“3S” 技术在贵州喀斯特地区土地石漠化现状研究中的应用

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 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 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 石漠化石漠化判别模式 石漠化石漠化图 1 图斑识别 ARC INFO 拓扑运算 石漠化石漠化图 2 结果评估 石漠化石漠化图 3 土地利用图 Tm 影象 TmTm 影象影象 TmTm 影影象象 TmTm 影象影象 地质图地质图地形图质地图坡度图 不 满 意 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 5050 70浅红 绿红色 星状 轻度石漠化 6035 50品红 插花状 中度石漠化 7020 35绿红 红中带白 斑状 强度石漠化 8010 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5070 20 宜有水保措 施的农用 潜在石漠化 501550 70601835 50702220 35802510 209030 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5070 20 宜有水保措 施的农用 潜在石漠化 502250 70602535 50703020 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 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 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 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 厘米以 下 坡度一般大于 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 度以上 植被结构低 以稀疏的灌草丛为主 覆盖度在 之间 土被覆盖率低 一般在 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 大部分不经开垦而是经人为反复的植被破坏就可形成 生态环境恶劣 从本次遥感调查看 贵州石漠化程度确已达到令人触目惊心的地步 石漠化土地面积达到 20 4 即轻度 中度 强度 占碳酸岩出露区的 32 45 接近碳酸盐岩分布的 1 3 3 2 数字 得出以下结论 1 贵州是喀斯特石漠化极为严重的省份 以碳酸盐岩区而论 近 1 3 已经石漠化 石漠 化加上潜在石漠化土地面积占碳酸盐岩出露区 2 3 无明显石漠化的土地只占不足 1 3 石漠化土地形成受到人为活动影响 也受到地质岩性 主要是碳酸钙纯度 地貌发育类型等 自然因素的影响 从分布上看 石漠化土地更多地分布在纯碳酸盐岩为主的贵州西部 西南部 显示了自然因素的影响强度较大 当然 同样自然条件下人类活动的影响就占主导地位 石漠 化分布区以切割强度大的峰丛喀斯特地貌类型最多 岩性上以纯度高的石灰岩区为多 从农业土地资源的角度看 占贵州碳酸岩分布区 1 3 强的潜在石漠化土地现实农业利用价值 不高 生态脆弱 在不合理的土地利用方式下会较快地向石漠化土地演变 所以 这类土地是广 义的石漠化危险区 贵州碳酸质岩分布区中有近 2 3 的面积属石漠化或有石漠化危险的地区 必 须在保护治理上引起高度重视 而且贵州土层相对深厚的非喀斯特区 尤其是黔北 黔东北 又 由于人口压力大而土壤侵蚀强烈 这种现象如得不到改变也会逐步演化为石漠化土地 更加重了 贵州生态环境的严酷性 2 贵州喀斯特石漠化和潜在石漠化地区与干旱 半干旱地区荒漠化不同 有可以挖掘的 潜力 首先 喀斯特石漠化发生的大环境背景是高温多雨 雨热同季 水热条件得天独厚的亚热 带高原山地区 解决这类地区缺水少土的可能渠道较多 如在陡坡石山上垒堡坎 搬客土 造旱 田 利用扶贫款修水池解决人畜饮水 灌溉田土等成功范例 降雨量大 人工蓄水潜力较大 在 有足够投资的条件下 可以充分考虑利用有利的光 热 水条件 考虑用立体栽培 无土栽培发 挥小面积土地的潜力 增加单位面积产量 从技术手段上看 遥感 地理信息系统 全球定位系统技术