石漠化信息提取與時(shí)空演變分析
——以貴州威寧縣為例

李 玲蔡忠亮陳忠超李 琴孫俊英

1武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430079

2貴州省第二測(cè)繪院，貴州 貴陽，550004

石漠化信息提取是石漠化研究的基礎(chǔ)［1］，對(duì)于含有大量混合像元的影像，基于像素提取信息的方法效果不佳［2］，而多端元光譜混合分析法（multiple endmember spectral mixture analysis，MESMA）基于亞像素提取信息的方法，依地表實(shí)際情況解混，精度更高［3］。運(yùn)用時(shí)空動(dòng)態(tài)模型定量分析多時(shí)序石漠化信息，可獲得其時(shí)空演變規(guī)律，從而有效監(jiān)測(cè)治理成果。

貴州省是典型喀斯特地貌區(qū)域，也是中國石漠化面積最大、程度最嚴(yán)重的省份。威寧縣是該省石漠化較嚴(yán)重的縣之一，也是國家石漠化綜合治理試點(diǎn)縣、扶貧開發(fā)重點(diǎn)縣。本文以威寧縣為研究區(qū)，運(yùn)用MESMA提取其2000年、2010年、2015年 石漠化信息，基于時(shí)空動(dòng)態(tài)模型分析演變格局。研究結(jié)果有助于評(píng)價(jià)該縣石漠化治理成效，為土地可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加快脫貧攻堅(jiān)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

威寧縣（見圖1）地處貴州省西北部、畢節(jié)市西部，位置為103°36′～104°45′E、26°36′～27°26′N。全縣總面積為6 299 km2，是貴州省面積最大的縣。受斷裂構(gòu)造影響，該縣溝壑縱橫，地勢(shì)自東南向西北抬升，中部開闊平緩，平均海拔為2 200 m。威寧縣屬亞熱帶高原季風(fēng)性濕潤氣候，年溫差小，年平均氣溫為10.4 °C；雨熱同期，雨量、濕度大，年平均降雨量為962 mm。該縣以巖溶地貌為主，碳酸巖分布廣泛，是石漠化研究的典型區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Location of the Study Area

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本文的主要數(shù)據(jù)為威寧縣2000年、2010年、2015年Landasat衛(wèi)星影像（源于地理空間數(shù)據(jù)云http：//www.gscloud.cn）。考慮到該縣的氣候特點(diǎn)，本文選用時(shí)相多為冬季的影像，采取輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、配準(zhǔn)、裁剪等預(yù)處理。輔助分析數(shù)據(jù)含威寧縣30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 多端元光譜混合分析

考慮到影像的同物異譜與光譜可變性，MESMA認(rèn)為任意像素i的光譜反應(yīng)P′是N種端元光譜反應(yīng)P1、P2…PN的線性組合，可含多個(gè)端元類型與個(gè)數(shù)［3］，如式（1）所示。由于影像中地物陰影普遍存在，為消除部分系統(tǒng)誤差，提高解混精度，采用從影像中選取端元，建立“植被-基巖土壤-陰影”端元集［4，5］。選取前，運(yùn)用最大噪聲比變換法對(duì)影像降維，計(jì)算像元純度指數(shù)；再結(jié)合Google Earth選取端元，構(gòu)建端元集。

式中，P′iλ為像素i的λ波段的光譜反應(yīng)；N為 端元類型數(shù)；fki為第k種端元的 豐度；Pkλ為第k種端元的 光譜反應(yīng)；eiλ為實(shí)際與實(shí)驗(yàn)光譜反應(yīng)間的殘差。

為滿足物理現(xiàn)實(shí)意義，端元類型的豐度之和應(yīng)為1，各豐度應(yīng)在0～1之間。全約束最小二乘法滿足以上約束條件且運(yùn)算效率較高［6］，故用其求解各端元模型的豐度，并計(jì)算均方根誤差，選擇均方根誤差最小者為像元的最佳端元組合。MESMA因其科學(xué)性、效益高等特點(diǎn)，被國內(nèi)外廣大學(xué)者運(yùn)用于土地利用覆蓋分類等研究［7-9］。

2.2 石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文結(jié)合相關(guān)研究［10，11］，以基巖豐度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。陰影非真實(shí)地物，需對(duì)MESMA的結(jié)果進(jìn)行陰影歸一化處理。結(jié)合地物豐度與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，劃分石漠化程度。

表1 石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of Rocky Desertification

2.3 石漠化時(shí)空演變分析模型

為探究石漠化演變規(guī)律，需要建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算其演變方式、方向、速率與頻率［12］。

演變方式用于初步探索石漠化程度間的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)與分析治理效果?；谙嚓P(guān)研究成果［10，12］，本文將其分為漸變式、跳躍式、返變式。劃分時(shí)段為前、后期，對(duì)起、中、末點(diǎn)石漠化程度進(jìn)行空間運(yùn)算。設(shè)a、b、c為不同的石漠化程度，當(dāng)結(jié)果為a→b→b或a→a→b時(shí)，屬漸變式；為a→b→c時(shí)，屬跳躍式；為a→b→a時(shí)，屬返變式。演變方向是通過計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣，分析起、末點(diǎn)石漠化程度的轉(zhuǎn)移去向與來源構(gòu)成，反映石漠化程度間的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系，如式（2）所示。

式中，P為轉(zhuǎn)移矩陣；i、j分別為起、末點(diǎn)的石漠化程度；Pij為其面積變化量，單位為km2。

演變速率是計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)石漠化程度的轉(zhuǎn)變速度，反映其變化的快慢，計(jì)算式為：

式中，V為演變速率，單位為km2·a-1；ΔSi為在時(shí)間T內(nèi)某石漠化程度的面積變化值，單位為km2；T的單位為a。

演變頻率反映其變化的劇烈程度，計(jì)算式為：

式中，f為演變速率，單位為%·a-1；Si為初始的石漠化程度面積，單位為km2；其他符號(hào)意義與式（3）相同。

3 結(jié)果與分析

3.1 石漠化時(shí)空演變總體特征

3.1.1石漠化空間分布格局

由圖2可知，威寧縣石漠化分布較廣，等級(jí)齊全。西北部石漠化程度較為嚴(yán)重，強(qiáng)度、極強(qiáng)度面積占比高，呈面狀分布；東南部嚴(yán)重程度次之，中、高程度面積占比高，面狀、零散分布并存；西南部較輕，多為中、低程度石漠化，零星分布。在2000—2015年間，西北部石漠化呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)；前期其石漠化擴(kuò)張明顯，程度加深；后期其環(huán)境改善，石漠化程度減弱。而東南部分地區(qū)石漠化持續(xù)擴(kuò)張，西南部四周受周邊石漠化影響而輕度惡化。該縣石漠化治理程度在空間分布上參差不齊，雖石漠化擴(kuò)張趨勢(shì)在一定程度上得以控制，但部分地區(qū)存在逐步惡化的情況。

圖2 石漠化空間分布圖Fig.2 Spatial Distribution Map of Rocky Desertification

3.1 .2石漠化時(shí)間變化特征

2000—2015年間石漠化總面積先增后減，共增長了653.89 km2，如圖3所示。2011年前，該縣環(huán)境保護(hù)力度較小，群眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱。為獲得更高的經(jīng)濟(jì)收入，當(dāng)?shù)厝罕娒つ繅ɑ?，?dǎo)致石漠化總面積急劇增長。2011年國家全面啟動(dòng)石漠化綜合治理工程，該縣被列為重點(diǎn)示范縣，此后得到了強(qiáng)有力的資金保障，開展了生態(tài)移民等治理工作，故后期石漠化面積減少，但整體形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

圖3 2000-2015年石漠化總面積變化Fig.3 Variation of Rocky Desertification Total Area in 2000 to 2015

3.2 石漠化時(shí)空演變分析

3.2.1石漠化演變方式

對(duì)圖2進(jìn)行空間運(yùn)算，可知該縣70%的土地發(fā)生了石漠化程度變化，演變方式以漸變式為主，占比為33%；跳躍式為輔，占比為22%；返變式占比最小，為15%。漸變式為依照等級(jí)層層演變，可見該縣石漠化程度變化符合事物緩慢變化的一般演變規(guī)律。跳躍式演變表現(xiàn)為發(fā)生石漠化、石漠化程度跨級(jí)加??；可見該縣喀斯特生態(tài)環(huán)境脆弱，石漠化程度易受人類活動(dòng)等影響而發(fā)生躍遷。返變式演變表現(xiàn)為石漠化先惡化后改善、先改善后惡化，先惡化后改善現(xiàn)象占其主體，達(dá)78%。但局部存在治理成果不穩(wěn)定、改善后惡化的情況，建議設(shè)立長效保障機(jī)制，如造林地的管護(hù)等。

3.2.2石漠化演變方向

為了解石漠化程度轉(zhuǎn)換時(shí)的空間位置變化，分別對(duì)圖2（a）和圖2（b）、圖2（b）和圖2（c）進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，得到威寧縣2000-2010年、2010-2015年石漠化轉(zhuǎn)移矩陣，二者相加得到2000-2015年石漠化轉(zhuǎn)移矩陣。由表2可知：2000-2010年間，各石漠化程度主要往更高一級(jí)轉(zhuǎn)移，石漠化呈加劇趨勢(shì)；2010-2015年間，除無明顯石漠化外，各程度石漠化主要往更低一級(jí)轉(zhuǎn)移，石漠化治理頗有成效。無明顯、潛在石漠化雖為非石漠化類型，但極不穩(wěn)定，易與低程度石漠化發(fā)生大面積轉(zhuǎn)換。中、強(qiáng)度石漠化易向極強(qiáng)度石漠化轉(zhuǎn)變，極強(qiáng)度石漠化基本穩(wěn)定。威寧縣2000—2015年演變?yōu)榉鞘耐恋孛娣e為2 162.54 km2，演變?yōu)槭耐恋孛娣e為4 474.47 km2，二者間比值為48.33%?？梢娫摽h石漠化治理任務(wù)仍然非常艱巨。

表2 2000-2015年石漠化程度演變轉(zhuǎn)移矩陣/km2Tab.2 Conversion Matrix of Different Rocky Desertification Types in 2000 to 2015/km2

3.2.3石漠化動(dòng)態(tài)變化

石漠化動(dòng)態(tài)變化分析包含石漠化演變速率與頻率。運(yùn)用式（3）計(jì)算2000-2015年威寧縣石漠化演變速率，可知其從大到小排序?yàn)闈撛?、輕度、中度、無明顯、強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化，如圖4所示。潛在石漠化的演變速率最大，為118.58 km2·a-1；極強(qiáng)度石漠化的演變速率最小，為30.44 km2·a-1。潛在石漠化與無明顯石漠化均為非石漠化類型，相較于無明顯石漠化，潛在石漠化的活躍度更高，說明威寧縣生態(tài)環(huán)境的脆弱性，土地一旦受不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響，容易產(chǎn)生石漠化現(xiàn)象并惡化。已石漠化類型中，石漠化演變速率隨著石漠化程度加深而減緩。當(dāng)土地轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)度石漠化，其演變速率減緩，說明極強(qiáng)度石漠化一旦形成，恢復(fù)、治理難度較大。

圖4 2000-2015年石漠化演變速率Fig.4 Evolution Speed of Different Rocky Desertification Types（2000-2015）

運(yùn)用式（4）計(jì)算2000-2015年威寧縣石漠化演變頻率。如圖5所示，石漠化演變頻率與其程度呈正比：石漠化程度越高，其演變頻率越高，變化越劇烈。在2000-2015年間，非石漠化、低程度石漠化土地雖產(chǎn)生了大面積的程度變化，但由于其初期面積較大，而使其演變頻率相比中、強(qiáng)程度石漠化較??；而極強(qiáng)度石漠化土地在研究初期的面積較小，使其演變頻率最高。由各石漠化程度的演變頻率可知，2000-2015年威寧縣石漠化程度惡化程度較為劇烈。

圖5 2000-2015年石漠化演變頻率Fig.5 Evolution Frequency of Different Rocky Desertification Types（2000—2015）

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用MESMA提取威寧縣2000-2015年3期石漠化信息，得出以下結(jié)論：①該縣石漠化等級(jí)齊全，呈面狀連片分布，西北部、中部石漠化較為嚴(yán)重。②2000-2015年間，該縣石漠化先惡化后改善，石漠化總面積增長了653.89 km2，雖擴(kuò)張趨勢(shì)得以控制，但局部地區(qū)存在持續(xù)惡化與治理后反彈現(xiàn)象，整體防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻。③該縣不同石漠化程度間的轉(zhuǎn)變活躍，70%的土地發(fā)生了石漠化程度變化；演變方式以漸變式為主，主要向相鄰程度轉(zhuǎn)化；低程度石漠化間易發(fā)生大面積轉(zhuǎn)換，極強(qiáng)度石漠化較為穩(wěn)定。