松嫩平原西部沙漠化空間格局及其變化的圖形信息特征分析

郭 紅,龔文峰,袁 力,杜紹敏,范文義

(1.哈爾濱學(xué)院地理系,黑龍江哈爾濱 150086;2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150086; 3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040）

松嫩平原西部沙漠化空間格局及其變化的圖形信息特征分析

郭 紅1,龔文峰2,袁 力3,杜紹敏2,范文義3

(1.哈爾濱學(xué)院地理系,黑龍江哈爾濱 150086;2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150086; 3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040）

基于RS和 GIS技術(shù),利用1986年、1990年和2003年松嫩平原Landsat TM遙感影像,對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互式解譯,研究土地沙漠化現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)變化,借助于地學(xué)信息圖譜理論、空間分析和轉(zhuǎn)移矩陣方法分析土地沙漠化的演變過程和時(shí)空特征。結(jié)果表明:1986-2003年松嫩平原沙漠化土地以潛在及非沙漠化、中度和輕度沙漠化土地為主,1986年、1990年和2003年分別占土地總面積的88.13%、90.06%和85.63%;1986-1990年土地沙漠化發(fā)展速度為1 810.69 km2/a,逆轉(zhuǎn)速度為1 857.45 km2/a,沙漠化擴(kuò)展速率降低,沙漠化程度減緩, 1990-2003年沙漠化土地發(fā)展速度為688.37 km2/a,逆轉(zhuǎn)速度為539.57 km2/a,沙漠化土地快速蔓延,沙漠化程度加重;1986-2003年土地沙漠化過程中存在漸變與躍變兩種方式,因此要遵循土地適宜性原則,慎重開發(fā)和利用區(qū)域土地資源。

土地沙漠化;時(shí)空演變;遙感分析;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

沙漠化表現(xiàn)為土地生產(chǎn)力下降、土地資源喪失、地表呈現(xiàn)類似沙漠景觀的土地退化[1],沙漠化問題是人類面臨的重大問題之一[2]。沙漠化研究主要是研究沙漠化的發(fā)生、發(fā)展原因和動(dòng)力學(xué)機(jī)制及沙漠化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建[3],對(duì)其空間格局的研究主要是借助景觀生態(tài)學(xué)的一些指標(biāo)和參數(shù)[4-6],描述空間格局的方法不夠完備[7],因此研究沙漠化空間格局及其變化是沙漠化研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題,具有重要科學(xué)和實(shí)踐意義。

沙漠化空間格局可表現(xiàn)為以時(shí)間為序列的不斷演化的特定地理圖形[7]。因此,本文從圖形表達(dá)與分析的角度,運(yùn)用地學(xué)信息圖譜理論,結(jié)合 GIS空間分析方法,以松嫩平原為例,探討沙漠化空間格局、變化的圖形特征及其描述方法[7],掌握土地沙漠化的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律及其機(jī)制,對(duì)研究沙漠化發(fā)展趨勢(shì)、制定沙漠化防治措施和對(duì)策具有重要意義。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以松嫩平原(東經(jīng)125°37′～128°12′,北緯46°36′～48°18′）為研究對(duì)象,以1986年、1990年和2003年Landsat TM影像為基本數(shù)據(jù),地形圖作為地理基準(zhǔn)數(shù)據(jù),在遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE 9.1的支持下,采用二次多項(xiàng)式對(duì)3期影像進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn),配準(zhǔn)的誤差小于1個(gè)像元,滿足精度要求。為提取土地沙漠化的變化信息并突出土地沙漠化的特征,通過波段統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析,影像最佳波段合成方案為 TM 4(R）、TM 3(G）、TM 2(B）組合。根據(jù)地表特征建立沙漠化解譯標(biāo)志和分級(jí)類型,然后采用人機(jī)交互的方式解譯出沙漠化現(xiàn)狀圖,在A rcGIS 9.2的支持下,通過疊加分析提取沙漠化變化信息。

1.2 土地沙漠化等級(jí)劃分

依據(jù)地面物質(zhì)組成、植被覆蓋度和地貌形態(tài)組合特征等,參考已有的沙漠化土地劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法[8-10],結(jié)合實(shí)際情況,將研究區(qū)域的沙漠化情況分為4級(jí)[11]:1）潛在及非沙漠化:植被覆蓋度大于70%,植物生物量高,基本無鹽堿化,主要表現(xiàn)為耕地及高覆蓋草地;2）輕度沙漠化:植被蓋度在50%～70%,植物生長量較高,鹽堿化程度低,表現(xiàn)為沙漠化比較輕微的耕地和中蓋度草地,基本無風(fēng)沙流活動(dòng)的沙化土地,無明顯的風(fēng)蝕、風(fēng)積形態(tài),地表大部分地區(qū)保持原生狀態(tài);3）中度沙漠化:植被覆蓋度在30%～50%,植物生物量中等水平,鹽堿化程度較低,風(fēng)沙活動(dòng)不太明顯,為生長草原植被的地區(qū)和鹽堿化耕作的沙化土地;4）重度沙漠化:植被覆蓋度在10%～30%,植物生物量較低,鹽堿化程度較重,風(fēng)沙活動(dòng)明顯或流沙紋理明顯,主要為生長少量植被的重度鹽堿化區(qū)。

1.3 沙漠化變化圖譜信息

在A rcGIS的支持下,通過空間分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)的轉(zhuǎn)移矩陣分析方法確定沙漠化的時(shí)空演變規(guī)律。沙漠化的演變除面積變化外,等級(jí)程度變化也是標(biāo)定沙漠化演變的重要指標(biāo),其以沙漠化土地等級(jí)變化來衡量。本文借助圖譜學(xué)原理,根據(jù)式(1）將沙漠化程度變化分為發(fā)展(含輕微發(fā)展、強(qiáng)烈發(fā)展）、穩(wěn)定、逆轉(zhuǎn)(含輕微逆轉(zhuǎn)和明顯逆轉(zhuǎn)）3大類和5小類,定義其具體判定標(biāo)準(zhǔn)(表1）[12]。

其中:Y86、Y00和 Y03分別是1986年、1990年和2003年沙漠化程度的空間—屬性一體化數(shù)據(jù)。以時(shí)間序列為軸,對(duì)3期沙化數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算,合成空間—屬性—過程一體化圖譜單元。

表1 土地沙漠化演變類型Table 1 The change type of desertification land

2 1986-2003年沙漠化空間分布及動(dòng)態(tài)演變

2.1 土地沙漠化的現(xiàn)狀及空間分布規(guī)律

從表2可知,1986年、1990年和2003年研究區(qū)域的沙漠化土地以潛在及非沙漠化、中度和輕度沙漠化土地為主,分別占總面積的88.13%、90.06%和85.63%。其中潛在及非沙漠化面積最大,1986年、1990年、2003年分別占沙漠化土地總面積的38.34%、35.10%和37.52%,1986-2003年潛在及非沙漠化面積減少了193.56 km2,反映了研究區(qū)域的沙漠化土地不斷蔓延,而且在一定程度上表明土地沙漠化程度呈加重趨勢(shì);中度沙漠化土地次之,1986年、1990年和2003年中度沙漠化土地分別占沙漠化土地的31.41%、28.09%和 34.84%;1986年、1990年、2003年重度沙漠化所占的比例分別為11.45%、9.44%和13.81%,期間該類型面積增加了555.33 km2,由于該類型治理難度較大,且利用價(jià)值較低,要采取相應(yīng)的措施,以使條件較好的地區(qū)沙漠化能得到逆轉(zhuǎn)。總體而言,研究區(qū)域的潛在及非沙漠化和中度沙漠化土地所占比重較大,但沙漠化狀況不容樂觀。

表2 研究區(qū)域不同程度沙漠化土地面積Table 2 The area of different class desertification land

2.2 1986-1990年沙漠化土地的演變過程

將1986年、1990年兩個(gè)時(shí)相監(jiān)測(cè)的結(jié)果經(jīng) GIS空間疊置,以1986年為基準(zhǔn)分析可知(表3）:重度沙漠化有3.66%(859.74 km2）躍變?yōu)闈撛诩胺巧衬恋?有2.51%(590.68 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度沙漠化, 3.97%(933.14 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬衬?其中轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬衬谋壤畲?表明區(qū)域沙漠化土地在適當(dāng)?shù)臈l件下具有一定的恢復(fù)潛力。中度沙漠化有10.07%(2 367.34 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诩胺巧衬恋?6.72%(1 580.77 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度沙漠化,僅有3.85%(904.45 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟壬衬?其中轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诩胺巧衬耐恋厮急壤畲?表明沙漠化程度趨緩。潛在及非沙漠化土地主要向輕度和中度轉(zhuǎn)變,輕度沙漠化主要向潛在及非沙漠化和中度沙漠化轉(zhuǎn)變。

表3 1986-1990年研究區(qū)域沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Matrix of desertification land conversion of study region from 1986 to 1990

1986-1990年發(fā)展型沙漠化土地7 242.76 km2,占30.79%,其中輕微發(fā)展和明顯發(fā)展的比例分別達(dá)17.93%和12.86%。穩(wěn)定性沙漠化土地為8 783.74 km2,占 37.35%;逆轉(zhuǎn)型沙漠化土地為7 429.79 km2,占31.59%,其中輕微逆轉(zhuǎn)占15.24%,強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)占16.35%。由此可知,4年間沙漠化土地發(fā)展速度為1 810.69 km2/a,而逆轉(zhuǎn)速度為1 857.45 km2/a,表明土地沙漠化蔓延的趨勢(shì)得到一定緩解,沙漠化程度有所降低;同時(shí)也說明沙漠化土地演變過程中嚴(yán)重的沙漠化土地并非不可逆轉(zhuǎn),而非沙漠化或潛在沙漠化土地并非最安全,其會(huì)在一定的條件下演變?yōu)槌潭葒?yán)重的沙漠化土地[12]。

2.3 1990-2003年沙漠化土地的演變過程

將1990年、2003年兩個(gè)時(shí)相監(jiān)測(cè)的結(jié)果經(jīng) GIS空間疊置,以1990年為基準(zhǔn)分析可知(表4）:潛在及非沙漠化、中度和重度沙漠化的年變化率呈正值,表明上述類型沙漠化面積呈增加趨勢(shì),只是不同程度沙漠化面積增加的速度有差異:重度沙漠化的年變化率最大,沙漠化速度發(fā)展最快,其次是中度沙漠化;輕度沙漠化的年變化率為負(fù)值,沙漠化面積減少。重度沙漠化主要向潛在及非沙漠化和中度沙漠化轉(zhuǎn)變,比例為4.19%和3.41%;中度沙漠化有9.92%(2 333.10 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诩胺巧衬恋?4.03%(948.72 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度沙漠化,3.79% (892.40 km2）轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟壬衬?輕度向中度、潛在及非沙漠化和重度沙漠化轉(zhuǎn)變比較明顯,其比例分別為 10.42%(2 450.54 km2）、7.61%(1 790.66 km2）和4.41%(1 036.39 km2）,潛在及非沙漠化向輕度和中度沙漠化轉(zhuǎn)變十分明顯。

表4 1990-2003年研究區(qū)域沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Matrix of desertification land conversion of study region from 1990 to 2003

1990-2003年發(fā)展型沙漠化土地為8 948.86 km2,占38.04%,其中輕微發(fā)展和明顯發(fā)展型沙漠化土地分別達(dá)18.67%和19.37%。穩(wěn)定性沙漠化土地為7 476.6 km2,占31.79%;逆轉(zhuǎn)型沙漠化土地為7 014.39 km2,占29.82%,其中輕微逆轉(zhuǎn)和強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)分別為15.18%和14.64%,強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)比輕微逆轉(zhuǎn)的面積少127.85 km2。由此可知,13年間沙漠化土地發(fā)展速度為 688.37 km2/a,而逆轉(zhuǎn)速度為539.57 km2/a,前者是后者的1.28倍,表明在該時(shí)期內(nèi)沙漠化土地快速蔓延,沙漠化程度加重,反映了該區(qū)域土地嚴(yán)重退化和生態(tài)環(huán)境的惡化,因此對(duì)該區(qū)域土地的開發(fā)利用一定要慎重。

2.4 1986-2003年沙漠化土地空間分異

將土地沙漠化圖譜變化與研究區(qū)域進(jìn)行空間疊加分析可知:輕微發(fā)展區(qū)域主要集中在綏棱縣,其中1986-1990年變化面積為1 128.70 km2,1990-2003年變化面積為1 164.08 km2,增加了 35.38 km2;強(qiáng)烈區(qū)域集中分布在海倫市,1990-2003年變化面積為825.67 km2,1986-1990年變化面積為748.86 km2,增幅為9.32%,可見海倫市沙化蔓延的趨勢(shì)有一定的加強(qiáng),沙漠化程度比較嚴(yán)重;穩(wěn)定性區(qū)域主要分布在北安縣,1986-1990年所占比例為27.12%,1990-2003年為29.39%,表明該區(qū)域土地沙漠化蔓延的趨勢(shì)得到一定緩解;輕微逆轉(zhuǎn)的區(qū)域,1986-2003年主要分布在綏棱縣,1990-2003年主要分布于北安縣;強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)的區(qū)域主要分布于慶安縣,1986-1990年變化面積為 973.91 km2, 1990-2003年為809.29 km2,表明1986-1990年沙漠化減緩的速度大于1990-2003年。

3 結(jié)論與建議

研究區(qū)域以潛在及非沙漠化、中度和輕度沙漠化土地為主,1986年、1990年和2003年占土地總面積的比例分別為88.13%、90.06%和85.63%,其中潛在及非沙漠化面積最大。1986-1900年土地沙漠化的發(fā)展速度為 1 810.69 km2/a,逆轉(zhuǎn)速度為1 857.45 km2/a,逆轉(zhuǎn)速度是發(fā)展速度的 1.03倍; 1990-2003年發(fā)展速度為688.37 km2/a,而逆轉(zhuǎn)速度為539.57 km2/a,發(fā)展速度是逆轉(zhuǎn)速度的1.28倍。

該區(qū)在1986-2003年土地沙漠化程度存在漸變與躍變兩種變化方式,因此對(duì)該區(qū)土地的開發(fā)利用需慎重,防止措施不當(dāng)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)發(fā)展為重度或極重度沙漠化土地[12]。土地沙漠化的防治不僅是技術(shù)問題,更重要的是政策和管理問題[13]。對(duì)于沙漠化土地的開發(fā)利用,應(yīng)根據(jù)土地資源利用現(xiàn)狀,解決好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中輕林、輕牧、輕水等問題,遵循土地適宜性原則,建立防風(fēng)固沙的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),優(yōu)化農(nóng)林牧副漁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),全面進(jìn)行生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)的推廣和節(jié)水灌溉設(shè)施的建設(shè),并加大農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度,改善經(jīng)營方式,突出重點(diǎn)區(qū)域治理,加快林業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展速度[14]。

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Study on Graphic Information Characteristics of Desertification Land Spatial Pattern and Its Change in West of Songnei Plain

GUO Hong1,GONGWen-feng2,YUAN Li3,DU Shao-min2,FAN Wen-yi3
(1.Department of Geography,Harbin College,Harbin 150086;
2.College of H ydraulic and Electrical Engineering,Heilongjiang University,Harbin 150086;
3.College of Forest,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）

Based on the RS and GIS technology,human-computer interaction interp retation was used to study the current situation and dynamic changes of desertification land in study region w ith the Landsat TM image in 1986,1990 and 2003.According to the geography graphic information theory and the ways of spatial analysis and conversion matrix,the change p rocesses and spatio-temporal characteristics of desertification land were analyzed.The results showed that:the desertification land of nonedesertification,light and mild desertification of study region wasmajor portion,the p ropo rtion were 88.13%in 1986,90.06%in 1990 and 85.63%in 2003.From 1986 to 1990,the developed and reversed speed of desertification was 1 810.69 km2/a and 1 857.45 km2/a,it was very clear that the reversed speed was greater than developed speed,w hich mean the increasing rate of desertification land was lower and desertification intensity decreased.From 1990 to 2003,the reversed and developed speed of desertification was 539.57 km2/a and 688.37 km2/a,the developed speed was greater than reversed speed,w hich mean desertification land increased quickly and desertification intensity was serious.From 1986 to 2003,there existed gradually change and abrup tly change in the expansion and reversion p rocessesof sandy desertification in this region.Acco rding to the suitable theo ry of land use,itm ust be careful in land use development of study region.

sandy land;spatio-temporal change;RS analysis;dynamic monitoring

P208;F301.24

A

1672-0504(2010）02-0085-04

2009-09-20;

2009-12-28

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA 12Z104）;黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2007-17）;黑龍江教育廳項(xiàng)目(11531294）;黑龍江水利廳項(xiàng)目(HSKY2006-01）

郭紅(1968-）,女,博士,副教授,主要從事GIS技術(shù)及其應(yīng)用研究。E-mail:gh121708@sohu.com