沙化土地遙感監(jiān)測機理和方法研究.pdf

1、中國是世界上受風沙危害最嚴重的國家之一。盡管目前沙化狀況總體比上世紀90年代有了明顯改善，沙化整體擴展的趨勢得到初步遏制，但局部地區(qū)仍在擴展，土地沙化的總體形勢仍然很嚴峻，進一步采取有力措施，切實做好防沙治沙工作是一項長期的、艱巨的任務。 從1994年起已經(jīng)先后開展了三次全國性的沙化土地監(jiān)測工作，基本掌握了沙化土地類型、程度、面積、分布及消長狀況，分析了動態(tài)變化原因，為防沙治沙宏觀決策提供了可靠的依據(jù)。在全國沙化土地監(jiān)測中遙感技

2、術已經(jīng)發(fā)揮了積極有效的作用，基于遙感技術的信息量大、觀測范圍廣、精度高、速度快以及實時性和動態(tài)性等特點，進一步探索沙化土地遙感監(jiān)測的技術、理論和方法，強化沙化土地監(jiān)測成果的分析和評價，將更加有利于沙化土地監(jiān)測的順利實施。 本文在系統(tǒng)分析國內(nèi)外對沙化土地遙感監(jiān)測研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向的基礎上，以代表干旱半干旱地區(qū)的風沙危害典型區(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、提取和變化檢測的技術體系，通過動態(tài)變化、景觀格局和粒度效應分析揭示沙化發(fā)展的過程和規(guī)律。通過本文研究加深了對沙化土地遙感信息機理的認識，解決了沙化土地監(jiān)測范圍廣和耗工耗時的問題，提高了信息獲取的時效性，加強了對沙化發(fā)展過程分析的能力，為沙化土地治理決策提供了有力的技術支撐。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，對沙化過程主要指示因子以及不同地表覆蓋類型和不同程度沙化土地進行野外光譜測定，建立地物光譜特征與土地沙化間的數(shù)量關系，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型劃分和定量分析提供基礎。提出了沙化土地光譜測量針對兩種地物類型，即單一地物類型級，如不同植被類型和不同土壤類型等，以及復合地物類型級，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、植被類型、土壤、地類等的變化規(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。對沙化土地采取分步提取的方法，即先提取沙化土地，再對沙化土地進行類型劃分。采用Landsat ETM+多季相綜合影像，避免高估和

6、低估沙化土地。在影像分析和地類光譜特征分析的基礎上，采用分層分離的方法使知識在不同層次以不同形式介入，簡化各種土地類型之間的關系，并且使分類過程中的各種層次關系一目了然，有效地實現(xiàn)沙化土地和其它土地類型的分離。沙化土地類型劃分采用最基本依據(jù)，即植被覆蓋度，具體以全國沙漠化普查地類劃分中的植被覆蓋度為標準。依據(jù)沙化土地植被覆蓋度，通過建立NDVI和植被覆蓋度之間的相關關系，用NDVI閾值來確定沙化土地等級是沙化土地程度評價的有效方法。

7、 (3)沙化土地變化檢測。為了快速識別沙化土地的發(fā)展或逆轉，對10年的土地覆蓋變化應用兩期Landsat ETM+/TM影像，采用主成分分析和監(jiān)督分類相結合的方法，綜合兩者的優(yōu)勢進行沙化土地變化檢測，用主成分分析方法產(chǎn)生變化范圍，用監(jiān)督分類方法提供具體的變化類型信息，及時準確地識別沙化土地的發(fā)展或逆轉，為采取相應治理措施提供科學依據(jù)。該方法也有利于沙化土地分布圖更新，在現(xiàn)有基期影像分類圖的基礎上，只需對識別的變化部分進行分類，避免了

8、大量的地面調查和驗證工作，減少了工作量，提高了工作效率。主成分分析中采用多時相多波段數(shù)據(jù)合成法，即將兩個時相影像合成為12個波段影像，對新合成影像做主成分變換，通過對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)督分類對變化部分進行分類的過程中劃分了變化類型，并去除了偽變化信息。 (4)沙化土地動態(tài)和景觀格局變化分析?；趦善?0米分辨率的景觀類型分布圖，通過馬爾科夫轉移矩陣模型和景觀指

9、數(shù)對沙化土地動態(tài)和景觀格局進行分析，揭示沙化發(fā)展的過程和規(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化狀況，表明整體沙化土地面積減少了，但流動沙地面積增加了，磴口縣防沙治沙仍然面臨著嚴峻的挑戰(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)、面積加權平均斑塊形狀指數(shù)、面積加權平均斑塊分維數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)

10、進行計算，表明固定沙地和農(nóng)田趨于破碎化，景觀異質性增加；半固定沙地、流動沙地、水體、鹽堿地破碎化程度和景觀異質性降低；在景觀水平，景觀整體破碎度降低，異質性減弱，景觀格局向非均勻化方向發(fā)展，斑塊形狀趨于簡單化。 (5)沙化土地景觀粒度效應。通過優(yōu)勢規(guī)則和獨立聚合的尺度轉換方法進行重采樣，獲得30～300米粒度范圍的景觀類型分布圖，分析景觀指數(shù)和空間自相關系數(shù)Moran’s Ⅰ系數(shù)隨粒度的變化，反映粒度效應對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，對不同尺度的研究成果進行相互轉換和比較，深入理解景觀格局和過程的變化規(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 米時被合并入周圍較大面積的景觀類型，水體和鹽堿地景觀類型消失。景觀指數(shù)隨粒度變化的效應表明，隨著粒度增大，各種景觀類型的斑塊數(shù)、面積加權平均斑塊形狀指數(shù)和面積加權平均斑塊分維數(shù)呈冪函數(shù)下降，平均斑塊面積單調增加：最大斑塊指數(shù)整體上增加但有起伏。Moran