“3S” 技术在贵州喀斯特地区土地石漠化现状研究中的应用

1 “3S”技术在贵州喀斯特地区土地石漠化现状研究中的应用 吕 涛 （贵州省水土保持监测站，贵州省水利厅，贵阳，550002）

【摘 要】 本文讨论了利用“3S”（遥感、地理信息系统、全球定位系统）技术研究喀斯特地区土地石漠化现状的原理、方法，石漠化等级及其分布特征。 【关键词】 “3S” 喀斯特 石漠化

1. 喀斯特石漠化及其“3S”研究必要性 水土流失的恶果之一就是导致土地资源的退化和丧失，在土层厚度薄的贵州喀斯特山区尤为严重。贵州省是我国贫困地区集中连片的省区之一。究其贫困原因有多方面，其中很重要的方面是日趋紧张的人地关系问题，即由于喀斯特山地比例大、人口土地承载率相对超负荷，山地开垦引起的水土流失以及植被破坏导致脆弱的喀斯特山地石漠化现象严重，土地生产力低下引起的。据统计，近年土地石漠化在贵州以惊人的速度发展，严重威胁着当地群众的生存环境，必须引起高度的重视。摸清石漠化在贵州的面积、分布、程度、成因，研究防治对策，对于增加贵州生态环境建设的力度，制订资源、环境、经济、人口协调发展的战略规划、水土流失治理方案等都有重要意义。 多年来，由于技术手段落后，贵州的石漠化数据始终未能拿出一个可信的数据，在“3S”（遥感、地理信息系统、全球定位系统）技术高度发展的今天，利用这一技术研究贵州的水土流失动态和石漠化状况十分必要。实践中我们尝试利用“3S”技术，以统一的标准对贵州土地石漠化现象及成因、对策进行研究，技术方法力求严密客观，避免传统方法进行这类大面积研究中人力物力投入过大、标准难以控制等带来的弊病。

2. 遥感与GIS技术在石漠化调查中的应用探讨 贵州喀斯特石漠化现状的遥感解译，利用多学科结合的优势进行相关分析，套合岩性岩组图、坡度图、土地利用图等数字化图件及其它非遥感信息，结合野外GPS定位观察，研究石漠化土地形成的各种相关关系和分布规律，以统一的标准对全省石漠化进行研究。依托遥感与地理信息系统(GIS) 所需要的计算机软硬件环境进行，以能满足贵州省石漠化遥感调查工作和石漠化数据集成工作为标准, 由人机交互图像判读系统和数据集成系统构成。 2.1 人机交互图像判读系统 石漠化专题数据采集以陆地卫星TM数字图像作为主要信息源，微机操作系统采用ENVI、 2

ARCVIEW、ARC／INFO、MAPGIS等作为人机交互判读及数据处理的软件，能方便地实现与ARC／INFO的数据交换。 石漠化遥感调查作业流程，采用人机交互的判读分析方法，根据2000年TM（4、3、2合成）影像及典型地区TM7个波段数据，其遥感解译工作在ARCVIEW和ENVI平台上进行，同时叠加对应的土地利用图、地形图、坡度图、地质图，并参考其它相关资料及图件，分析石漠化类型、植被覆盖度、地表组成物质等状况，确定石漠化强度后，在微机屏幕上直接进行石漠化强度勾绘、制图，作业比例尺1：10万，时相尽量选择冬季图像，资料选择最新版本的1:10万比例尺或1:5万地形图及水文地质图,收集与石漠化遥感调查有关的图件和文字资料。为了提高影像的信息可解译性和保证成果质量，广泛收集整理现有的基础研究成果及各种比例尺的专题图、水文站点的水文泥沙资料、实验站的石漠化观测资料，拦沙坝的泥沙淤积资料及其他有关研究报告。野外作业通过对工作区域外业补充调查，建立石漠化类型和强度分级遥感解译模式和解译标志，同时用GPS定位对比TM影像特征和光谱特性，拍摄相应的野外实况照片，用于石漠化强度判读分析，技术路线如图1所示：

图1 技术路线框图 2.2 石漠化遥感调查工作流程 具体步骤为：土地利用图转换成土壤侵蚀图、图斑识别方法、图斑抠挖及分割、土壤侵蚀图的结果统计分析等，具体解译工作流程见图2：

TM图象 地质图 地形图 植被覆盖图 坡度等级图 地质背景图 降水量降雨强度 行政区划图

石漠化遥感监 测基础数据库

石漠化调查、评价定量分析模型

全省石漠化现状调查及评价结果（图、数据册）

全省1：10万石漠化调查评价图及数据

地（市）、县（市）石漠化数据册及数字图 3

图2 解译工作流程图 2.3 石漠化图的结果统计分析 对已经进行了多边形分割抠挖，分割合并的石漠化图（2），进行石漠化类型的再识别。具体作法是对每类石漠化类型设置成透明，然后依据影像特征和地形图、地质图等相关信息对其进行鉴定，订正，同时检查图斑定性和定位是否准确；作业方法是否符合有关规定；矢量图内图斑弧段是否封闭，图斑是否漏号或重号，是否建立图形的拓朴关系等等。直至评估满意产生石漠化图（3）。 通过以上步骤，并以野外资料为依据，在初判石漠化图基础上不断修订，最终生成满意的石漠化图，再利用Arcview的数据统计功能，统计出各类侵蚀类型的具体数值，并制成图表，以利于进行分析。 2.4 石漠化遥感影像的判读指标 2.4.1 地表质地指标 碳酸岩区多发育峰从、峰林、丘峰、丘陵、洼地等地貌形态，具有清楚的影像图形特征，但也有少部分发育侵蚀—溶蚀山地，与常态地貌难以识别，故要借鉴于套合的地质岩性图进行解译。 2.4.2坡度指标 当地表质地和植被状况一定时，石漠化等级主要取决于地貌坡度，坡度等级主要从坡度图上获取，也可参照影像阴影的深浅获取。

石漠化判别模式 石漠化图（1） 图斑识别 ARC/INFO拓扑运算 石漠化图（2） 结果评估 石漠化图（3）

土地利用Tm影象 地质图 地形图 质地图 坡度图

不满意 4

2.4.3植被指标 当图斑质地和坡度确定以后，图斑勾绘和侵蚀等级判定的指标就是植被、植被覆盖度、植被结构信息等从影像色调深浅及色相确定。一般标准假彩色影像的特征如下表:

表2-1 石漠化等级 基岩裸露率（%） 植被土被覆盖率（%） 影像特征 无明显石漠化 ＜50 ＞70 暗红、大红、成块状 潜在石漠化 ＞50 50～70 浅红、绿红色，星状 轻度石漠化 ＞60 35～50 品红，插花状 中度石漠化 ＞70 20～35 绿红、红中带白，斑状 强度石漠化 ＞80 10～20 红中带白，灰白，斑状 极强度石漠化 ＞90 ＜10 灰白色、斑状

3. 遥感解译的喀斯特石漠化强度分级系统 要得到喀斯特石漠化的强度分级、判读指标,必须建立喀斯特石漠化强度级别划分的指标体系,遵循一定的原则及应用一定的技术进行定性和定量的分析和计算,从而得到其指标。 3.1 石漠化的分级标准 3.1.1 石漠化强度 贵州喀斯特地区石漠化强度分级是以喀斯特地区的无明显石漠化和极强度级石漠化两极值内插分级,全省统一分六级(表3)。

表3-1 纯碳酸盐岩区石漠化强度分级标准表 石漠化强度等级 基岩裸露 (%) 土被覆盖 (%) 坡度 (度) 植被+土被覆盖(%) 平均土厚 (cm) 农用

价值

无石漠化 <50 >50 <15 >70 >20 宜有水保措施的农用 潜在石漠化 >50 <50 >15 50～70 <20-15 宜林牧 轻度石漠化 >60 <30 >18 35～50 <15 临界宜林牧 中度石漠化 >70 <20 >22 20～35 <10 难利用地 强度石漠化 >80 <10 >25 10～20 <5 难利用地 极强度石漠化 >90 <5 >30 <10 <3 难利用地

表3-2 不纯碳酸盐岩区石漠化程度划分指标表 石漠化强度等级 基岩裸露 (%) 土被覆盖 (%) 坡度 (度) 植被+土被覆盖(%) 平均土厚 (cm) 农用

价值

无石漠化 <50 >50 <22 >70 >20 宜有水保措施的农用 潜在石漠化 >50 <50 >22 50～70 <20 宜林牧 轻度石漠化 >60 <30 >25 35～50 <15 临界宜林牧 中度石漠化 >70 <20 >30 20～35 <10 难利用地 强度石漠化 - - - - - - 极强度石漠化 - - - - - -

3.1.2 石漠化总体特征 从遥感解译结果分析，贵州的喀斯特石漠化程度是相当严重的。中度以上石漠化面积占到7.5%，标志着石漠化的程度已经相当高；轻度以上石漠化面积占到全省的20.4％，如加上具有潜 5

在石漠化的土地，面积可以达到40％以上，意味着石漠化的危险性非常高。 贵州喀斯特石漠化研究工作在喀斯特区域（即地表为碳酸盐岩石出露的区域）进行，非喀斯特地区（占全省土地总面积的３５．６３％）未进行分级。贵州的非喀斯特地区主要集中分布在黔东南（变质岩），其次以黔西南红水河流域（中三迭系砂页岩为主）、黔北赤水、习水（侏儸系、白垩系为主）及梵净山区（变质岩）较为集中，其它地区分布较零星。这类地区岩石多容易风化、疏松，切割强烈，地形以山地占绝对优势，一般而言都有较厚的风化壳、为无明显石漠化区域，土地利用上多宜林用，为贵州主要林区所在，但在陡坡开荒严重的地区如毕节地区纳雍、毕节、威宁、赫章；六盘水市盘县、水城；铜仁地区沿河、印江、思南等地，土壤侵蚀非常强烈。 无明显石漠化（11） 这类地区一般包括成片的负地形（限于比例尺，较小洼地等负地形未分出）、平地、缓坡梯田和梯土、覆盖度高的林地；以及特殊的类型如水体、城镇，全省解译面积为33524km2。 潜在石漠化（12） 基本特征是植被、土被覆盖度较大，可达５０－７０％，其分布有两种情况：在纯碳酸盐岩石分布区这种类型一般植被覆盖度较大，但平均土层厚度薄，在２０厘米以下，坡度一般大于２０度；不纯碳酸盐岩石分布区则往往有着较低的植被覆盖度和较高的土被覆盖度，水土流失威胁大，在纯碳酸盐岩石分布区由于植被尚有较大覆盖度，景观外貌不具“石漠”的印象，全省解译面积为43714km2。 轻度石漠化土地（13） 一般特征是坡度在１５度以上，植被结构低、以稀疏的灌草丛为主，覆盖度在３５－５０％之间；土被覆盖率低，一般在３５％以下。纯碳酸盐岩石分布区一般植被覆盖度高于土被覆盖度，按其成因可分为开垦成因的和非开垦成因的（如乱砍滥伐、毁林毁草等，）。在半喀斯特区，由于开垦和植被毁坏导致土被丧失和基岩裸露，从而形成这类石漠化，全省解译面积为22733km2。 中度石漠化（14）类型,石漠化特征明显，这种类型大部分产生于纯碳酸盐岩石峰丛洼地或峰林地貌上，显示离村寨较近山头最容易受到过分樵采演化为这类土地，在地表石沟石芽不太发育的情况下，土被分布零星、破碎。这类土地不适宜农耕也基本上不能农耕，生长植被的条件也较为恶劣，全省解译面积为10518km2。 强度石漠化和极强度石漠化（15）,是几个等级中石漠化强度最高的部分。其外观石质荒漠化表现明显，基岩裸露面积大，在80-90%以上，土被覆盖在20-10%以下，坡度陡、以低结构灌草丛为主的植被覆盖也低于20%，农用价值丧失，全省解译面积为2669km2。 全省非喀斯特区解译面积为67052.9km2。 这类土地类型发生在高纯度石质岩峰丛、峰林喀斯特山地丘陵上，地貌坡度陡，原生土层薄，