石漠化遙感信息提取方法進(jìn)展

種國雙，海月，鄭 華，徐衛(wèi)華，歐陽志云

1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

在中國，石漠化是土地生態(tài)災(zāi)害中最常見的一種類型[1]。不科學(xué)的人類活動(dòng)使得喀斯特環(huán)境下的土壤遭到侵蝕，暴露于土壤外的基巖使得地表形成了類似荒漠的景觀，這一過程就是喀斯特石漠化。喀斯特石漠化會(huì)明顯降低土地的生產(chǎn)力，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的自然災(zāi)害[2]。全球喀斯特巖溶地貌主要集中在中國西南地區(qū)、歐洲中南部地區(qū)、北美東部地區(qū)。中國喀斯特地貌面積占中國土地總面積的1/3，典型喀斯特地貌在中國8 省區(qū)的465 個(gè)縣均有分布，涉及了貴州、廣西、云南、湖北、湖南、四川、重慶以及廣東等省份。中國西南地區(qū)集中分布著連片裸露型的喀斯特地貌約54 萬km2[3]?？λ固貐^(qū)與很多典型生態(tài)脆弱區(qū)（黃土高原、青藏高原等）相比，由于長期受到可溶性碳酸鹽巖的影響，成土極為緩慢，所以土層薄且不連續(xù)，水文過程響應(yīng)迅速。在亞熱帶和熱帶巖溶地區(qū)，人類長期的生產(chǎn)生活不斷對地表植被產(chǎn)生破壞，如土壤沖刷和侵蝕，使得大面積基巖暴露出來，最終導(dǎo)致喀斯特石漠化[4]。中國第三次石漠化檢測報(bào)告顯示：同2011年相比，2016年中國石漠化面積已減少1.93 萬km2，平均每年下降3.45%。然而目前仍存在約10.07 萬km2的石漠化面積，占巖溶面積的22.3%?？梢姡袊壳霸诜乐瓮恋厥矫嫒悦媾R很多難題[5]。

20世紀(jì)70年代后半期，研究人員使用遙感技術(shù)對石漠化地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測、早期警告、生態(tài)學(xué)功能評估、空間結(jié)構(gòu)分析等研究[6]，精確獲取了石漠化信息，有效提高了石漠化防治效率。光學(xué)遙感在石漠化研究中發(fā)揮出色，它結(jié)合了地理信息系統(tǒng)，將石漠化強(qiáng)度信息有效提取出來。例如，文獻(xiàn)[7]利用中分辨率的多光譜遙感圖像，采用視覺解譯和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，運(yùn)用人機(jī)交互解譯方法為石漠化分析建立了遙感解譯索引系統(tǒng)，對石漠化的空間模式進(jìn)行了調(diào)查，討論了石漠化的演化機(jī)制。當(dāng)前，遙感技術(shù)的觀測功能更加強(qiáng)大，且觀測范圍更廣，數(shù)據(jù)測量效果更可靠，充分體現(xiàn)出了遙感所具有的宏觀、高速、經(jīng)濟(jì)和信息整合的優(yōu)點(diǎn)[8]。遙感技術(shù)已成為獲取石漠化數(shù)據(jù)信息最準(zhǔn)確、快捷、高效的方法之一，能夠幫助相關(guān)部門科學(xué)有效地制定生態(tài)保護(hù)措施，為制定石漠化治理措施提供了依據(jù)。

1 石漠化分級(jí)評價(jià)指標(biāo)

科學(xué)評定石漠化等級(jí)和確定量化指標(biāo)是石漠化遙感信息提取的前提。調(diào)查區(qū)域范圍、自然環(huán)境、人類活動(dòng)形式等的不同，導(dǎo)致石漠化分級(jí)方案一直沒有得到統(tǒng)一。于是，目前研究基于遙感技術(shù)提取石漠化信息時(shí)需要注意兩點(diǎn)：1）要充分考慮遙感技術(shù)特性；2）對于石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)脑u價(jià)指標(biāo)[9]。

1.1 石漠化指征因子及選取原則

石漠化指征因子是用來整體評估石漠化現(xiàn)狀的定量指標(biāo)，利用該因子可以反演遙感數(shù)據(jù)進(jìn)而定量評估石漠化程度。石漠化指征因子主要包括巖性、植被覆蓋度、植被類型、地形等[10]。鑒于目前沒有定義統(tǒng)一的石漠化指征因子[11]，那么如何篩選石漠化指征因子就成了亟待解決的問題。

石漠化指征因子的選擇依據(jù)主要有：景觀特征及其成因[12]、石漠化演變的主導(dǎo)因素、空間尺度以及地理環(huán)境狀況等。石漠化指征因子的選取原則是有目的性、可操作性和代表性等[13]，指標(biāo)閾值的確定受到空間尺度、遙感影像解譯方法和分級(jí)目標(biāo)等的影響。

1.2 石漠化程度分級(jí)方法

當(dāng)前地區(qū)范圍、自然條件和人類活動(dòng)的巨大差異導(dǎo)致對石漠化程度劃分方法不統(tǒng)一[14]。因?yàn)椴煌瘏^(qū)域地形復(fù)雜程度各異，并且遙感圖像的分辨率不同，所以使用遙感技術(shù)提取石漠化信息時(shí)，不僅要考慮遙感技術(shù)的特性，而且要根據(jù)石漠化監(jiān)測和評估效果，采用合理的評價(jià)指標(biāo)[9]。

傳統(tǒng)的石漠化程度分級(jí)方法主要包括自然間斷點(diǎn)分級(jí)法、層次分析法、多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)法、K-means 聚類法等[15]。自然間斷點(diǎn)分級(jí)法利用數(shù)據(jù)中固有的自然分組，在數(shù)據(jù)值差異相對較大的位置設(shè)置邊界；層次分析法是通過對每一層級(jí)因素進(jìn)行比較排序，計(jì)算對應(yīng)權(quán)重值；多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)法是通過組合一系列標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而來進(jìn)行復(fù)雜決策；在K-means 聚類法中，為將類似光譜信息像素聚類到一個(gè)類別中，可將多維圖像分類到各種類別中。

目前常用的石漠化程度分級(jí)方法是坐標(biāo)綜合評價(jià)方法，首先測量石漠化土地和沒有石漠化土地之間的標(biāo)準(zhǔn)差，然后根據(jù)差值大小評價(jià)石漠化程度[16]。坐標(biāo)綜合評價(jià)方法基于多維空間多矢量理論，使用簡單的歐氏距離來表示多維實(shí)體之間的距離。在由i樣本和j指示器構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣中，每個(gè)指示器的最大值構(gòu)成了新理論原點(diǎn)，作為比較其他樣本圖的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，可以表示為

式中：DI0,i為石漠化土地在時(shí)刻0 與i時(shí)的歐氏距離；Wj為指標(biāo)j用層次分析法計(jì)算的權(quán)重；aij為樣地在i時(shí)刻的指標(biāo)值集合。

2 石漠化遙感信息提取方法

石漠化遙感信息提取的主要目的是石漠化的定量評價(jià)。石漠化遙感信息提取要結(jié)合石漠化監(jiān)測與評價(jià)需求，進(jìn)而定量獲取評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)[17]。下面分別從遙感信息提取方法和遙感成像技術(shù)（包括無人機(jī)遙感、微波遙感、高光譜遙感、多光譜遙感）兩個(gè)方面來闡述石漠化遙感信息提取。

2.1 石漠化遙感信息提取方法

遙感信息提取是遙感技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，具體方法可分為目視解譯、人機(jī)交互解譯、非監(jiān)督分類[18]、支持向量機(jī)、誤差反向傳播（error back propagation,BP）算法、面向?qū)ο蠓诸怺19]等。在利用遙感信息定量表征石漠化程度中，石漠化信息提取常用的方法多為人機(jī)交互解譯、比值增強(qiáng)等傳統(tǒng)方法[20]，尤其對于石漠化范圍較小的情況，通常采用人機(jī)交互解譯或非監(jiān)督分類等傳統(tǒng)方法[21]。

3D打印技術(shù)，又稱“添加制造”和“增材制造”技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)方法相反的。1997年，美國學(xué)者JosephPegna提出通過水泥材料逐層累加，并在一定時(shí)間內(nèi)選擇性凝固來建造建筑。2014年，美國航天局(NASA)出資與美國南加州大學(xué)合作，最新研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印技術(shù)，24小時(shí)內(nèi)可以印出大約232平方米的兩層樓房子，一個(gè)按鍵就可以操控機(jī)械打印出房子。

由于遙感技術(shù)的發(fā)展，單一遙感圖像信息提取法已無法滿足石漠化信息提取精度的要求。在人機(jī)交互解譯法、比率提高法、監(jiān)視分類法、無監(jiān)視分類法、模型構(gòu)筑法、專家經(jīng)驗(yàn)法、物體方向分類法等各種遙感圖像信息提取法中，需要根據(jù)調(diào)查地區(qū)的實(shí)際情況選擇合理的遙感圖像方法[22]。面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ň哂休^高的分類精度和分類效率[23]。人機(jī)交互解譯法、比值提高法以及指數(shù)評價(jià)法等處于手工解譯的階段，存在工作負(fù)荷大、主觀性強(qiáng)等局限性[24]。然而，中國西南地區(qū)石漠化狀況嚴(yán)峻，地形復(fù)雜多變，基于像素的分類方法已無法對石漠化圖像進(jìn)行解譯。

本文分析了人機(jī)交互解譯、監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類以及模型構(gòu)建法等信息提取方法，并對各方法的原理、優(yōu)勢與不足進(jìn)行了歸納總結(jié)[25]，如表1所示。除面向?qū)ο蠓诸惙▽?shù)據(jù)分辨率要求較高外，其他遙感信息提取方法只需中低分辨率數(shù)據(jù)。

表1 喀斯特石漠化遙感信息提取代表性方法、原理及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Representative methods,principles,advantages and disadvantages of remote sensing information extraction of karst rocky desertification

2.2 石漠化遙感信息提取數(shù)據(jù)來源

2.2.1 多光譜遙感

不同地物在遙感影像上的灰度值具有差異，用光譜特征對石漠化程度進(jìn)行分析，可以建立遙感數(shù)據(jù)石漠化特征數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)石漠化分布狀況的定量評價(jià)。文獻(xiàn)[26]通過構(gòu)建巖性、坡度、土地覆被類型等評價(jià)指標(biāo)體系，利用TM 影像數(shù)據(jù)對貴州省石漠化信息進(jìn)行提取。文獻(xiàn)[27]利用MSS 以及TM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用監(jiān)督分類方法實(shí)現(xiàn)石漠化信息提取及分類。文獻(xiàn)[28]利用MODIS 影像估算植被覆蓋度和基巖裸露度，結(jié)合坡度和人口密度對比分析，建立了石漠化評價(jià)模型以定量分析石漠化程度。文獻(xiàn)[29]采用SPOT 影像數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)分解模型，進(jìn)一步對石漠化進(jìn)行準(zhǔn)確的智能分類。文獻(xiàn)[30]基于IKONOS 遙感數(shù)據(jù)，利用多光譜遙感數(shù)據(jù)對喀斯特石漠化信息進(jìn)行了定量提取，采取這種方法能夠提高解譯的客觀性，且石漠化程度評價(jià)結(jié)果也更加客觀。文獻(xiàn)[15]利用ASTER 多光譜影像干枯植被覆蓋度和基巖裸露率等信息進(jìn)行提取，但是準(zhǔn)確率較低。這是因?yàn)槎喙庾V成像儀空間分辨率較低，所獲得的多光譜遙感數(shù)據(jù)中存在混合像元，遙感輻射值無法精準(zhǔn)地對地物的光譜性質(zhì)進(jìn)行反饋。Sentinel-2衛(wèi)星（分為A、B 兩顆）屬于多光譜遙感衛(wèi)星，具有重訪周期短、波段數(shù)量多、空間分辨率最高為10 m 的特征，被廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)、土地利用、植被等方面的監(jiān)測。文獻(xiàn)[31-32]提出基于Sentinel-2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來反演石漠化評價(jià)指標(biāo)，與部分野外核查情況對比后表明，該方法能客觀、真實(shí)地反映石漠化治理范圍內(nèi)的植被生長與恢復(fù)情況，為系統(tǒng)、全面地定量評估治理效果提供一種新的技術(shù)方法。

相比于多光譜遙感，高分辨率遙感圖像的光譜、紋理及空間特征能使信息提取結(jié)果更加精細(xì)。同時(shí)，結(jié)合高空間分辨率數(shù)據(jù)有助于獲取精度更高的石漠化數(shù)據(jù)。因此，融合高空間分辨率和較多光譜信息的影像數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有多光譜數(shù)據(jù)的缺陷。

2.2.2 高光譜遙感

利用高光譜的優(yōu)選特征波段和各種光譜變換，可以突出光譜特征的差異，實(shí)現(xiàn)地物的精細(xì)識(shí)別。美國地質(zhì)調(diào)查局建立的splib06 光譜庫被廣泛應(yīng)用于巖石、植被的研究中，研究發(fā)現(xiàn)：高光譜數(shù)據(jù)可以很好地識(shí)別不同種類的植被，且對地貌形態(tài)判斷具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[30]。

喀斯特地區(qū)石漠化過程復(fù)雜，并且存在高度時(shí)空異質(zhì)性，即便是高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)同樣也無法避免混合像元的出現(xiàn)。也就是說，在判斷巖石特征的光譜響應(yīng)時(shí)，還需要采取更多的診斷光譜通道，而超光譜遙感數(shù)據(jù)可以提供這些數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[24]采取了Hyperion 高光譜成像數(shù)據(jù)對石漠化典型區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)果表明植被指數(shù)、高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合KRDSI 石漠化綜合光譜指數(shù)對提取石漠化遙感評價(jià)因子更有效。

雖然高光譜數(shù)據(jù)能較好地適應(yīng)喀斯特石漠化景觀的高度異質(zhì)性，但該數(shù)據(jù)的獲得是一件很難的事情。航空遙感獲取高光譜數(shù)據(jù)時(shí)，成本較高但信噪較低；航天高光譜數(shù)據(jù)的寬度較窄，因此實(shí)用性不高。

2.2.3 微波遙感

微波遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢比較明顯，受氣候和光照的影響較少，穿透性比較強(qiáng)，能夠彌補(bǔ)多光譜和高光譜數(shù)據(jù)的不足，為調(diào)查與監(jiān)測喀斯特石漠化提供了重要數(shù)據(jù)源。合成孔徑雷達(dá)也是遙感技術(shù)的一種，它可以達(dá)到高分辨微波成像的效果，因此廣泛應(yīng)用于植被制圖、森林生物量估算、濕地監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測、礦山研究、地面形變監(jiān)測等。研究表明微波遙感比光學(xué)遙感的持續(xù)監(jiān)測能力更強(qiáng)[25]，如Radarsat-2 圖像數(shù)據(jù)可用于遙感調(diào)查和監(jiān)控[26]。雖然微波遙感為調(diào)查、監(jiān)測喀斯特石漠化地物識(shí)別奠定了良好的數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)，但現(xiàn)階段使用微波遙感數(shù)據(jù)對石漠化遙感信息提取、監(jiān)測等仍存在很多問題。

2.2.4 無人機(jī)遙感

在利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行石漠化定量評價(jià)時(shí)，由于圖像數(shù)據(jù)受到外部環(huán)境諸如天氣、云的覆蓋、地形等的影響，信息提取及評價(jià)精度還很低，難以給出準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。隨著無人機(jī)（unmanned aerial vehicle,UAV）技術(shù)的不斷發(fā)展，利用UAV 獲取多光譜影像技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[33]認(rèn)為，采取UAV 獲取的低空遙感影像能有效解決成像斑塊破碎化問題，且精度較高，若將分析技術(shù)、閾值分類等方法進(jìn)一步應(yīng)用在UAV 遙感圖像識(shí)別中，可以獲得更好的石漠化評價(jià)結(jié)果。

UAV 遙感技術(shù)與反演模型的發(fā)展為研究石漠化評價(jià)提供了一種新的途徑。TM 遙感圖像與UAV 航空數(shù)據(jù)融合，使用支持向量機(jī)模型分析兩者的關(guān)系，通過反演裸巖率，可以得到更準(zhǔn)確的石漠化評價(jià)結(jié)果。高分辨率的UAV 圖像和衛(wèi)星圖像，可以更加準(zhǔn)確地評價(jià)石漠化的嚴(yán)重程度。因此，UAV 圖像在景觀碎片化嚴(yán)重的石漠化區(qū)域被廣泛使用。

隨著UAV 航空攝影技術(shù)的普及，通過使用無人機(jī)可以獲得更高精度的圖像信息，將衛(wèi)星遙感和UAV 航空圖像融合起來，對于監(jiān)測石漠化和控制治理石漠化具有非常重要的意義。

3 結(jié) 論

本文從信息提取方法、數(shù)據(jù)來源等方面，對喀斯特石漠化遙感信息提取方法進(jìn)行了梳理與總結(jié)，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行展望，結(jié)論如下：

1）在提取石漠化遙感信息過程中，石漠化程度分級(jí)以及指標(biāo)的量化非常重要，但是當(dāng)前并未統(tǒng)一石漠化分級(jí)系統(tǒng)，導(dǎo)致不同的評價(jià)指標(biāo)有著不同的閾值。因此，應(yīng)當(dāng)對石漠化評價(jià)指標(biāo)體系開展進(jìn)一步研究，逐步形成既符合區(qū)域特征又具有可操作性的指標(biāo)體系。

2）從喀斯特地形條件看，石漠化的地形復(fù)雜，圖像陰影清晰，圖像的光譜混合現(xiàn)象嚴(yán)重，僅使用光譜信息提取的評價(jià)結(jié)果具有一定的不確定性。但是，目前石漠化的遙感信息提取主要基于圖像的光譜特征，幾乎沒有關(guān)于圖像的紋理特征和空間特征的綜合研究。結(jié)合地物形狀特征和紋理特征進(jìn)行提取分析，能很好地解決石漠化地區(qū)因地形復(fù)雜而產(chǎn)生的提取精度不足問題，而現(xiàn)有的信息提取方法單一，無法有效避免該問題，因此在這方面應(yīng)該深入探究。

3）傳統(tǒng)的光學(xué)遙感技術(shù)在石漠化的調(diào)查和監(jiān)測上的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，通過對調(diào)查地區(qū)的各種指標(biāo)進(jìn)行量化，可以對石漠化強(qiáng)度進(jìn)行評估。但石漠化的遙感信息提取和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測有很多數(shù)據(jù)盲區(qū)。多光譜數(shù)據(jù)和超光譜數(shù)據(jù)不能作為長期調(diào)查和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)源使用。因此，迫切需要微波遙感數(shù)據(jù)作為新的數(shù)據(jù)源。微波遙感沒有受到時(shí)間和天氣的影響，在一定程度上是喀斯特石漠化遙感調(diào)查與監(jiān)測的又一重要數(shù)據(jù)源，能適用于喀斯特石漠化地區(qū)地物識(shí)別調(diào)查、監(jiān)測等信息提取。

4）未來利用無人機(jī)多光譜和高光譜遙感影像對小范圍內(nèi)的石漠化遙感信息進(jìn)行提取，也是主要的發(fā)展趨勢之一。此外，未來研究應(yīng)結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)對石漠化遙感信息進(jìn)行提取，融合多源數(shù)據(jù)特征，進(jìn)一步提升信息提取的精度。