基于3S技术的广西平果县石漠化分布特征及演变规律

王君华，莫伟华，陈燕丽，莫建飞，钟仕全，苏永秀

(1.广西区气象减灾研究所，国家卫星气象中心遥感应用试验基地，530022，南宁;2.鹿寨县气象局，545600，广西柳州;3.柳江县气象局，545100，广西柳州)

岩溶石漠化(rocky and desertified land，RDL)是指在特定的自然环境背景下，受人为活动干扰，使地表植被破坏，造成土壤侵蚀程度严重及基岩大面积裸露的一种土地退化的表现形式［1］。中国西南是世界上最大、最集中的连片喀斯特地区［2］，不断发展的石漠化不但影响该区农、林、牧、渔、副业的发展，而且因其自然灾害承受能力低，旱、涝灾害频发，严重威胁当地居民的生存［3］，还因其分布地位于珠江和长江上游，石漠化伴随的水土流失对两江流域的生态安全造成了极大隐患，同时也影响着中国“西电东送”的大型水利枢纽工程;因此，有关石漠化的研究已成为当今学术界热点之一。

严重的石漠化问题已引起了社会各界的高度重视，近年来各级政府实施了一系列的生态恢复重建工程，如封山育林、人工造林和退耕还林等工程，究竟生态治理效果如何，石漠化面积增减情况及演变趋势如何，这些问题都是当前政府部门、生态环境治理管理者非常关注的问题。一些专家学者［4-9］也多以RS和GIS技术为手段，对石漠化区时空分布特征和演变趋势进行了分析和研究，研究区域大多以贵州省石漠化发生严重的地区为主，而对中国西南岩溶地区石漠化最严重区域之一的广西石漠化的演变趋势研究较少。为此笔者采用1988、1998及2008年3个时相的30 m空间分辨率的TM/ETM遥感影像资料，以广西平果县典型喀斯特石漠化区为研究区域，运用3S技术，研究该区上述3个时相的石漠化空间分布特征及演变规律，以期为区域生态恢复重建提供决策依据。

1 研究区概况

平果县隶属于广西百色市，位于E 107°21'～107°51'、N 23°12'～ 23°51'之间，被誉为“南国铝都”。全县行政区域总面积2 485 km2，其中碳酸盐面积占65.2%，以岩溶峰丛洼地石山为主，区域内植被覆盖率低，森林覆盖率小，植被结构简单，以次生灌草为主，岩石裸露明显，土地利用类型主要为耕地和灌草坡。属南亚热带季风气候，光照充足，雨量充沛，累年平均气温为21.9℃，累年平均降雨量为1 297.1 mm，年日照时间1 465.7 h，降雨过度集中且分配不均及雨热同季的气候特点，为喀斯特地貌的强烈发育提供了必要的溶蚀条件，促进了石漠化的发生和发展。

2 研究方法

2.1 资料来源及处理

1)研究所用的TM/ETM卫星数据为1988、1998及2008年3个时相共3景，数据的空间分辨率为30 m，所有卫星影像数据均经过投影、镶嵌、几何精校正等预处理，其几何校正误差控制在1个像元以内。

2)广西碳酸盐分布区矢量图、平果县行政边界以及数字高程(DEM)数据等地理信息数据均来自广西壮族自治区气象减灾研究所遥感基础数据库。

3)为了建立石漠化遥感解译标志和验证石漠化信息遥感解译精度，在研究区果化镇典型石漠化区选取强度不同的3个训练区，分别于2007年4、6、9月，2008年1月和2011年7月赴训练区进行实地考察和观测，观测要素有植被总盖度、植被类型分盖度、植株类型的平均高度等。

2.2 岩溶石漠化指数模型

根据相关研究，TM/ETM数据的第4、5波段所含各类地物信息比较丰富，是区分地物最合适的波段，有利于植被覆盖和裸岩的区分与判识，故选用这2个波段数据构建石漠化比值植被指数模型:

式中:Iki为第i个像元的石漠化指数值;L4i为第i个像元第4波段亮度值;L5i为第i个像元第5波段亮度值为整景图像第4波段所有像元亮度值的几何平均值为整景图像第5波段所有像元亮度值的几何平均值。

然后根据石漠化指数模型，计算生成石漠化指数图。

2.3 岩溶石漠化分级解译标准

不同的地貌、地形、气候及人类活动，区分植被和裸岩的石漠化指数阈值亦有所不同，结合前人的研究成果［10－12］及训练区实地调查数据，修正分类模版比例阈值(表1)，并对石漠化指数中所有像元计算其植被和裸岩属性。为此定义植被属性指数

式中:R为所确定的植被属性阈值;Ivi=1时为植被，否则为裸岩。

然后设计植被比例统计分类程序，即设定一定大小的模版(如4×4、6×6、8×8等)，计算模板范围内植被属性像元所占比例，从543RGB伪彩色图像中按人机交互识别不同等级石漠化区域，计算其石漠化指数图中植被属性比例，从而确定各等级石漠化指数模版对应比例阈值。各模版数据计算结果符合该阈值条件的像元归为某一类，即该模板内像元的石漠化等级。考虑到制图要求，决定采用6×6像元的区域(实地面积为180 m×180 m)作为分类模板。

表1 岩溶土地石漠化等级划分标准Tab.1 Grade standard of RDL

2.4 岩溶石漠化遥感解译

1)根据广西碳酸盐分布矢量图，结合DEM坡度数据，在预处理后的平果县影像图中，去除坡度小于15°的平原区和非碳酸盐区，生成新的平果县遥感基础图，并将区域外数据设为背景值“－2”。

2)采用选定典型地物感兴趣区域对平果县石漠化遥感基础图进行监督分类，目的是区分出水体和阴影2类地物，并制作为掩膜图层，其值设为“－1”。

3)由式(1)计算石漠化指数图，利用石漠化分类统计程序，采用6×6模板，对石漠化指数图中的像元按潜在、轻度、中度和重度4类石漠化等级进行分类计算，并按石漠化等级分别赋值，其中水体、山体阴影和背景区像元不参与石漠化分级分类。

4)根据不同的分级形成分类矢量图，在MapGIS系统中进行图斑识别、拓扑运算以及石漠化面积统计和空间分析。

2.5 岩溶石漠化强度等级综合评价

石漠化是一种土地退化极端现象，是一种自然灾害;因此，某一时相石漠化强度等级综合评价可以参考有关文献灾害综合评价方法［13-14］。定义i时相评价单元石漠化强度等级指数

式中:Sij为i时相j等级程度石漠化面积，km2;Wij为i时相j等级程度石漠化权重，各等级权重分别赋值为 0.05、0.15、0.30、0.50;S 为研究区总面积，km2。

3 结果与分析

3.1 不同时相石漠化空间分布特征

在专业遥感数据处理软件ENVI4.5及地理信息系统软件MapGIS支持下，根据石漠化指数模型及分级标准，得到1988、1998及2008年3个时相广西平果县石漠化空间分布图(图1)。

由图1(a)可以看出:1988年，重度石漠化主要分布在平果县西南部的果化镇，位于与天等县、田东县交界区域，呈大片连续分布，其余重度石漠化区呈蜂窝状或条带状分布在中部的耶圩、海城、旧城、太平、坡造等镇局部区域;中度石漠化成片状主要分布于海城、耶圩、太平、果化等镇局部区域;轻度石漠化主要分布在平果县中部海城、耶圩、太平、坡造、旧城镇之间的区域以及平果县东北角榜圩、梧圩、堆圩镇局部区域，大多呈斑块状分布;潜在石漠化以平果县碳酸盐分布区的外围区域为主。

由图1(b)可以看出:1998年，重度石漠化主要分布在南部果化镇与天等县、田东县交界区域及光圩镇西部，呈大片连续分布，其余重度石漠化区呈条带状、片状分布于平果县中部海城、那圩、太平、坡造等镇局部区域;中度石漠化主要分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、旧城镇之间以及光圩镇西部的局部区域，成块状分布;轻度石漠化大多分布于中部海城、耶圩、太平、坡造、旧城镇之间的区域以及东北部局部区域，多呈条带状分布;潜在石漠化为平果县碳酸盐分布区除重度、中度和轻度以外的区域。

图1 1988、1998和2008年广西平果县石漠化空间分布图Fig.1 Spatial distribution of RDL in 1988，1998 and 2008

由图1(c)可以看出:2008年，重度石漠化主要分布在果化镇西南部，呈块状分布，其余重度石漠化区分布于中部局部区域，呈条带状分布;中度石漠化主要分布在果化镇西南部、中部右江河谷东侧，呈块状和条带状分布;轻度石漠化主要分布于中部、果化镇西南部、光圩镇西部以及东北部，呈条带状分布;潜在石漠化为平果县碳酸盐分布区除重度、中度和轻度以外的区域。

3.2 石漠化演变特征

对不同时相的各个等级类型石漠化面积和所占比例进行统计，并根据石漠化强度综合评价模型得出各时相石漠化强度综合评价指数(表2)。可以看出:1998时相石漠化强度综合评价指数最高，表明石漠化程度最严重，其次为1988时相和2008时相。1998时相与1988时相相比，除潜在石漠化面积减少之外，其余等级石漠化面积均增加，平果县石漠化总体程度越来越严重，但局部区域如光圩镇西部石漠化程度减轻(图1(a)～(b));2008时相与1998时相相比，除潜在石漠化面积增加之外，其余等级石漠化面积均减少，石漠化总体程度明显呈减轻趋势，但局部区域石漠化程度依然很严重(图1(b)～(c))。从1988时相到2008时相，石漠化总体程度经历稍加重然后逐渐减轻这一过程，但局部区域演变趋势复杂多变。

4 结论与建议

1)采用3S技术、岩溶石漠化遥感监测方法和分级评价模型，能够反映石漠化发生严重的广西百色市平果县石漠化状况，结果基本符合实地调查情况，可为当地石漠化治理和生态建设中的宏观决策提供科学依据，同时也可为广西乃至整个西南地区大规模开展石漠化研究提供借鉴经验。

表2 平果县不同时相不同等级石漠化的面积、比例及综合评价指数表Tab.2 Area，proportion and CEI of various RDL in different periods

2)广西百色市平果县岩溶石漠化主要分布在西南部和中部，即主要分布在右江流域南岸的果化镇和光圩镇的西南部、平果县中部的海城镇、耶圩镇、太平镇、坡造镇及旧城镇之间的区域以及平果县东北部局部区域;1988—2008年，该县总体石漠化程度经历了稍加重然后逐渐变轻的变化趋势，石漠化呈现动态、缓慢、反复、可治理等特点。

3)广西百色市平果县潜在石漠化等级面积变化最大，演变频率最快，在实施生态恢复重建等生态工程进行石漠化治理时，建议采取先易后难、逐步改善的策略。首先优先保护潜在石漠化区域，使其不向石漠化演变，然后，加大力度治理中度石漠化区域，使其不继续恶化，最后，适当改善重度石漠化区域环境，重度石漠化区裸岩面积大、土被少、土壤质量低下且造壤速率缓慢，恢复难度大，在不被继续破坏的前提下以自然恢复为主。

石漠化发展是人类活动与自然因素综合作用的结果，人类活动在其演变过程中起主导作用，从平果县石漠化演变各个时相的历史背景考虑，平果县石漠化程度趋势缓慢变轻主要得益于政府近年来大刀阔斧地实施了一系列生态恢复重建工程。研究结果可在滇桂黔岩溶区域推广应用，为岩溶石漠化区域治理和生态建设中的宏观决策提供科学依据。

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