基于NDRI像元二分模型的石漠化信息提取研究

张晓伦;甘淑

【摘 要】岩溶石漠化是我国当前面临的三大生态灾害之一,以基岩裸露为主要表现特征的土地退化现象突出,岩石裸露率是评价石漠化的关键指标之一.本文选择滇东南地区广南县为研究区,构建归一化岩石指数(NDRI),引入像元二分模型法,提出了基于NDRI像元二分模型提取岩石裸露率,依据岩石裸露率与石漠化相关关系,得到了研究区石漠化面积及其分布状况.根据野外调查结果,对石漠化信息提取结果进行了精度验证,利用短波红外(TM7)与近红外(TM4)波段得到的结果远优于利用中红外(TM5)与红光(TM3)波段得到的结果,为相似岩溶区石漠化信息提取提供了参考. 【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2014(000)001 【总页数】4页(P72-75)

【关键词】石漠化;岩石裸露率;归一化岩石指数;像元二分模型 【作 者】张晓伦;甘淑

【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093 【正文语种】中 文 【中图分类】P237

我国西南岩溶地区喀斯特石漠化的形成受到区域特殊的地质环境制约，以石漠化为表现特征的生态环境退化逐步加剧，已成为继西北地区荒漠化和黄土高原地区水土

流失之后的我国第三大生态问题，近些年来已经引起国家与众多专家学者的高度重视，并成为研究的热点[1]。

遥感技术通过传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息传输及加工处理，获取多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的观测数据，具有宏观、快速、动态和实时等特点，能够对地表进行多层次、多视角和多领域的观测，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。利用遥感技术能够宏观、快速和经济地获取大范围岩溶石漠化的现状和分布规律等结果数据，可为石漠化的监测、石漠化的时空格局演变分析及后续治理提供科学依据[2]。

目前，关于石漠化的评价指标体系的研究仍没有统一方案。从石漠化直观表现上来看，石漠化是土地荒漠化的特殊景象，基岩裸露是最直观的表现特征；因此，岩石裸露率是评价石漠化的关键指标。由于喀斯特地区地表破碎，地物分布复杂，目前还没有有效的裸岩率计算方法[3]。

本文根据NDVI像元二分模型计算植被覆盖度的思想，通过构建归一化岩石指数(the normalized difference rock index,简称NDRI)，利用NDRI像元二分模型法计算岩石裸露率，再采用TM影像数据获取研究区石漠化信息，确定研究区石漠化分布状况。

研究区——广南县(如图1所示)，位于云南省东南部，文山州东北部，地处滇、桂和黔三省(区)接合部，东经104°31′～105°39′，北纬23°39′～24°38′；东与富宁县接壤，南邻西畴县和麻栗坡县，西接砚山县和丘北县，北与广西壮族自治区西林县毗邻；东西全长为105 km，南北相距103 km，离省会昆明471 km。区域内地势整体上由西南向东北呈阶梯状倾斜，境内多山，属于中亚热带高原季风气候与高原立体气候，年平均气温为16.7 ℃，冬无严寒，夏无酷暑，年平均降水量为1 056.5 mm，雨旱分明，雨热同季，年均相对湿度为70%～80%。位于华南褶皱系滇东南褶皱带文山—富宁褶皱束西畴拱凹北缘，地处滇黔桂“金三角”南西缘，

地壳活动过程为：地槽(加里东期)→地台(华立西期)→地槽(印支期)，演化过程较为复杂。

岩溶石漠化地区主要地表覆盖类型除了和非岩溶地区一样的植被和裸土外，还存在着广泛分布的裸露基岩，基岩裸露是石漠化现象的直观表现；因此，岩石裸露率通常被作为评价石漠化状况和分级的关键指标。

2.1 构建基于中红外(TM5)与红光(TM3)的归一化岩石指数

Huang等[4]在2009年根据归一化植被指数的思想提出了NDRI这一概念，利用Landsat 数据，提出基于中红外(TM5)与红光(TM3)波段构建归一化岩石指数(NDRI)，对贵州毕节地区进行喀斯特岩石裸露信息提取。 NDRI =(TM5-TM3)/(TM5+TM3)

2.2 构建基于短波红外(TM7)与近红外(TM4)的归一化岩石指数

构建的光谱指数是否理想是由其对感兴趣目标地物信息的敏感程度来决定的[5]。对于绿色植被来讲，叶绿素的强烈吸收造成在可见的红光波段具有较低的反射率；而在0.7～1.3 μm的近红外波段，由于叶肉海绵组织结构中有很多空腔，造成绿色植被近红外波段具有较高的反射率，导致绿色植被光谱特征与其他地物类型具有明显的差异。

在喀斯特环境中，裸露碳酸盐岩和石灰土等的光谱特征在短波红外波段(SWIR, 2 000～2 400 nm)有显著差异[6]；而水分子、羟基、碳酸根离子及硫酸盐等基团是短波红外波段光谱吸收特征的主要决定因素。由于水吸收和黏土中的蒙脱石晶格结构振动共同作用，形成的石灰土在中心波长为2 200 nm附近形成明显的单吸收特征；碳酸根离子在2 330 nm附近形成明显的吸收特征。对于碳酸盐岩来说，由于富含黏土矿物，使其在2 200 nm附近形成单吸收特征，富含碳酸根离子在2 330 nm附近形成明显的吸收特征[7]。

对于Landsat数据，近红外(TM4)波段波长范围为775～900 nm，记录地物的近

红外波段反射信息；短波红外(TM7)波段波长范围为2 090～2 350 nm，记录地物在短波红外波段的反射信息，对岩石反映敏感。

依据归一化植被指数的思想，利用Landsat数据，提出基于短波红外(TM7)和近红外(TM4)2个波段构建归一化岩石指数(NDRI)。 NDRI=(TM7-TM4)/(TM7+TM4) 2.3 像元二分模型

假设像元是由植被覆盖地表和无植被覆盖地表2部分组成，记录的光谱信息是这2个组成部分的线性合成，各自的面积在像元中所占的比例即为该部分的权重，其中植被覆盖地表所占的比例即为该像元的植被覆盖度。 根据像元二分模型的基本原理，可得到： 式3变换后得到植被覆盖度为：

式中，Fc是植被覆盖度；S是传感器获取的信息；Sveg是全植被覆盖时的信息；Ssoil是全非植被覆盖时的信息。

假设像元由基岩裸露部分和非基岩裸露部分组成，记录的光谱信息是这2部分的线性组合，各自的面积在像元中所占的比例即为各自部分的权重，岩石裸露地表在像元中所占的百分比即为该像元的岩石裸露率，岩石裸露率计算见下式： 2.4 基于NDRI像元二分模型的岩石裸露率估算

依据像元二分模型，1个像元的NDRI值由裸露岩石信息和非裸露岩石信息2部分组成，那么利用NDRI计算岩石裸露率的公式为： fr =(NDRI-NDRIr)/(NDRIr-NDRI0)

式中，NDRIr是全由裸露岩石组成时的NDRI值；NDRI0是全无裸露岩石组成时的NDRI值。

1) 当岩石裸露率最大值frmax近似地取100%，最小值frmin近似地取0时，NDRIr应为NDRImax，NDRI0应为NDRImin。由于图像中不可避免地存在噪声，

因此计算得到的NDRI极值不一定就是NDRImax和NDRImin。

2) 当岩石裸露率最大值与最小值不能近似取100%和0时，需要利用实测数据进行检验。在有实测数据的情况下，取实测数据中岩石裸露率的最大值与最小值，并在影像上找到这2个极值所对应的NDRI值作为NDRImax和NDRImin。在没有实测数据时，只能取NDRImax和NDRImin为影像上给定置信度的置信区间内最大值与最小值，而frmax和frmin则依据经验进行估计。 2.5 研究区岩石裸露率估算

根据像元二分模型原理，首先，利用2种方法分布计算研究区中2007年时 Landsat数据的NDRI，生成研究区NDRI图像；然后，计算NDRI图像的统计数据。本文假设置信度为1，取累计频率为1%的NDRI值为NDRI0，累计频率为99%的NDRI值为NDRIr。根据式4，把整个地区岩石裸露率划分为3部分：当NDRINDRIr时，fr取值为1；当NDRI介于NDRI0与NDRIr之间时，利用式7进行计算：

( b1 lt NDRI0 )×0+( b1 gt NDRIr)×1+( b1 ge NDRI0 and b1 le NDRIr)×[(b1-NDRI0)/(NDRIr-NDRI0)] 式中，b1是NDRI图像。

利用上述2种思路构建的归一化岩石指数得到的2种研究区岩石裸露率分布图如图2和图3所示。

3.1 岩石裸露率与石漠化相关关系

利用NDRI像元二分模型法计算岩石裸露率与喀斯特岩溶石漠化相关关系(见表1)，以及将石漠化强度等级进行符合重组后，最后得到研究区各等级石漠化比重。 利用野外实地踏勘数据中关于岩石裸露程度记录的数据生成感兴趣区域(ROI)，对上述2种方法得到的石漠化程度进行精度评价。根据Huang等提出的基于中红外(TM5)与红光(TM3)波段生成NDRI，利用像元二分模型法计算研究区岩石裸露率，

得到研究区石漠化分布，其总体分类精度为25.77%，Kappa系数仅为0.135。通过喀斯特地物特性分析之后，提出的基于短波红外(TM7)与近红外(TM4)波段生成NDRI，利用像元二分模型法计算研究区岩石裸露率，得到研究区石漠化分布状况，总体分类精度达到70.20%，Kappa系数为0.8，在本研究区效果明显优于前者。 3.2 结果分析

基于NDRI像元二分模型法计算岩石裸露率，得到研究区石漠化分布状况。通过对石漠化分布状况统计分析发现，研究区中无石漠化面积占总面积的46.810%，潜在石漠化面积为10.513%，轻度石漠化面积为12.845%，中度石漠化面积为21.592%，强度石漠化面积为4.784%，极强度石漠化面积为3.456%；存在水土流失现象的土地面积占区域总面积的42.677%。区域内石漠化区域所占比例较大，水土流失现象严重，土地流失威胁性较大，人地矛盾突出。

根据喀斯特岩溶石漠化地区地物特性，提出利用Landsat数据，基于短波红外(TM7)与近红外(TM4)波段构建归一化岩石指数(NDRI)，利用像元二分模型法，对研究区岩石裸露率进行了定量估算，并根据岩溶石漠化与岩石裸露率的相关关系，得到研究区的石漠化状况。

提出基于NDRI像元二分模型法提取岩石裸露率，基于短波红外(TM7)与近红外(TM4)波段，构建NDRI得到研究区石漠化分布结果精度，远高于利用中红外(TM5)与红光(TM3)波段得到的结果，为相似岩溶石漠化地区岩石裸露率信息提取提供了参考。

【相关文献】

[1] 鞠建华, 戴传固, 况顺达, 等. 岩溶石漠化遥感监测与防护规划[M]. 北京:地质出版社,2006. [2] 况顺达, 戴传固, 王尚彦, 等. 岩溶石漠化遥感信息增强技术探讨[J]. 贵州地质,2009(1):44-48. [3] 岳跃民, 张兵, 王克林, 等. 石漠化遥感评价因子提取研究[J]. 遥感学报,15(4):722-736.

[4] Huang Q H, Cai Y L. Mapping karst rock in southwest China [J]. Mountain Research and Development, 2009,29(1):14-20.

[5] Verstraete M M, Pinty B. Designing optimal spectral indexes for remote sesing applications[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996,34(5):1254-1265.

[6] Yue Y M, Zhang B, Wang K L, et al. Spectral indices for estimating ecological indicators of karst rocky desertification[J]. International Journal of Remote Sensing,2010,31(8):2115-2122.

[7] 傅碧红. 碳酸盐岩的反射光谱特的研究及应用[J]. 岩矿测试,1996,15(3):207-209. *国家自然科学基金资助项目(41261092，71163023)