基于SPOT-5影像的冷水江市岩溶区石漠化时空演变研究

陈 利，林 辉，孙 华

基于SPOT-5影像的冷水江市岩溶区石漠化时空演变研究

陈 利，林 辉，孙 华

（中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

以湖南省冷水江市为研究区域,运用遥感与地理信息系统技术, 通过对比分析2005年和2011年两期SPOT-5高分辨率遥感数据,分别从石漠化土地的演变方向与规模、石漠化土地演变的速率和频率等方面进行分析，来探讨石漠化的时空演变过程及岩溶区土地石漠化时空演变的规律。研究结果表明: 2005～2011年,该市岩溶区石漠化破坏与治理同时存在,但破坏强度大于治理效果,石漠化总体变化为加剧趋势。潜在石漠化，轻度石漠化，极重度石漠化呈发展趋势，动态度最大是轻度石漠化为25.5%，发展速度最快。重度石漠化，极重度石漠化呈逆转趋势，逆转动态度最大的是重度石漠化为5.1%，逆转速度最快，石漠化局部得到治理，但整体恶化。冷水江市岩溶区域对石漠化发生率贡献影响最大的部分是非石漠化区域转化为轻度石漠化区域，由石漠化改善为非石漠化只占由非石漠化转化为石漠化的62.5%。

石漠化；时空变化；SPOT-5；冷水江市

石漠化是指在热带、亚热带湿润—半湿润气候条件和岩溶极其发育的自然背景下,受人为活动干扰,使地表植被遭受破坏,造成土壤严重侵蚀,基岩大面积裸露,砾石堆积的土地退化现象,是岩溶地区土地退化的极端形式[1-2]。石漠化的时空演变虽然只反映了一个区域的生态环境变迁，但它的结果却直接会影响整个区域的经济和社会发展[3-4]。

目前，国外涉及到土地石漠化问题的研究相对比较少。国外学者早期主要是对喀斯特地貌特征、地质成因、水文特征及其发育过程进行研究；在此之后，国内学者在结合社会、经济发展需要，对喀斯特水文地质、工程地质、喀斯特洞穴、地球物理勘探、喀斯特发育理论等做了大量研究。1990年代后，随着3S技术的发展，利用其大范围、多尺度、快速的优势，对岩溶地区石漠化进行了调查、监测研究，取得了大量的研究成果，着重探讨了石漠化治理模式与方法、气候、岩性、等与石漠化土地的相关性、石漠化的评价、石漠化驱动机制分析、石漠化的生态恢复、石漠化的演化规律等方面的问题[5-8]。

童立强[9]利用地理信息系统自动识别和提取的石漠化信息，经人工交互解译修正和野外验证后与实地抽查相比较，图斑正确率高达89.9%。陈起伟等[10]人应用监督分类和基于光谱特征的信息提取方法，提取各时段的石漠化信息图通过叠加、对比分析，以及实地考察，分析了花江喀斯特峡谷区的石漠化的变化情况。胡宝清等[11]人采用3S技术，得到了石漠化分布以及驱动因子图，并进行叠加运算和相关分析，诊断出了石漠化驱动机制，表明喀斯特石漠化是在脆弱的生态环境地质背景上由于人类的强烈扰动而形成的，是多种因子综合的结果。张素红、王兮之等[12-13]从景观格局的角度对粤北石漠化典型区域的石漠化演变格局进行了分析。

目前我国的生态环境处于治理与破坏相持阶段[14-16]，为了与目前我国正在进行的石漠化治理监测以及规划以县域为地域单元相对应, 笔者选择以县级市行政区为尺度单元来研究石漠化动态变化特征与规律,以湖南省冷水江市为研究对象，利用2005年及2011年2期SPOT-5高分辨率影像数据进行空间变换，通过人机交互式解译并进行野外实地验证，图班的正确率高达95%，与国内外的其它学者用中等分辨率TM影像解译相比，解译精度显著提高。本研究主要是对石漠化土地的动态变化进行分析，分别从石漠化土地的现状及其分布特征、石漠化土地的演变方向与规模、石漠化土地演变的速率和频率等方面进行分析，来探讨石漠化的时空演变过程，揭示石漠化土地演变的规律。为石冷水江市漠化的治理规划提供不可缺少的基础和科学参考依据,在“生态建设治理与破坏相持阶段”的攻坚战中提供战略支持,为缓解冷水江市生态环境危机,实现生态安全和社会、经济、环境的可持续发展打下基础。

1 研究区概况

冷水江市地处湖南省中部，地处北纬27°30′49″～ 27°50′38″， 东 经 111°18′57″～111°36′40″之间。东抵涟源市，南邻新邵县，西部和北部接新化县。市中心城区东距娄底市87 km，南距邵阳市83 km，西距怀化市244 km，东北距省会长沙市236 km。市境周长128.5 km，南北最大纵长39 km，东西最大横跨22 km，总面积439 km2。湘黔铁路横贯市境东西，东靠南北大动脉洛湛铁路，上瑞高速公路擦境而过，资水蜿蜒流经市区，规划中的太（原）澳（门）高速公路纵贯南北。研究区域示意图如图1。

图1 研究区位置Fig.1 The location of studying area

2 数据源与研究方法

2.1 数据源

本文利用2005年以及2011年的两期SPOT-5遥感影像，空间分辨率为2.5m，SPOT-5卫星于2002年5月4日发射，是法国SPOT-5卫星的第五颗卫星上载有2台高分辨率几何成像装置(HRG)、1台宽视域植被探测仪(VGT)、1台高分辨率立体成像装置(HRS)等，前后模式实时获得立体像对，运营性能有很大改善。

2.1 研究方法

本研究为了与全国第一、二次石漠化监测结果具有一定的可比性，所以采用了国家林业局制定的技术指标体系[17]，即对岩溶区按照基岩裸露度(i1)、植被类型(i2)、植被盖度(i3)、土壤厚度(i4)等4项指标综合评定石漠化程度。各项指标评分标准见表1。

将上述4个指标评分进行加和,得到石漠化程度分级指标值(I),其分级标准如下(表2)。

表1 石漠化评价的指标和评分标准Table 1 Index and scoring criteria for rocky desertification evaluation

表2 石漠化程度分级及其指标值Table 2 Classification and index of rocky desertification degree

图2 2005年冷水江市石漠化状况Fig.2 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2005

3 研究结果与分析

石漠化时空格局演变是一个错综复杂的过程，涉及因素众多，既是一种空间概念上的表达，又是时间序列上的演绎。所以要在探讨石漠化的时空演变过程中解决3个基本的科学问题：一是要了解研究时段初期不同石漠化类型的转移去向及研究时段末期不同石漠化类型的来源与构成，计算和分析出不同石漠化类型的“演变规模与方向”；二是要反映不同区域石漠化类型的变化快慢，计算不同石漠化类型的演变速率；三是要以真实地反映出区域石漠化类型反复变化的剧烈程度，计

以2005年和2011年两期SPOT-5卫星数据为主要研究资料,对SPOT-5遥感数据进行图像预处理，包括校正、融合、镶嵌等处理过程[18-22]，并进行外业的样地点调查，结合遥感影像建立解译标志。以冷水江市的地形图、区域水文地质图、土壤分布图、森林资源二类调查资料及林相图、2005年以来的该县社会经济统计年鉴等为辅助资料,利用遥感和地理信息系统等技术手段，采用人机交互的半自动化方式进行石漠化强度遥感解译和分类，根据遥感解译标志进行研究区土地石漠化强度遥感解译,并对初步解译成果进行复核和必要的修改,生成研究区土地石漠化遥感解译成果图(图 2、图 3)。算出不同石漠化类型的演变频率。因而本研究着重从这三个基本科学问题来研究冷水江市岩溶地区石漠化时空演变。

图3 2011年冷水江市石漠化状况Fig.3 Rocky desertification status of Lengshuijiang city in 2011

3.1 石漠化时空演变的总体动态特征

通过ARCGIS操作平台，将2期石漠化数据(图2、图3)进行空间叠加对比(表3)。由表3发现，从2005～2011年间，已石漠化土地的总面积由8 607.6 hm2变为10 292.5 hm2，增加了1 684.9 hm2，由此可见石漠化面积变化比较明显。非石漠化变化面积为1 170.5 hm2，潜在石漠化变化面积为584.5 hm2，轻度石漠化变化面积为771.2 hm2，中度石漠化变化面积为559 hm2，重度石漠化变化面积为559 hm2，极重度石漠化的面积为1 684.9 hm2，石漠化总的变化面积达6 100.3 hm2。

表3 冷水江市不同石漠化类型在岩溶区的面积和比例 (2005～2011年)†Table 3 Area and proportion of different type karst rocky desertification in Lengshuijiang city (2005～2011)

从表3可以发现：石漠化内部各类型之间的演变异常剧烈。有4 345.3 hm2的变化面积发生在相互演变之中，占整个总变化面积的71.2%。也就是说，石漠化的变化大多是从一个等级变到了另一个等级，而并非在石漠化和无石漠化以及潜在石漠化之间直接变化。

冷水江市岩溶区面积为32425.5 hm2，占冷水江市土地总面积的74.2%。在ARCGIS技术支持下得到2005年与2011年冷水江市土地石漠化分布图。比较两期数据可知，冷水江市2011年石漠化面积与2005年相比有较大的变化(见图2、图3和表3)，具体表现如下。

(1) 冷水江市石漠化总体上呈恶化趋势,不同程度的石漠化面积变化明显。2005年非石漠化土地、潜在石漠化土地、轻度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、极重度石漠化土地面积占整个岩溶区面积比例分别为61.68%、10.85%、7.05%、11.43%、6.99%、2.01%；而2011年非石漠化土地、潜在石漠化土地、轻度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地、极重度石漠化土地面积占整个岩溶区面积比例分别为55.98%、12.28%、15.5%、8.67%、5.02%、2.55%。

(2) 从表3、表4中可以看出,该市土地石漠化状况改善与恶化现象并存。从2005年到2011年，12 005.2 hm2石漠化土地中有5 759.3 hm2得到改善，改善率达到48.0%；5 692 hm2石漠化土地继续恶化，恶化率为47.4%。由表5可知，3 338.5 hm2非石漠化土地转化为石漠化，转化率达18.4%，其中1 383.3 hm2转化为轻度石漠化，541.1 hm2转化为中度石漠化，397 hm2转化为重度石漠化，458.1 hm2转化为极重度石漠化，559 hm2转化为潜在石漠化。

3.2 石漠化时空演变分析

3.2.1 石漠化演变方向与规模

为了研究时段内的石漠化类型结构及其类型的转移变化情况，分析监测初期各种土地利用类型的转移去向以及监测末期各土地利用类型的来源。转移矩阵能够具体、全面的描述区域土地利用变化的结构、特征与各用地类型变化的方向，定量反映各种土地利用类型之间的相互转换情况，更好地了解其时空演变过程。本研究也采用同样的方法研究石漠化土地的演变方向与规模，需要建立转移矩阵模型来表征：

表4 石漠化演变类型统计Table 4 The statistics of rocky desertification evolution type hm2

式（1）中：Sij代表面积，单位hm2；n代表石漠化的类型数；i、j分别代表监测初期与监测末期的石漠化类型；Snn代表监测时段内石漠化类型的变化量，单位hm2；

利用图1和图2进行空间叠加运算，求算出由2005～2011年不同石漠化类型的转移矩阵（表5）；这样就充分考虑了石漠化类型转入和转出过程中发生的空间位置转换，揭示了石漠化变化的真实情况，对研究石漠化变化的过程极为有利。由表5可知，在这5年有3 338.5 hm2非石漠化土地转化为石漠化,转化率达18.4%，其中1 383.3 hm2非石漠化转化为轻度石漠化，541.1 hm2非石漠化转化化为中度石漠化，397 hm2非石漠化转化化为重度石漠化，458.1 hm2非石漠化转化为极重度石漠化，559 hm2非石漠化转化化为潜在石漠化，石漠化呈加剧的趋势；轻度主要向非石漠化和潜在石漠化转变，分别为626 hm2和687.6 hm2，占同类演变的44.15%和48.50%。从2005到2011年，演变成非石漠化的面积共有3 002.4 hm，演变到潜在石漠化以上的面积8487.8 hm2，若潜在石漠化既不算已石漠化土地，也不算非石漠化土地，那么在几年内演变成石漠化的土地与演变成非石漠化的土地，两者的比值为117.11%，说明冷水江市石漠化的局部得到治理，整体恶化。

表5 石漠化状况的动态转移Table 5 Dynamic transferformation of rocky desertification status

3.2.2 石漠化演变速率与频率

石漠化是一个动态的环境退化过程，这一过程可以通过其本身的景观特征来加以表示，在土地利用和土地覆被变化研究中，各个土地利用类型用地面积的变化幅度和变化速率可以用土地利用动态度表示。它是指某一地区在某一时段内某种土地利用变化类型的数量变化情况，表达式为：

式（2）中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度，Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量，T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。动态度的正、负号不代表大小，只表示石漠化演变方向。K值绝对值越高，表明石漠化发展或逆转的速度越快。根据卫星影像的判读解译，在ArcGIS软件计算出研究区各级石漠化土地的面积，分析比较冷水江市石漠化动态发展方向与速度（表6）以及动态度图（图4）。

近5年来，冷水江市石漠化面积持续增加，中度石漠化以及重度石漠化发生逆转，其年均面积减少分别为154.24 hm2、111.8 hm2，轻度石漠化、极重度石漠化面积不断增大，其年均面积增加分别为563.62 hm2、39.4 hm2。从2005～2011年，石漠化土地年均增加336.98 hm2，以轻度石漠化面积增加速度最快，重度石漠化逆转速度最快。潜在石漠化土地近几年来持续发展，年均面积增加116.9 hm2。

表6 2005～2011年冷水江市石漠化土地面积与程度变化Table 6 2005～2011 LengshuiJiang city rocky desertification land area, and changing degree

由图4可知，石漠化演变动态度最快的是轻度石漠化为25.5%，其次为极重度石漠化，为6.3%，说明这一区域土地利用变化最剧烈，动态性更强。除轻度石漠化外，石漠化演变动态度最低的是非石漠化，说明最好生态系统是最稳定的，符合传统的生态系统稳定性特点。可见，石漠化的演变频率不仅与人类活动的频繁程度有关，可能还受其所在的地质背景影响。

图4 冷水江市不同石漠化土地演变类型动态度Fig. 4 Dynamic degree of different rocky desertification land evolution type in Lengsuijiang city

4 结论与讨论

本研究以生态基准面概念为理论依据，在综合性、主导性、可操作性原则指导下，通过对冷水江市各级石漠化土地分级指标基岩裸露率、植被类型、植被盖度、土壤厚度和土地利用类型的野外调查与观测，借鉴前人研究，拟定了冷水江市石漠化土地分级指征。运用“3S”技术进行了冷水江市岩溶典型分布区的石漠化土地动态变化研究。通过调查研究和分析，得出以下基本结论。

(1)在2005～2011年,冷水江市岩溶区石漠化治理与破坏同时存在,但破坏强度大于治理效果，石漠化呈加剧趋势。

(2)冷水江市岩溶区域潜在、轻度、极重度石漠化呈发展趋势，轻度石漠化的动态度最大，动态度为25.5%，发展速度最快，中度、极重度石漠化呈逆转趋势，重度石漠化逆转动态度最大，动态度为5.1%，逆转速度最快，冷水江市石漠化局部治理，整体恶化。

(3)冷水江市岩溶区域对石漠化发生率贡献影响最大的部分是非石漠化区域转化为轻度石漠化区域。由石漠化改善为非石漠化的土地只占由非石漠化转化为石漠化土地的62.5%。由此可见，石漠化生态环境的建设重在预防。

(4)冷水江市生态环境的建设已经引起社会的重视，得到了有效的改善，而潜在的石漠化以及轻度石漠化区域的保护为社会所忽视。

(5)由于受资源卫星系列的多光谱遥感数据之光谱分辨率较低的限制，岩溶石漠化与土壤等信息在光谱特征上容易混淆，对分类结果的精度与准确度有较大的影响。鉴于此而提出在地面调查的基础上，以多波段的假彩色合成图像为背景显示，利用高分辨率遥感影像进行人机交互式修改验证，以提高岩溶石漠化遥感调查的准确度。

本研究将3S技术引入冷水江市石漠化土地动态变化研究中，试图利用高分辨率SPOT-5遥感影像，并通过多个数学模型的计算与分析，得出冷水江市石漠化土地动态变化的规律。但由于研究时间和相关资料的限制，并没有对石漠化土地变化的趋势分析作出全面的、系统的分析和论述，有待于进一步的探讨和提高。

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Studies on space and time evolution of karst rocky desertification area in Lengshuijiang city based on SPOT-5 images

CHEN Li, LIN Hui, SUN Hua
(Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

By taking the karst rocky desertification area in Lengshuijiang city, Hunan province as the studying area, with remote sensing and geographic information system technology, the two stages SPOT-5 high-resolution remote sensing image data obtained in 2005 and 2011 were compared. In order to explore the process and law of temporal and spatial evolution of the karst rocky desertification area, the evolution direction, scale, speed and frequency of the rocky desertification land were investigated. The results show that the disruption behavior and governance activities in Lengshuijiang karst rocky desertification area took place simultaneity at the same time from 2005 to 2011, but the breaking strength was greater than the regulation effect and variation degree of rocky desertification was exacerbated in trend. Potential desertification, light desertification and heavy rock desertification all were in development trend. The light desertification that was in the fastest development had the maximum dynamic degree of 25.5%. The heavy rock desertification,very severe rocky desertification both showed a reverse trend, the severe rocky desertification had a maximum reverse dynamic degree of 5.1 %, the area’s reverse speed was the fastest, part of area were governed, but the overall was deteriorated. The largest effect factor that led Lengshuijiang karst region became rocky desertification is that the original non-desertification region was transformed into light desertification region. The area value of transforming from rocky desertification region into non- rocky desertification region accounted for 62.5% of that of transforming from non- rocky desertification into rocky desertification.

rocky desertification; space and time evolution; SPOT-5; Lengshuijiang city

S757.2

A

1673-923X(2012)08-0022-06

2012-03-12

国家重大专项:（E0305/1112/02)；中南林业科技大学青年科学基金项目（07005B）

陈 利（1987—），男，硕士研究生；研究方向：林业遥感和地理信息系统；E-mail：csufcl@126.com

林 辉（1965—），女，湖北黄冈人，博士，教授，博导；研究方向：森林经理学、林业遥感和地理信息系统

[本文编校：邱德勇]