基于TM影像的重慶市縣域石漠化變化研究

全勝+楊華

西南地區(qū)石漠化分布廣布，重慶彭水縣作為全國石漠化治理重點縣，生態(tài)環(huán)境脆弱，石漠化地區(qū)廣布，影響制約著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展，人地關(guān)系矛盾突出，研究彭水縣石漠化的動態(tài)變化將為治理石漠化提供依據(jù)與理論基礎(chǔ)。本文借助GIS與RS技術(shù)，利用植被覆蓋度模型，土地利用，監(jiān)督分類與人機(jī)交互相結(jié)合的手段分析了2005與2013年TM數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)有的彭水縣植被恢復(fù)工程、生態(tài)移民工程、農(nóng)村移民工程等資料，分析了彭水縣2005至2013年彭水石漠化經(jīng)初步治理后的動態(tài)變化。結(jié)果表明2005年2013年，彭水縣潛在石漠化面積減少。輕度石漠化增加，中度石漠化面積得以控制減少轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度石漠化，彭水縣重度石漠化和極重度石漠化面積基本保持不變且呈現(xiàn)出輕微下降。 本文旨在為彭水縣石漠化治理提供依據(jù)和技術(shù)支持。

在我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快的時代背景下，生態(tài)問題成為比較突出的問題。如資源匱乏，人口密集、物種滅絕生態(tài)惡化等。重慶渝東南地區(qū)生態(tài)問題主要表現(xiàn)為土地石漠化。石漠化是由于在熱帶、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，受人為活動干擾，使地表植被遭受破壞，導(dǎo)致土壤嚴(yán)重流失，基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現(xiàn)象，也是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式。石漠化就是一種特殊的生態(tài)惡癥，造成土里利用率下降，嚴(yán)重危害自然生態(tài)環(huán)境，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

一、研究區(qū)選取

彭水全縣巖溶地區(qū)分布廣泛，生態(tài)環(huán)境脆弱，再加上人們不和合理的土地利用，石漠化成為制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。彭水縣是全國石漠化區(qū)域比較典型的區(qū)域，2011年被評為全國200個石漠化重點縣。

二、研究區(qū)地理概況

彭水縣地處中國西南重慶市渝東南苗族土家族自治縣，東經(jīng)108.19度，北緯29.29度，土地面積約為3950平方公里。位于武陵山脈和婁山山脈褶皺區(qū)域，彭水縣地勢西北高東南低，呈現(xiàn)凹字型地貌特征。全縣平均海拔245米，無霜期311天，全省平均氣候17.7度。巖溶地區(qū)分布廣泛。

三、數(shù)據(jù)來源與研究方法

（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

（二）研究方法

基于TM遙感影像，對研究區(qū)的石漠化信息提取并且分類，采用的指標(biāo)有植被覆蓋度，土地利用。由于研究需要，在解譯遙感信息前，要對有關(guān)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，盡量減小誤差。我們對研究區(qū)遙感影像采用envi4.8軟件進(jìn)行，輻射校正、幾何糾正配準(zhǔn)、裁剪等。

（三）石漠化分級指標(biāo)體系

由于石漠化研究區(qū)，尺度與研究目的不同，導(dǎo)致石漠化分級體系存在差異。這次研究區(qū)域為彭水縣縣域尺度內(nèi)，結(jié)合巖性，巖石裸露，植被覆蓋將石漠化程度劃分為，潛在石漠化，輕度石漠化，中度石漠化，重度石漠化，極重度石漠化。根據(jù)本研究區(qū)域情況綜合考慮，分別選取植被覆蓋度，土地利用為影響石漠化的因子。利用GIS與RS技術(shù)，人機(jī)交互相結(jié)合獲取數(shù)據(jù)，對研究區(qū)石漠化信息進(jìn)行解譯。

（四）數(shù)據(jù)處理信息提取獲取

植被覆蓋度是指綠色植被（包括葉、莖、葉）在地面垂直投影面積統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。它是表示一個地區(qū)植被狀況的重要指標(biāo)，可以表示這個地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化以及現(xiàn)狀，可用于荒漠化評價研究。本文用植被覆蓋度劃分出石漠化與非石漠化區(qū)域，再根據(jù)土地利用疊加，目視解譯加以輔助提取石漠化遙感信息，可以有效簡單準(zhǔn)確的提取出彭水縣研究區(qū)石漠化信息，目視解譯標(biāo)準(zhǔn)如下所示。

1.植被覆蓋度估算模型。我們采用象元線性分解模型，像元線性分解模型是一種簡單實用的遙感估算模型，它假設(shè)一個像元的地表由有植被覆蓋地表與無植被覆蓋地表組成，而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這兩個組分因子線性加權(quán)合成，各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比例。

本文中對一個像元計算的植被指數(shù)可以表達(dá)為這個像元由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的植被指數(shù)與由土壤成分所貢獻(xiàn)的植被指數(shù)這兩部分組成。綠色植被成分在這個像元中所占的權(quán)重可被近似地視為該像元的植被覆蓋度Fg，土壤覆蓋的權(quán)重則為1.0與植被覆蓋度的差值（1-Fg），則：

I=Fg*Ig+（1.0-Fg）*IO（1）

公式中I為植被指數(shù)；Io為裸土或無植被覆蓋區(qū)域像元的I值，即無植被像元的I值；Ig代表完全植被覆蓋區(qū)域像元的I值，即純植被像元的I值。變換后，可得以下計算植被覆蓋度的公式：

Fg=（I-Io）/（Ig-Io）（2）

歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）又稱標(biāo)準(zhǔn)化差值植被指數(shù)，是近年來較為常用的一種監(jiān)測植被的遙感指數(shù)，用于大區(qū)域的植被檢測。綠色植被反射光譜的突出特點是對紅光（RED）的高吸收率和對近紅外光（NIR）的高反射率，因此NDVI定義為：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED） （3）

公式中，NIR為近紅外波段反射率值；RED為可見光紅波段反射率值。

根據(jù)像元線性分解模型，圖像中每個像元的NDVI值可以看成是有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分貢獻(xiàn)的信息，由公式（3）變換可得利用NDVI計算植被覆蓋度的公式：

Fg=（NDVI-NDVIo）/（NDVIg-NDVIo） （4）

公式中NDVIo為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；NDVIg代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

參數(shù)取值

當(dāng)最大植被覆蓋度可以近似地取100%，最小植被覆蓋度min可以近似地取0，即NDVIg=NDVImax和NDVIo=NDVImin。但是實際上Fgmax與Fgmin不能取100%，0，因此需要實測數(shù)據(jù)。只需要實測數(shù)據(jù)中的植被覆蓋度的最大值與最小值，并在圖像中找到這兩個實測數(shù)據(jù)所對應(yīng)像元的NDVI值。計算公式變?yōu)椋?

Fg=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin） （5）

本次研究由于沒有當(dāng)?shù)氐膶崪y數(shù)值，通過envi選取訓(xùn)練區(qū)方法獲得研究區(qū)的NDVImax與NDVImin的值分別為0.903和0.038。為了增強(qiáng)亮度反差，對圖像光譜進(jìn)行線性擴(kuò)展255.

非石漠化區(qū)域主要包括純植被覆蓋區(qū)域、水體、裸巖石礫地及耕地。將所得的是植被被覆蓋度，與現(xiàn)有的土地利用圖進(jìn)行疊加分析，分離出石漠化區(qū)與非石漠化區(qū)。再根據(jù)彭水縣的植被覆蓋度，傳統(tǒng)經(jīng)驗，目視解譯，劃分出石漠化程度，最終得到彭水縣石漠化遙感數(shù)據(jù)及分布狀況，如圖。

四、數(shù)據(jù)結(jié)果

分別將2013和2005年的遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)相結(jié)合得到彭水縣石漠化面積（表1），結(jié)合相關(guān)的彭水石漠化治理工程措施資料.對數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，總結(jié)得到彭水縣石漠化的成因及其治理現(xiàn)狀變化趨勢。

五、結(jié)果分析

（一）石漠化成因分析

彭水縣石漠化成因大致分為兩方面：人為因素和自然因素。

1.人為因素。人為因素為主要因素，其中包括過度放牧、工業(yè)污染、工業(yè)建設(shè)等。首先過牧過伐超過草場和林地的合理承載量，削弱草場和林地對生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，而毀林開墾，更是直接性地破壞生態(tài)環(huán)境的平衡。如果遇到惡劣氣候，人為造成自然環(huán)境破壞，造成嚴(yán)重的水土流失，則進(jìn)一步加速土地石漠化的形成。

工礦建設(shè)需要占地天然草場植被，破壞了生態(tài)環(huán)境，間接影響土地石漠化。工礦建設(shè)廢渣的亂堆亂放，造成大量的礫石堆積和基巖裸露，直接影響土地石漠化的形成。

2.自然因素。自然因素突出表現(xiàn)為地質(zhì)災(zāi)害。其主要表現(xiàn)方式為泥石流、滑坡、地震等；當(dāng)然也包括長時間，集中降水，等災(zāi)害性天氣。

（二）彭水縣石漠化演變分析

由表可見彭水縣2005年到2013年石漠化程度及其分布面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，這得歸功于制植被恢復(fù)工程，農(nóng)田建設(shè)，封山育林，生態(tài)移民，農(nóng)村能源建設(shè)。石灰?guī)r地區(qū)生態(tài)環(huán)境一般遵循灌叢草坡→火燒或割草→耕地→撂荒→草坡的過程。彭水縣潛在石漠化地區(qū)主要集中林業(yè)用地和耕地。2005年到2010年期間植被恢復(fù)工程，包括封山育林育草，人工造林，人工種草，畜牧業(yè)設(shè)施，經(jīng)濟(jì)林果或中草藥面積達(dá)到了80萬畝，人為打破了這種固有的石灰?guī)r地區(qū)生態(tài)破壞過程，同時對于基巖裸露度較高的耕地效果也相當(dāng)明顯，大大的減少了潛在石漠化面積。2005年潛在石漠化面積28333.475公頃，2013年為19637.333公頃減少了30.69%。2005年到2013年彭水縣輕度石漠化面積減少，從23852.199公頃減少到18567.122公頃，中度石漠化面積從57933.623公頃減少到47844.623公頃，由此我們推斷，彭水縣采取以植被恢復(fù)為主，兼顧生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的治理理念，恢復(fù)措施效果顯著。使原來輕度石漠化區(qū)域和中度石漠化區(qū)域均出現(xiàn)下降趨勢，同時又有一部分中度石漠化區(qū)域下降為輕度石漠化區(qū)域。彭水縣2005年到2013年重度石漠化地區(qū)分別為12733.397公頃和11506.774公頃，極重度石漠化地區(qū)分別為333.335公頃，331.356公頃。重度石漠化地區(qū)與極重度石漠化地區(qū)相比其他石漠化地區(qū)，恢復(fù)起來相對困難。因此彭水縣采取生態(tài)移民等措施，根據(jù)相關(guān)資料彭水縣在五年內(nèi)搬遷戶數(shù)4374戶，搬遷人數(shù)17817，使重度與極重度石漠化面積基本上保持穩(wěn)定，還有略微下降的趨勢。

六、結(jié)語

（一）研究總結(jié)

本文借助GIS與RS技術(shù)，利用植被覆蓋度模型，土地利用，監(jiān)督分類與人機(jī)交互相結(jié)合的手段分析了2005年與2013年TM數(shù)據(jù)。結(jié)合現(xiàn)有的彭水縣植被恢復(fù)工程、生態(tài)移民工程、農(nóng)村移民工程等數(shù)據(jù)，分析了彭水縣2005至2013年彭水石漠化經(jīng)初步治理后的動態(tài)變化。

石漠化不管是理論研究還是實際治理都是一個長期復(fù)雜的過程，既需要對自然環(huán)境進(jìn)行有效的檢測，還需要石漠化治理理論的不斷創(chuàng)新。政府應(yīng)完善治理政策，加大防治力度，以恢復(fù)植被覆蓋為中心，落實植被覆蓋工程，建立監(jiān)測點動態(tài)監(jiān)測，因地制宜，具體問題具體分析。不斷推進(jìn)生態(tài)移民工程，植被恢復(fù)工程，加大科普宣傳力度，不斷完善石漠化綜合治理體系。

（二）研究不足

本次研究采用的遙感影像并不是高光譜數(shù)據(jù)，對于石漠化信息遙感解譯存在一定的誤差，結(jié)果并不精確。

解譯方式還是主要依賴目視解譯，目視解譯必定與實際情況有所差距，解譯精度不高，容易出現(xiàn)誤判，漏判。所以作者在以后的研究中會努力獲取高質(zhì)量，光譜信息更完整，更精確的數(shù)據(jù)，全面提高信息提取的準(zhǔn)確性。本研究僅僅選取了2005年和2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，數(shù)據(jù)有限，對研究區(qū)石漠化范圍的分析并不完全正確。需要在今后的研究中加以改正與補(bǔ)充。

土地石漠化造成自然環(huán)境破壞，人地關(guān)系不和諧，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。正所謂綠水青山就是金山銀山，自然環(huán)境改善，我們的經(jīng)濟(jì)才能搞上去，才能提高人們的生活水平，因此我們要在實踐中探索，在探索中發(fā)現(xiàn)，找出病根，對癥下藥。提出石漠化治理有效的辦法，從而保護(hù)環(huán)境，提高石漠化地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平，提升居民生活質(zhì)量。最后由衷的希望各位專家能對本次研究提出寶貴的建議，讓筆者充分汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，做出更高質(zhì)量的研究成果。

（作者單位：重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院）