基于遥感技术的石漠化调查研究

秦张丹，周丽芸

摘 要 本文基于遥感技术，以最新时相的Landsat8卫星影像为数据源，通过综合运用监督分类和植被覆盖度的方法，以“室内与实地相结合、人机交互解译与计算机自动提取双结合”手段，对五万界岭幅进行岩性和石漠化解译，分析其形成的人为和自然因素，为制定喀斯特石漠化综合防治规划提供依据。

关键词 遥感;石漠化;界岭幅

中图分类号：P237 文献标识码：A

Research on Rocky Desertification Based on Remote Sensing Technology

Qin Zhangdan， Zhou Liyun

（Hunan Institute of Geological Survey， Changsha Hunan 410116）

Abstract： Based on remote sensing technology， the latest Landsat8 satellite imagery was taken as the data source. The methods of supervised classification and vegetation coverage was applied，  the lithology interpret and rocky desertification of the 1/50，000 Jieling area was conducted. The man-made and natural factors of its formation was analyzed， which provide a basis for the formulation of comprehensive prevention and control of karst rocky desertification.

Keywords： remote sensing; rocky desertification; Jieling area

石漠化是在亞热带喀斯特地域环境背景下，由于土地利用与土地覆盖变化，引起土壤严重侵蚀、基岩大面积裸露、土地生产力急剧下降、地表出现类似荒漠景观的土地退化过程[1]。

据研究，目前通常采用的石漠化遥感解译方法是：在确定评价或指标体系并建立分级指征后，以波段组合增强显示为技术手段获取石漠化的影像特征，从而建立遥感解译标志;采用各种解译算法，以目视解译为主，辅以人机交互解译确定石漠化程度和区域[2]。本文以Landsat8影像为主，天地图·湖南、google earth上的高分多时相遥感数据为辅，采用监督分类和植被覆盖度方法，解译研究区的石漠化分布情况，从而指导验证石漠化地质环境灾害的控制情况。

1 工作区概况

本研究区为1∶50 000分幅中的界岭幅（图幅号为G49E004016），年平均气温约17℃（最低为1984年的16.2℃，最高为1998年的17.7℃）;年平均总日照时数超过1 400 h;降水的年际变化较大，季节分配不均，多集中在4—6月，属较典型的亚热带大陆性季风湿润气候。

2 技术路线

2.1数据源

本文选用2014年1月30日的Landsat8多光谱影像对研究区进行石漠化解译，该影像包括8个多光谱波段，空间分辨率为30 m，常用于地质解译和地表覆盖分类。

2.2等级划分

石漠化的等级划分暂无统一的标准，为便于研究，选取基岩裸露率为主要划分依据，将研究区划分为无石漠化（基岩裸露率≤30%）、轻度石漠化（基岩裸露率>30%）、中度石漠化（基岩裸露率>50%）和重度石漠化（基岩裸露率>70%）四个等级，分级标准。

3 岩性解译

准确的碳酸盐岩分布图是石漠化调查的基础，是岩溶石山区生态环境评价指标体系的重要因子[3]。因此，在石漠化解译之前先对工作区的岩性进行划分。

3.1 岩性解译

Landsat卫星数据用于地质调查在我国已有几十年的历史，借助于该影像能够很好地区分碳酸盐岩、变质岩、花岗岩和碎屑岩。

碳酸盐岩因溶蚀作用强，其所含有机质少于碎屑岩，该区域植被稀疏而土壤贫瘠，且山体圆浑。碎屑岩有机质含量丰富，岩石很容易被风化从而形成土壤，土壤肥沃，有利于植被生长，地表常被大量植被所覆盖。岩浆岩在图像上具有比较规则的平面几何形态，且多数岩浆岩缺少层理特征。

3.2 岩性分布

对解译结果进行面积统计，可知各类岩性在研究区中均有一定分布。其中，花岗岩所占比例为0.55%，变质岩为8.14%，碎屑岩为15.40%，碳酸盐岩所占比例为73.66%，在研究区中所占比例最大，如图1所示。

碳酸盐岩根据其不同岩石类型可分为纯碳酸盐岩、碳酸盐岩夹碎屑岩、碳酸盐岩与碎屑岩互层和碎屑岩夹碳酸盐岩[4]。研究区内的碳酸盐岩以灰岩为主，以形成溶丘谷地和缓丘台地岩溶地貌为主。

4 石漠化遥感解译

4.1解译方法

（1）监督分类

结合野外调查以及Google earth和天地图·湖南上的高分辨率遥感影像，从色调上看，石漠化地区呈现紫红色调，强度越大，颜色越深。（见表1）重度石漠化影像特征为深紫红色，绿色极淡;中度石漠化为浅紫色调，夹杂饱和度较低的绿色调;轻度石漠化的紫红色调较淡，部分表现为灰白色调，在遥感图像上呈现出饱和度中等的绿色;无石漠化则呈饱和度较高的绿色;潜在石漠化介于轻度和无石漠化之间，色调表现为灰白色。由于TM743假彩色合成图像在色调上能较好地区分石漠化地物，故可以采用监督分类的方法进行石漠化遥感解译[5]。

（2）植被覆盖度

植被覆盖度作为地表植被覆盖状况的一个重要指标，意指是一定区域内植被在地表的垂直投影面积占总面积的比率。植被覆盖度能生动地描述生态系统的现状及区域生态系统环境变化，多用于荒漠化的调查评价[6]。根据实地调查和高分辨率遥感影像与TM影像对比分析发现，地表植被的覆盖状况能够较好地反映岩溶石漠化的分布情况，植被覆盖度的高低与石漠化的程度呈明显的负相关关系[7]。据此，可将植被覆盖率作研究石漠化的重要手段。

4.2 解译流程

在进行信息提取之前，需先对原始影像进行处理。首先，对多光谱影像进行几何配准，使其处于要求的坐标系统内;其次，按照工作区范围对影像进行裁剪;最后，对影像进行743组合，增大石漠化地区与背景地物之间的对比度。石漠化信息的提取选用以下两种方法。

（1）监督分类

解译之前需选取样本，样本数据决定分类精度。根据岩溶石山地区石漠化调查资料情况、google earth和天地图·湖南上的高分影像以及石漠化地区在TM影像的色调、纹理差异选取了无石漠化地区、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化的訓练样本，如表1所示。

（2）植被覆盖度

根据增强型植被指数法建立研究区石漠化信息提取模型：

式中，Di为第i个像元的石漠化指数;

Mr、Mg分别为红波段和绿波段的平均像元亮度值;

DNr、DNg分别为红波段和绿波段的像元亮度值。

地表基岩的裸露率选用基岩裸露率遥感模型来表征石漠化指数，用以表征和评价岩溶石山地区石漠化等级划分的关键指标。

基岩裸露率遥感模型选用“混合像元”条件下的等密度模型，用大气校正后石漠化指数值的一个函数来表示基岩裸露率，表达式为：

式中，Dgi为第i个像元的岩石裸露率;

Di为第i个像元的石漠化指数;

D2max、D2min分别为研究区石漠化指数的最大值和最小值[8]。

5 结果及分析

5.1 石漠化提取结果

本文采用监督分类法和植被覆盖度法将工作区地物进行石漠化等级划分。由于石漠化只在岩溶山地区发生，在生成的结果中用碳酸盐岩范围将其掩膜，并将其他地区标记为非岩溶地区。不同等级石漠化的可区分情况如表2所示，该表由ENVI软件中的可分性功能模块自动生成。在监督分类的方法中，由于重度石漠化和中度石漠化、中度石漠化和轻度石漠化的色调基本相似，且多为混合像元，虽肉眼能够将其区分，然而计算机自动识别技术依据的是每个训练样本的色调和纹理，像元的混合性以及样本色调的相似性使得石漠化不同等级的可区分性较低，造成了计算机无法将其完全区分开。

为了吸收上述两种方法的优势并避免其不足，本文将两种方法所得成果进行综合取舍，并参考Google earth及天地图·湖南上的高分辨率遥感影像进行人工编辑，得到最终成果图2（d）。分析该图可知：

（1）重度石漠化地区主要位于廉桥镇北部及斫曹乡大部，岩性以棋梓桥组（D2q）灰岩为主，该区有走向NE-SW向大坪里-水冢山压性断裂及冷水塘-撊子山压性断裂等通过。断裂带内岩溶洼地及落水洞很发育，而地表水资源较为贫瘠;每年进入11月份后，大部分地区水塘及泉水近于干涸，亦属干旱缺水地区。

（2）整个工作区范围中，除非碳酸盐岩区外，还有不纯碳酸盐岩区，如泥灰岩、炭质灰岩、泥质灰岩区多为无石漠化地区。在石漠化地区中度石漠化地区面积最大，轻度石漠化地区的面积次之，重度石漠化地区所占范围最小。

（3）石漠化在岩溶峰丛洼地的分布。除洼地底部外，洼地谷坡及溶丘多为石漠化地区。植被以灌木为主，中度石漠化地区基岩分布于峰丛坡度较缓的坡面，以灌丛、草坡为主。重度石漠化地区基岩连片分布，灌丛分布在峰丛上部及顶部。

5.2石漠化形成分析

喀斯特环境独特的二元结构（即地表喀斯特景观和地下喀斯特景观组成的双重结构体）和地貌特征与强烈的岩溶化过程是石漠化产生的主要原因，人类对生态的破坏和土地的不合理利用是石漠化激发的主要人为因素[9]。

（1）自然因素

据研究可知，石漠化的范围与地貌、地质环境密切相关。喀斯特生态系统是受喀斯特地质背景制约的生态系统，具有较强的脆弱性和敏感性，系统抗干扰能力弱、稳定性差[10]。在由于岩石的富钙性，在石漠化过程中可溶物质被大量迁移，导致该区成土时间长，土层薄[11]。脆弱的地质环境背景使得界岭幅易于发生石漠化。

（2）人类活动

石漠化尤其是土地石漠化既有人为因素也有自然因素。在地质-历史时期，岩溶区土壤、基岩自然侵蚀、溶蚀，其自身环境就孕育和存在着自然石漠化过程[12]。经济的迅猛发展、人口的快速增长，导致土地的不合理耕作，矿产资源的不合理开采，植被的毁灭性破坏等，叠加了人为石漠化过程，从而加剧了石漠化的发展进程。岩溶地区的耕地主要分布于洼地、谷地和平原，规模和数量都很有限。为提高粮食的产量，在粮食单产很低、土地贫瘠的情况下，就会不断扩大耕地面积，从而造成土壤严重侵蚀，基岩大面积出露、生产力严重下降的土地退化现象。因此，人类的工业活动也给石漠化的加剧带来了重大影响。

6 结论

本文以Landsat8遥感数据为数据源，借助于“室内与实地双结合、人机交互解译与计算机自动提取相双合”的手段对石漠化和地物光谱特征进行分析，建立了石漠化解译标志;综合采用监督分类法、植被覆盖度法进行工作区的石漠化解译，将工作区石漠化程度划分为无石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和重度石漠化，为石漠化的野外调查和治理提供依据。在研究中发现，样本的选取对石漠化解译精度有重要影响，因此在解译之前需选取典型且数量足够的样本。

参考文献/References

[1]王世杰.喀斯特石漠化概念演绎及其科学内涵的探讨[J].中国岩溶， 2002， 21（2）： 101-105.

[2]童立强，刘春玲，聂洪峰.中国南方岩溶石山地区石漠化遥感调查与演变研究[M].北京：科学出版社，2013：31-34.

[3]李丽，童立强，李小慧.基于植被覆盖度的石漠化遥感信息提取方法研究[J].国土资源遥感，2010，22（2）：59-62.

[4]况顺达，戴传固，王尚彦，等.岩溶石漠化遥感信息增强技术探讨[J].贵州地质，2009，26（1）：44-48.

[5]岳跃民，王克林，张兵，等.喀斯特石漠化信息遥感提取的不确定性[J].地球科学进展，2011，26（3）：266-274.

[6]雷丽，蔡雄飞，程星，等.影响贵州省喀斯特山区石漠化的自然因素分析[J].安徽农业科学，2009，37（9）：4244-4248.

[7]李森，董玉祥，王金华.土地石漠化概念与分级问题再探讨[J].中国岩溶，2007，26（4）：279-284.