温亚楠/刘美玲：长时序Landsat影像的喀斯特石漠化时空图谱构建及其演变特征分析【CATENA，2026】

2025-12-19     发布：[人工智能学院]谢卓均    点击：136次

喀斯特石漠化作为典型的生态退化问题，其时空演变规律的精准解析对区域生态系统修复、环境稳定性维持及可持续发展具有关键支撑意义。长时间序列遥感数据凭借其覆盖范围广、时间跨度大的优势，蕴含着地物动态变化的丰富图谱信息。发展面向此类图谱信息深度挖掘的遥感时序分析方法，不仅能够弥补传统遥感分析在时空信息整合利用上的局限性，更可有效揭示石漠化这一复杂过程的时空演化机理，为其驱动机制的深入分析与科学理解提供有力工具。然而，当前相关研究仍存在明显不足：多数研究未能从“复杂综合体”的景观视角出发，对石漠化演化过程中的重要阶段（如生态修复关键期）及关键过程（如生态修复引发的短期突变）关注不足，这一现状严重制约了不同生态修复模式下石漠化时空响应机制的精准解析，难以满足生态治理实践对科学理论支撑的需求。

针对上述科学问题，我校“环境遥感团队”博士研究生温亚楠，在导师刘美玲教授指导下，以广西平果市典型喀斯特石漠化区域为研究对象，提出一种基于时空图的石漠化演化特征检测框架（图1）。该框架以长时间序列Landsat遥感影像为数据基础，通过构建喀斯特石漠化等级斑块的时空图结构，将传统以像元或单一时相为核心的分析对象扩展至具有空间关联和时间连续性的石漠化等级斑块单元，在此基础上，系统刻画石漠化等级斑块在长时间序列中形成的时空连接路径（即演化轨迹）、演化持续的时间跨度（即演化行为）以及不同演化状态之间的转变方式（即演化状态），为揭示喀斯特石漠化演化的动态特征与过程提供了新的思路。研究取得的主要认识如下：

（1）创新时空图构建方法，突破传统分析局限：引入图论思想，将石漠化等级斑块定义为“节点”，将斑块间的空间邻接关系与时间重叠关系定义为“边”，成功构建石漠化斑块的时空图结构。该结构实现了对石漠化斑块连续时空关联关系的“显式表达”，有效解决了传统多时相对比方法难以刻画斑块演化连续性的技术瓶颈，为后续精细化分析奠定基础（图2）。

（2）系统识别演化行为，揭示多维演化规律：在时空图分析框架下，精准识别出石漠化斑块的七类基本演化行为，包括延续、扩张、收缩、合并、分裂、产生与消失。基于此，进一步刻画了不同石漠化等级在长时间序列中的主导演化方式，明确提出“石漠化演化并非单向线性变化，而是伴随频繁演化行为转化的复杂过程”这一关键结论，丰富了对石漠化动态演化的认知（图3）。

（3）解析演化轨迹差异，阐明等级响应特征：通过对斑块演化轨迹长度与结构形式的定量分析发现，轻度与中度石漠化斑块以短期、树状等复杂结构的演化轨迹为主，表现出高度的动态性与不稳定性；而重度石漠化斑块则以线性、低波动的稳定演化轨迹为主。这一差异反映出不同等级石漠化对生态修复措施的响应存在显著阶段性特征，为差异化修复策略制定提供了科学依据（图4）。

（4）识别典型状态模式，量化生态修复成效：在演化状态层面，提炼出“扩张→消失”、“合并→分裂→消失”和“收缩→消失”三类典型状态转变模式。其中，“扩张→消失”模式出现频率最高（约占总数的15%），且空间分布与生态修复强度较高区域高度吻合，证实了该区域石漠化治理的显著成效，为生态修复效果评估提供了可量化的指标（图5）。

图1 基于图论的石漠化时空演变检测框架，(a)基于长时序Landsat数据生成的石漠化等级图，(b)基于时空关联关系构建的石漠化时空图，(c)石漠化时空演变特征指标

图2 石漠化时空图结构， (a)空间图结构 ，(b)时间图结构

图3 石漠化等级演变类型（以潜在、轻度和中度石漠化类型的演变为例）

图4 石漠化等级斑块的时空演化轨迹，(a)轻石漠化，(b)中度石漠化，(c)重度石漠化等

图5 石漠化主要的演化状态空间分布图 (a)演变位置，(b)演变数量。E，Sh，M，Sp和D分别代表扩张，收缩，合并，分裂，消失

本研究受到国家自然科学基金（42571427）和国家重点研发计划（2022YFF1300702）联合资助。成果发表在地球科学领域顶级期刊《CATENA》（中科院1区Top期刊，IF= 5.7）。

引用格式：Wen, Y., Liu, M., Wu, Z., Zhang, Q., Su, J., & Hu, Z. (2026). Spatiotemporal graph for detecting evolution characteristics of karst rocky desertification from long time-series Landsat images. CATENA, 262, 109697.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2025.109697