沙化土地遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理和方法研究.pdf

1、中國(guó)是世界上受風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。盡管目前沙化狀況總體比上世紀(jì)90年代有了明顯改善，沙化整體擴(kuò)展的趨勢(shì)得到初步遏制，但局部地區(qū)仍在擴(kuò)展，土地沙化的總體形勢(shì)仍然很?chē)?yán)峻，進(jìn)一步采取有力措施，切實(shí)做好防沙治沙工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、艱巨的任務(wù)。 從1994年起已經(jīng)先后開(kāi)展了三次全國(guó)性的沙化土地監(jiān)測(cè)工作，基本掌握了沙化土地類(lèi)型、程度、面積、分布及消長(zhǎng)狀況，分析了動(dòng)態(tài)變化原因，為防沙治沙宏觀決策提供了可靠的依據(jù)。在全國(guó)沙化土地監(jiān)測(cè)中遙感技

2、術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了積極有效的作用，基于遙感技術(shù)的信息量大、觀測(cè)范圍廣、精度高、速度快以及實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，進(jìn)一步探索沙化土地遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)、理論和方法，強(qiáng)化沙化土地監(jiān)測(cè)成果的分析和評(píng)價(jià)，將更加有利于沙化土地監(jiān)測(cè)的順利實(shí)施。 本文在系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外對(duì)沙化土地遙感監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，以代表干旱半干旱地區(qū)的風(fēng)沙危害典型區(qū)內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣為主，涉及到甘肅省民勤縣和青海省共和縣，探求沙化土地光譜特征變異規(guī)律，建立沙化土地現(xiàn)狀信息

3、提取和變化檢測(cè)的技術(shù)體系，通過(guò)動(dòng)態(tài)變化、景觀格局和粒度效應(yīng)分析揭示沙化發(fā)展的過(guò)程和規(guī)律。通過(guò)本文研究加深了對(duì)沙化土地遙感信息機(jī)理的認(rèn)識(shí)，解決了沙化土地監(jiān)測(cè)范圍廣和耗工耗時(shí)的問(wèn)題，提高了信息獲取的時(shí)效性，加強(qiáng)了對(duì)沙化發(fā)展過(guò)程分析的能力，為沙化土地治理決策提供了有力的技術(shù)支撐。研究主要取得了以下幾方面的成果： (1)沙化土地光譜特征分析。采用ASD (Analytical Spectral Devices) FieldSpec Pr

4、oFR光譜儀，對(duì)沙化過(guò)程主要指示因子以及不同地表覆蓋類(lèi)型和不同程度沙化土地進(jìn)行野外光譜測(cè)定，建立地物光譜特征與土地沙化間的數(shù)量關(guān)系，找出地物光譜特性的變異規(guī)律，從光譜角度為遙感中沙化土地類(lèi)型劃分和定量分析提供基礎(chǔ)。提出了沙化土地光譜測(cè)量針對(duì)兩種地物類(lèi)型，即單一地物類(lèi)型級(jí)，如不同植被類(lèi)型和不同土壤類(lèi)型等，以及復(fù)合地物類(lèi)型級(jí)，如不同植被覆蓋度沙地和不同鹽漬化程度鹽堿地等，分別采取相應(yīng)的采樣方法。光譜特征分析表明，沙化土地光譜數(shù)據(jù)表現(xiàn)出隨植被

5、覆蓋度、植被類(lèi)型、土壤、地類(lèi)等的變化規(guī)律。沙化土地光譜特征受植被和土壤影響，隨著植被覆蓋度增大，沙化土地整體反射率降低，受植被和土壤水分的影響，中紅外波段1300～2500nm的反射率逐漸低于近紅外波段750～1300nm的反射率，不同植被覆蓋度沙地之間的反射率差別增大。 (2)沙化土地現(xiàn)狀信息提取。對(duì)沙化土地采取分步提取的方法，即先提取沙化土地，再對(duì)沙化土地進(jìn)行類(lèi)型劃分。采用Landsat ETM+多季相綜合影像，避免高估和

6、低估沙化土地。在影像分析和地類(lèi)光譜特征分析的基礎(chǔ)上，采用分層分離的方法使知識(shí)在不同層次以不同形式介入，簡(jiǎn)化各種土地類(lèi)型之間的關(guān)系，并且使分類(lèi)過(guò)程中的各種層次關(guān)系一目了然，有效地實(shí)現(xiàn)沙化土地和其它土地類(lèi)型的分離。沙化土地類(lèi)型劃分采用最基本依據(jù)，即植被覆蓋度，具體以全國(guó)沙漠化普查地類(lèi)劃分中的植被覆蓋度為標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)沙化土地植被覆蓋度，通過(guò)建立NDVI和植被覆蓋度之間的相關(guān)關(guān)系，用NDVI閾值來(lái)確定沙化土地等級(jí)是沙化土地程度評(píng)價(jià)的有效方法。

7、 (3)沙化土地變化檢測(cè)。為了快速識(shí)別沙化土地的發(fā)展或逆轉(zhuǎn)，對(duì)10年的土地覆蓋變化應(yīng)用兩期Landsat ETM+/TM影像，采用主成分分析和監(jiān)督分類(lèi)相結(jié)合的方法，綜合兩者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行沙化土地變化檢測(cè)，用主成分分析方法產(chǎn)生變化范圍，用監(jiān)督分類(lèi)方法提供具體的變化類(lèi)型信息，及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別沙化土地的發(fā)展或逆轉(zhuǎn)，為采取相應(yīng)治理措施提供科學(xué)依據(jù)。該方法也有利于沙化土地分布圖更新，在現(xiàn)有基期影像分類(lèi)圖的基礎(chǔ)上，只需對(duì)識(shí)別的變化部分進(jìn)行分類(lèi)，避免了

8、大量的地面調(diào)查和驗(yàn)證工作，減少了工作量，提高了工作效率。主成分分析中采用多時(shí)相多波段數(shù)據(jù)合成法，即將兩個(gè)時(shí)相影像合成為12個(gè)波段影像，對(duì)新合成影像做主成分變換，通過(guò)對(duì)主成分分量影像的分析，選取反映變化效果最好的主分量，采用閾值法分離出變化和未變化部分。監(jiān)督分類(lèi)對(duì)變化部分進(jìn)行分類(lèi)的過(guò)程中劃分了變化類(lèi)型，并去除了偽變化信息。 (4)沙化土地動(dòng)態(tài)和景觀格局變化分析?；趦善?0米分辨率的景觀類(lèi)型分布圖，通過(guò)馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型和景觀指

9、數(shù)對(duì)沙化土地動(dòng)態(tài)和景觀格局進(jìn)行分析，揭示沙化發(fā)展的過(guò)程和規(guī)律。馬爾科夫模型表明了不同程度沙化土地之間以及沙化土地與其他景觀要素之間的轉(zhuǎn)化狀況，表明整體沙化土地面積減少了，但流動(dòng)沙地面積增加了，磴口縣防沙治沙仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，要重視防沙治沙綜合治理，避免形成新的沙化土地。在斑塊類(lèi)型水平和景觀水平上選取斑塊數(shù)、平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)

10、進(jìn)行計(jì)算，表明固定沙地和農(nóng)田趨于破碎化，景觀異質(zhì)性增加；半固定沙地、流動(dòng)沙地、水體、鹽堿地破碎化程度和景觀異質(zhì)性降低；在景觀水平，景觀整體破碎度降低，異質(zhì)性減弱，景觀格局向非均勻化方向發(fā)展，斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單化。 (5)沙化土地景觀粒度效應(yīng)。通過(guò)優(yōu)勢(shì)規(guī)則和獨(dú)立聚合的尺度轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行重采樣，獲得30～300米粒度范圍的景觀類(lèi)型分布圖，分析景觀指數(shù)和空間自相關(guān)系數(shù)Moran’s Ⅰ系數(shù)隨粒度的變化，反映粒度效應(yīng)對(duì)景觀格局分析的影響，以

11、利于根據(jù)研究目的選擇最佳尺度，對(duì)不同尺度的研究成果進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換和比較，深入理解景觀格局和過(guò)程的變化規(guī)律。研究區(qū)內(nèi)平均斑塊面積較小、分布比較分散的水體和鹽堿地分別在粒度為240米和210 米時(shí)被合并入周?chē)^大面積的景觀類(lèi)型，水體和鹽堿地景觀類(lèi)型消失。景觀指數(shù)隨粒度變化的效應(yīng)表明，隨著粒度增大，各種景觀類(lèi)型的斑塊數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)和面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)呈冪函數(shù)下降，平均斑塊面積單調(diào)增加：最大斑塊指數(shù)整體上增加但有起伏。Moran