1.福州大学至诚学院 2.福建省水土流失遥感监测与灾害防治重点实验室

林冬凤1,2 廖杰1 杨淑珍1 庄玲玲1 范凯凯1 董治伶1

福建省永泰县地表裸土动态变化分析*

1.福州大学至诚学院 2.福建省水土流失遥感监测与灾害防治重点实验室

林冬凤1,2 廖杰1 杨淑珍1 庄玲玲1 范凯凯1 董治伶1

水土流失也叫土壤侵蚀，是目前威胁人类生态安全的重要表现形式之一。该研究采用Landsat 5和Landsat 8遥感数据影像为主要数据源，通过对影像进行裸土提取和裸土动态变化分析，并结合基础地理数据和野外实地考察资料，对永泰县1989—2015年间的水土流失进行监测和评估，并对永泰县的生态安全状况进行合理有效的评价。遥感影像经过数据分析处理后的裸土识别制图为水土流失治理工作提供了科学高效的技术支撑，为了对永泰县水土流失进行动态监测，并对其治理成效进行评价，该文基于Landsat卫星影像和遥感信息技术，将裸土指数（NDSI）与不透水面指数（NDISI）相结合，提取永泰县1989—2015年的地表裸土信息，从而对该县近26年来的地表裸土进行时空变化分析。结果表明，永泰县地表裸土面积在26年间大幅减少，特别在1995—2006年裸土减少速率最大，这说明2000年后，永泰县水土流失治理工作明显加快。

遥感影像 水土流失 裸土指数 永泰县

1 概述

水土流失是当今影响环境生态安全最严重的灾害之一，日益严重的水土流失已造成了地球生态环境的急剧退化，极大地损害了地球生态系统的自我调节能力，由其诱发的各种灾害也给人们的生产生活带来了威胁和损害。我国是世界上水土流失最严重的国家之一，由于水土流失的生态危害，导致植被覆盖率急速降低，进而导致沙漠化、泥石流、山洪等各种自然灾害频发，使灾害频发地的人们失去家园，背井离乡。即使是在森林覆盖率位居全国第一的福建省，水土保持现状也不容乐观。除了地处福建西部的长汀县是福建省水土流失的重灾区，福州市区近郊的永泰县的水土流失状况也十分严重，同样也备受关注。

水土流失造成地表出现大面积的裸露土壤。对此，快速并准确地定位裸土区域，进行地表裸土的时空变化分析，对于水土流失的治理工作尤其重要[1]。目前，凭借着能够实现大面积观测的特点，卫星遥感对地观测技术已经成为相关政府部门开展水土流失综合治理工作时获取数据的重要手段。近年来，与水土流失、生态分析相关的遥感研究也陆续展开。吴清泉等[2]应用SPOT影像数据，动态监测了长汀县水土流失区；李晓松等[3]基于RS和GIS技术，对赤城县的水土流失现状、空间分布及其变化原因进行了分析；徐涵秋[4]基于Landsat卫星数据和遥感指数法，从裸土面积、裸露强度和破碎度3个方面对长汀县地表裸土时空变化进行了研究；为了掌握永泰县水土流失区地表裸土的动态变化情况，本文基于遥感空间信息提取技术，对该县1989—2015年地表裸土的时空动态变化进行分析。这不仅可以客观地考察福建省政府2000年的政策对永泰县水土流失治理带来的效应，还可以对永泰县今后的水土保持工作和生态环境保护提供科学的决策依据。

2 研究区概况

永泰县地处福建省中部，闽江下游大樟溪流域。1983年全县水土流失现状普查发现，造成永泰水土流失的主要原因是生产建设、生活消耗柴草和开发利用水土资源忽视水土保持[5]。若不采取有效措施，将会带来更严重的后果。为全面深入地贯彻落实习近平总书记对长汀水土保持工作的重要批示精神以及省委、省政府对水土保持工作的重要部署，永泰县抓住机遇，坚持务实举措，积极推进水土流失治理。从1983年起，永泰县大力开展封山、育林、育草、种竹护岸，促进植被增长,控制水土流失。几年来共开展封禁防治点65个,面积为7万亩，每个防治点配备1名管理员，并实行定目标、定责任、劳绩与报酬挂钩的管理办法。在封禁的同时，配合林业部门造林、补植、种果树，尽量提高封禁经济效益。

3 裸土提取与分析

3.1 研究数据

研究数据采用卫星遥感影像，考虑到数据源的一致性，避免影像处理过程中可能产生的不确定性，所有遥感数据统一采用Landsat系列卫星数据。由于该区的水土流失有效治理始于20世纪80年代，因此选取1989—2015年为研究时间范围，更有助于全面揭示该区域水土流失治理的客观情况。影像类型及其获取时间分别为：1989.06.15(TM)、1995.11.23(TM)、2006.11.05(TM)、2013.10.23(OLI)和2015.09.27(OLI）。

3.2 研究数据预处理

其中1989.06.15(TM)、1995.11.23(TM)、2006.11.05(TM)影像用美国建立全国土地覆盖数据库(NLCD)使用的标准化流程对影像进行辐射校正，利用Chander等[6,7]和Chavez[8]的模型和参数将原始影像的灰度值(DN)转换为传感器处反射率，以减少不同时相的影像在地形、光照和大气等方面的差异。2013.10.23(OLI)和2015.09.27(OLI）影像根据Landsat 8网站提供的公式和参数，将影像的亮度值转换为大气顶部的光谱辐射值[9]。

3.3 裸土信息提取

本文选择典型的南方红壤水土流失区福建省永泰县作为研究区，其中以该区的盘谷乡和城峰镇为重点研究对象；研究区属典型的亚热带季风气候，雨量充沛，年均降雨量1500～1700 mm；境内四面环山，海拔在200～600 m，地矿资源丰富，土壤类型以可侵蚀性较高的红壤为主。由于诸多自然和人为因素的影响，区域内裸土大量分布，因此，可较好地验证裸土提取算法的可靠性。

裸土信息主要利用遥感指数法进行提取。选用的是Kearney等人的归一化差值裸土指数NDSI[6]，计算公式为：

式中，TM5和TM4分别代表TM影像的第5波段和第4波段的反射率。

但是NDSI实际增强的是地表具有高度、低植被覆盖的地区，所增强的信息中不仅包含了裸土信息，还包含了建筑用地信息。由于土壤和建筑用地都在TM5波段的反射率大于TM4波段反射率的特征，如图1所示。

因此公式（1）中的指数计算，土壤和建筑无法被很好地区分。对此，本文采用双重指数法对其进行改进，通过进一步归一化差值不透水面指数NDISI[10]来解决裸土信息和建筑信息混淆的问题。计算公式为：

式中，TM6、TM5、TM4和TM2分别代表TM影像的第6、5、4、2波段的反射率。

从公式(2)可以看出，NDISI采用的特征波段主要是TM6和TM5，土壤和建筑物在这两个波段的表现截然不同。土壤表现为TM5＞TM6，而建筑物表现为TM5＜TM6。因此利用公式（2）进行处理的结果只会增强建筑用地，而土壤会呈现负值而被抑制[12]。

图1 土壤与建筑用地的波谱曲线

根据以上两个指数构建阈值模型，可滤去裸土中的建筑用地信息。其构建模型为：若“NDSI＞a且NDISI＜b”，则为裸土，否则为非裸土。其中，a、b为阈值。通过对NDSI和NDISI指数影像的统计，获得其直方图和统计参数，并在直方图上通过目视判读和人工调试，获得a、b的最佳阈值。

精度验证采用野外实地验证结合高分辨率影像验证的方法。在永泰县2006年、2013年和2015年的影像上随机生成均匀分布的500个采样点，通过高分辨率影像进行判断和解译。对于其他影像则采用提取的裸土信息与其彩色合成影像对比，验证结果见表1。

表1 精度验证结果

3.4 裸土提取结果分析

分别对1989年、1995年、2006年、2013年、2015年的裸土提取影像（图2）进行统计，得出研究区各时相分布面积及所占比例，见表2。

表2 研究区裸土面积变化情况

从时间变化分析，由表2可以看出，永泰县内地表裸土面积在研究的时间段内有很大变化，裸土面积不断减少，从1989年的339.912 km2下降到2015年的246.209 km2，裸土面积减少了93.703 km2。地表裸露面积大幅减少，反映了永泰县的水土流失治理已经取得了显著的成效。根据影像的年份将时间分为1989—1995年、1995—2006年、2006—2013年、2013—2015年四个时段，可以看出，前三个时段的裸土面积依次减少，减少的速度也依次加快。其中1995—2006年与2006—2013年时间段裸土减少面积最多。这说明2000年福建省政府对永泰县水土流失治理以后，该区的水土流失治理工作明显加快。2013—2015年裸土年变化率最大，这跟政府在2013年采取的山洪灾害防治和生态治理密切相关。

图2 1989-2015年研究区各时相裸土分布图

从空间变化分析，由图2和表2可知，永泰县在20世纪80年代的地表裸露情况比较严重。1989年的裸土面积分布在研究的各个地区，该区的中部和中部偏上地区有连片的土壤裸露，山丘之间的沟壑植被稀少。随着时间推移，连片的裸土慢慢地碎化，出现一种沟壑式向两边递减、零碎分布的空间格局。为了进一步分析裸土面积随时间在空间的变化，本文将永泰划分为八个不同的象限，并对不同年份各个象限的裸土面积进行统计得到裸土方向变化，见图3。

如图3所示，研究区裸土在1989—2015年间向第六象限和第三象限收缩，其中第三象限变化量最大。结合2000年政府在水土治理方面采取的政策，本文将第三象限内的盘谷乡在不同时段裸土进行单独分析。

图4中，在1989年，盘谷乡裸土面积几乎占了全乡的2/3，并且裸土成片存在。1995年，盘谷乡裸土面积总量有所减少，从四周集中到了中部地区，使得中部的裸土大片存在，生态环境极其恶劣。到2006年，虽然盘谷乡土壤裸露情况仍然很严重，但是相比1989年和1995年来说，已经改善了许多。不仅裸土总量减少了很多，而且成片裸土的现象也开始慢慢消失。到2015年，盘谷乡内裸土面积总量减少了一半以上，主要集中在中部地区，东南部的裸土几乎完全消失。本次研究所获得的裸土变化数据基本体现了永泰县水土流失治理重要历史时期所产生的政策效应。1989—1995年的数据反映了1983年实施“试点”后的裸土变化情况；1995—2006年的数据则代表实施“为民办实事”项目实施后的最新地表裸露数据。总的来看，本研究获得的数据反映了随着不同时期政策力度的加大，永泰县裸土面积的减少越来越多、速度越来越快。

图3 1989-2015年研究区裸土扩展方向

图4 盘谷乡1989-2015年各时相裸土分布图

4 结果与讨论

目前常用的遥感裸土指数法无法对裸土信息进行精准的提取，其提取的信息中会含有建筑用地信息。本文通过土壤—不透水面双重指数结合的方法可以很好地分离裸土中的建筑用地信息，有效提高裸土信息的提取精度。

1989—2015年间，永泰县水土流失治理工作取得了显著成绩，主要表现为：地表裸土面积大幅减少，裸土面积从1989年的339.91km2减少到2015年的200.51 km2，大片裸土趋于破碎消失。永泰县地表裸土面积减少客观反映了该县水土流失治理所取得的成绩。特别是在1995—2006年间，裸土减少和植被覆盖度上升最为明显，这也表明了2000年福建省政府将永泰水土流失治理列为为民办事项目后，进一步推进了该县的水土流失治理工作。

[1]徐涵秋.福建省长汀县河田盆地区近35年来地表裸土变化的遥感时空分析[J].生态学报，2013，33(10)：2946－2953.

[2]吴清泉，陈明华，陈文祥，等.福建省水蚀区土壤侵蚀遥感监测技术探讨[J].水土保持通报，2007，27(4)：49－52.

[3]李晓松，姬翠翠，曾源，等.基于遥感和GIS的水土流失动态监测——以河北省赤城县为例[J].生态学杂志，2009，28(9)：1723－1729.

[4]徐涵秋.南方典型红壤水土流失区地表裸土动态变化分析——以福建省长汀县为例[J].地理科学，2013，33(4)：489－496.

[5]白艳芬，马海州，张宝成，等.基于遥感和GIS技术的青海湖环湖地区生态环境脆弱性评价[J].遥感技术与应用，2009，24(5)：635－641.

[6]Kearney M S,Rogers A S,Townshend J R G,et al.Developing a model for determining coastal marsh“health”[C]//ThirdThematicConference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments,Seattle,Washington, 1995：527-537.

[7]Chander G,Markham B L.Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41(11)：2674-2677.

[8]Chander G,Markham B L,Helder D L.Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS,TM,ETM+,and EO-1 ALI sensors [J].Remote Sensing of Environment,2009,113：893-903.

[9]徐涵秋.新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演[J]．地球物理报，2015,58（3）：741-747.

[10]Xu H Q.Analysis of impervious surface and its impact on urban heat environment using the normalized difference impervious surface index (NDISI)[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,2010,76(5)：557-565.

“国家级大学生创新创业训练计划”项目（ZJ1613）和福建省水土流失遥感监测与灾害防治重点实验室（福州大学）开放基金。