武威市荒漠监测技术系统构建研究

武威市荒漠监测技术系统构建研究

1断裂机技术应用沙漠是今天世界上关注的一个主要社会、经济和环境问题。严重威胁人类的生存，阻碍资源、环境、社会和经济的可持续和发展。按照联合国防治荒漠化公约,荒漠化是指包括气候变异等自然因素和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和干旱亚湿润地区(湿润指数在0.05～0.65之间)的土地退化。按荒漠化发生的营力类型,荒漠化可分为风蚀、水蚀、盐渍、冻融等类型。荒漠化直接导致土地的生物和经济生产力与复杂性下降乃至丧失。荒漠化归根结底是一种过程,而特定时空范围内形成的各类荒漠化土地则是这一过程的结果。对荒漠化过程及其结果进行适时的监测,及时准确地对发生荒漠化的土地进行评价,了解荒漠化动态变化,掌握其发生的机理,为防治荒漠化提供决策依据,是荒漠化监测技术系统的主要目的。荒漠化监测的传统方法是针对研究区进行连续定点的荒漠化类型和程度等的调查、记录分析。这种方法对小尺度对象的监测是可行的,但要实现中大尺度(县及县以上单位)范围的监测,需要大量的野外调查获取地面信息,因此传统方法有很大的局限性。而新兴的“3S”技术,即遥感(RemoteSensing,RS)、地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)和全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS)技术,在时空上为实现中尺度以上范围荒漠化动态监测,提供了必要的技术保证。遥感是应用航天、航空等技术,在远离目标的情况下采集从目标发射或辐射的电磁波信息,通过对遥感观测到的电磁波特性的分析,可以反演与之发生相互作用的介质的性质,从而识别目标和周围环境条件;GIS是指在计算机软硬件支持下,对具有空间内涵的地理信息的动态描述,通过时空构模,分析地理系统的发展变化过程,从而为咨询、规划和决策提供服务;GPS是应用卫星通过无线电实时确定地表某个点、线或面的三维坐标的定位系统。随着“3S”技术的日臻成熟和应用领域的日益扩展,“3S”技术在荒漠化监测领域也逐步得到了应用[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],但应用技术研究的深度还不够,技术系统的开发还有待完善。本项研究以地处荒漠区的甘肃省武威市为例,结合当地荒漠化特点,对基于3S技术的荒漠化监测技术系统的组成、构建技术等进行了系统研究。2研究区域的概括与沙漠特征2.1阴山山地权力分布武威市地处河西走廊东段的石羊河流域,101°49′～104°16′E,36°29′～39°27′N之间;海拔1020～4874m,行政上辖凉州、古浪、民勤和天祝四县区。总面积约3.32×104km2。该区地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大地理单元的交汇过渡地带,除天祝县大部分为祁连山高海拔区外,全区大部分属温带干旱荒漠气候区,具有典型的大陆性荒漠气候特点:日照充足(年日照时数2200～3030h)、降水稀少(年降水量60～610.3mm)、蒸发量大(年平均潜在水面蒸发1400～3040mm)。地貌基本可分为3大单元,即南部祁连山区、中部平原绿洲区和北部荒漠区。民勤绿洲是石羊河向荒漠纵深延伸而形成的典型隐域性绿洲单元。全区大部被腾格里、巴丹吉林两大沙漠和大片的戈壁所覆盖,是全省乃至全国荒漠化危害(主要是风沙危害)最严重的地区之一。以土地沙化、盐渍化和草原退化为特征的现代荒漠化过程和荒漠化土地的扩展,在荒漠地区也极具代表性。因天祝县地处祁连山中高山地区,未包括在荒漠化发生的气候范围内,所以本研究的项目区未包括该县。2.2土地立地条件分析武威市的荒漠化主要有以下3种表现形式:(1)沿北部腾格里和巴旦吉林两沙漠边缘的土地风蚀荒漠化。土地沙化和沙漠入侵危害农田为最主要的表现形式,这是项目区荒漠化的最主要表现形式,也是全区绿洲农业稳产高产的主要威胁。依沙漠分布相对于主风向的位置,民勤绿洲所受危害最大。(2)石羊河下游尾闾,主要指民勤北部绿洲(湖区)因灌溉用水减少导致农田弃耕和不合理的灌溉制度而引起的土壤次生盐渍化非常严重。(3)凉州区和古浪县南部祁连山中低山区的草场和旱耕地退化及流沙入侵也是武威市荒漠化的重要表现形式之一。3监测技术平台荒漠化监测技术系统的研建应遵循以下三原则:(1)以“3S”技术在荒漠化监测中的综合与集成应用为主要技术手段。(2)以ARC/INFO软件为基本GIS支持平台,构建以矢量数据为主要数据结构的荒漠化空间数据处理与管理系统。ARC/INFO是目前世界范围内应用最普遍、功能强大的GIS支持平台,在适当的计算机硬件系统支持下,它能顺利实现栅格图像与矢量图形的交互显示和栅格与矢量的数据格式转换,也具有强大的空间分析能力。ARCVIEW是较好的数据管理软件,它与ARC/INFO的数据通用,主要功能是显示、图件输出、查询和空间分析。(3)监测技术系统的建立主要用于满足中大尺度荒漠化动态监测的需要。监测的尺度对象为县及其以上行政单位,即中大尺度范围。这一尺度范围决定,本研究采用TM和ETM等卫星影像数据为技术系统建立的主要数据源,辅以MSS数据、重点区航空照片、地形图、各类专题图、实地调查资料、GPS定位数据和社会经济发展统计资料等其他来源数据。TM和ETM影像既能覆盖相对较大的面积,又能提供较满意的地面分辨率(15～30m),可满足中大尺度下县及县以上行政区域荒漠化监测的需要,出图比例尺约为1∶10～25万。4干预监测技术系统的组成和功能4.1遥感影像软件和在线软件相结合支持荒漠化监测技术系统建立与运行的硬件设备是以SUN工作站和高性能微机为核心,配以多种外部设备的计算机系统。外部设备包括用于数据获取、输入和存储的GPS接收机、扫描仪、数字化仪、磁带机和CDROM(含CD-R)等,用于结果输出的绘图仪和打印机等,以及数据的网络传输设备等。支持荒漠化监测技术系统运行的软件中,遥感影像处理软件选择ERDASIMAGINE,地理信息系统软件选用工作站和PC版ARC/INFO及桌面地理信息系统软件ARCVIEW。另外还有用于GPS数据差分的PFINDER软件,以及多种网络管理、编程、文字处理和数据库管理软件等。4.2多系统主要功能的发挥按组成系统各部分的功能,荒漠化监测技术系统可分为数据的获取和输入、遥感影像处理和分类成图、空间分析和数据管理以及监测结果输出等4个子系统。各子系统功能的发挥都不同程度地依赖支持3S系统功能正常发挥的各种软硬件设备。其工作流程如图1所示。4.2.1数据资料方面该子系统的主要功能是获取和数字化项目区荒漠化监测所需要的各种观测资料及社会、经济统计数据。荒漠化监测技术系统的数据源及其功能如下:(1)航天和航空影像资料:用于中大尺度荒漠化监测的TM、ETM、MSS和SPOT等格式的数据,ERDASIMAGINE软件都能直接读取;研究区各时期的航片资料,不管是胶片还是相片,均可通过扫描输入计算机,并能保持较高的分辨率。这些数据资料是研究区荒漠化监测的主要数据源。考虑到描述各类荒漠化土地植被年生长状态和生产力评价的需要,影像的成像季相选择在项目区植被生物量较大的6～9月份,这也有利于荒漠化土地分类。(2)现有的研究区土地利用、土壤、植被、气候、地形、水文、行政、交通、人口以及社会经济发展等方面的专题图件:这些专题图件都可通过数字化或扫描输入计算机。ARC/INFO提供的输入驱动模块,图形的输入和编辑都很方便,还具有建立独特的图形要素拓扑关系的功能。(3)GPS野外观测数据:GPS野外观测数据包括重点区测量和定位两类数据,前者主要反映荒漠化重点区的细部状况,后者用于研究区遥感影像的几何纠正和影像分类结果正确性的检查、核对。(4)其他统计或属性数据:包括研究区社会经济统计资料和野外调查数据,主要用于说明图形的斑块属性和分析预测模型的建立。ARC/INFO提供的二元数据管理结构,使属性数据和图形数据的管理有机结合,图形斑块属性的输入和管理都较方便。4.2.2影像的校正技术遥感影像处理包括影像校正、增强处理和分类三方面的内容。ERDASIMGINE软件提供了从多方面实现上述目的的强大功能。影像的校正包括几何校正和辐射校正两方面。原始遥感影像虽然一般都做了系统校正,也有自己的坐标系统,但要准确成图,必须进行几何精校正,并建立我国大比例尺地图常用的Gauss-Krüg坐标系统。是否需要做辐射校正,取决于成图的目的,例如,用植被指数(VI)监测植被的动态变化,就必须做辐射校正。遥感影像荒漠化特征信息的提取与影像分类,技术上较复杂,后面将做详细叙述。4.2.3空间分析功能该子系统的主体以ARC/INFO为支持平台、基于GIS的荒漠化空间数据管理与决策系统,它也是荒漠化评价与分析的主要支持系统。具有明确地理坐标系统、反映特定时空尺度下荒漠化状况的图形数据,不仅具有明确的地理特征含义,而且图形上所有可辨特征也都具有准确的空间属性,这也是GIS空间数据管理与一般图形和图像数据管理的根本区别。除上面提到的输入(含更新)功能外,GIS在数据管理方面的主要功能还包括存储、查询、显示和空间分析等。具有空间分析功能是GIS最突出的特点,在荒漠化监测中,主要体现于以下几个方面:(1)形态分析:计算荒漠化土地斑块的面积、周长、长度等;(2)地形分析:基于地形图,建立数字地形模型(DTM)或数字高程模型(DEM),获取坡度和坡向数据,用于分析水蚀荒漠化;(3)叠置分析:基于逻辑表达式的图形复合,形成新信息,用于分析荒漠化的时空动态变化;(4)邻域分析:通过荒漠化发生的缓冲区分析等获得新信息;(5)应用模型分析:如荒漠化预测、预警模型的构建等。4.2.4图形编辑和地图制作该子系统包括荒漠化监测制图、地图和表格的输出等。ARC/INFO的ARCEDIT模块提供了强大图形编辑功能,ARCPLOT模块提供了强大的地图制作功能,可制作输出规范的地图。ARC/INFO独特的二元结构数据管理模式,提供与多种数据库软件兼容的独立属性数据管理文件,可方便地统计和输出图表数据。5系列技术问题荒漠化监测技术系统的建立是一项复杂的系统工程,它不但涉及“3S”技术应用过程中的一系列技术问题,又涉及与荒漠化监测相关的荒漠化分类、评价方法等,而在荒漠化发生的不同自然地带,这些技术和方法的应用又有区别,因此,这些技术或方法目前在我国乃至全世界多数国家还没有形成规范。下面对项目区武威市荒漠化监测技术系统建立中的关键技术进行一些探讨。5.1气候类型分类联合国防治荒漠化公约指出,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、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化,上述气候类型区的划分采用Thornthwaite湿润指数来确定(表1),规定荒漠化的发生范围为湿润指数大于0.05和小于0.65的地区,即干旱区、半干旱区和亚湿润干旱区,大于0.65和小于0.05的区域为两个极区,不属于荒漠化的发生范围。这一划分方法已被广泛接受。武威市的地形复杂,即包括河西走廊的绿洲平原区和地势较平坦的沙漠戈壁区,又包括海拔高、地形起伏大的祁连山区。按上述联合国荒漠化发生气候类型区划分指标,项目区武威市北部和中部地区都处于荒漠化发生范围之内,而南部祁连山区情况却较复杂。慈龙骏和吴波的中国荒漠化气候类型划分指标,因在山区缺少气象站,没有进行海拔校正,祁连山区内的分界线明显不符合实际,引起很多争议。通过分析该区气候和荒漠化的特点以及植被分布规律,我们认为中山以下(海拔3000m以下)都应划入荒漠化区。因卫片原因,加之天祝县大部分都处于祁连山中高山区,荒漠化并不典型,本课题的项目区未涵盖该县。民勤县大部属干旱地区范围,凉州、古浪二县区的祁连山中低山及以下地区多属半干旱地区。中山以下荒漠化区几乎覆盖整个三县区面积。5.2不稳定区域内荒气人工林土地类型及分类系统荒漠化土地类型的划分是荒漠化评价的基础,它是根据荒漠化土地面上信息的相似性而进行的类群归并。组成荒漠化土地类型的最基本单元是斑块,同一土地类型的斑块应具较一致的生物、物理特征,不同土地类型的斑块镶嵌分布组成占据一定地理空间的地理单元。对一定时空范围内各类荒漠化土地斑块消长的动态监测是大、中尺度荒漠化监测的主要工作,因此,斑块也应成为区域荒漠化评价的基础单元。另外,以斑块为基础的土地利用/土地覆盖变化和景观生态格局变化分析,也是研究荒漠化动力学成因的重要方法。荒漠化土地类型的划分既不同于一般的土地类型分类,也不同于土地利用分类,国内外学者做的工作还很少。丁国栋提出采用多层次复合命名法,在此基础上划分出14个荒漠化土地类型。结合干旱地区荒漠化发生、发展的特点和表现形式,在考虑荒漠化发生的营力类型、地表形态和土地利用方式变化等的基础上,我们初步提出了一个适合干旱地区特点的荒漠化土地多级分类系统(表2),第一级的划分主要以荒漠化的营力类型为依据,第二级以土地利用方式和地表发展方向为依据,第三级的划分主要以地表形态和某些量化因子为依据。这一分类系统的制定主要考虑为中、大尺度的荒漠化土地类型划分服务,大多数地类可以通过TM等遥感影像的解译判定,少部分需要做实地调查和影像的量化分析获得。另外,为方便影像解译,也列出了非荒漠化土地的类型。5.3地表特征的提取荒漠化特征信息分散于原始影像全部原始波段中并与其它非荒漠化信息交错共存,不仅单波段很难全面、准确地反映荒漠化特征,而且由于原始波段间存在较高的相关性,简单的波段组合也不太利于识别复杂的土地荒漠化特征信息。影像增强处理的目的是通过一定的方法增强影像的荒漠化信息,同时压制其它信息,并把有效信息尽可能地压缩到较少的波段中,从而有利于荒漠化特征的解译。风蚀、水蚀(坡耕地退化)、盐渍化、植被退化(中低山草场退化)等荒漠化类型的地表特征,反映到图像上,除纹理、地貌特征等线状和形态信息外(可用TM4/TM5/TM3合成解译),面上特征可基本概括为植被、地表质地和水分状况三类基本信息,这三类信息的提取构成图像处理的基本目标。上述信息的提取有多种方法,下面针对TM影像介绍我们基于干旱地区特点探索出的两种有效方法。(1)地表有机质信息该方法把荒漠化信息分为植被和质地两类基本信息,分别提取。植被信息的提取采用土壤调节植被指数(SAVI);地表质地信息采用比值图象法提取,TM5/TM2能较好地反映地表水分与盐分的变化,而TM3/TM1能很好地反映地表物质的变化,特别是流沙的信息。这三个波段的合成有利于反映荒漠化综合信息。(2)沙质土地盖度KT转换处理的效果明显好于植被指数(VI)、主成分分析(PCA)等方法,处理后产生的分别代表亮度、绿度和湿度的三个独特波段,不但能敏感地反映沙质土地植被盖度的变化,而且也对判读各种裸露或半裸露土地的质地、水分和盐渍化程度的变化较敏感。另外,荒漠化是一个连续渐变的过程,TM影像数值变化的空间频率太高,不利于判定某些渐变因子如植被盖度等的变化趋势,图像的斑块也太碎,不便于划分等级和准确勾绘,因此,在处理过程前,首先需要对影像进行空间处理,降低影像的空间频率,使图像相邻像元的灰度值平滑变化,最常用的方法是低通滤波处理。5.4dem模型分析原理旱耕地的坡度特征导致的水蚀是旱作坡耕地退化的主要原因,而坡度本身也是坡耕地荒漠化评价的重要指征。在GIS中,利用DEM可以提取原生或次生地形模型,以此来定量描述地形的空间变化特征。DEM是代表陆地景观中海拔高度空间分布的一种有序的数据集合,它由不连续的采样点高程或由景观中特定单元的平均高程组成,记录了精确的空间三维信息。DEM是以栅格数据为基础来进行计算分析的,基于栅格数字高程模型提取特征地貌技术是遥感信息进入地学数据库的关键技术之一。依据DEM模型,根据一定的算法,可容易地获得对象区域的坡度信息。通过DEM提取坡度信息的具体方法是:①数字化地形图,建立地形等高线数字化矢量线图;②建立空间拓扑关系和矢量线图的地图投影坐标系统;③对各矢量线图进行边缘匹配处理及接边;④将矢量线图转换成不规则三角网(TIN)数据结构,并进行空间插值;⑤将TIN数据结构转换成格网结构(LATTICE);⑥对格网数据进行重采样,生成栅格DEM。⑦坡度计算,形成坡度图。然后,结合遥感信息提取获得的侵蚀数据和其他来源数据综合评价研究区域的荒漠化状况。从理论上讲,栅格DEM底图比例尺愈大,栅格单元愈小,所获得的地形特征愈接近真实情况。但是栅格单元过小,对于大范围的工作,则受计算速度及计算机存贮能力的制约。根据梁天刚(1998)研究的结果,对面积为几十个平方公里左右的区域(一个村或一个乡),选用1∶1万的地形图建立DEM,栅格单元分辨率取10m×10m或20m×20m较为适宜;对一个县(一般面积大于几千个平方公里),选用1∶10万或1∶50万地形图建立DEM,栅格单元分辨率取250m×250m或1km×1km较适宜。5.5增强目标函数及空间显示影像分类的方法主要