劉曉林 劉超群 鄺高明 史燕東 李樹(shù)波

摘要：為了研究不同空間尺度植被覆蓋度在巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別中的適用性，參照SL 461-2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用MODIS、Landsat8、高分1號(hào)3種不同空間分辨率的遙感影像反演了植被覆蓋度，結(jié)合基巖裸露率、地形坡度和地類(lèi)因子，進(jìn)行了巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別，對(duì)比分析了不同空間尺度植被覆蓋度和土壤侵蝕計(jì)算結(jié)果的差異。結(jié)果表明：MODIS、Landsat8、高分1號(hào)3種影像基本都能反映研究區(qū)植被覆蓋的相對(duì)狀況，空間趨勢(shì)大致相同，但局部有所差異，基于MODIS和Landsat8影像的植被覆蓋度在各個(gè)等級(jí)分布面積趨勢(shì)大致相同，高分1號(hào)則表現(xiàn)出明顯差異。3種影像得到的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布趨勢(shì)特征與植被覆蓋度大致相同，植被覆蓋度影像空間分辨率越高計(jì)算得到的土壤侵蝕越嚴(yán)重，基于高分1號(hào)影像計(jì)算的土壤侵蝕強(qiáng)度高于Landsat8影像的結(jié)果，基于Landsat8影像計(jì)算的土壤侵蝕強(qiáng)度高于MODIS影像的結(jié)果。因此，進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別時(shí)，植被覆蓋度因子的選擇至關(guān)重要，需進(jìn)行尺度適用性評(píng)價(jià)。

關(guān) 鍵 詞：土壤侵蝕;植被覆蓋度;空間尺度;遙感影像;巖溶區(qū)

中圖法分類(lèi)號(hào)：S157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0065-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.011

0 引 言

土壤侵蝕是世界上最嚴(yán)重的環(huán)境危害之一。在全球范圍內(nèi)，土壤侵蝕面積占陸地總面積的11%，而中國(guó)是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國(guó)家之一，土壤侵蝕面積占國(guó)土面積的四分之一以上[1-3]。在中國(guó)南方巖溶地區(qū)，人類(lèi)對(duì)土地不合理利用，導(dǎo)致地表土壤發(fā)生侵蝕，水土大量流失，表層巖石日益裸露，形成了大面積礫石堆積的極端土地退化現(xiàn)象，稱之為喀斯特石漠化[3]。石漠化是中國(guó)南方巖溶地區(qū)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，摸清巖溶地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與空間分布，是準(zhǔn)確分析巖溶地區(qū)石漠化狀況和有效開(kāi)展石漠化綜合防治的前提[4-5]。

為了規(guī)范中國(guó)南方巖溶地區(qū)土壤侵蝕調(diào)查，指導(dǎo)巖溶地區(qū)水土流失綜合防治工作，水利部頒布了SL 461-2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）[6]。該標(biāo)準(zhǔn)采用基巖裸露率、植被覆蓋度、地形坡度和地類(lèi)4個(gè)因子進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度判別。由于基巖裸露率因子獲取技術(shù)和方法差異較大[7-8]，導(dǎo)致該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中較少，不利于進(jìn)一步開(kāi)展巖溶區(qū)水土流失與石漠化規(guī)劃、治理與效益評(píng)價(jià)等工作。而植被覆蓋度因子通常采用遙感影像獲取，由于土壤侵蝕和遙感影像的尺度效應(yīng)，通過(guò)遙感獲取的土壤侵蝕特征信息并不能簡(jiǎn)單地由小尺度向大尺度推廣[9-13]。蔡夢(mèng)雅分析了不同時(shí)空尺度NDVI數(shù)據(jù)在定量土壤侵蝕遙感估算中的可行性，結(jié)果顯示采用30 m分辨率的數(shù)據(jù)計(jì)算的土壤侵蝕總面積大于采用250 m空間分辨率計(jì)算的侵蝕總面積[14];齊治軍研究了黃土丘陵區(qū)不同時(shí)空尺度下小流域水土流失的基本特征及尺度效應(yīng)，探討了水土流失尺度效應(yīng)的影響因素，結(jié)果表明植被覆蓋度因子的空間異質(zhì)性是不同面積小流域水土流失尺度效應(yīng)的主要影響因素[15]。目前不同時(shí)空尺度的遙感影像具有如下特征：高空間分辨率的影像精度高但覆蓋范圍小、時(shí)序短，低空間分辨率的影像精度差但覆蓋范圍大、時(shí)序長(zhǎng)[16-17]。因此，在進(jìn)行植被覆蓋度因子反演和土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，亟需針對(duì)不同空間尺度植被覆蓋度計(jì)算得到的土壤侵蝕強(qiáng)度開(kāi)展對(duì)比研究，進(jìn)而為篩選出最優(yōu)空間尺度植被覆蓋度遙感影像進(jìn)行特定尺度土壤侵蝕強(qiáng)度判別提供基礎(chǔ)。

本文選取石漠化強(qiáng)度較為嚴(yán)重、遙感影像質(zhì)量較好的貴州省關(guān)嶺縣地區(qū)，基于MODIS、Landsat8、高分1號(hào)3種不同空間分辨率的遙感影像反演的植被覆蓋度，依據(jù)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)比不同空間尺度植被覆蓋度及土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的差異，評(píng)價(jià)不同空間尺度植被覆蓋度在巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別中的適用性，可為植被覆蓋度因子的選擇提供參考依據(jù)，進(jìn)而推進(jìn)該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際工作中的應(yīng)用，以期為巖溶區(qū)水土流失與石漠化綜合規(guī)劃、設(shè)計(jì)與防治提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

以一景高分1號(hào)衛(wèi)星影像（中心經(jīng)緯度：E105.7°，N25.8°）覆蓋范圍為研究區(qū)，該區(qū)位于貴州省中部偏西南方向，涉及關(guān)嶺、鎮(zhèn)寧、貞豐3個(gè)縣，界于E105°35′06″～105°50′56″，N25°35′56″～25°58′16″之間（見(jiàn)圖1），總面積為1 205 km2，其中巖溶區(qū)面積1 104 km2，占整個(gè)區(qū)域的92%。

研究區(qū)坐落于云貴高原東部脊?fàn)钚逼履蟼?cè)向廣西丘陵傾斜的斜坡地帶，地表崎嶇、山地多、平地少。區(qū)域內(nèi)最高海拔為1 768 m，最低海拔為344 m，呈現(xiàn)出中間低、東西兩側(cè)高的地勢(shì)。地形特征復(fù)雜多樣，石灰?guī)r大范圍出露，屬西南地區(qū)常見(jiàn)的典型喀斯特山區(qū)地形。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)性氣候，四季分明，熱量充足，具有夏季炎熱多雨、冬季寒冷多霧的特點(diǎn)。年平均氣溫約16.2 ℃，年均降雨量1 200～1 700 mm，其中雨季（6～8月）降雨量占全年的60%左右，年平均徑流深約451 mm [18]。土壤以黃壤、黃色石灰土、黃紅壤及紅色石灰土為主，呈垂直地帶性分布。植被為亞熱帶常綠闊葉林，其喬木樹(shù)種主要有馬尾松、杉樹(shù)、柏樹(shù)等，灌木樹(shù)種主要有杜鵑、火棘等。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，選取MODIS、Landsat8、高分1號(hào)不同空間分辨率的衛(wèi)星影像來(lái)獲取研究區(qū)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，時(shí)相均為2015年10月，對(duì)遙感影像進(jìn)行了輻射校正、幾何校正等預(yù)處理工作，衛(wèi)星具體參數(shù)如表1所列。土地利用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供，時(shí)間為2010年，制圖比例尺為1∶100 000，編碼采用中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)分類(lèi)系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)基于Landsat遙感影像，采用人機(jī)交互判讀方法獲得。DEM數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間云（http：∥www.gscloud.cn/），空間分辨率30 m（1∶100 000）。碳酸鹽巖分布數(shù)據(jù)由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所提供，成圖比例尺為1∶100 000，該數(shù)據(jù)主要以1∶250 000區(qū)域地質(zhì)圖及省地質(zhì)志為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感影像上碳酸鹽巖獨(dú)特遙感影像信息進(jìn)行編制而成?；鶐r裸露率數(shù)據(jù)由珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站提供，時(shí)間為2015年，成圖比例尺為1∶100 000，該數(shù)據(jù)采用宏觀遙感監(jiān)測(cè)與無(wú)人機(jī)野外調(diào)查相結(jié)合，人機(jī)交互式解譯方法獲得。

2.2 技術(shù)流程

首先獲取研究區(qū)的基巖裸露率、植被覆蓋度、地形坡度和地類(lèi)數(shù)據(jù)，參照《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行巖溶地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算，然后結(jié)合《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的植被覆蓋度因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比基于MODIS、landsat8和高分1號(hào)影像反演的不同空間分辨率植被覆蓋度的差異性，分析基于其獲得的巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的面積異同性，具體流程如圖2所示。

（1）巖溶區(qū)界定。

采用1∶250 000碳酸鹽巖分布圖，進(jìn)行研究范圍內(nèi)巖溶區(qū)的界定。劃分出巖溶區(qū)后，采用巖溶區(qū)土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度判別。

（2）土地類(lèi)型信息。

本文中土壤侵蝕計(jì)算的時(shí)期是2015年，需要對(duì)2010年的土地利用的遙感影像采用人機(jī)交互式方法更新到2015年。根據(jù)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)主要涉及坡耕地和荒地，需對(duì)原有土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)型歸并，合并為坡耕地、荒地、水田、水體、建筑和其他共6種土地利用類(lèi)型，具體見(jiàn)表2。

（3）地形坡度計(jì)算。

采用30 m DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件中的Slope工具計(jì)算研究區(qū)坡度。

（4）植被覆蓋度反演。由于歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被長(zhǎng)勢(shì)、生物量、蓋度和葉面積指數(shù)等有較強(qiáng)相關(guān)性，而且能部分消除輻照條件變化對(duì)反演參數(shù)的影響，所以用像元二分模型反演植被蓋度，其公式為

VC=NDVI-NDVIsoil/（NDVIveg-NDVIsoil）NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）

式中：VC為植被蓋度;NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)NDVI值;NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)NDVI值;NIR為近紅外波段;R為紅光波段。

多數(shù)裸地表面的NDVIsoil理論上應(yīng)接近0，但由于受大氣效應(yīng)和地表水分等影響，NDVIsoil一般在-0.1～0.2之間;受植被類(lèi)型影響，NDVIveg也會(huì)隨時(shí)間和空間而改變[19]。因此，用土壤類(lèi)型圖統(tǒng)計(jì)NDVI的累積頻率，選取土種單元內(nèi)累積頻率為5%的NDVI值作NDVIsoil，用土地利用圖統(tǒng)計(jì)NDVI的累積頻率，選取林地和草地累積頻率為95%的NDVI值作NDVIveg[20]。

（5）結(jié)果對(duì)比分析。

依據(jù)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用多因子疊加分析，進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別，然后對(duì)比不同空間尺度植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕計(jì)算結(jié)果的影響，分析評(píng)價(jià)不同空間尺度植被覆蓋度在巖溶區(qū)土壤侵蝕判別中的適用性。

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度對(duì)比分析

基于MODIS、Landsat8、高分1號(hào)影像反演得到研究區(qū)3種空間分辨率的植被覆蓋度（見(jiàn)圖3）。從空間分布上看，3種數(shù)據(jù)基本都能反映研究區(qū)植被覆蓋的相對(duì)狀況，空間趨勢(shì)大致相同，但在局部區(qū)域3種數(shù)據(jù)對(duì)植被的刻畫(huà)程度有所差異：分辨率越高，影像對(duì)植被信息刻畫(huà)越精確，分辨率越低，影像對(duì)植被信息概化越模糊，如MODIS影像反演的植被蓋度出現(xiàn)了連片高于75%的區(qū)域和連片低于30%的區(qū)域，中分辨率Landsat8影像反演的植被蓋度則稍微好一些，高分影像反演的植被蓋度則描述得更為細(xì)致。

定量上看（見(jiàn)圖4），MODIS和Landsat影像的植被覆蓋度分布趨勢(shì)大致相同，分布面積隨著等級(jí)的增加逐漸增大，60%～75%等級(jí)時(shí)的面積達(dá)到最大，大于75%等級(jí)的面積又減小;而高分影像的植被覆蓋度分布與MODIS、Landsat8影像的差異則較大，分布面積隨著等級(jí)的增大逐漸減小，小于30%等級(jí)的面積最大，大于75%等級(jí)的面積最小。造成上述差異的原因主要有以下兩點(diǎn)：不同傳感器對(duì)植被的響應(yīng)波譜不同，導(dǎo)致計(jì)算的NDVI有所差異，進(jìn)而得到的植被覆蓋度也有所差異;3種衛(wèi)星影像的空間分辨率不一致，影像的尺度效應(yīng)導(dǎo)致獲取到的植被覆蓋度也不同。

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度對(duì)比分析

采用MODIS、Landsat8、高分1號(hào)影像反演的植被覆蓋度，分別疊加基巖裸露率、地形坡度、地類(lèi)因子，分析得到研究范圍內(nèi)巖溶區(qū)的3種空間分辨率的土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果（見(jiàn)圖5）。從空間分布上看，基于不同空間分辨率植被覆蓋度因子得到的3種土壤侵蝕強(qiáng)度分布趨勢(shì)大致相同，局部有所差異。整體趨勢(shì)上，其他因子空間分辨率一致的情況下，植被覆蓋度因子的空間分辨率越高計(jì)算得到的土壤侵蝕程度越嚴(yán)重，基于高分影像計(jì)算的土壤侵蝕強(qiáng)度最大，其次為基于Landsat影像計(jì)算的土壤侵蝕強(qiáng)度，而基于MODIS影像計(jì)算的土壤侵蝕強(qiáng)度最小。

定量上看，3種影像計(jì)算得到的侵蝕面積在各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)上分布的趨勢(shì)大致相同，從微度到劇烈等級(jí)的侵蝕面積逐漸減小，基于MODIS和Landsat影像得到的侵蝕面積減小的速率大致相同，在各個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)上分布的面積比較接近，而基于高分影像得到的侵蝕面積減小的速率較小，與前兩種數(shù)據(jù)差異較大，尤其在中度和強(qiáng)烈侵蝕等級(jí)的面積。在進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，植被覆蓋度因子對(duì)結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，植被覆蓋度的不同導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果有所差異，進(jìn)而影響到評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3 植被對(duì)侵蝕結(jié)果影響分析

對(duì)比基于MODIS、Landsat8、高分1號(hào)影像獲取的研究區(qū)植被覆蓋度和對(duì)應(yīng)土壤侵蝕結(jié)果的差異，分析植被因子對(duì)侵蝕結(jié)果的影響。利用上述3種數(shù)據(jù)獲取的研究區(qū)平均植被覆蓋度分別為55.74%，55.23%，43.56%，水土流失面積（輕度及其以上各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度的面積之和）分別為481.62，503.94，664.05 km2，所以平均植被覆蓋度越大，對(duì)應(yīng)的水土流失面積越小。

基于MODIS和Landsat8影像獲得的植被覆蓋度，在<30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%和>75%等級(jí)的面積呈正態(tài)分布，兩者在各個(gè)蓋度等級(jí)上面積相差較小，比例都在15%以內(nèi)，相差比例的平均值為6.89%。而基于高分影像獲得的植被覆蓋度在各個(gè)蓋度等級(jí)的面積呈金字塔狀分布，與前兩種影像的結(jié)果相差較大，只有在45%～60%等級(jí)的面積相差最小，其他等級(jí)的面積相差比例都大于30%，與MODIS影像獲得的植被覆蓋度在各等級(jí)的面積相差比例的平均值為44.12%，與Landsat8影像獲得的植被覆蓋度在各等級(jí)的面積相差比例的平均值為43.37%?；贛ODIS和Landsat8獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度，在各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)上面積相差較小，相差比例的平均值為13.24%。而基于高分影像獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度與前兩者在各強(qiáng)度等級(jí)上分布面積相差較大，與MODIS影像獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度在各等級(jí)的面積相差比例的平均值為64.81%，與Landsat影像獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度在各等級(jí)的面積相差比例的平均值為43.66%。所以在其他因子不變的情況下，植被覆蓋反演的等級(jí)面積差異可引起土壤侵蝕強(qiáng)度判定等級(jí)面積更大的差異。遙感影像空間分辨率越低，植被的混合像元越多，導(dǎo)致反演的植被覆蓋等級(jí)分布更為集中，土壤侵蝕判定的高強(qiáng)度等級(jí)面積越小，如MODIS植被覆蓋面積大部分集中在45%～75%等級(jí)，土壤侵蝕高強(qiáng)度等級(jí)面積較小，而高分1號(hào)的植被覆蓋面積在小于30%等級(jí)最大，在大于75%等級(jí)面積最小，對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕高強(qiáng)度等級(jí)面積較大。因此采用4個(gè)因子進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別時(shí)，植被覆蓋度因子的選擇至關(guān)重要，需進(jìn)行尺度適用性評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

以貴州省關(guān)嶺縣地區(qū)一景高分1號(hào)衛(wèi)星影像覆蓋區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，參照SL 461-2009《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用MODIS、Landsat8、高分1號(hào)3種不同空間分辨率的遙感影像反演了植被覆蓋度，結(jié)合基巖裸露率、地形坡度和地類(lèi)因子，進(jìn)行了巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別，應(yīng)用效果較好，可為其他巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度判別提供參考。

對(duì)比分析了不同空間尺度植被覆蓋度和土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的差異，3種數(shù)據(jù)基本都能反映研究區(qū)植被覆蓋的相對(duì)狀況，空間趨勢(shì)大致相同，但局部有所差異。基于MODIS和Landsat8影像獲得的植被覆蓋度在各個(gè)等級(jí)分布面積趨勢(shì)大致相同，高分影像則顯現(xiàn)出明顯差異，可能由傳感器差異和影像的尺度效應(yīng)造成。3種數(shù)據(jù)得到的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布趨勢(shì)特征與植被覆蓋度大致相同。整體趨勢(shì)而言，其他因子空間分辨率一致的情況下，植被覆蓋度因子的空間分辨率越高計(jì)算得到的土壤侵蝕程度越嚴(yán)重。在進(jìn)行巖溶區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，植被覆蓋度因子的選擇至關(guān)重要，需進(jìn)行尺度適用性評(píng)價(jià)。

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（編輯：黃文晉）