沙化土地遥感监测机理和方法研究

发布时间：2020-08-01 16:37

【摘要】： 中国是世界上受风沙危害最严重的国家之一。尽管目前沙化状况总体比上世纪90年代有了明显改善，沙化整体扩展的趋势得到初步遏制，但局部地区仍在扩展，土地沙化的总体形势仍然很严峻，进一步采取有力措施，切实做好防沙治沙工作是一项长期的、艰巨的任务。从1994年起已经先后开展了三次全国性的沙化土地监测工作，基本掌握了沙化土地类型、程度、面积、分布及消长状况，分析了动态变化原因，为防沙治沙宏观决策提供了可靠的依据。在全国沙化土地监测中遥感技术已经发挥了积极有效的作用，基于遥感技术的信息量大、观测范围广、精度高、速度快以及实时性和动态性等特点，进一步探索沙化土地遥感监测的技术、理论和方法，强化沙化土地监测成果的分析和评价，将更加有利于沙化土地监测的顺利实施。本文在系统分析国内外对沙化土地遥感监测研究现状和发展方向的基础上，以代表干旱半干旱地区的风沙危害典型区内蒙古自治区磴口县为主，涉及到甘肃省民勤县和青海省共和县，探求沙化土地光谱特征变异规律，建立沙化土地现状信息提取和变化检测的技术体系，通过动态变化、景观格局和粒度效应分析揭示沙化发展的过程和规律。通过本文研究加深了对沙化土地遥感信息机理的认识，解决了沙化土地监测范围广和耗工耗时的问题，提高了信息获取的时效性，加强了对沙化发展过程分析的能力，为沙化土地治理决策提供了有力的技术支撑。研究主要取得了以下几方面的成果： (1)沙化土地光谱特征分析。采用ASD(Analytical Spectral Devices)FieldSpec Pro FR光谱仪，对沙化过程主要指示因子以及不同地表覆盖类型和不同程度沙化土地进行野外光谱测定，建立地物光谱特征与土地沙化间的数量关系，找出地物光谱特性的变异规律，从光谱角度为遥感中沙化土地类型划分和定量分析提供基础。提出了沙化土地光谱测量针对两种地物类型，即单一地物类型级，如不同植被类型和不同土壤类型等，以及复合地物类型级，如不同植被覆盖度沙地和不同盐渍化程度盐碱地等，分别采取相应的采样方法。光谱特征分析表明，沙化土地光谱数据表现出随植被覆盖度、植被类型、土壤、地类等的变化规律。沙化土地光谱特征受植被和土壤影响，随着植被覆盖度增大，沙化土地整体反射率降低，受植被和土壤水分的影响，中红外波段1300～2500nm的反射率逐渐低于近红外波段750～1300nm的反射率，不同植被覆盖度沙地之间的反射率差别增大。 (2)沙化土地现状信息提取。对沙化土地采取分步提取的方法，即先提取沙化土地，再对沙化土地进行类型划分。采用Landsat ETM+多季相综合影像，避免高估和低估沙化土地。在影像分析和地类光谱特征分析的基础上，采用分层分离的方法使知识在不同层次以不同形式介入，简化各种土地类型之间的关系，并且使分类过程中的各种层次关系一目了然，有效地实现沙化土地和其它土地类型的分离。沙化土地类型划分采用最基本依据，即植被覆盖度，具体以全国沙漠化普查地类划分中的植被覆盖度为标准。依据沙化土地植被覆盖度，通过建立NDVI和植被覆盖度之间的相关关系，用NDVI阈值来确定沙化土地等级是沙化土地程度评价的有效方法。 (3)沙化土地变化检测。为了快速识别沙化土地的发展或逆转，对10年的土地覆盖变化应用两期Landsat ETM+／TM影像，采用主成分分析和监督分类相结合的方法，综合两者的优势进行沙化土地变化检测，用主成分分析方法产生变化范围，用监督分类方法提供具体的变化类型信息，及时准确地识别沙化土地的发展或逆转，为采取相应治理措施提供科学依据。该方法也有利于沙化土地分布图更新，在现有基期影像分类图的基础上，只需对识别的变化部分进行分类，避免了大量的地面调查和验证工作，减少了工作量，提高了工作效率。主成分分析中采用多时相多波段数据合成法，即将两个时相影像合成为12个波段影像，对新合成影像做主成分变换，通过对主成分分量影像的分析，选取反映变化效果最好的主分量，采用阈值法分离出变化和未变化部分。监督分类对变化部分进行分类的过程中划分了变化类型，并去除了伪变化信息。 (4)沙化土地动态和景观格局变化分析。基于两期30米分辨率的景观类型分布图，通过马尔科夫转移矩阵模型和景观指数对沙化土地动态和景观格局进行分析，揭示沙化发展的过程和规律。马尔科夫模型表明了不同程度沙化土地之间以及沙化土地与其他景观要素之间的转化状况，表明整体沙化土地面积减少了，但流动沙地面积增加了，磴口县防沙治沙仍然面临着严峻的挑战，要重视防沙治沙综合治理，避免形成新的沙化土地。在斑块类型水平和景观水平上选取斑块数、平均斑块面积、最大斑块指数、面积加权平均斑块形状指数、面积加权平均斑块分维数、Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数进行计算，表明固定沙地和农田趋于破碎化，景观异质性增加；半固定沙地、流动沙地、水体、盐碱地破碎化程度和景观异质性降低；在景观水平，景观整体破碎度降低，异质性减弱，景观格局向非均匀化方向发展，斑块形状趋于简单化。 (5)沙化土地景观粒度效应。通过优势规则和独立聚合的尺度转换方法进行重采样，获得30～300米粒度范围的景观类型分布图，分析景观指数和空间自相关系数Moran’s I系数随粒度的变化，反映粒度效应对景观格局分析的影响，以利于根据研究目的选择最佳尺度，对不同尺度的研究成果进行相互转换和比较，深入理解景观格局和过程的变化规律。研究区内平均斑块面积较小、分布比较分散的水体和盐碱地分别在粒度为240米和210米时被合并入周围较大面积的景观类型，水体和盐碱地景观类型消失。景观指数随粒度变化的效应表明，随着粒度增大，各种景观类型的斑块数、面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数呈幂函数下降，平均斑块面积单调增加；最大斑块指数整体上增加但有起伏。Moran’s I系数随粒度变化的分析表明，粒度在30～180米之间，景观斑块聚集分布；210～300米之间，景观斑块分散分布。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X87
【图文】：

地理位置,内蒙古自治区巴彦淖尔盟,总面积,面积

3.1.1.1地理位置内蒙古自治区瞪口县地处内蒙古自治区巴彦淖尔盟西南部，东经10609%107010’，北纬4009’礴0057’之l’ed(图3一l)。南北长约92公里，东西宽约65公里，总面积4166.6平方公里(其中县辖面积3553.6平方公里)183】。笋笋笋笋笋笋笋笋笋笋笋笋笋笋嘴嘴嘴嘴嘴中中中国.。泣夕夕夕图3一l瞪口县地理位置图Fig.3一 1GeograPhieloeationmaPofDengkouCounty

山地,狼山,地貌,海拔

3.1.1.2地形地貌县境地形地貌复杂。北及偏北是高耸巍峨的狼山山脉，西部是闻名于世的乌兰布和大沙漠，南面是奔腾咆哮的古老黄河，东部为一望无垠的黄河冲积平原(图3一2)。海拔最高2046米，最低1030米，中西部属牧区、半农半牧。瞪口县有“七分沙、二分山、一分平原”之说。山地地貌:图3一2瞪口县地貌类型图Fig3一 2GcomorphologicaimaPofDengkouCoUnty瞪口山地属阴山山系。境内狼山占地145.3万亩，为全县总面积的23.2%。山地坡度最小为3o，最大为500以上，一般为200一300。南陡北缓，坡形多为凸形直线坡，少数为直线凹形坡。山地相对高差800米，海拔最高点2046米。山地有大小沟414条

光谱曲线,光谱曲线,植被覆盖度,沙篙

Fig.4一 1Spectraleurvesofsan勿 landusingdifferentmetheds4.2.2不同植被覆盖度沙化土地的光谱特征图4一2是在瞪口县测得的不同植被覆盖度沙地的光谱曲线.、植被覆盖度8%的沙地上主要植被有沙篙、沙竹、沙米。植被覆盖度20%的沙地上主要植被有沙篙、白刺、沙竹。植被覆盖度45%的沙地上主要植被为沙篙，还有少量白刺、沙冬青。植被覆盖度52%的沙地上主要植被有白刺、梭梭。沙地的光谱特征受植被和土壤影响，并且影响程度随植被覆盖度而变化。沙地反射率在350一600nm持续增加，600一690nm比较平缓，690一750nm增加较快，之后呈波浪式变化，在142onm和1940nm有两个水分吸收带。沙化土地植被覆盖度的变化反映了沙化程度的变化，从不同植被覆盖度沙地光谱曲线可以看出，随着植被覆盖度增大，也即沙化程度减轻，整个沙地反射率降低，受植被和土壤水分的影响，中红外波段1300一250Onm的反射率逐渐低于近红外波段750一1300nm的反射率

【参考文献】