基于GIS和RS的喀斯特石漠化时空变化图谱分析——以贵州省罗甸县为例

刘陈林， 王晓红， 舒天竹

(贵州大学林学院，贵州贵阳 550025)



基于GIS和RS的喀斯特石漠化时空变化图谱分析
——以贵州省罗甸县为例

刘陈林， 王晓红*， 舒天竹

(贵州大学林学院，贵州贵阳 550025)

摘要[目的]研究贵州省罗甸县喀斯特石漠化时空变化。[方法]运用地学信息图谱的理论与方法，基于Erdas9.2和ArcGIS9.3的软件平台，对2005和2014年罗甸县的喀斯特石漠化进行时空变化图谱分析。[结果]2005～2014年石漠化等级变化很大，其增长最多的是轻度石漠化，增加面积为264.38 km2，占总面积的8.80%，主要来源于中度石漠化、轻度石漠化；其次为中度石漠化，增加面积为89.04 km2，占总面积的2.96%，主要来源于轻度石漠化；石漠化等级图谱单元减少最多的是无明显石漠化；潜在石漠化和轻度石漠化的类型属于最不稳定的等级类型。[结论]2005～2014年罗甸县石漠化等级由轻度石漠化逐渐向强度石漠化演变，石漠化程度加重。

关键词喀斯特石漠化；图谱分析；GIS；RS；石漠化等级；时空变化；罗甸县

石漠化是在亚热带碳酸盐地区的自然条件下，由于不当的土地利用方式及地表覆盖物遭受破坏，引起水土流失、基岩裸露、土地生产力退化，使地表土地流失退化而出现类似荒漠景观的过程。近年来，受人为活动的影响，喀斯特生态环境日益恶化，形成了石漠化景观，这也被称为“喀斯特贫困”现象[1-2]。

地学信息图谱[3]是以计算机多维可视化技术为基础，运用遥感、地图数据库、地理信息系统与数字地球的大量数字信息等，经过图形概括和抽象模拟，显示地球系统及各要素和现象的空间形态结构、时空演变规律的一种方法和手段，能够把“表现空间单元特征的图”与“表示时间开始的起点与过程的谱”合二为一。该手段弥补了基于非空间属性数据库的数据挖掘方法在抽象思维和空间位置属性方面的不足[4]，更深入地对空间图谱与地学认识进行研究与分析，可推理、反演并预测出事物与现象的发展趋势，从而制订关键的科学规律和相关规划与决策方案。空间图谱的优势在于其对图形信息量的压缩、时空尺度的转换及数据的挖掘等技术的充分发挥，将信息图谱进行多维组合、转换与显示，既能系统地表述空间格局，又能科学地反演历史的过程或推断未来的发展趋势[5]。以往的野外调查运用3S技术对石漠化地区进行研究，可解决数据不连续、标准不统一的问题，准确反映石漠化的空间分布与强度，但是难以系统地表达空间格局和发展过程的变化。鉴于此，笔者结合图谱系统对贵州省罗甸县喀斯特石漠化时空变化进行了研究，旨在为该地区生态环境的恢复提供科学的决策依据。

1资料来源与研究方法

1.1研究区概况罗甸县属于贵州省黔南布依族苗族自治州，位于云贵高原南缘向桂西北与丘陵过渡的斜坡地带，106°23′~107°03′ E，25°04′~25°45′ N。地势北高南低，呈阶梯式下降，县内西北、北、东北和东南等地带为环形山地，形成了罗甸县的基本轮廓，使其县境呈面向南的“撮箕口”地形，东西宽63 km，南北长72 km。县境内山地面积占总面积的85.8%，丘陵占9.7%，盆地占4.6%。年均温度在20 ℃左右，极端最高气温为40.5 ℃，极端最低气温为-3.5 ℃，年平均降雨量为1 335 mm。县境内的碳酸盐岩出露面积占研究区总面积的56.5%，人地矛盾突出，陡坡垦荒现象严重，年土壤侵蚀量689.77万t以上。

1.2研究方法

1.2.1数据选取。选取2005和2014年的ETM影像，空间分辨率30 m×30 m，影像的云量较小，且2期影像选取时段的研究区植被生长旺盛，有利于NDVI指数的提取。

1.2.2数据处理。

1.2.2.1遥感数据处理。对2005和2014年的TM影像进行辐射校正、正射纠正、几何校正、图像之间的配准、图像的拼接裁剪、图像镶嵌等预处理，以提高精度。运用去霾处理、直方图均衡化、直方图匹配等方法处理图像[6]。

1.2.2.2遥感图像解译分类。结合罗甸县的县域情况，将地类分为水体、农田、裸地、建设用地、灌木林地和乔木林地，并用监督分类方法进行地类分类。监督分类是先定义分类模版，再评价分类模版，最后执行监督分类，运用聚类统计消除原始分类图像上的小面积斑块。对监督分类数据进行分类精度评估，使其精度均达到84.21%以上。

1.2.3植被覆盖度的提取。在ERDAS IMAGINE中建立模型，并利用3、4波段提取归一化植被指数，计算公式为：NDVI=(b4-b3)/(b4+b3)。其中，NDVI为-1~1。再利用像元二分法，通过ERDAS软件的建模工具以NDVI为基础，得出2期影像数据的植被覆盖度图。

1.2.4石漠化等级图谱的合成。参考熊康宁等[7]的石漠化等级分类，对罗甸县喀斯特石漠化等级进行分类。在ArcGIS软件平台上[8]，通过地图代数运算、图谱预算及建立的图谱系统[9]对提取出来的坡度图、植被覆盖度图、基岩裸露图进行空间叠加运算，并生成研究区的石漠化空间分布图谱[10]。

2结果与分析

2.1石漠化等级强度空间格局分布图谱在ArcGIS软件平台上，对所得数据进行空间叠加分析，得到2005和2014年研究区石漠化空间格局图谱(图1、2)及石漠化面积分布情况(表1)。

图1　2005年罗甸县石漠化等级强度空间分布图谱Fig.1　Spatial distribution grade of stony desertification in Luodian County in 2005

由表1可知，2005年该研究区无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化的面积为2 604.01 km2，占该研究区面积的86.67%。具体分布现状：无明显石漠化居第1位，面积为1 097.73 km2，占该区面积的36.54%；潜在石漠化居第2位，面积为767.68 km2，占该区面积的25.55%；轻度石漠化居第3位，面积为738.60 km2，占该区面积的24.58%；中度石漠化居第4位，面积为395.30 km2，占该区面积的13.16%；强度石漠化居第5位，面积为5.19 km2，占该区面积的0.17%。

2014年该研究区无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化的面积为2 250.60 km2，占该研究区面积的74.91%。具体分布现状：无明显石漠化居第1位，面积为847.95 km2，占该区面积的28.40%；轻度石漠化居第2位，面积为707.64 km2，占该区面积的23.55%；潜在石漠化居第3位，面积为689.73 km2，占该区面积的22.96%；中度石漠化居第4位，面积为484.34 km2，占该区面积的16.12%；强度石漠化居第5位，面积为269.56 km2，占该区面积的8.97%。

图2　2014年罗甸县石漠化等级强度空间分布图谱Fig.2　Spatial distribution grade of stony desertification in Luodian County in 2014

Table 1Distribution areas of stony desertification in Luodian County in 2005 and 2014

石漠化等级Gradeofstonydesertification2005年面积Areakm2比例Percentage%2014年面积Areakm2比例Percentage%无明显Nosignificant1097.7336.54853.2328.40潜在Potential767.6825.55689.7322.96轻度Slight738.6024.58707.6423.55中度Medium395.3013.16484.3416.12强度Strong5.190.17269.568.97合计Total3004.50100.003004.50100.00轻度及以上面积Areaofmildandabove2604.0186.672250.6074.91

2.2石漠化等级强度时空变化图谱2005～2014年罗甸县石漠化等级强度转移图谱(图3)是根据2005和2014年石漠化等级强度分类结果在ArcGIS9.3软件平台上合成，并通过数据导出得到2005～2014年石漠化时空变化图谱面积(表2)。

由表2可知，2005~2014年由于不良人为活动影响，罗甸县的无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化面积均呈减少趋势，而中度石漠化、强度石漠化面积呈增加趋势，这说明研究区石漠化强度在由低等级向高等级转变。

从图4可以看出，2005~2014年罗甸县喀斯特石漠化无明显石漠化和强度石漠化转移面积最大，其中无明显石漠化总面积逐年减少，强度石漠化总面积逐年增加。

图3　2005～2014年罗甸县喀斯特石漠化等级强度时空变化图谱Fig.3　Spatial distribution grade of Karst stony desertification in Luodian County in 2005-2014

km2

图4　2005～2014年罗甸县石漠化时空变化比较Fig.4　Temporal and spatial variation of stony desertification in Luodian County in 2005-2014

2.3石漠化涨落图谱由表3可知,2005~2014年罗甸县石漠化由低等级向高等级演变，具体表现为：无明显石漠化的减少面积居第1位，为-244.50 km2，占-8.14%，平均每年减少面积为27.17 km2；中度石漠化和强度石漠化的面积呈增加趋势，其中强度石漠化增加面积居第1位，为264.37 km2，占研究区面积的8.80%，平均每年增加面积29.38 km2；中度石漠化增加面积居第2位，增加面积为89.04 km2，占研究区面积的2.96%，平均每年增加面积9.89 km2。

3结论与讨论

笔者运用GIS、RS技术，通过建立喀斯特石漠化等级图谱信息，能快速、准确地把握2005~2014年罗甸县石漠化时该研究结果表明，2005～2014年石漠化由低等级向高等级演变，其石漠化的严重程度呈增加趋势，增加面积为353.42 km2，占总面积的 11.76%。可见，罗甸县喀斯特地区防止和遏制石漠化的任务艰巨。尽管该地区也有高等级石漠化向低等级的转变，但是转入面积远远小于转出面积。虽然罗甸县正在加大植树造林、生态恢复的力度，但是由于一些贫困地区的生态环境意识薄弱，仍存在乱砍滥伐、陡坡开垦、毁林等现象，从而造成水土流失、基岩裸露、石漠化加剧。因此，应加强水土保持防护措施，大力恢复和重建生态环境，提高人们的生态保护意识，加大相应的法律法规执行力度，加强资源环境的保护和合理利用[11-12]。

表32005~2014年罗甸县石漠化等级涨落图谱数据结构

Table 3 Map data structure of encephalofluogram of stony desertification grade in Luodian County in 2005-2014

石漠化等级Gradeofstonydesertification总增减面积Totalincreasedarea∥km2占研究区比例Proportioninresearcharea∥%年增减面积Annualareachangekm2/年无明显Nosignificant-244.50-8.14-27.17潜在Potential-77.95-2.59-8.66轻度Slight-30.96-1.03-3.44中度Medium89.042.969.89强度Strong264.378.8029.37

空变化过程。从石漠化等级变化图谱、涨落图谱可知，罗甸县石漠化发生了很大变化，主要表现在：增长面积最大的图谱单元是强度石漠化，其主要来源于中度石漠化和轻度石漠化的转出；其次为中度石漠化；减少最大的是无明显石漠化，主要退化为潜在石漠化和轻度石漠化；潜在石漠化和轻度石漠化的类型属于最不稳定，转出的图谱单元大于转入的。

参考文献

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[2] 刘燕华,李秀彬.脆弱生态环境与区域可持续发展[M].北京：科学出版社，2001.

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[5] 廖克.地学信息图谱的探讨与展望[J].地球信息科学，2002(1)：14-19.

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[8] 汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006.

[9] 陆守一，唐小明，王国胜.地理信息系统实用教程[M].2版.北京：中国林业出版社，1998.

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[11] 刘燕华.脆弱生态环境与区域可持续发展[M].北京：科学出版社，2001.

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Atlas Analysis of spatiat-temporal evolution of Karst Rocky Desertification in LuoDian County Based on GIS and RS Technology——Taking Luodian County of Guizhou Province as an Example

LIU Chen-lin，WANG Xiao-hong，SHU Tian-zhu(College of Forestry, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Abstract[Objective]The research aimed to study spatial-temporal evolution in karst rocky desertification areas of Guizhou Province.[Method] Based on the software platform of Erdas9.2 and ArcGIS9.3, this research used Tupu of geoinformation as a theory and method, analysed Tupu of 2005 and 2014 described spatial-temporal evolution in Karst rocky desertification area at LuoDian County.[Result] The change of rocky desertification degrees are very greatly from 2005 to 2014.The biggest increases was mild rocky desertification, its increasing area was 264.38 km2, accounted for 8.8% of the total area, which mainly derived from moderate rocky desertification and mild rocky desertification.The second increases was moderate rocky desertification, its increasing area was 89.04 km2, accounted for 2.96% of the total area, which mainly derived from mild rocky desertification.Tupu units of rocky desertification degrees reduced the most is no obvious rocky desertification.The types of potential rocky desertification and mild rocky desertification belong to the most unstable degrees.[Conclusion] Accordingly, from 2005 to 2014 the strength of Luodian County’s rocky desertification degrees have been aggravated and gradually changed from mild rocky desertification to intensity rocky desertification.

Key wordsKarst rocky desertification; Atlas analyses; GIS; RS; Rocky desertification degree;Spatial-temporal evolution; Luodian County

收稿日期2015-12-21

作者简介刘陈林(1991- )，男，贵州织金人，硕士研究生，研究方向：区域土壤侵蚀研究与评价技术。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事“3S”技术研究。

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-150-04