基于遥感生态指数的石漠化地区生态恢复质量研究

郭 城 陈 浒

（贵州师范大学喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001）

石漠化是指在亚热带湿润地区脆弱的岩溶生态环境背景下，由于受人为因素的影响，导致土地生产力下降、土层变薄，地表逐渐呈现荒漠化景观的土地退化过程［1］。撒拉溪示范区生态环境脆弱，以农业经济为主，过度依赖土地，且经济作物单一，经济产值较低，人地矛盾突出。近年来，撒拉溪示范区通过技术实践，逐步形成了一系列混农林生产模式，如核桃+刺梨、核桃+黑麦草、玫瑰+大豆、玫瑰+花椒等。核桃、刺梨、花椒、玫瑰等作物可以通过精加工生产出高附加值的农产品。同时，黑麦草的种植满足了畜牧养殖需求，达到巩固封山育林成效的目的［2-5］。本文利用Landsat遥感影像，基于RSEI模型，耦合绿度、干度、湿度、热度四个指标，对示范区2001—2020年的生态环境质量进行评价。

1 研究区与数据处理

1.1 研究区概况

撒拉溪示范区位于贵州省毕节市西部的六冲河流域支流区，总面积为86.27 km2，其中喀斯特面积占该示范区总面积的95.42%。该示范区大部分地区海拔为1 600～1 700 m，气候冬春温凉干旱，夏秋温热湿热，热量资源较丰富，年平均气温为14.03 ℃，年均极端最高气温为28.4 ℃，年降水量为863 mm。

1.2 数据来源与预处理

遥感影像选择Landsat系列卫星相片，数据源于地理空间数据云（www.gscloud.cn），依据云量较少、植被生长状况较好、时相一致、日期接近的原则，确保选用数据能够进行有效对比。本文选择2001、2009、2020 年撒拉溪示范区的三幅遥感影像进行处理，主要采用Envi5.1对遥感影像依次进行辐射校正、大气校正、图像配准、裁剪操作。遥感影像信息如表1所示。

表1 遥感影像数据信息

1.3 研究方法

1.3.1 绿度指标。绿度指标通常用NDVI来表示［6］。NDVI指数可以定量表达植被覆盖状况、叶面积指数和植物生物量。

式中，ρnir为近红外波段；ρred为红外波段。

1.3.2 干度指标。地表的干度通常与裸土状况及建筑状况相关，在此综合裸土指数（SI）与建筑指数（IBI）组成干度指数NDBSI［7-8］。

式中，ρ1至ρ7分别为对应波段的反射率。

1.3.3 湿度指标。根据缨帽变化得出的湿度分量WET对湿度敏感，可以作为湿度指标［9-10］。

1.3.4 热度指标。通常以地表温度LST表示热度指标［11］。DN为像元原始灰度值；gain表示增益值，bias表示偏差值，参考影像头文件；L表示热红外波段在传感器位置处的辐射亮度值；K1、K2为辐射定标参数。

1.3.5 RSEI 模型构建。因各指标值存在差异，对此，进行标准化处理，计算公式为：

式中，Vi为原始值；Vmin和Vmax分别为该指标的最小值和最大值。

在数据挖掘相关应用中，主成分分析法是最常见的方法之一，其关键优势在于各指标权重非人为确定，可以减少人为干扰造成的误差。利用Envi软件进行主成分变换，并用1减去PC1得到初始值RSEI0，然后对其进行标准化处理，所得RSEI即遥感生态指数，值区间为［0，1］，其值越大，表明生态环境质量越好。

2 撒拉溪示范区总体生态环境评估

2.1 主成分分析结果

表2为撒拉溪示范区2001、2009、2020年所有选择指标的主成分分析结果。由表2可知，NDVI及WET两个因子都为正值，对生态环境表现出明显的正向作用，而NDBSI及LST为负值，对生态环境表现出负面影响。并且，在对生态环境呈现显著影响的因子中，2001 年及2020 年，NDVI及WET共同起决定作用，而 2009 年NDVI与LST共同起决定作用。与NDVI相关的植被覆盖状况是决定生态环境的关键因素，这与实际情况相符。2001、2009、2020 年的第一主成分贡献率依次为79.17%、83.39%及88.54%，三者的贡献率均在75%以上，表明已经集中了四个指标的主要信息，表中所包含的四个指标可以用于构建评价该区域的RSEI模型。

表2 主成分分析结果

表3为2001、2009和2020年RSEI及各指标情况。由表 3 可知，2001、2009、2020 年，NDVI值依次为 0.551 2、0.638 3、0.773 9，表明该区域植被覆盖状况显著改善；WET值依次为0.564 1、0.728 1、0.883 3，随着植被覆盖率提升，地表涵养水源能力提高，湿度亦明显改善；NDBSI值依次为0.520 5、0.561 2、0.363 1，整体表现出下降趋势；LST值依次为 0.451 8、0.445 5、0.541 2，这与目前气候变暖现状相符；该区域的RSEI值不断提高，其均值依次为0.515 8、0.593 1、0.699 0，表现出明显的改善。

表3 RSEI及各指标

2.2 生态环境质量分级

按照［0，0.2］、［0.2，0.4］、［0.4，0.6］、［0.6，0.8］、［0.8，1.0］的区间将该区域的RSEI值进行分级，依次为差、较差、中等、良好、优秀。由表4 可知，在石漠化治理初期，2001 年，示范区的优秀及良好等级区域仅占35.21%，且生态环境较差及差的区域占到了26.66%。经过石漠化综合治理，2009 年，生态环境优秀及良好的区域达到了55.66%，较差及差的区域减少到了17.31%。2020 年，生态环境已经得到了明显提升，示范区内生态环境优秀及良好的区域占到了71.65%，RSEI等级为差及较差的区域分别为1.11%及9.74%，均位于居民区附近，符合现实状况。

表4 各生态等级区域面积及占比

2.3 石漠化治理前后示范区生态环境质量变化

表5 为2001—2020 年各阶段的RSEI变化状况。2001—2009 年，生态环境改善的区域已经达到43.54%，表明石漠化治理取得了初步成效；2009—2020年，生态环境改善的区域达到了53.12%，同时，保持生态环境现状的区域有38.01%；在这20 年间，生态环境改善的面积达到了63.95 km2，占总面积的74.13%。

表5 各阶段RSEI变化状况

由图1可知，在空间分布上，在2001年撒拉溪示范区边界，由于地势较高，且远离居民区，因此受人为活动干扰较少，生态环境质量较好；距离居民区愈近，生态环境质量愈差。到了2009 年，由于退耕还林政策的实施，示范区内的生态环境良好区域逐渐扩大，生态质量较差区域仍主要集中在居民区附近，但整体生态环境质量得到了明显改善。到了2020年，生态环境质量已经发生显著变化，且生态环境良好区域已经占据了绝对优势，仅有占比极低的区域不变或者变差，这表明当地石漠化治理成效显著。

图1 生态环境质量等级变化图

3 结论

撒拉溪示范区以农业经济为主，以往的放牧、过度开垦对土地资源造成了严重的伤害，石漠化问题突出。通过实践研究，结合当地的实际生产、生活，高海拔区域通过封山育林，生态环境质量显著提高；坡度较陡区域采取种植经济林保持水土，生态恢复良好；农业用地区域丰富经济作物种类，兼顾种植业和畜牧业，提高农业生产效率，缓解用地矛盾［12］。石漠化综合治理在提高当地农业生产效率和经济水平的同时，使生态环境也得到了明显改善，实现了经济与生态共同进步，有利于经济与生态的可持续发展。