基于GEE 的曲靖石漠化时空演变过程分析

陈 棋 张 超 田湘云 史小蓉 张玉薇 方攀飞

（西南林业大学林学院，云南 昆明 650233）

石漠化作为一种次生的自然灾害，指在热带、亚热带脆弱的岩溶地区，由于受到不合理的人类活动干扰，发生地表植被破坏、土壤侵蚀和基岩裸露等退化极端现象，是我国第三大生态问题[1]。云南省是我国石漠化分布的典型省份之一，石漠化面积居全国第二。坐落于滇东的曲靖地区，位于长江流域和珠江源流域重要的水源补给区和生态功能区，是全国主体功能区划、长江经济带以及滇中城市圈的重点经济建设区，具有重要的生态区位和经济区位。曲靖地区是典型的高原岩溶生态环境脆弱区之一，喀斯特地貌发育剧烈、发生类型完整，石漠化分布范围广。

进入21 世纪以来，改善石漠化地区的生态环境质量，成为解决石漠化地区人地矛盾，推进生态文明和经济建设的重要途径之一。然而，石漠化地区复杂的自然地理和人文环境，使生态修复工作具有长期性、艰巨性和复杂性。针对石漠化生态修复工作的特性，国内外学者对石漠化地区开展了地形地质[2-3]、信息提取[4-5]、演变过程[6-7]、驱动因素[8-9]和修复治理[10-11]等方面的研究。目前，准确获取大尺度石漠化时空分布特征信息仍是该领域研究中的关键和技术瓶颈[12]。由于研究目的、方法、数据源以及研究区自然状况的差异，在石漠化研究中主要呈现如下不足：空间尺度较小，多为小流域区域或县域尺度，对大范围的石漠化分布状况研究不够全面；时间分辨率偏低，所构建的时间序列较短，未能长时间连续性地描述石漠化的演变过程；遥感数据的不确定性，遥感数据多受物候变化、云雾、雨雪等自然因素和图像处理方法的影响，影响石漠化斑块信息提取的准确性和可比性。

大尺度、高时空分辨率的遥感数据集，由于其数据量庞大，难以收集和处理，且对于单机软、硬件配置要求高，因而序列构建困难。为了规避上述问题，部分研究通过构建样点区域某几个离散时间点遥感数据的方法开展研究[13]。近年来，云处理平台Google Earth Engine（GEE）改变了传统单机处理遥感数据的方法，其海量的遥感数据集、庞大的云储存空间、高性能的云计算能力及其交互式的开发环境，为大尺度高时空分辨率的遥感研究提供了新途径[14-15]。本研究借助GEE 平台，以Landsat 系列数据为主要数据源，结合地形特征，对曲靖地区2000—2020 年石漠化时空演变过程进行定量分析，以期为今后的石漠化斑块遥感识别、时空变化特征分析及综合治理研究提供参考。

1 研究区概况

曲靖市地处云南省东部，位于24°19′～27°03′N，102°03′～104°50′E，东西横跨178 km，南北纵距302 km，国土面积28 923 km2。境内地势自西北向东南倾斜，海拔695～4 017 m，地形复杂多样，以高原山地为主，兼有高原盆地、高山、河槽、湖盆等多种地貌。水系发达，隶属长江、珠江两大水系，是重要的生态安全保护区。全境位于亚热带高原季风气候区，年均气温15.1 ℃，年均降水量1 036 mm。区内植被以亚热带植被为主，森林类型主要为常绿阔叶林和针叶林。喀斯特地貌分布和发育广泛，生态系统脆弱，是云贵高原区石漠化发生的主要地区，亦为全国石漠化监测的重点地区。

2 材料与方法

2.1 数据收集与预处理

获取2000—2020 年覆盖研究区的Landsat 系列影像（包括TM、ETM + 、OLI 传感器，来源于USGS 和NASA 提供的经大气校正的Landsat存档数据集），共1 458 景。获取SRTM DEM（空间分辨率30 m），对其进行坡度提取和分级，依据《森林资源规划设计调查技术规程》（GB/T 26424—2010）[16]：坡度0°～5°为I 级平坡，6°～15°为II 级缓坡，16°～25°为III 级斜坡，26°～35°为IV 级陡坡，36°～45°为V 级急坡，≥46°为VI级险坡。

由于研究区地处低纬度地区，卫星遥感多受云雾影响，高质量影像数量较少。因此，借助GEE 平台对影像进行如下处理：1）根据时间序列筛选影像（选取各年度1 月1 日至12 月31 日的影像）；2）使用去云算法对影像进行去云处理（借助数据集中的质量评估（QA）频段，对影像进行云像元掩膜）；3）采用均值算法合成影像；4）拼接和裁剪获得年度最优影像[17-18]。

2.2 石漠化等级划分

依据相关技术标准[19]、各省（地区）岩溶地区石漠化监测实施细则以及各学者建立的石漠化等级划分标准[20-21]，对石漠化等级的划分标准见表1。

表1 石漠化等级划分标准Table 1 Rocky desertification grade classification standard

2.3 石漠化表征指标计算

岩石裸露率和植被覆盖度作为石漠化发生区域最显著的特征，在石漠化信息定量提取中至关重要。在GEE 平台中，通过计算归一化岩石指数（NDRI）和归一化植被指数（NDVI），采用像元二分法模型获取研究区岩石裸露率（RE）和植被覆盖度（FVC）[22]。各石漠化表征指标的计算方法见式（1）～（4）。

式中：BandSWIR为短波红外波段；BandNIR为近红外波段；BandRED为红光波段；NDRIMIN取NDRI累计贡献率为5%的值；NDRIMAX取NDRI 累计贡献率为95%值；NDVIMIN取NDVI 累计贡献率为5%的值；NDVIMAX取NDVI 累计贡献率为95%值。

2.4 石漠化斑块的遥感识别

1）植被覆盖度的提取。以2007 年森林资源连续清查样地数据（共156 个）为真值数据，对研究区2007 年提取的植被覆盖度进行精度检验，其提取的平均绝对误差为20%，平均相对误差为14%。

2）石漠化斑块的提取。基于石漠化表征遥感因子，依据石漠化等级划分标准，使用决策树图像分类方法对石漠化斑块进行提取；并采用目视解译的方法，对随机抽取的2020 年142 个样点进行石漠化遥感识别精度检验；进而以2020 年石漠化遥感识别数据为基准，采用混淆矩阵的方法，对2000—2019 年石漠化遥感识别结果分别进行精度检验。结果显示：2020 年石漠化遥感识别的精度为61%；2000—2019 年石漠化遥感识别的Kappa 系数均达0.61 以上，用户精度均可达70.00%。

2.5 石漠化时空演变过程模型

单一等级石漠化动态度（K）和综合等级石漠化动态度（P）已成为定量分析石漠化时空演变过程的重要指标[22-23]，其计算方法见式（5）～（6）。

式中：K为研究时段内某一石漠化类型动态度；Ua和Ub分别为研究期初及研究期末该类石漠化类型的数量；T为研究时段间隔年数；P为研究时段内综合等级石漠化类型动态度；Uai、Ubi为研究区域内第i类石漠化类型在研究起始年和终止年的统计面积，S为研究区总的国土面积，n为石漠化类型数。

3 结果与分析

3.1 曲靖地区石漠化空间分布格局

3.1.1 水平空间分布格局特征

曲靖地区石漠化状况在水平空间上呈现北重南轻、西重东轻的分布特征（图1）。2001 年曲靖地区石漠化发生面积最大，占国土面积28.03%；2020 年石漠化发生的面积最小，占国土面积15.88%。2000—2020 年北部的会泽县和宣威市石漠化发生面积占国土面积的8.18%～16.35%；南部的罗平县和师宗县石漠化发生面积占国土面积的1.28%～2.14%；中部的沾益区和麒麟区石漠化发生面积占国土面积的2.75%～4.68%；西部的马龙区和陆良县石漠化发生面积占国土面积的2.70%～3.72%；东部的富源县石漠化发生面积占国土面积的0.97%～2.03%。无石漠化和潜在石漠化主要分布于北部的会泽县和宣威市，以及南部的罗平县和师宗县。

图1 曲靖地区石漠化的水平空间分布格局Fig. 1 Horizontal distribution pattern of rocky desertification in Qujing

3.1.2 坡度空间分布格局特征

石漠化沿坡度空间分布方面具有一定规律性。各等级坡度空间中均以无石漠化和潜在石漠化为主，轻度石漠化和中度石漠化次之。2000—2020 年，曲靖地区无石漠化主要分布于6°～25°的缓坡、斜坡地区，分布面积占国土面积的17.25%～27.04%；潜在石漠化主要分布于0°～15°的平坡、缓坡地区，分布面积占国土面积的30.44%～31.12%。各等级坡度空间石漠化发生面积从大到小依次为6°～15°、16°～25°、26°～35°、0°～5°、36°～45°、≥46°；其中轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化的发生规律大致相似，按发生面积从大到小依次为6°～15°、16°～25°、26°～35°、0°～5°、36°～45°、≥46°；极重度石漠化按分布面 积从大到小依次为6°～15°、16°～25°、0°～5°、26°～35°、36°～45°、≥46°。

曲靖地区石漠化的坡度分布见图2。由图2可知，在不同坡度空间中无石漠化和中度石漠化演变最剧烈，极重度石漠化演变最平缓。坡度为15°以下的地区，地势平坦，地形起伏度小，人为活动频繁，各等级石漠化年均变化量随坡度增大而增加；坡度为15°以上的地区，人为干扰强度随坡度增加而减小，气候、土壤和植被等自然因素成为驱动石漠化发生的主导因子，各等级石漠化年均变化量随之减少。

图2 曲靖地区石漠化的坡度分布Fig. 2 Slope distribution of rocky desertification in Qujing

3.2 曲靖地区石漠化时序演变过程

21 年间，曲靖地区石漠化的发生面积总体呈下降趋势，石漠化状况得到明显改善，见图3。石漠化发生面积从2000 年的7 983.63 km2（占国土面积27.61%）到2020 年的4 593.21 km2（占国土面积15.88%），减少了3 390.42 km2（占国土面积11.73%），其中，轻度石漠化和中度石漠化的发生面积从2000 年的6 280.90 km2到2020 年的3 788.32 km2，减少了2 492.58 km2；重度石漠化和极重度石漠化发生面积从2000 年的1 702.73 km2到2020 年的804.89 km2，减少了897.84 km2。

图3 曲靖地区2000—2020 年各等级石漠化面积Fig. 3 Area of rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

从时间序列上看，根据各时期演变特征，可将石漠化演变过程划分为5 个阶段：

1）不稳定阶段（2000—2005 年）。石漠化发生面积呈“增加—减少—增加—减少—增加”的趋势，石漠化演变方向和演变幅度均不稳定。此阶段前期生态修复工程初显成效，但自然灾害的发生和生态修复工程的实施造成短期内石漠化恶化。

2）明显改善阶段（2005—2008 年）。石漠化发生面积呈减少的趋势，年均减少量为国土面积的1.07%。这一阶段属石漠治理探索期，一方面开展第二次石漠化监测工作，摸清石漠化信息；另一方面进行集体林权制度改革，提高当地居民生态保护的积极性和参与度。

3）严重恶化阶段（2008—2011 年）。石漠化发生面积呈增加的趋势，年均增加量为国土面积的0.72%。该阶段由于推广沼气、电力、太阳能等清洁能源，有效减少了人类生产、生活对植被的破坏，但连续旱灾造成石漠化的严重恶化。

4）持续改善阶段（2011—2016 年）。石漠化发生面积呈减少的趋势。此阶段前期生态修复工作成效显著，主要原因：一方面，生态文明建设被纳入“五位一体”国家总体布局，加大了生态系统保护力度；另一方面随着城镇化的发展和新农村的建设，水利设施、道路等基础设施的完善，提高了居民生产、生活条件，导致石漠化面积持续减少。

5）稳定改善阶段（2016—2020 年）。石漠化发生面积状况呈先增加后减少的趋势，其中，2016—2017 年石漠化发生面积增加了国土面积的0.16%；2017—2020 年曲靖石漠化面积持续减少，年均减少量为国土面积的0.15%。这一阶段，石漠化综合治理工程纳入“十三五”建设规划，植树造林、封山育林和坡地梯化等综合措施的实施，成为改善石漠化状况的重要因素。前期生态恢复的面积与工程实施驱动石漠化发生的面积基本持平，因而石漠化面积变化不明显。

3.3 曲靖地区石漠化动态度分析

3.3.1 单一等级石漠化动态度

采用单一等级石漠化动态度可更清晰地描述曲靖地区2000—2020 年各等级石漠化的演变趋势和变化幅度，见图4。近21 年来，潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化和极重度石漠化发生面积总体呈减少趋势，平均动态度分别为-0.09%、-1.66%、-3.12%、-4.01%和-1.02%。无石漠化面积总体呈增加趋势，平均动态度为2.01%。在此期间，潜在石漠化平均动态度数值最小，其余等级石漠化平均动态度数值均较大。上述结果表明，曲靖石漠化状况总体呈改善趋势。同时，除潜在石漠化面积变化幅度最小，其余等级石漠化变化幅度较大，其中以重度石漠化面积幅度最大，演变过程最为剧烈。

图4 曲靖地区2000—2020 年单一等级石漠化动态度变化曲线Fig. 4 The change curves of single grade rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

3.3.2 综合等级石漠化动态度

2000—2020 年，曲靖地区石漠化年均变化面积为453.14 km2，平均综合石漠化动态度为1.50%。综合等级石漠化动态度变化见图5，2001—2002年曲靖地区综合等级石漠化动态度最高为2.67%，变化面积为771.12 km2，2017—2018 年曲靖地区综合等级石漠化动态度最低为0.11%，变化面积为33.01 km2。综上表明，研究时段内曲靖地区石漠化面积变化幅度较大，其中2001—2002 年石漠化演变过程最为剧烈，2017—2018 年石漠化演变过程较为平缓。

图5 曲靖地区2000—2020 年综合等级石漠化动态度变化曲线Fig. 5 The change curves of comprehensive grade rocky desertification in Qujing from 2000 to 2020

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 GEE 平台影像处理的影响因素分析

季节变化致使基岩裸露程度和植被覆盖度发生变化，形成季节性石漠化。以GEE 平台中的Landsat 系列数据为数据源，根据时间序列，采用均值算法拟合图像，构建具有高时间分辨率的观测数据集，减少了季相变化对植被覆盖度和岩石裸露率的影响，从而降低了季节性石漠化对石漠化斑块信息提取的不确定性影响，增加了数据间的可比性。但是，研究时间跨度较长（2000—2020 年），单一传感器数据无法完全涵盖，综合采用了TMETM + OLI 三种传感器，进行观测数据集的构建，传感器间的基准参数的不同可能会造成数据间的差异，如OLI 传感器与TMETM +传感器相比，其信噪比、辐射分辨率及波段光谱均得到了优化[24]。此外，在构建过程中，年度获取影像的数量和时间分布的不同，可能会对影像均值合成的效果产生一定影响。

4.1.2 石漠化空间分布的影响因素分析

研究结果显示，曲靖地区石漠化水平分布格局呈北高南低、西重东轻；垂直分布规律为坡度15°以下的平坡和缓坡地区，坡度与石漠化发生面积呈正相关；坡度15°以上的斜坡、陡坡、急坡和险坡地区，坡度与石漠化发生面积呈负相关。然而，石漠化的分布与发展不仅和植被覆盖度、岩石裸露率直接相关，亦受坡度、岩性、人口和社会经济发展水平等驱动因子的影响[25]。曲靖地处云贵高原中部，属于滇东高原向黔西高原过渡带，整体地势由西北向东南倾斜，中部为长江、珠江两大水系分水岭地带。境内多为高原山地、间有高原盆地，高山、中山、低山、河槽和湖盆多种地貌并存；西北部海拔较高，以高原山地及高原盆地地貌为主，坡度距离长，地形起伏相对较小，加之北部二县（宣威市、会泽县）为人口大县，人为活动范围广，土地的承载力较大；东南部海拔较低，多为低山、河槽和湖盆地带，人口分布较少，土地承载力相对北部较低；导致北部石漠化发生面积大于南部的石漠化发生面积。

此外，人为活动空间主要分布于0°～15°。较为平坦的地区适宜人类进行一系列生产和生活活动，当人口压力大于该区域的环境承载力，人类就会扩大活动空间，随着坡度的增加超过25°时，人类活动空间达到上限，坡度越大越不利于人类生产活动，从而形成了这种垂直分布格局。这与石漠化在坡度空间上的发生和变化规律相似。25°以内的平坡、缓坡、斜坡区域，石漠化分布面积占石漠化总面积78.09%～80.85%，平均年度石漠化变化面积占石漠化总变化面积76.8%，具有变化剧烈、发生速度快、分布面积广的特点。25°以上的陡坡、急坡和险坡地区，石漠分布面积相对较少，仅占石漠化总面积19.15%～21.91%；演变缓慢，平均年度变化面积仅为石漠化总变化面积的23.2%；随着坡度的增加，各等级石漠化分布的面积均在减少，而该地区的重度石漠化和极重度石漠化相对于轻度石漠化和中度石漠化演变较为稳定。

由此，坡度为25°以下的坡度空间人为活动频繁，大部分石漠化是在不合理的人为干扰驱动发生的；生态修复时以开展人工造林，坡耕地梯化等人为修复为主。坡度为25°以上的地区，由于土地利用率低该区域受人类影响相对较小，自然因素是主要驱动力。生态修复时由于立地条件较差等原因，以封山育林为主的自然修复为主要措施。

4.1.3 石漠化动态变化的影响因素分析

石漠化的发生及变化是在复杂的自然干扰和人为干扰的驱动下形成的[26]。研究时段内，曲靖地区石漠化分布面积总体呈下降趋势，生态环境得以改善，这得益于20 世纪80 年代以来相关的地方林业发展政策的引导以及生态修复工程的实施。

然而，曲靖退耕还林工程全面实施时间，以及石漠化综合治理和“十三五规划”的实施开始时间，分别与2002—2003 年和2016—2017 年石漠化恶化的时间一致，表现为中度、重度和极重度石漠化发生面积的增加。此外，曲靖市是云南干旱的重灾区，而云南省在2001 年、2005 年、2006 年、2008 年、2009 年、2010 年、2011 年、2012 年、2013 年、2015 年、2019 年和2020 年均发生了不同程度的旱灾。这与研究区石漠化发生恶化的时间相吻合，其中2000—2001 年表现为重度和极重度石漠化面积的增加；2004—2005 年和2008—2009 年演变特征为轻度、中度、重度和极重度石漠化发生面积增加；2009—2010 年演变特征表现潜在、轻度、中度和重度石漠化面积增加；2010—2011 年石漠化演变特征表现为潜在、轻度、重度和极重度石漠化发生面积的增加；2012—2013 年主要表现为重度石漠化发生面积的增加；2014—2015 年主要表现为极重度石漠化发生面积的增加；2018—2019 年表现为中度和极重度石漠化面积的增加；2019—2020 年表现为重度和极重度石漠化面积的增加。

由此初步可得，合理的人为干扰对石漠化地区的生态修复具有积极的驱动作用；而不合理的人为干扰和自然灾害对石漠化的恶化具有驱动作用。

4.2 结论

本研究基于GEE 平台，使用2000—2020 年的Landsat 遥感数据提取了曲靖地区石漠化斑块信息，并从空间分布特征、时序演变过程、动态度变化三个方面开展研究。结果表明：

1）GEE 平台能提供一个开源的云计算平台，降低了数据量和运算量对长时空序列遥感研究的限制；能通过去云和均值等算法提高影像数据质量，减少季相变化对石漠化信息提取的差异，提高数据的可比性。

2）曲靖地区石漠化空间分布呈北高南低，西重东轻的水平分布格局；以及坡度为15°以下，坡度越大石漠化发生面积和演变幅度越大；15°以上坡度越大石漠化发生面积和演变幅度越小的坡度空间分布规律。其中，坡度为6°～15°的斜坡地区和16°～25°的陡坡地区石漠化发生的面积最大、演变最为剧烈。

3）2000—2020 年曲靖地区石漠化发生面积整体呈减少趋势，生态环境逐步得到了改善。21 年间石漠化面积共减少3 390.42 km2（占国土面积的11.73%），平均年减少量为161.45 km2（占国土面积的0.56%）；石漠演变经过了不稳定、明显改善、严重恶化、持续改善和稳定改善5 个阶段。