昆明市石漠化敏感性评价

吴风志，王金亮，张俊黎，陈慧蓉，高 雁

(云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

石漠化是湿润喀斯特地区特有的、在脆弱的喀斯特地质基础上形成的一种荒漠化生态现象，是由于不合理的人为活动参与喀斯特自然过程，造成植被退化、水土资源流失，导致岩石大面积裸露，呈现类似荒漠景观的土地退化现象，是水土流失的顶级表现［1］。

石漠化敏感性是指在自然状况下发生石漠化可能性的大小。石漠化敏感性评价是为了识别容易形成石漠化的区域，评价石漠化对人类活动的敏感程度，并根据区域石漠化的形成机制，分析其区域规律，明确可能发生的石漠化类型、范围和可能程度，从而为政府制定水土保持政策和宏观决策提供科学依据，为实现区域经济和社会的可持续发展服务。

昆明市地处滇中，是云南省喀斯特地貌发育的典型地区之一，针对昆明市进行石漠化敏感性评价，可以为昆明市生态环境建设与保护、宏观规划和管理等提供依据。

1 研究区概况

昆明市地处云南省中部，介于东经102°10'～103°41'，北纬 24°26'～ 26°33'，南北长 2375km，东西宽152km，总面积21014.64km2。北临金沙江，与四川省隔江相望，南部与玉溪市、红河哈尼族自治州相连，西部与曲靖市接壤，是云南省政治、经济、文化、科技和交通的中心。

由于地处云南高原中部，高原是昆明市辖区的基本地貌形态，三面环山，南濒滇池——云贵高原第一大湖。总体地形北部高，由北向南呈阶梯状逐渐降低，中部隆起，东西两侧较低，以湖盆喀斯特高原地貌形态为主，红色山原地貌次之。最高海拔4247.70m，最低海拔746m，大部分地区海拔在1500～2800m。昆明属于低纬度高原山地季风气候，受印度洋西南暖湿气流的影响，日照长、霜期短，年平均气温15℃左右。气候温和，夏无酷暑，冬无严寒，四季如春，气候宜人，年降水量1100mm，具有典型的温带气候的特点。

截止到2010年，全市人口总数643.20万人，2010年全年实现地区生产总值 (GDP)2120.37亿元，比上年增长14.0%。其中，第一产业实现增加值120.30亿元，增长4.8%;第二产业实现增加值960.86亿元，增长16.7%;第三产业实现增加值1039.21亿元，增长12.6%。三次产业结构为 5.7∶45.3∶49.0。人均生产总值达到33550元。

2 研究方法

2.1 评价指标和分级

石漠化敏感性主要根据地形、地貌、植被盖度和降水量等因素来确定，在参照国家环保总局对石漠化敏感性评价的编制规范和相关研究［2～4］的基础之上，结合昆明市实际情况，选取植被覆盖率、裸岩率、坡度和降雨量4个因子作为昆明市石漠化敏感性评级指标，各因子石漠化敏感性等级划分如表1所示.

表1 评价指标体系

按照表1的分级标准，在地理信息技术的支持下，按以下公式计算石漠化敏感性综合评价等级:

式中，SSj为j空间单元石漠化敏感性指数;Ci为i因子敏感性等级值。

2.2 技术路线

研究以TM影像为数据源，通过波段运算，获取归一化植被指数 (NDVI)和裸土指数 (BI)，在此基础上借助像元二分模型，计算植被覆盖率(Fv)和裸土率 (Fs)，通过植被覆盖率 (Fv)、裸土率 (Fs)和裸岩率 (Fr)三者间的线性关系计算裸岩率 (Fr)。坡度图利用DEM数据提取，年降雨量图通过查阅相关文献资料后对行政区赋值并转换为栅格图获取，最后利用地理信息技术，将植被覆盖率图、裸岩率图、坡度图和年降雨量图进行叠加，得到昆明市石漠化敏感性评价图。具体技术路线如图1所示。

2.2.1 植被覆盖率计算

传统测量植被覆盖率的方法是地面测量，主要方法有目测法、采样法及仪器法等。由于受到时间、天气及其区域条件等的限制，传统地面测量方法较适合于获取点上的植被覆盖率数据［5］。对于大范围植被覆盖率数据的测算，使用较多的是利用遥感方法测量，目前较常见的植被覆盖率遥感测量方法有经验模型法、植被指数法、像元分解模型法、FCD模型法、决策树分类法及其神经网络法等［6］。本研究中植被覆盖率的测算采用基于NDVI(归一化植被指数)的像元二分模型［7］，计算公式如下:

式中，NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域NDVI值，NDVIveg则代表完全植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。

2.2.2 裸土率计算

裸土率的计算主要利用裸土指数BI［8］，BI指数的计算使用FCD模型中裸土指数的计算方法计算，裸土率Fs的计算参考利用NDVI估算植被覆盖率的方法来实现，其估算公式如下:

式中，BIveg为完全被植被覆盖的BI值，BIsoil为完全是裸土的BI值。

2.2.3 裸岩率计算

在喀斯特地区，除某些特殊区域外 (如居民点、水域、道路等)，其它区域的土地覆被构成均可分成3大类:植被、土壤和岩石。因此，基于多光谱遥感影像的裸岩率计算方法认为，在单位面积的区域内，若植被覆盖率达到Fv，裸土率占到Fs，那么裸岩率Fr则占到了 (1－Fv－Fs)［9］，即裸岩率公式为:

2.2.4 坡度计算

数字高程模型 (Digital Elevation Model，简称DEM)是区域地面高程的数学表示，是地理信息系统中赖以进行地形分析的核心数据系统［10］。当前用于地学研究所使用的各种地形因子数据，如坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率以及汇水面积等几乎都以数字高程模型作为源数据。本研究所使用坡度数据派生于25m分辨率数字高程模型数据。

3 昆明市石漠化敏感性评价

3.1 数据来源

研究所使用源数据主要有:四景30m分辨率Landsat TM遥感影像 (其中两景为2007年3月底拍摄，其余为2008年4月初拍摄)，数据来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心;昆明市1∶50万基础地理数据，昆明市1∶25万土地利用数据(2009年)，数据来源于云南省国土资源厅;昆明市25m分辨率DEM数据，数据来源于ASTER GDEM数据下载平台;昆明市2008年各县 (区)年降雨量数据，数据来源于2009年云南省统计年鉴。

3.2 数据处理

研究所使用的TM影像数据已经过几何校正。为计算NDVI，需要进行大气校正和辐射校正，来源于ASTER GDEM数据下载平台的数字高程模型数据，需要经过空间插值和替换对无值区、零值区和噪声区进行处理。对经过处理的遥感影像和数字高程模型数据进行裁剪，获取研究区遥感影像数据和数字高程模型数据。

3.3 植被覆盖率和裸岩率计算

分别选取昆明市遥感影像蓝光波段、近红外波段计算NDVI，绿光波段、红光波段和近红外波段计算BI，计算公式为:

式中，TM2、TM3、TM4分别对应于绿光波段、红光波段和近红外波段。

按照技术路线，使用基于NDVI的混合像元二分模型方法计算昆明市植被覆盖率。按照计算公式，计算植被覆盖率，确定完全非植被覆盖的像元NDVI值和完全植被所覆盖的像元的NDVI值是关键，即NDVIsoil和NDVIveg。参照孙久虎等［7］利用像元二分模型估算北运河地区的植被覆盖度，以图像中的最小NDVI值作为NDVIsoil，而最大NDVI值作为NDVIveg。

由于图像中不可避免地存在噪声影响，一般而言，NDVI的极值并不是NDVI的真实最大值与最小值，因此，本研究对其取值时，并不是直接取区域中NDVI的极值作为最大值与最小值，而是选取给定置信度区间内频率为5%的NDVI值和频率为95%的NDVI值作为NDVI的最大值与最小值。

裸土率参照植被覆盖率的计算方法计算，利用植被覆盖率、裸土率和裸岩率三者间的线性关系，通过波段运算，计算出裸岩率。

3.4 坡度图和降雨量图获取

坡度图由裁切的昆明市数字地面高程模型提取获得。降雨量图，通过查阅资料，将降雨量值赋值于各行政区域 (以县为单位)，之后以降雨量值为属性值，将行政区划图转换为栅格图并进行重采样获得降雨量图。

3.5 昆明市石漠化敏感性评价

对植被覆盖率图、裸岩率图、坡度图和降雨量图进行分级重分类，转换为统一分辨率 (30m)的栅格图，进行累积求四次方根，所得结果即为昆明市石漠化敏感性评价图，对评价图按表1分级标准进行分级重分类，对各敏感等级像元个数进行统计，并计算面积。昆明市石漠化敏感性各敏感等级所占面积及比例如表2所示。

表2 昆明市石漠化敏感性各敏感等级所占面积及比例统计表

分级、统计结果显示，昆明市石漠化敏感性分为不敏感、轻度敏感、中度敏感和高度敏感四个等级。轻度敏感是指区域自身植被覆盖率高，地形平坦，土质条件较好，在自然和人为干扰情况下不易发生石漠化、水土流失等生态环境问题，轻度敏感所占面积为7581.50km2，面积比例为36.04%，在整个区域范围内均有分布;轻度敏感是指区域自然条件好，抗干扰能力较强，但已出现不明显的石漠化等生态问题，轻度敏感区域在全区均匀分布，所占面积5564.97km2，面积比例26.45%;中度敏感是指区域范围内已有较为明显的石漠化现象，生态抗干扰能力较弱，中度敏感区域主要分布于金沙江流域、昆明市中部偏西的富民县以及东南部的宜良县、石林县等区域，所占面积2810.42km2，面积比例13.36%;高度敏感是指生态环境抗干扰能力较差，已出现或比较容易出现石漠化现象，主要分布于金沙江流域和东南部地区，这些区域为典型的喀斯特地貌，地表破碎、坡度较大，水土流失较为严重，所占面积 5080.30km2，面积比例达到24.15%。

总体而言，昆明市石漠化敏感性不敏感区域所占面积较少，轻度敏感以上区域面积占有较大比例。在区域开发与保护过程中，对各类型敏感区域都应予以重视，重点加强高度敏感、中度区域生态整治与环境建设，同时不能忽视对不敏感、轻度敏感区域的保护，要做好相关防治工作，以防止敏感性的升级过度。

4 结语

以地理信息系统技术、遥感技术和全球空间定位技术等为代表的地理信息技术的迅速发展，为研究地球表面各种空间信息和动态变化提供了良好的技术手段。

石漠化作为中国西南地区一个指示生态环境的重要因子，对其进行敏感性评价可以为区域生态环境整治与保护提供科学的参考依据。以不同的石漠化敏感区划作为依据，可以确定相关生态环境整治、建设和保护的重点区域，对区域的开发利用过程中避免石漠化生态环境问题的出现有指导性的意义。

昆明市作为云南省喀斯特地貌发育的典型地区之一，石漠化敏感性总体偏高，在区域开发过程中，要根据敏感性区划，采取相关整治、保护措施，防止石漠化生态环境问题的出现和进一步恶化。

［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］ Qiu～Hao Huan，Yun～Long Cai．Spatial pattern of Karst rock deserti?cation in the Middle of Guizhou Province，Southwestern China［J］．Environmental Geology，2007，(52):1325－1330．

［3］肖荣波，欧阳志云．中国西南地区石漠化敏感性评价及其空间分析 ［J］．生态学杂志，2005，24(5):551－554．

［4］胡顺光，张增祥．遥感石漠化信息的提取 ［J］．地球信息科学学报，2010，12(6):870－879．

［5］邢著荣，冯幼贵．基于遥感的植被覆盖度估算方法述评［J］．遥感技术与应用，2009，24(6):849－853．

［6］程红芳，章文波，陈锋．植被覆盖度遥感估算方法研究进展［J］．国土资源遥感，2008，(1):13－18．

［7］孙久虎，刘晓萌．北运河地区植被覆盖的遥感估算及变化分析 ［J］．水土保持研究，2006，13(26):97－99．

［8］江洪，汪晓钦．一种以FCD模型从SPOT影像提取植被覆盖率的方法 ［J］．地球信息科学，2005，7(4):113－116．

［9］张盼盼，胡远满．一种基于多光谱遥感影像的喀斯特地区裸岩率的计算方法初探［J］．遥感技术与应用，2010，25(4):510－514．

［10］陈楠，汤国安．不同空间分辨率DEM提取坡度不确定性研究 ［J］．水土保持研究，2006，13(3):153－156．