（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于3s技术的土地荒漠化监测研究.pdf

摘要 土地荒漠化是气候、环境及人类活动多因素综合影响的结果。以 3 s 技术为主要技术支撑，选择辽宁省法库地区为典型研究区，对该 研究区进行了土地荒漠化环境背景分析；提取遥感影像中的土地荒漠 化数量指标，再经过研究区荒漠化指标体系，研究了该区域的土地荒 漠化程度；利用g p s 进行了野外调查验证；在g i s 技术支持下，实 现了研究区土地荒漠化的变化监测，进而揭示出其时空演变规律，并 对该区域土地荒漠化的驱动力从自然因素和人为因素两个方面进行 了分析：最后，针对研究区的特点，提出了荒漠化土地的利用与植被 重建策略。 关键词：土地荒漠化，3 s 技术，监测 a b s t r a c t d e s er t i f i c a t i o ni sc a u s e db yt h ei n f l u e n c eo ft h ec l i m a t i c ， e n v i r o n m e n t a lc h a n g e sa n dh u m a na c t i v i t i e s c h o o s e3 st e c h n o l o g ya s k e yt e c h n i c a ls u p p o r t f a k ua r e ai nl i a o n i n gp r o v i n c ew a sc h o s e na s t y p i c a la r e a a n a l y z ee n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n do fl a n dd e s e r t i f i c a t i o n i nt h et y p i c a la r e a p i c ku pq u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r so fd e s e r t i f i c a t i o n f r o m r e m o t e s e n s i n gi m a g e s d o r e s e a r c ho n d e g r e e o fl a n d d e s e r t i f i c a t i o nt h r o u g ht h ei n d e xs y s t e mo fs t u d ya r e a c o n d u c t e da f i e l ds u r v e yu s i n gg p s m o n i t o r e dt h ec h a n g e so fd e s e r t i f i c a t i o ni n s u p p o r to fg i s t h e n ，t h es p a t i o t e m p o r a l e v o l u t i o n p a t t e r n w a s d i s c u s s e d a n a l y s e dd r i v i n gf o r c eo fd e s e r t i f i c a t i o ni nt h ea r e af r o m n a t u r a la n da r t i f i c i a lf a c t o r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ci nt h e a r e a u s i n go fd e s e r t i f i c a t i o nl a n da n dv e g e t a t i o nr e b u i l d s w e r ep u t f o r w a r d k e yw o r d s ：l a n dd e s e r t i f i c a t i o n ，3st e c h n o l o g y 。m o n i t o r i n g 辽j ￥技术人学硕+ 学位论文 1 绪论 荒漠化作为一个全球性的生态环境问题，越来越受到国际社会 的广泛关注。l9 9 2 年联合国环境与发展会议上提出“荒漠化是指包 括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和具有 干旱的亚湿润地区的土地退化”。19 9 4 年亚太经社会和联合国环境 署重申了该定义，并认为荒漠化还应包括“湿润半湿润地区由于人 为活动引起环境向着一类以荒漠景观的变化过程”。由此可见，荒 漠化不仅发生于气候干燥的地区，在气候湿润的地区，也可能会发 生荒漠化，并且强调了气候和人为两个因素对土地荒漠化的重要作 用，而且这些概念也主要强调了土地退化。 荒漠化是全球最严重的生态环境与社会经济问题之一。荒漠化 潜在地影响着全球4 0 的陆地面积和3 2 的人口，遍及1o o 多个国 家和地区，总面积约3 5 6 1 09 h m2 ，而且以每年1 0 0 1 3 0 1 0 6 h m 2 速度发展”。因荒漠化造成的经济损失每年约4 2 0 亿美元。 我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，全国荒漠化面积约 2 6 2 3 2 万h m 2 ，占国土面积的2 7 3 ，扩展速度达每年3 4 3 6 h m 2 ，并 且发展速度每年还在递增，而且土地的质量也在下降，生态环境不 断恶化，沙尘暴等自然灾害频繁发生，已严重地影响着人们的生存 安全”1 。 1 1 土地荒漠化研究现状 1 1 1 国内相关研究概述 中国是世界上荒漠化和沙化面积大、分布广、危害重的国家之 一，严重的土地荒漠化、沙化威胁着我国生态安全和经济社会的可 持续发展，威胁中华民族的生存和发展。为掌握全国荒漠化和沙化 土地的现状及动态变化趋势，为国家制定防治荒漠化和防沙治沙宏 观决策提供科学依据和基础数据，履行联合国防治荒漠化公约， 国家林业局( 原林业部) 分别于19 9 4 年和19 9 9 年组织完成了第一次 和第二次全国荒漠化和沙化监测工作，其成果为全国生态建设和防 沙治沙工作提供了决策依据，并初步建立了较为完善的全国荒漠化 辽。j 5 1 ：程技术人学硕十学位论文 和沙化监测体系。进入2 l 世纪，我国荒漠化和沙化监测工作步入了 科学化、规范化和制度化的轨道。为贯彻中华人民共和国防沙治 沙法，履行联合国防治荒漠化公约，2 0 0 4 年，由国家林业局 组织，农业、水利、气象和中科院等部门的有关单位和专家参与， 共同完成了第三次全国荒漠化和沙化监测工作。采用地面调查与遥 感数据判读相结合、以地面调查为主的技术路线，全面应用了“3 s ” 技术，直接参加监测的技术人员达4 0 0 0 余人，区划和调查地面小班 5 0 2 万个，获取各类信息1 5 6 亿条，建立了全国荒漠化和沙化地理 信息管理系统。“。 当前荒漠化研究和荒漠化防治领域迫切需要解决的主要问题 是荒漠化评价的理论、荒漠化评价的指标体系、荒漠化发展的驱动 力问题”。刘玉平( 19 9 8 ) 、孙武( 2 0 0 0 ) 、李清河( 1 9 9 8 ) 和张 宏( 19 9 9 ) 等人对荒漠化评价的理论、荒漠化评价的指标体系等进 行了深入的研究，在荒漠化评价原则、基准面的选取、尺度的确定 等方面取得了一定的进展。 对于荒漠化发展的驱动力问题，目前国内学者研究的也比较多，概 括起来，可分为自然因素和人文因素，自然因素中如长期干旱、风 蚀、水蚀、沙尘暴、鼠、虫害等；人为因素中如过牧、滥垦、滥采、 开矿等。这些因素常常是交互作用，相互促进，互为因果。不论是 目视判读还是计算机自动分类，荒漠化信息提取主要是基于光谱特 征1 ”。b a obrc l9 9 5 年作了盐渍土( 荒漠化的一种表现) 光谱 特征的专门研究，与一般耕地相比盐渍土在可见光和近红外波段光 谱反射强，土壤盐渍化的程度越高，光谱反射越强；李金桐，镨拉 提等利用m o d i s 数据采用改进了的归一化差值植被指数e v i 来进 行荒漠化监测分布制图”“。李宝林，周成虎用n o a a a v h r r 数据 利用适宜在低密度植被区的m s a v i 来提取荒漠化信息“”。 1 1 2 国外相关研究概述 国外利用卫星遥感进行荒漠化监测研究始于2 0 世纪7 0 年代， 当时人们多用植被指数所反映的土地退化来表示荒漠化“w 以及土 壤盐渍化所反映的荒漠化。进入8 0 年代，多波段、多时相的遥感 数据被广泛应用于荒漠化监测、植被图及土地利用图的制作。这一 时期，主要是结合荒漠地表及荒漠植被的光谱特征实验进行目视判 辽r i ：利技术人学硕十学位论文 读，9 0 年代以来，遥感数据源更加丰富，方法目趋成熟，常用的遥 感数据有美国的l a n ds a t 的t m 与m s s 、法国的s p o t 、印度的i r s 以及高光谱的m o d i s 等卫星遥感数掘。 尽管遥感数据的光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率和空间 分辨率在不断提高，但目视判读仍是荒漠化研究和动态分析的主要 手段，与以前不同的是研究的内容更加广泛，开始考虑地形起伏、 沟谷信息在荒漠化分类、分级中的作用等”。 1 23 s 技术在土地荒漠化研究中的应用 遥感( r e m o t es e n s i n gr s ) 、地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o i l s y s t e n lg i s ) 和全球定位系统( g l o b a lp os i t i o n i n g s y s t e mg p s ) 是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更 新、分析和应用的三大支撑技术”。遥感技术提供了地球上环境与 资源动态变化信息，地面卫星接收站与数字通信网分别实现天地之 间通讯传播与地球不同区域分布式数据库的联网，地理信息系统完 成地球资源与环境信息的分析，全球定位技术提供了地球表层观测 地点的精确位置等信息。3 s 技术相互补充，在土地荒漠化监测中发 挥着重要作用。 1 2 1 遥感( r s ) 在土地荒漠化监测中的应用 迅速发展的遥感技术和计算机技术，为土地利用现状及变化信 息的获取提供了及时有效的技术手段。自从高分辨率遥感器诞生以 来，卫星影像的应用在众多领域内得到广泛的研究利用。遥感技术 能快速、准确地获取全球变化信息，并能及时的反映地球变化的区 域。特别是高分辨率、多通道卫星的成功发射，为土地利用变化监 测提供了高质量的数据资料。 利用不同时期的遥感影像，通过计算机机助制图进行对比分析， 是研究荒漠化的动态变化的重要方法之一。将遥感图像进行分类解 译，然后按指定的代码将某一地区两个不同时期的遥感图像判读结 果进行数字化，分别存储，进行对比分析，输出专题图，即可了解 荒漠化的动态变化。李宝林“73 从植被指数时空分异得出该区的生物 量及土地的初级生产力，进而了解该区域的土地覆盖规律，监测荒 辽j 。i ：榉技术人学硕十学位论文 漠化的发展过程。 m i c h a e l 等应用遥感技术结合土地荒漠化的理论，通过对荒漠化 动态变化规律的监测，编制了土地退化野外调查手册。进行了遥感 监测及评估。全球气候的变化，干旱、沙尘等灾害性大气的频繁发 生，各国对土地荒漠化的发生已受到高度重视，遥感技术在荒漠化 动态监测、机制研究方而已有了长足的进展。 1 2 2 地理信息系统( g i s ) 在土地荒漠化监测中的应用 地理信息系统g i s 作为一门多学科相互交叉的新兴技术，正随 着社会信息化的进程发挥着越来越大的作用。在城市规划、勘测、 国土、市政设施、管线、邮电、交通等行业得到了广泛的应用。尤 其是近年来i n t e r n e t 技术的发展和成熟，已极大地影响和改变了我 们的土作和生活方式。随着全球可持续发展研究的深入，对人类赖 以生存的生态环境系统，特别是生态环境系统中生态环境敏感和脆 弱的地区的研究已受到越来越广泛的重视。 g i s 技术通过对空间与非空间数据的采集、处理、分析、输出 等功能，实现对土地利用动态变化状况的及时、准确跟踪和了解， 并对遥感图像、地图、统计数据源的空间数据库进行动态分析，用 来对影响土地利用状况变化的相关宏观因子在空间及数量上的动 态变化特征和规律及其对土地利用状况变化的敏感性进行分析。同 时，对基于不同时期的土地利用专题图层，进行时间序列分析，经 比较、判别、归纳，获得其与影响因子间的内在关系，从而为土地 利用覆盖变化及荒漠化的预测、预警提供指导性依据。李宝林” 在多源数据的支持下，应用地理信息系统分析了区域荒漠化景观特 征与土地荒漠化的特征，从机理上认识了区域的土地荒漠化发生过 程，在此基础上以目前生态系统没有产生明显退化的生态状况作为 基准，采用相对基准的办法，利用n o a a a v h r r 数据，确定了植 被指数荒漠化监测体系，对荒漠化的动态变化及驱动因子进行了分 析。 荒漠化是目前世界瞩目的环境问题，荒漠化监测对荒漠化防治 对策的制定具有重要意义。当今又是一个信息时代，计算机技术的 日新月异，带动了地理信息系统的快速发展，从而为更好地管理与 使用地理时空信息提供了工具与手段。遥感技术为研究土地利用土 辽j2 j 1 j 鼋技术人学硕士学位论文 地覆盖及荒漠化的时空演变提供了数据源，而g i s 技术为大量的数 据存储、管理、分析、查询、输出提供了技术支持。r s 与g i s 相 结合进行土地利用覆盖变化及荒漠化演变机制研究已取得了一定 的成就“”。 1 2 3 全球定位系统( g p s ) 在土地荒漠化监测中的应用 全球定位系统( g 1 0 b a lp os i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是以人造 卫星组网为基础的无线电导航系统。原来指美国国防部批准研制的 国防导航卫星系统，该系统由2 4 颗卫星组成，为全球范围用户提 供全大侯、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数 据。随着俄罗斯g l o n a s s 系统的开发，全球定位系统的概念也在 变化，它泛指利用卫星技术，实时提供全球地理坐标的系统 ”。在 实际应用中，g p s 主要用于实时、快速地提供目标，包括各类传感 器和运载平台的空间位置。这样g p s 由于定位的高度灵活性和常规 测量技术无法比拟的高精度，成为测量学科中的革命性变化网。于 是g p s 为准确定位土地利用变化区域及荒漠化发生发展区域提供 了技术支撑。 利用g p s 定位技术监测土地利用覆盖变化及荒漠化的过程已 取得了一定的经验和成就，这将为研究土地利用变化对区域环境及 全球环境影响研究提供基础性资料，同时为制定土地利用政策及荒 漠化防治对策提供依据。 综上所述，全球环境交化研究领域逐渐加强了对土地利用与覆 盖变化的研究”“。随着全球人1 ：3 的不断增加，土地资源的超量开发， 植被资源大量破坏，荒漠化面积逐渐扩大，人类生存环境受到了严 重的威胁。土地资源是人类赖以生存和发展的重要基础，其利用和 覆盖特征不仅影响社会的持续发展，而且还影响全球环境的变化。 遥感、地理信息系统技术和最近发展起来的全球定位技术为土地利 用覆盖变化及荒漠化动态监测提供了全新的研究手段。 1 3 研究的目标、主要内容、方法和技术路线 1 3 1 研究目标 主要是利用卫星遥感影像感测范围大、信息准确、信息获取快 辽j 。1 。稗技术大学硕十学位论文 的优点，结合地理信息系统的综合分析、统计功能，通过对不同时 相遥感影像的处理，统计两个典型研究区荒漠化区域的面积，研究 荒漠化变化规律及趋势，分析荒漠化与区域土壤、气候、经济、生 态及工农业生产等因子的相关关系。为土地资源的合理利用和可持 续发展提供决策依据。 1 3 2 研究的主要内容 研究区土地荒漠化的环境背景分析； 研究区不同时期的荒漠化信息的提取； 建立适宜的研究区土地荒漠化指标体系； 为了进一步统计分析，将原有遥感栅格影像转化为矢量地 图，经g i s 统计面积，并通过各种统计方法分析荒漠化与各种自然、 人为因素的相关关系： 研究区土地荒漠化的时空变化规律及动态监测的方法： 研究区土地荒漠化驱动力分析。 辽。r i 样技术人学硕十学何论文 7 1 3 3 技术路线 数据源 主要技 术手段 二卜地荒漠化时空变化规律及监测研究 研究区地 形、地貌 研究区环 境变化 植被信 息 农牧业 资料 社会经i 信息 遥感及 测量 调查 统计 士地类 型划分 图形图像 数字化 草场植 被分类 异源数据 综合处理、 务析、模拟厂芬而 目的意义 数据输入、格式变换、匹配 地理信息系统 土地荒漠化时空 变化规律 动态监测研 分析评价数理模型 植被重建研究 图l - 1 基于3 s 技术的荒漠化监测技术流程图 1 4 研究区概况 1 4 1 地理位置 法库县位于辽宁省北部，为沈阳市辖县。法库中心地理坐标为 东经1 2 3 。2 0 ，北纬4 2 。2 2 。全县区域面积2 3 2 0 平方公里，辖8 个 镇1 1 个乡，2 个开发区，人口4 5 万地势北高南低，地貌系辽河 冲积平原，年平均气温6 7 度，降水量约6 0 0 毫米左右，无霜期约 l55 天，属北温带大陆性季风气候。这里是东北与中原南下北上的 交通要塞，南距沈阳桃仙国际机场110 公里，距大连港3 6 0 公里， l0 l 、2 0 3 国道穿境而过，并有专用铁路线和货场，便捷的交通缩短 了法库与国内外市场的距离。 辽。卜i 科技术人学硕+ 学位论文 1 4 2 自然条件 图1 2 法库地区行政区划 法库县气候温和，年平均气温6 7 ，年降水量6 0 0 毫米左右， 全年无霜期在l5 5 天左右。雨热同季，日照充足，属北温带大陆性 季风气候区。良好的自然环境，适应多种农作物生长，为农林牧渔 各业发展和农工商综合经营提供了优越条件。 1 4 2 1 法库县的农副产品资源情况 全县林地面积8 0 万亩，森林覆盖率2 3 ，木材蓄积量1 7 0 万 立方米，尚有宜林荒地4 5 万亩，发展林果及其木材加工业前景良 好。 天然草场及疏林地面积4 2 35 万亩，年产优质牧草0 9 亿公斤， 可放牧2 7 万头牛羊。可产青饲料( 瓜、果、菜、秧等) 1 5 亿公斤， 粗饲料( 杆裸、批壳、可食树叶等) 6 5 亿公斤。丰富的饲料资源，奠 定了发展畜牧业生产雄厚物质基础。 法库县是国家重点商品粮生产基地，其中耕地面积19 8 万亩， 粮食产量6 5 亿公斤，其中：玉米4 5 亿公斤、花生0 6 亿公斤、水 稻0 5 亿公斤、大豆0 4 亿公斤等。绿色食品种植面积8 0 万亩，其 中绿色食品蔬菜面积2 5 万亩，蔬菜总产量6 0 万吨，商品稂4 5 万 吨。 辽。j j ：程技术人学硕十学位论文 1 4 2 2 法库县非金属矿产资源情况 到2 0 0 5 年，法库县已发现各类可供开发利用的矿产i3 种，分 别为煤炭、硅灰石、方解石、陶瓷土、高岭土、珍珠岩、膨润土、 沸石、水泥用大理岩、陶瓷用二长花岗岩、建筑石料、砖瓦粘土、 矿泉水等。己有查明资源储量并列入辽宁省矿产储量表中的矿产6 种。有查明资源储量的矿点以上的产地1 2 处，其中大型矿区( 床) 2 处，中型4 处。 辽。j 1i ：稃技术人学硕十学伉论文 0 2 研究区土地荒漠化环境背景分析 荒漠化是气候、环境和人类活动综合作用的产物，因此研究荒漠化的 发生、发展过程及其作用和强度，就必须综合考虑这些因素对土地荒漠化 的影像和作用机制。 2 1 土地荒漠化的地貌环境 土地荒漠化的地貌环境主要包括她貌类型、不同地貌类型的物质组成， 以及地貌空间分布模式等。一般认为地貌环境不仅影响土地荒漠化的速率， 而且制约土地荒漠化的方式和空间分布规律。 地貌类型、特别是地形起伏程度对蔻漠化影响十分显著，这首先表现 在荒漠化方式上，其次表现在荒漠化强度上。 法库地势多态，北高南低，丘陵平原交错相间。境内有大小山岭3 8 2 座，均属阴山山系松岭子山脉、医巫间山余脉。主要山峰有磨盘山、南北 八虎山、五龙山、马鞍山，北八虎山主峰庙台山峰为境内最高山峰，海拔 为4 4 6 9 米。平原低处海拔4 0 米，高处1 0 0 米。境内有大小河流近百条， 辽河由东北入境走向西南，两次流经县境。西部秀水河，中部拉马河、刘 家堡河，东部五河为较大河流，沿辽河和丘陵之间大体形成五块平原，构 成了法库“三山一水六分田”的自然格局。 2 2 土地荒漠化的气候环境 气候条件作为荒漠化发生的一个基本因素，在荒漠化过程中起着重要 的作用“”1 。 风是法库县土地荒漠化和风沙环境形成和发展的原动力。法库县风向 冬季以西北，偏北风为主，春夏季以西南风为主据研究，对于粒径主要为 0 1 - 0 2 5 m m 的干燥裸露的沙质地表来说，形成风沙流所需的风速为4 5 m p s 本地区年平均风速为4 6 m p s 。 5 m p s 起沙风天数2 2 0 d 以上， 8 级大风日数较 多”因此，当起沙风作用于裸露的地表时即可起动沙粒，形成风沙流，从而造 成风沙危害。 根据法库县气象站降水资料，该地区降水季节分配极不均衡，冬春季降 水很少，春季占年降水1 3 7 2 ，冬季仅占全年的1 5 2 6 ，夏季降水集中，占全 年的6 9 7 1 ，秋季占全年降水的15 0 5 近5 0 年来，法库县旱灾频率有增加 辽。j 。1 稃技术人学硕十学位论文 的趋势。根据法库县志记载，1 9 4 9 年以前本地区1 0 - 2 0 年才发生一次较大旱 灾，平均5 7 年发生一次较大旱灾1 9 6 8 1 9 8 4 年短短1 6 年间就发生较大旱 灾5 次。这说明，本地区气候已经发生了明显的变异，其中干旱发生频率的急 剧增加，说明气候在向干旱化方向发展，干旱往往是大的天气系统影响的结 果，对土地荒漠化的发展起到推波助澜的作用。 法库县春季干旱多风，夏季炎热而雨量集中，秋季凉爽短促，冬季漫长而 寒冷，春季气温回升非常迅速，蒸发强烈，综合分析法库县风、降水和气温 3 个气象要素在时间上的配置特点，风速在春冬季是最大的，而降水在此期 问是低谷，此时正值枯草期，植被盖度小，地面裸露，疏松的沙土在长达半年 的大风吹蚀下，地表和草被逐渐被破坏，形成大风蚀坑，进一步发展为流动沙 丘，这也表明大风和降水的这种匹配特征决定了春冬季是荒漠化的强烈发 展时期。 2 3 土地荒漠化的植被环境 植被是制约土地荒漠化发生、发展以及逆转的最重要因子。它可以通 过改变粗糙度、地表水分环境和各种动力场来削弱荒漠化的动力作用强度， 从而起到限制土地荒漠化的作用。土地荒漠化的植被环境主要表现为植被 盖度、地面植物群落组成以及植被组成结构对荒漠化的影响。 植物群落组成及其盖度对荒漠化的影响非常明显。研究资料表明：群 落组成愈复杂，地表的抗蚀性就愈好，土地荒漠化( 水动力和风动力两种 情况) 程度就愈低。植被盖度作为一个基本的荒漠化程度判定指标，有其 特殊的意义。一般认为：植被盖度与荒漠化程度呈负相关关系。 法库县境内植被属于温带森林草原和草甸草原过渡地带( 董厚德， 1 9 8 7 ) 。原生植被已经被破坏殆尽。在区系分布上属于华北植物区系和蒙古 植物区系的交接地带，其中分布最广、种类最多的是蒙古植物区系的植物。 现有森林植被类型以人工森林植被为主。主要树种有刺槐、杨树、樟 子松、油松、榆树、山杏、旱柳和落叶松等。 草甸植被主要分布在科尔沁沙地东南缘，由于地形复杂，分布多种植 被类型： 平地和漫岗平地，植被以旱中生的根茎型和多年生丛生型禾草为 主，伴生有杂类草所组成的植物群落，代表性群落有：隐子草群落、荻草 群落、拂子茅群落、差巴嘎篙群落等。 低湿地上以中生、中湿生和湿生植物为主，主要植物种类有：碱草、 辽7 ，i ：程技术人学硕十学位论文 野大麦、猩猩草、芦苇、荻草、拂子茅、牛鞭草等。 低丘漫岗地上以中生植物为主，主要植物种类有黄背草、紫荻、羊 胡苔草，隐子草、地榆、欧李等。 2 4 土地荒漠化的土壤环境 土壤性状、土壤类型、土被结构及土被的空问分布规律作为土地荒漠 化的土壤环境，对荒漠化的影响是非常显著的。土地荒漠化的对象是土体 或土体环境，因此土壤的物理及化学性状是影响荒漠化过程的重要方面， 它们通过对各种荒漠化动力的抗蚀性来实现对荒漠化的增减作用。 土壤物质的机械组成对荒漠化的影响主要表现在抗蚀性能上，它与地 表物质组成对荒漠化的影响是基本一致的。土壤结构影响荒漠化的强度。 通常，紧实、结构良好的土壤比松散、结构较差的士壤抗蚀性要强得多。 因此，在同等荒漠化动力作用下，紧实土壤较松散土壤的荒漠化程度要低 得多。土壤的各种化学性质一方面通过影响植被间接地对荒漠化起作用， 另一方面又直接影响荒漠化强度。例如：土壤有机质含量的多少对土地荒 漠化的影响就显示出：有机质愈多，土体上植被生长愈好，荒漠化程度愈 低；反之，荒漠化程度就高“”。另外，有机质本身的胶结形式不同，对 荒漠化过程的影响也不尽相同。 法库县土壤属于棕壤土、风沙土、草甸土、草炭土、水稻土和碱土。 其中棕壤占3 1 9 ，风沙土占13 3 ，草甸土占4 7 6 4 ，碱土占5 0 7 ， 草炭土占0 1 6 。本区风力较强，沙物质丰富，人类活动频繁，土壤风蚀 严重，在土壤风蚀及各种活动的作用下塑造了本地区的风沙环境。 2 5 土地荒漠化的人文环境 人类活动是荒漠化扩展的直接原因”。土地荒漠化的正逆过程，与区 域人文环境的关系极为密切。所谓人文环境包括融于自然地理系统的人为 生活过程、人为生产过程及其所形成的物质景观。 人类不合理的经济活动在自然因素的基础上对土地荒漠化起到了激发 和促进的作用。土地荒漠化的人为因素主要有人口的过度增长、过度开垦、 过度放牧、过度樵采等。 在脆弱的半干旱生态环境中，人口的大量增加往往是造成环境退化的 第一性压力，各种过度经济活动往往由此引起。据2 0 0 1 年统计，全县总人 辽。r i ：稃技术人学硕十学位论文 口3 4 4 5 万人，是1 9 0 5 年的2 9 6 倍，1 9 4 9 年的1 6 7 倍，人口密度由1 9 4 9 年的9 4 7 5 人k i n 2 ，增加到2 0 0 1 年初的1 5 8 5 4 人k i n 2 。法库县产业结构中 农牧业占主体，人口的9 0 为农牧民，主要靠农牧业提供基本的生活资料。 随着人口的增长和牲畜数量的不断增加，人类活动强度加大，人们在有限 的自然资源上为了生存，必须获取基本的能量和食品，使单位面积土地上 的压力增加，在经济技术水平较低的情况下，只能靠扩大耕地和增加牲畜 数量的办法来满足农牧民日益增长的经济需求。其直接后果是造成植被破 坏，土地沙化，土地生产力进一步降低，使原本脆弱的沙地生态系统陷入 无法逆转的恶性循环。 辽j l 榉技术人学硕十学位论文 1 4 3 研究区土地荒漠化遥感信息提取 3 1 资料的选取与预处理 3 。1 1 资料的选取 土地荒漠化研究对资料要求比较高，选取可靠、全面的数据资料是荒 漠化分析研究的基础和根本保证。遥感数据的选择，可以根据研究对象的 空间尺度和指标，选用不同的遥感数据源。对于国家级尺度或更大尺度的 生态环境研究，极轨气象卫星n o a a 遥感数据a v h r r 可满足要求。对于 省区或县级中尺度的研究，l a n d s a t 系列遥感数据十分有效，l a n d s a t t m 遥 感数摆适中的多光谱特征、空间分辨率、可获取性、性能价格比等，目前 依然是其他遥感数据无法比拟的。本研究区范围较大，属于中尺度，因此 选用l a n d s a t 5t m 数据。 经过充分的区域调查和影像筛选，收集到了研究区19 9 5 年和2 0 0 1 年 2 个时相的t m 资料，如表3 1 所示。 表3 ，1 法库t m 资料 此外还收集了法库县的1 ：5 0 0 0 0 地形图( 1 9 7 5 年) 、1 9 9 2 年土地利用 现状调查报告、1 9 9 5 2 0 0 1 年的人口统计资料和国民经济统计资料等文本资 料。 3 1 2 遥感影像的预处理 数据的预处理主要指正式使用前对数据进行的校正、噪音剔除、裁剪 等。因选用的数据都基本没有斑点或条带等各种类型的噪音，所以数据的 预处理主要是进行校正，包括几何校正和辐射校正。 3 1 2 1 几何纠正 几何精纠正即利用地面控制点，对因其他因素引起的遥感图像畸变进 行纠工f 。校正过程主要包括地面控制点采集、采样精度验算。调整控制点 辽。rj ：程技术人学硕十学位论文 等步骤，其中最关键的是地面控制点的采集。本研究依照“多点均匀分布， 选择相对固定地物点、尽量采取大比例尺图件作参考图”的原则，采用研究 区l ：5 0 0 0 0 地形图，对各景影像采用二元多项式法进行了几何精纠正。地 面控制点分别选在道路变化明显处，河流交汇处和道路河流交叉处等。因 研究区面积较大、人烟稀少，土地利用有所变化且地形图较为陈旧，部分 地面控制点用此法难于确定，因此研究中也采用了部分g p s 野外实测数据。 经r m s 检验，误差小于0 5 个像元，采用最小邻近法重采样，地面分辨率 3 0 m ，产生几何精校正后的遥感影像。坐标投影系统为横轴墨卡托投影， 北京一5 4 坐标系。 3 1 2 2 辐射纠正 不同影像成像时的大气条件，太阳条件( 高度角和方位角) 等都存在很 大差异，要进行诸如植被变化等的准确的多时相动态分析，必须对不同时 相的影像进行归一化性质的辐射校正；另外，在植被监测中为保证精度，计 算多数植被指数都要求用反射率数值，而影像上直接读到的实际是亮度值 ( d i g i t a l n u m b e r d n ) ，任何尝试将传感器记录的亮度值转换成地面反射的 校正模型都必须考虑传感器校正参数以及在从太阳到地球再到传感器的复 杂路径上影响太阳辐射的众多因子，剔除与地物反射无关的干扰。外大气 层太阳照度、太阳入射角、地物光谱反射、大气散射和大气衰减是模拟传 感器太阳辐射需要了解的最重要参数。因此要准确地校正图像的辐射特性 即对图像进行绝对辐射校正，需要对大气的辐射传输过程进行有效的模拟， 确定太阳入射角和传感器的视角以及地形起伏之间的相互关系等。这类方 法一般都很复杂，最好在图像获取时也同时测得大气的光学厚度等特性。 由于目前绝大多数遥感图像的获取无法满足这一条件，因此，人们采用模 拟的方法估计大气对地面信号的干扰状况。由于对大气于扰进行绝对纠正 的过程很复杂，因此人们还建立了一些简单的纠正方法，也可称为经验性 大气纠正或相对纠正方法。 本文采用c h a v e z ，c h a n d e r 等建立的种简便的辐射校正模型进行t m 数据的辐射校正( c h a v e z ，1 9 8 9 ；c h a n d e r ，2 0 0 3 ) 。校正模型的计算式为： 石 r e ，一l h a z e 、 d 2 以2 蠢赢了意乞一( 3 - 1 ) 厶= g a i n - b n + 8 z ? 4 s ( 3 2 ) l h a z e = l m 一己 i ，( 3 - 3 ) 三 。= g a i n x d n 。+ b i a s z ( 3 4 ) 辽r f j 稃技术大学硕十学t i 7 ：论文 1 6 0 0 1 e s u n 2 c o s2 q r d 2 d n = 像素值 ，= 地表反射率 l ，= 星上反射率 嬲u ，= 大气外平均太阳辐射度 q = 9 0 太阳高度角 d = 日地距离 3 2 遥感图像增强 图像增强是为了突出相关的专题信息，提高图像的视觉效果，使分析 者能更容易地识别图像内容，从图像中提取更有用的定量化信息。图像增 强的实质是增强感兴趣目标和周围背景图像间的反差。山于图像是多种信 息的综合反映，因此往往受自然地理现象的限制或季节影响造成图像反差 过大或过小、色彩平淡、饱和度降低，清晰度小够，影响了土地利用覆盖 变化和荒漠化信息的提取。为了最大限度地提取图像所反映的本底信息， 提高成果精度，本研究在图像分析、图像解译和野外调查的基础上，针对 图像上反差较小的地物及难以辩解的地物进行对比度增强处理，使图像中 的亮度范围拉伸或压缩，从而提高图像的对比度，便于图像解译。图像对 比度增强采用直方图均衡化处理( h i s t o g r a me q u a t i o r ，经过直方图均衡化 后，原图像一些原来具有小同亮度值的像元则具有了相同的亮度值，而同 时原来一些相似的亮度值则被拉开，从而增加了它们之间的对比度，提高 了图像的视觉显示。 3 3 遥感图像信息特征与波段组合 多光谱遥感数据波段较多，如何进行方案组合是假彩色合成的关键。 波段选择要遵循以下3 个原则“”： 所选的3 个波段的信息总量要大； 所选的3 个波段的相关性要弱； 目标地物类型要在所选的波段组合内与其它地物具有很好的可分 性。 依据以上3 个原则，在波段选择时的主要依据是：方差越大，表明波 段的离散程度越大，所含的信息量越丰富，因而在进行波段组合时首先要 辽。j f ：程技术人学硕七学何论文 1 7 考虑组合后的波段方差要尽可能的大。考虑到第2 个原则，由于地物各个 波段之问的辐射特性存在相关性，三个方差最大的波段组合在一起不一定 能得到最大的信息量，这是因为当三个波段之间的相关性很强时，各波段 所包含的信息会存在大量的重复和冗余。此外，在波段选择时仅仅考虑上 面两个原则是不够的，当满足上面两个原则，但所研究的地物在所选的三 个波段与其它地物不具有很好的可分性，波段组合仍不是最佳的波段组 合因此，在进行假彩色方案合成时，波段的选取一定要考虑方差要大而 相关性要小，这样两个条件，在此基础上目标地物还应该与其它地物在此 波段组合上具有很好的可分性。基于上述依据，最佳波段选择的主要方法 有：方差、相关系数矩阵、o i f 指数等。经过对以上指标的确定，可以得 出波段组合最佳的一组为5 4 1 。 3 4 主成分变换 3 4 1 主成分变换原理 主成分( p c ) 变换又叫做卡胡特劳埃变换( k a r h u n e n l o e v e ) 或霍特 林变换( h o t e l l i n g ) 。主成分变换是基于变量之间的相关关系，在尽量不丢 失信息的前提下，利用旋转变换的方法实现数据压缩。其实质是一种旋转 变换。设x 是变换前的多光谱空间，】，是变换后的多光谱空间，则根据上述 定义，主成分变换可表示为y = a z 其中彳为常数矩阵，可以根据】，空间所有 像元矢量的协方差矩阵。求得即 y = e ( j ，一m y ) ( y m r ) 。】 2 9 ( m v a m j ) ( 似一a m ) 7 】 2 爿t e ( x m j ) ( r m j ) 7 】 = a 4 7 为了达到旋转变换的目的，必须使y 空间的协方差矩阵是对角阵。根据 数学中矩阵对角化的原理，只要使矩阵a 是x 空间协方差矩阵z ，的特征向量 的转置矩阵，就能得到。是对角矩阵，而且这个矩阵的对角元素是，的特 征值组成，即： 辽j 。晕技术人学硕十学位论文 。= 旯 00 0a ，0 特征向量矩阵。是一个1 1 x 1 1 的矩阵，由疗个特征值组成，对应于每一 个 ，如，乃。 o = 【西l o 2 中。】 巾2 t 中2 2 中2 ” 这里每一个特征向量相应于两个不同实数特征值的特征向量是正交 的，这样，旋转变换的变换矩阵： 彳= 中。2 中l l m 1 2西 2 lm 2 2 m 2 m m 中。2 o 。 从而完成了这一线性变换，这个变换就是主成分变换”“。 主成分分析( p c a ) 经过p c 变换后，新的坐标轴正是沿着数据分布的 主要分量的方向，这就是特征矢量的方向。特征值的大小可以反映这一方 向上主分量所具有信息量的多少，也就指明了每个分量的相对重要性。实 际上，对于t m 影像，前三个主分量要占全部特征值的9 0 以上，由于p c 变 换对不相关的噪声没有影响，所以当信息减少时，便突出了噪声，最后的 分量几乎全是噪声信，g 。p c 变换有以下优点： 多光谱空间变成了新的主分量空间，虽然失去了原有的光谱意义， 但可以只取第一、前二或前三个分量，既包含了绝大多数地物信息，又减 鳓靴 ， “ i 2 h m 中 辽j 5 f ：程技术人学硕+ 学位论文 1 9 少了数据量。 由于在这些主分量中，噪声相对减少，突出了主要信息，达到了增 强图像的目的。 在以后进行的分类处理中用这种变换进行特征选择，既减少了维数 又可得到更佳的分类效果。 3 4 2 研究区主成分( p c ) 分析 研究区特征值、特征矢量矩阵如表3 2 、表3 3 所示。 表3 2 研究区特征值矩阵 表3 3 研究区各波段特征矢鼍矩阵 由表3 2 可知，前二个主分量占全部特征值的9 8 9 ，因此，决定选 用p c i ，p c 2 ，p c 3 三个主分量参与后续的分类工作。p c i ，p c 2 ，p c 3 三个主分量合成后的遥感影像如图3 2 所示。 辽pj ：程技术大学硕士学位论文 2 0 图3 1 法库地区r g b 合成影像图 图3 - 2 法库地区2 0 0 1 年主成分变换结果 3 5 土地荒漠化影像解译标志研究 遥感影像解译标志研究是土地荒漠化监测研究的重要内容，主要是对 影像颜色、形状特征进行分析。颜色特征是地面物体的电磁波特征在卫星 像片上的反映，各种地物物质成分、表面结构以及表面温度等的不同，造 成光谱特性的差异，这种差异反映在影像上则表现为色彩差异；形状特征 又是色彩在空间上的组合排列，是由于地面起伏和地表不同物质对相同波 段电磁波的吸收与反射不一样所造成的图形差异。 遥感影像解译标志的建立主要是结合野外调查与影像分析来确定的。 不同荒漠化土地类型在影像上的色调、形状、纹理、结构特征各异。荒漠 辽卜犁技术大学硕士学位论文 化土地解译标志主要有： 图像标志，指荒漠化土地的色调、影纹、形状、大小和阴影； 地貌形态标志，指各种反映土地荒漠化程度的微地貌景观。一定类 型的荒漠化地貌代表一定的土地荒漠化发展程度和阶段。同样，土 地荒漠化地貌形态的组合特征也是确定荒漠化程度级别的重要标 志： 数量标志，如单位面积内流沙和植被所占百分比。研究区土地类型 影像标志见表3 4 。 表3 4 土地荒漠化影像标志 辽。j 。j j 掣技术人学硕士学位论文 3 6 植被指数的选择 3 6 1 常用植被指数 植被指数反映了光谱响应与植被盖度之自j 的近似关系，而土地荒漠化 其本质特征就是土地生产力的降低，而植被指数的变化完全可以表达土地 生产力的变化过程，因此可以利用植被指数作为荒漠化监测指标来监测土 地荒漠化的动态变化。利用植被指数对荒漠化监测已经有较多的工作， t u c k e r 等应用n d v i 推算降水量，将2 0 0 毫米等雨量线作为撒哈拉荒漠与 地区的分界线，利用n d v i 推算降水量，根据推算的2 0 0 毫米等雨量线来 推断荒漠的进退。h a n a n 等在s a h e l 地区利用n o a a a v h r r 数据，根据生 长季n d v i 累计值与生物量之间的相关关系，推算草地生物量，根据生物 量的变化对深井周围荒漠化进行了评价。另外，龙晶应用n o a a a v h r r 资料8 月n d v i 对中国荒漠化程度进行了分级，从目前来看，所采用的植 被指数基本上为n d v i 。 由于植被指数表现为植被、土壤亮度、环境影响、阴影、土壤颜色和 湿度等的混合系统，而且受大气、空间和时间的影响，因此植被指数也没 有一个普遍的值。2 0 多年来，已经发展了4 0 多个植被指数( 田庆久等， 1 9 9 8 ) ，但各有优势和局限性，这里只比较一下常用的植被指数，选择最适 合土地荒漠化监测的植被指数。 r v i ( 比值植被指数) r v i = r | n i r r 对大气敏感，当植被盖度不够浓密时，它的分辨能力很弱。 n d v i ( 归一化差异植被指数) n d v l = ( n i r 一只) ( n i r 十尺) n d v i 对绿色植被覆盖反映明显，常用来进行区域和全球植被状态的研 究，但对低密度植被覆盖常过高地估计。 p v i ：( n i r a r 一6 ) 再 p w ( 垂直植被指数) p 受土壤的影响较小，但在描述土壤背景的光谱行为上与n d w 存在 着矛盾的一面。 s a v i ( 土壤调整植被指数) 辽j 。吲犁技术人学硕七学位论文 s a v i = ( n i r 一只) ( n i r + 胄) + ( 1 + ) s a v i 由n d v i 和，w 组成，可适于描述植被盖度，但受裸土的影响仍 然很明显。 t s a v i ( 转换型土壤调整植被指数) t s a v i = a ( n i r a r b ) n + a n i r a b + x ( 1 + 口2 ) 】 t s a v i 将土壤的影响减小到最小值，对干旱区低植被特性比较适合。 m s a v i = ( 2 n i r + 1 4 ( 2 n 1 r + n 2 8 ( n i r r ) ) 2 m s a v i ( 土壤调整植被植被指数) 为s a v i 的改进型，减小了裸土的影响。 g e m i ( 全球环境监测指数) g e 朋z = 叩( 1 0 2 5 r ) 一( 尺一0 1 2 5 ) 0 一只) ，7 = 2 ( n i r2 一r 2 ) + 1 5 n i r + 0 5 r 】( n i r + r + 0 5 ) g e m i 不受大气影响，但是其受裸土的亮度和颜色的影响很大，对稀 疏和中等盖度的植被不太适用。 基于对研究区的实际状况，本研究采用n d v i 。 3 6 2n d v i 阀值的确定 n d v i 是归一化植被指数的简称， 的强吸收和在近红外波段的强反射， 状态的表达。 n d v i = (