年植被覆蓋度（VC），裁剪出巫山區(qū)域，形成2000—2018年巫山植被覆蓋度數(shù)據(jù)序列。

4）地理信息數(shù)據(jù)

收集整理2016年土地利用數(shù)據(jù)和2004年巖土類型數(shù)據(jù)（來源于中科院北京數(shù)字空間科技有限公司）、100 數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）和重慶行政區(qū)劃數(shù)據(jù)（來源于中國氣象局信息中心）。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度、巖石裸露度的計(jì)算

在ENVI軟件中可實(shí)現(xiàn)基于Landsat數(shù)據(jù)的歸一化植被指數(shù)NDVI和植被覆蓋度VC的計(jì)算。

歸一化植被指數(shù)NDVI采用可見光紅光波段（波長在0.76～0.90 μm ）和近紅外波段（波長在0.63～0.69 μm）計(jì)算，公式如下：

植被覆蓋度計(jì)算公式如下：

其中，

VC

為植被覆蓋度，

N

_為格點(diǎn)植被指數(shù)，

N

_為裸地或無植被覆蓋區(qū)域植被指數(shù)，

N

_為完全植被覆蓋區(qū)域植被指數(shù)。此處

N

_和

N

_分別取NDVI累計(jì)百分率分別為5%和95%時(shí)的對應(yīng)取值。當(dāng)

N

_＜

N

_時(shí)，

VC

=0；

N

_＞

N

_，

VC

=1；

N

_≤

N

_≤

N

_，采用公式（2）計(jì)算植被覆蓋度。

基于ENVI軟件，利用公式（1）計(jì)算巫山不同日期植被指數(shù)NDVI。表1為NDVI累計(jì)百分率為5%和95%時(shí)對應(yīng)的NDVI數(shù)值。

表1 5%和95%累計(jì)百分率對應(yīng)NDVI值Table 1 NDVI values at cumulative percentages of 5%and 95%

根據(jù)表1及公式（2）計(jì)算巫山5次衛(wèi)星過境時(shí)的植被覆蓋度。

基于植被覆蓋度計(jì)算巖土裸露度

R

，

R

=1-

VC

，

VC

為植被覆蓋度。

R

為0～1，值越大，說明巖石裸露越多。

2.2.2 石漠化區(qū)域判別標(biāo)準(zhǔn)的建立

巖石裸露度、植被覆蓋度、平均土層厚度、坡度、巖土類型、地質(zhì)分布等數(shù)據(jù)常被用到，研究選用的指標(biāo)略有區(qū)別，本文在參照已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，選取了植被覆蓋度、巖土裸露度、巖土類型、土地利用類型建立石漠化識(shí)別指標(biāo)。

對植被覆蓋度、巖石裸露度兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重分類并評分，表2給出了植被覆蓋度、巖石裸露度的評分結(jié)果。表2中，植被覆蓋度大（或者水體、硬化地等人工地表），評分較低；其余植被覆蓋度較小的非水體和建筑地表，評分較高。巖石裸露度?。ɑ蛘邘r石裸露度接近1的水體、硬化地等人工地表），評分較低；其余巖石裸露度較大的非水體和建筑地表，評分較高。

導(dǎo)樂分娩時(shí)一種全新的分娩模式,有專業(yè)導(dǎo)樂人員為產(chǎn)婦提供專業(yè)化、人性化的服務(wù),無創(chuàng)傷,給予產(chǎn)婦持續(xù)性的生理上的支持幫助及心理上的安慰鼓勵(lì),使其順利完成分娩過程,有利于提高產(chǎn)科服務(wù)質(zhì)量,降低剖宮產(chǎn)率,是國際上比較推崇的服務(wù)理念。自2017年1月我院開展導(dǎo)樂分娩以來,取得較好的收效,先總結(jié)如下。

表2 植被覆蓋度、巖石裸露度評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Scoring standards for vegetation coverage and rock exposure

表3 給出了土地利用類型的評分。評分值高，則現(xiàn)石漠化的概率高、石漠化程度重；評分值低，則出現(xiàn)石漠化的概率低、石漠化程度輕或無石漠化。表4中的地貌類型評分同理。

表3 土地利用類型評分表Table 3 Land use type scoring standard

表4 地貌類型評分表Table 4 Landform type scoring standard

對以上4個(gè)指標(biāo)的評分求和，依據(jù)求和結(jié)果給出石漠化分級，表5給出巫山石漠化區(qū)域評分。

表5 巫山石漠化分級評分表Table 5 Grading of Wushan rocky desertification

在此基礎(chǔ)上，將植被覆蓋度、巖石裸露率和植被類型數(shù)據(jù)疊加運(yùn)算，設(shè)置下列7個(gè)條件：①基巖裸露度＜30%；②有林地、灌木林地、疏林地、牧草地；③水田；建設(shè)用地；水域；④基巖裸露度≥30%；⑤植被綜合蓋度≥50%的有林地、灌木林地；⑥植被綜合蓋度≥70%的牧草地；⑦梯土化旱地。非石漠化和潛在石漠化區(qū)域分別疊加運(yùn)算，參與疊加運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)投影、分辨率、行列數(shù)要求一致。

非石漠化區(qū)域判別：滿足①和②；或滿足③。

潛在石漠化區(qū)域判別：滿足④和⑤；或滿足④和⑥；或滿足④和⑦。

最后，結(jié)合表5及非石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域的判別條件，將巫山分為非石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、輕度石漠化區(qū)域、中度石漠化區(qū)域、重度石漠化區(qū)域、極重度石漠化區(qū)域6個(gè)等級。

2.2.3 生態(tài)植被監(jiān)測分析

利用MODIS/AQUA逐月植被指數(shù)產(chǎn)品MYD13A3，采用最大值合成法合成季節(jié)植被指數(shù)，對季節(jié)植被指數(shù)取均值，得到格點(diǎn)年平均植被指數(shù)。

式中，

NDVI

為格點(diǎn)上的年植被指數(shù)；

NDVI

為格點(diǎn)上的季節(jié)植被指數(shù)；

n

為1、2、3、4，代表4個(gè)季節(jié)。格點(diǎn)年植被凈初級生產(chǎn)力

NPP

計(jì)算如下：

式中，

NPP

為格點(diǎn)上的年植被凈初級生產(chǎn)力；

NPP

為格點(diǎn)上的月植被凈初級生產(chǎn)力；

n

為1～12的整數(shù)，代表月份。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)年平均植被覆蓋度、植被凈初級生產(chǎn)力，見公式（5）。

式中，

AVG

為植被覆蓋度或植被凈初級生產(chǎn)力的區(qū)域均值，

Grid

為植被覆蓋度或植被凈初級生產(chǎn)力格點(diǎn)值，

count

為計(jì)算區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

3 石漠化監(jiān)測結(jié)果分析

利用選取的5次過境數(shù)據(jù)提取石漠化區(qū)域，給出了非石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化6個(gè)等級的面積及每次提取的石漠化區(qū)域的總面積，見表6。

由表6可見，石漠化6個(gè)分區(qū)中非石漠化區(qū)域面積最大，其次是潛在石漠化區(qū)域，極重度和重度石漠化區(qū)域面積分居第3及第4位，輕度和中度石漠化區(qū)域分居第5及第6位。取5次監(jiān)測結(jié)果均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算每次監(jiān)測結(jié)果的相對誤差，見表7。

從表7可見，監(jiān)測面積呈波動(dòng)變化。5次監(jiān)測中，非石漠化區(qū)域及潛在石漠化區(qū)域面積較穩(wěn)定，分別在0.81%～1.1%、0.31%～17.18%波動(dòng)；極重度石漠化區(qū)域變化最大，在17.09%～31.59%波動(dòng)；輕度、中度、重度石漠化區(qū)域面積分別在9.94%～29.19%、0.06%～24.95%、1.66%～18.53% 波動(dòng)，其中輕度石漠化區(qū)域面積波動(dòng)范圍僅次于極重度石漠化區(qū)域。

監(jiān)測面積變化的影響因素主要來自遙感數(shù)據(jù)和地表信息的變化。衛(wèi)星過境時(shí)的姿態(tài)使掛載儀器產(chǎn)生傾斜，儀器的傾斜導(dǎo)致傳感器在同一個(gè)區(qū)域接收的地表反射信息產(chǎn)生變化（在地表起伏大的區(qū)域，傳感器接收的地表反射信息變化更加明顯），從而影響遙感監(jiān)測指標(biāo)；衛(wèi)星過境時(shí)的光強(qiáng)對地表反射率也會(huì)產(chǎn)生影響，從而對大范圍的監(jiān)測指標(biāo)產(chǎn)生影響。其次，地表反射信息影響遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的石漠化分級指標(biāo)，從而影響石漠化提取結(jié)果。同時(shí)，農(nóng)作物的收割、休作及植被的不同生長季也會(huì)影響遙感監(jiān)測指標(biāo)及石漠化提取結(jié)果。

對5次石漠化計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均并分級，得到石漠化分布結(jié)果，見圖2。將該結(jié)果作為石漠化提取結(jié)果（見表8），并依此對石漠化區(qū)域進(jìn)行分析。

加權(quán)后監(jiān)測石漠化區(qū)域面積為875.9 km，非石漠化和潛在石漠化區(qū)域面積分別為1302.8 km、771.1 km。其中紅椿鄉(xiāng)西南部由于缺乏遙感數(shù)據(jù)，該鄉(xiāng)南部石漠化分類結(jié)果有待進(jìn)一步確認(rèn)。

由圖2可見，巫山石漠化區(qū)域分布與地形及土地利用相關(guān)，產(chǎn)生6個(gè)集中分布區(qū)：1）集中分布于大寧河流域及其支流小三峽區(qū)域；2）集中分布在七耀山山脈邊緣至巫山縣城東部呈東北—西南帶狀的區(qū)域；3）集中在省道105西部—官渡河—長江女峰下游區(qū)域，呈東北—西南帶狀分布；4）集中分布在巫山東南篤坪鄉(xiāng)南部及雪花鄉(xiāng)；5）集中分布在巫山東北部當(dāng)陽鄉(xiāng)、廟堂鄉(xiāng)北部區(qū)域；6）河流右岸的狹長區(qū)域也有石漠化分布。非石漠化主要分布在縣城、水域、林地等區(qū)域，潛在石漠化區(qū)域主要分布在草地、灌木地、農(nóng)業(yè)用地區(qū)域。

圖2 巫山石漠化監(jiān)測結(jié)果Fig. 2 Wushan rocky desertification monitoring results

表8 巫山石漠化分級加權(quán)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 8 Statistical results of Wushan rocky desertification weighted area

4 石漠化區(qū)域生態(tài)環(huán)境分析

將監(jiān)測結(jié)果分為三類，即非漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、石漠化區(qū)域（包含輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化4個(gè)分級），計(jì)算三個(gè)區(qū)域2001—2018年MODIS植被覆蓋度、植被凈初級生產(chǎn)力NPP、植被固碳量，見圖3、圖4。

表6 巫山石漠化分級面積統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of Wushan rocky desertification classification

表7 巫山石漠化分級相對誤差Table 7 Relative error of Wushan rocky desertification classification

從圖3可見，巫山石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、非石漠化區(qū)域植被覆蓋均呈增加趨勢，非石漠化區(qū)域植被覆蓋度最大，在60.5%～69.5%；潛在石漠化區(qū)域植被覆蓋度略低于非石漠化區(qū)域植被覆蓋度，在56.5%～66.0%；石漠化區(qū)域植被覆蓋度最低，在54.5%～64.3%。植被覆蓋度最小、最大值分別出現(xiàn)在2001和2017年。

從圖4可見，石漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、非石漠化區(qū)域的植被凈初級生產(chǎn)力及固碳量差異明顯，其中植被凈初級生產(chǎn)力及固碳量兩個(gè)指標(biāo)在石漠化區(qū)域最小，在非石漠化區(qū)域最大；三個(gè)分區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力及固碳量在2001—2018年呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，且變化趨勢基本一致。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

1）利用Landsat8遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的植被覆蓋度及巖石裸露度、土地利用數(shù)據(jù)、巖土類型數(shù)據(jù)建立了石漠化監(jiān)測識(shí)別指標(biāo)，提取巫山石漠化區(qū)域，結(jié)果分為6個(gè)等級。石漠化區(qū)域面積為875.9 km（包含輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、極重度石漠化4個(gè)分級），非石漠化和潛在石漠化區(qū)域面積分別為1302.8和771.1 km。

圖3 巫山非漠化區(qū)域、潛在石漠化區(qū)域、石漠化區(qū)域2001—2018年植被覆蓋度Fig.3 The vegetation coverage of Wushan nondesertification area, potential rocky desertification area,and rocky desertification area from 2001 to 2018

圖4 巫山2001—2018年植被凈初級生 產(chǎn)力（NPP）及植被固碳量Fig.4 Vegetation net primary productivity and vegetation carbon sequestration in Wushan from 2001 to 2018

2）巫山非石漠化區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境最好，其次是潛在石漠化區(qū)域，石漠化區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境遜色于非石漠化區(qū)域及潛在石漠化區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

5.2 不足與展望

在利用Landsat8數(shù)據(jù)、土地分類數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)對巫山進(jìn)行石漠化監(jiān)測識(shí)別過程中，發(fā)現(xiàn)以下問題有待討論：1）土地利用數(shù)據(jù)的精度及時(shí)效性對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的影響不容忽視；2）在水域、建筑物及道路等硬化地、待開發(fā)用地等人為活動(dòng)引起的植被破壞的區(qū)域，植被覆蓋少，當(dāng)土地利用數(shù)據(jù)得不到及時(shí)更新時(shí)，容易與石漠化區(qū)域混淆；3）在作物間歇期的農(nóng)田區(qū)域，植被覆蓋度偏低、巖土裸露度偏高，容易與石漠化區(qū)域混淆而造成誤判。針對以上問題，后續(xù)可在同一年內(nèi)收集中多組數(shù)據(jù)，對不同時(shí)期的數(shù)據(jù)融合，利用融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)識(shí)別、相互交叉驗(yàn)證，從而提升識(shí)別的精度。