石漠化遥感调查与GIS分析
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发布时间：2022-04-26 19:01
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时间：2023-10-22 11:03
贵州喀斯特地区受人类活动影响，特别是由于土地资源利用的不合理，不同区域出现了一系列的环境问题，一些地区存在的石漠化现象表现得尤为突出。通过应用多波段、多平台的遥感信息，在野外调研基础上与GIS技术支持下，对图像进行解译、编辑处理，制作石漠化动态图，为喀斯特地区生态治理及环境建设等方面提供依据。主要包括石漠化工作的软硬件环境，以胜任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，由人机交互判读系统和数据集成系统构成。
一、判读系统配置及资料收集
1。系统配置
（1）人机交互图像判读系统的硬件配置：石漠化专题数据采集以陆地卫星数字图像作为主要信息源，主要依靠高性能微机组成图像判读系统，其建议配置为：
主频：266MHz以上 内存：64MB以 上
硬盘：4.3GB以上 驱动器：光驱、3.5吋软盘驱动器
显示内存：4MB以上 显示器：15时以上
显示分辨率：800×600以上 颜色分辨率：24位或是32位真彩色
（2）人机交互图像判读系统的软件配置：操作系统为WINDOWS95、WINIDOWS98，采用ENVI3.1、ARCVIEW3.0、ARC/INFO以及MAPGIS等作为人机交互判读及数据处理的软件。其特点具有栅格图像与矢量图形相结合的功能；具有多种数据格式交换功能，能方便地实现与ARC/INFO的数据交换；各种工具利于操作。
（3）扫描与图像处理软件及成果输出设备：采用Windows98操作平台下的Photo-shop5.0或其他图像扫描处理软件及MAPGIS、ARCVIEW等GIS软件作为图像栅格矢最转换，数据格式转换要求采用Arc/info软件包进行交换。需要的数字化输入设备有：A0幅面扫描仪或数字化仪。成果的输出采用MAPGIS、ARCVIEW等GIS软件进行图像图形编辑，需要的输出设备有：A1幅面以上的彩色喷墨绘图机、A4幅面以上的激光打印机和喷墨打印机等，同时，采用可读写光驱或其他存储设备进行数据备份保存。
2.遥感图像选择
喀斯特石漠化的遥感解译工作，数据影像文件是2000年度为主的（1:1（）万）TM4、TM3、TM2三波段假彩色合成数字影像（照片3-1），其光谱效应如表3-3所示，图像已经根据县级行政区域完成分景之间的镶嵌，并进行了几何纠正和统一的投影处理，叠加了以县为基本单元的行政界限。图像文件已经叠加有全国1/10万标准分幅地形图的4个图廓点，作为判读分析后数据编辑的控制点，每一个图廓点必须在判读勾绘时标描，并进入后期图形编辑过程。
表3-3 TM（4、3、2）光谱效应
图像处理和几何精度校正采用最小二乘法计算。校正方程根据控制点选取情况采用2次到3次多项式。像元重采样采用最近邻点法或双线性插值法。校正后每个像元的分辨率为30m。生成县级图像文件和行政界线数据，其投影方式为等面积割圆锥投影。采用全国统一的*经线和双标准纬线。*经线为东经105°，双标准纬线为北纬25。和北纬47°，坐标原点为（105,0）。由于贵州省自然环境复杂多样的特点，在TM图像的季相确定时，既要注意所在调查区域内TM信息瞬时覆盖时本身的质量（如含云量度＜10%等技术指标），又必须顾及不同区域的时效性季相差异选择。根据现势性要求，获取2000年陆地卫星TM图像，对部分数据获取困难地区采用其他图像。根据瞬时状态下最大限度使图像上尽可能丰富地反映地表信息的原则，选择秋冬季图像；如果遇到不可抗拒的客观原因（如天气条件等），可适当选择提前或滞后一两个覆盖周期的图像。
3.资料收集及野外作业
选择最新版本的比例尺为1:10万或1:5万地形图及1:20万水文地质图，负责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地质图、地貌图、植被图、土壤图、沙漠化图、石漠化图、坡度图、土地利用图、中国石漠化区划图和流域界线图等专业性图件，水文气象观测资料，包括水文站点的水文泥沙资料、实验站的石漠化观测资料、淤地坝的泥沙淤积资料及其他有关研究报告。同时，通过对工作区域外业补充调查，建立石漠化强度分级遥感解译标志，拍摄相应的野外实况照片，用于石漠化强度判读分析。
二、喀斯特石漠化遥感调查技术路线
项目利用遥感和地理信息系统作为技术手段，利用多学科结合的优势进行综合性的相关分析，以统一的标准对石漠化现象及成因、对策进行研究，技术方法严密、客观，避免了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。
“石漠化”是喀斯特山区所特有的一类现象。在中国南方高温多雨的条件下，自然的石漠化并不存在，即使在土层覆盖少的地区，也发育高大的原生森林。“石漠化”的出现是自然、人为因素共同作用的结果。石漠化产生的自然条件：一是要有纯度较高的碳酸盐岩（尤其是石灰岩），二是要有坡度较大的地形条件。虽满足上述两个条件，但在纯天然状态下，高温多雨的气候仍可发育高大的森林，这已为荔波茂兰等地的情况证实。只有在人为反复砍伐植被或陡坡开垦的条件下，引起植被覆盖层丧失、石漠化发展，其结果最终导致石漠化。引起石漠化的主要原因是人为因素，而植被条件决定着石漠化的级别和程度因此，只要结合岩性岩组图、地形图，解译植被覆盖稀疏的情况，结合野外调查得出的相关关系和分布规律，就可在TM影像上直接解译石漠化土地。
TM影像的分辨率为地面距离30m，计算机上人机交互解译，可在任意放大和增强的条件下进行。因此可以达到较高的精度，满足大比例尺制图精度要求。裸岩由于其特殊的光谱效应，可以在TM影像上得到很好地表现。还可利用遥感影像处理软件中的工具，如植被指数及各种增强方法，最大限度地挖掘裸露碳酸盐岩信息，给予准确地解译。
采用目前最先进的监测、评价技术及以地理信息系统技术为支撑，以遥感资料为主要信息源，结合由地形图派生的坡度图，由区域地质图派生出喀斯特与非喀斯特及石山半石山的石漠化背景图。采用植被覆盖、土壤背景、地面坡度等决定石漠化的主要因素，参考降水量、降雨强度等有关因素建立石漠化定量分析模型，应用现代建模技术进行石漠化强度评价和调查制图；结合行政区划，得到各地（市）、县（市）石漠化评价图和数据（图3-1）。
图3-1 喀斯特石漠化遥感调查技术路线
三、石漠化遥感调查工作流程
通过技术路线，最后确立具体工作流程（图3-2），其步骤为：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。
1.解译的图斑识别方法
（1）直接判定法：在遥感工作软件支持下，对影像的色调、形状、位置、大小、阴影、纹理及其他标志，非常明确的地物进行直接的判读，如河流、植被及城镇等（表3-4）。
表3-4 直接判定地物对应影像特征表
（2）对比分析法：对卫星图像不同波段、图像进行对比分析以及结合实地影像预判结果，对于不容易判别的岩性和坡度，则要结合地质图和地形图来识别，坡度可由地形图得到，从而建立卫星图像与实地地物和现象的对应关系，使判读成果更为准确。
图3-2 喀斯特石漠化遥感解译工作流程图
（3）逻辑推理法：基于卫星图像的特点，卫星图像的判读更多的是应用地学规律的相关分析和实际经验，进行逻辑推理法的判读，即借助各种地物和自然现象间的内在联系，结合图像上表现出的特征，用专业知识的逻辑推理法，判定某一地物和现象的存在及其属性。例如：从水系分布的格局、密度，可推断出有关岩性及地貌类型等方面的信息。从植被类型分布，可推断出土壤类型等方面的信息。
（4）机上图斑处理法：对比较大的多边形首先用多边形抠挖的方法，建立横跨该多边形的一个或多个多边形，并将文件送入Arc/Info中进行拓扑运算，即建立多边形之间的空间相对关系，运算完成后，原来的大多边形已经被分割成小的多个多边形，在这种情况下，再用Arcview提供的多边形分割工具进行分割就能极大地提高工作效率，具体作法是直接操作鼠标，沿影像特征的边缘准确绘出地类界（界线应严格封闭）。根据表3-1，依照TM影像的特征，结合地质图、地形图赋予图斑相应的侵蚀类型属性，逐块完成石漠化各级别的判读和进行准确的定位（1）。完成后，再进行一次拓扑运算，便生成了新的石漠化强度图（2）。
2.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），进行石漠化分布程度等的再检验。具体作法是对每级别石漠化图斑设置成透明，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、校正。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以及是否建立图形的拓扑关系等等，直至评估满意产生石漠化图（3），从而统计出空间数据，利用GIS数据处理进行空间分析，并结合人口区域经济等指标，分析贵州喀斯特地区石漠化与经济贫困的关系。
