基于荒漠化差值指數(shù)（DDI）的精河流域荒漠化研究

毋兆鵬，王明霞，趙 曉

監(jiān)測土地荒漠化發(fā)展趨勢，掌握其動態(tài)變化規(guī)律，對土地荒漠化程度進(jìn)行評估分級，為荒漠化綜合治理、全面規(guī)劃、管理決策提供實(shí)時資料和動態(tài)信息，是目前荒漠化研究的重要內(nèi)容［1］。自20世紀(jì)90年代開始，新疆地區(qū)已成為西部大開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，而精河流域綠洲作為新亞歐大陸橋進(jìn)出我國的西大門，是新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶重要組成部分，但其支撐資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境同時也極為脆弱。因此，對該區(qū)域開展土地荒漠化監(jiān)測研究，不僅可以為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境治理和保障歐亞大陸橋暢通等提供決策參考，而且可為干旱區(qū)土地荒漠化監(jiān)測研究提供范例。

荒漠化遙感監(jiān)測目前主要采用監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、決策樹分層分類及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動提取等方法［2－7］。半自動方法不僅工作強(qiáng)度大，效率低，會較大受到主觀影響，而且由于對遙感信息的利用程度不高，從而難以讓豐富的遙感信息在荒漠化監(jiān)測中發(fā)揮作用。自動分類方法中，盡管現(xiàn)有的荒漠化理論研究已為其提供了較完整的分類評價指標(biāo)體系，但多數(shù)指標(biāo)為非物理參數(shù)，制約了其從遙感數(shù)據(jù)中的直接提取，使得分類精度的提高受到一定程度的限制，因此，發(fā)展荒漠化遙感定量評價方法是極具價值的方向［8］。由遙感圖像確定的歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映地表植被狀態(tài)的重要生物物理參數(shù)，而地表反照率（Albedo）則是反映地表對太陽短波輻射反射特性的物理參量。隨著荒漠化程度的加重，地表植被遭受嚴(yán)重破壞，地表植被蓋度降低，生物量減少，地表粗糙度下降，在遙感圖像上表現(xiàn)為NDVI值相應(yīng)減少，地表反照率得到相應(yīng)的增加?；哪芯勘砻?，如果不單獨(dú)依靠上述某一個參數(shù)，而是通過構(gòu)造“反照率（Albedo）—植被指數(shù)（NDVI）特征空間”獲取植被指數(shù)和地表反照率的組合信息，則可以更加有效和便捷地實(shí)現(xiàn)荒漠化時空分布與動態(tài)變化的定量監(jiān)測與研究［9］。本文以多時相遙感數(shù)字圖像為資料源，參考各類專題圖，結(jié)合實(shí)地野外驗(yàn)證，針對精河流域綠洲的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析研究區(qū)地表在Albedo—NDVI空間的形態(tài)特征，并依據(jù)荒漠化差值指數(shù)（DDI）獲取了研究區(qū)1990—2011年的荒漠化變化時空演變信息，以期為研究區(qū)今后荒漠化的控制、改造工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)方法支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣，天山支脈婆羅科努山北麓，介于81°07′52″—83°05′48″E，44°00′21″—45°00′56″N 之間，包含整個艾比湖區(qū)、精河縣城和精河流域綠洲，面積1.12×104km2。該區(qū)域?qū)佟敖z綢之路”新北道重鎮(zhèn)，是北疆交通要沖，經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略位置突顯，具有東聯(lián)西出、西引東進(jìn)、商貿(mào)發(fā)展的優(yōu)勢。由于地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，加之高大山脈的阻擋，導(dǎo)致該區(qū)夏季降水稀少，冬季干燥寒冷，大陸性氣候特征顯著。年均氣溫7.3℃，平原區(qū)多年平均降水量91mm。該區(qū)還是北疆沿天山一帶風(fēng)沙天氣最多的區(qū)域，大風(fēng)多，持續(xù)時間較長，干燥的氣候和強(qiáng)勁、活躍的風(fēng)力決定了強(qiáng)烈的蒸發(fā)，多年平均蒸發(fā)量為1 625mm，達(dá)到年均降水量的20倍。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

所用的圖像數(shù)據(jù)源包括1990年10月25日TM－5影像1景、2011年9月13日TM－5影像1景，影像的空間分辨率為30m。影像軌道號為146－29，成像條件均為無云。影像處理主要在ENVI 4.8圖象處理軟件的支持下進(jìn)行，具體包括遙感影像的輻射定標(biāo)，大氣校正，幾何精校正，圖像組合處理，圖像裁剪等，誤差小于一個像元。歸一化植被指數(shù)NDVI的計(jì)算借助近紅外和紅光波段的反射值計(jì)算完成，地表反照率（Albedo）的反演采用Liang［10］建立的反演模型。

為便于后期數(shù)據(jù)的對比和特征空間的構(gòu)建，對歸一化NDVI值（N）和歸一化Albedo值（A）全部采用歸一化公式進(jìn)行了處理。

2.2 Albedo－NDVI特征空間的構(gòu)建

根據(jù)曾永年等［9］的研究結(jié)論，遙感反演的NDVI（橫坐標(biāo)）和Albedo（縱坐標(biāo)）構(gòu)成的散點(diǎn)圖特征空間應(yīng)表現(xiàn)為梯形。為了研究精河流域綠洲荒漠化過程，選擇地表覆蓋類型比較全面的典型區(qū)，利用歸一化處理后的NDVI和Albedo值構(gòu)建了Albedo—NDVI特征空間散點(diǎn)圖，散點(diǎn)圖呈典型的梯形分布（圖1）。圖中A點(diǎn)代表貧水低植被覆蓋地表（戈壁、城鎮(zhèn)及沙漠）；B點(diǎn)代表富水低植被覆蓋地表（少部分農(nóng)田及裸地）；C點(diǎn)代表貧水高植被覆蓋地表（部分農(nóng)田）；D點(diǎn)代表富水高植被覆蓋地表（大部分農(nóng)田）。

圖1 不同土地覆蓋遙感圖像與Albedo－NDVI特征空間對比

散點(diǎn)圖上界邊A—C為反照率上界線，表示在區(qū)域范圍內(nèi)給定植被蓋度條件下，由于地表土壤水分缺失而導(dǎo)致的反照率最高上限。散點(diǎn)圖下界邊B—D為反照率下界線，標(biāo)出了在給定植被蓋度條件下，由于地表土壤水分狀況相對較好而導(dǎo)致的反照率下限。利用ENVI軟件的2DScatter Plots功能，將實(shí)際不同地表覆蓋類型與其在Albedo—NDVI特征空間中的分布進(jìn)行對照，結(jié)果表明不同地表覆蓋類型在Albedo—NDVI特征空間中能很好地加以區(qū)分。

3 結(jié)果分析

3.1 Albedo－NDVI空間下的荒漠化特征確定

研究表明，不同荒漠化土地對應(yīng)的植被指數(shù)（NDVI）和地表反照率（Albedo）具有非常強(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)性［9］。如果以此相關(guān)系數(shù)構(gòu)建一個簡單的二元線性多項(xiàng)式，并用其在代表荒漠化變化趨勢的垂直方向上劃分Albedo—NDVI特征空間，便可以將不同的荒漠化土地有效地區(qū)分開來。

式 中：DDI——荒 漠 化 分 級 指 數(shù) （desertification difference index），K值由特征空間中擬合的曲線斜率確定。

為確定公式（5）中的K 值，在研究區(qū)隨機(jī)選取1 848個樣點(diǎn)，對歸一化后的Albedo和NDVI柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，其R2達(dá)到0.84，這也表明在Albedo—NDVI空間中，研究區(qū)不同荒漠化土地類型對應(yīng)的兩種指數(shù)同樣具有非常強(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)。

將公式（6）中的斜率a，按a＝－1／k求解，由此，確定DDI的最終表達(dá)式為

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)Jenk原理的自然斷裂法能夠使各級的內(nèi)部方差之和最小，因此利用該方法將DDI值分為5個值域區(qū)間，同時結(jié)合實(shí)地調(diào)查，最終確定了研究區(qū)的5級荒漠化指標(biāo)（表1）。在ArcGIS 9.3軟件中利用上述方法和指標(biāo)，提取荒漠化信息，最終得到研究區(qū)1990和2011年兩期荒漠化土地等級圖（圖2）。

表1 精河流域土地荒漠化遙感監(jiān)測指標(biāo)

圖2 1990和2011年精河流域土地荒漠化分布

3.2 研究區(qū)荒漠化過程

利用ArcGIS軟件對獲得的研究區(qū)荒漠化影像進(jìn)行變化矩陣求解，結(jié)果詳見表2。從荒漠化面積數(shù)據(jù)可以看出，1990年研究區(qū)荒漠化總面積為9.16×105hm2，2011年總面積減至8.80×105hm2，20a間減少了3.54×104hm2。

為進(jìn)一步反映土地荒漠化面積的年變化率，采用動態(tài)度K來描述荒漠化的變化速度：

式中：K——研究時段內(nèi)研究區(qū)土地荒漠化的動態(tài)度；St——研究時段內(nèi)研究區(qū)荒漠化土地面積的變化；Wa——研究時段初期荒漠化土地面積；T——研究時段（年）。

表2 精河流域1990和2011年土地荒漠化等級轉(zhuǎn)化矩陣 104 hm2

從研究區(qū)荒漠化面積的年變化率來看，1990—2011年極重度、重度、中度及輕度荒漠化面積的動態(tài)度分別為0.74%，0.38%，－0.82%和0.01%，表明21a間除了中度荒漠化面積以每年0.82%的速度減少外，極重度、重度和輕度則分別以每年0.74%，0.38%和0.01%的速度在增加，也就是說從1990—2011年，研究區(qū)雖然未荒漠化土地面積以每年2.89%的速度在增加，但其它荒漠化類型也同樣具有增加趨勢，尤其是極重度荒漠化的增長速度極為突出。

通過將轉(zhuǎn)化矩陣結(jié)果分別按強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)、穩(wěn)定、惡化、強(qiáng)烈惡化這5個級別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算（表3），對研究區(qū)荒漠化的空間動態(tài)變化進(jìn)行了分析。由表4可以看出，研究區(qū)1990—2011年在荒漠化面積變化方面，除65.08%的未變化部分外，惡化級別類型所占比例最大，達(dá)1.58×105hm2，占總面積的16.23%；其次是逆轉(zhuǎn)、強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)等好轉(zhuǎn)趨勢類型，共計(jì)1.31×105hm2，占總面積的13.49%；強(qiáng)烈惡化面積雖不占主體，也達(dá)到900hm2，占總面積的0.09%。

表3 精河域荒漠化土地類型轉(zhuǎn)化分級

表4 精河流域1990－2011年土地荒漠化類型轉(zhuǎn)化面積

4 結(jié)果討論

客觀分析導(dǎo)致荒漠化區(qū)域分布格局的內(nèi)外在物理和社會人文因素，對于研究區(qū)域荒漠化的未來發(fā)展趨勢至關(guān)重要。綜合分析精河流域綠洲荒漠化演變原因，主要表現(xiàn)在氣候環(huán)境變化和人類開發(fā)利用兩個方面。

4.1 自然因素

氣候變化是影響荒漠化發(fā)展和逆轉(zhuǎn)的主要因素之一［11］。氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)自1972年以來，降水量雖然總體呈上升趨勢，但在經(jīng)歷了2002年的高點(diǎn)之后，開始逐年減少，加之年蒸發(fā)量、年均溫波動上升的疊加效應(yīng)，使得區(qū)域氣候逐漸干燥，加劇土壤水分蒸發(fā)，帶動土壤鹽分向上移動，給地表植被生長帶來極大影響，不利于自然修復(fù)，導(dǎo)致出現(xiàn)或加重了土壤鹽漬化。風(fēng)速是風(fēng)蝕荒漠化程度的主要決定因素。1972年以來，研究區(qū)大于3m／s的日數(shù)逐漸減少，有助于風(fēng)蝕荒漠化土地面積的減少和風(fēng)蝕程度的降低。但自1990年開始，變化幅度開始減小，大于3m／s的日數(shù)呈現(xiàn)階段性上升趨勢，仍存在潛在風(fēng)蝕荒漠化風(fēng)險(xiǎn)。因此，總體來看，研究區(qū)1990年以來增加的荒漠化面積，屬于在自然因素綜合作用下的復(fù)合荒漠化的結(jié)果，并且具有進(jìn)一步發(fā)展的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 人文因素

精河縣人口數(shù)量自20世紀(jì)70年代以來呈快速增長趨勢，從5.5萬人增長至14.4萬人，增長近3倍，研究區(qū)耕地面積近40a增長了近3倍共2.93×104hm2，占到近21a來研究區(qū)減少的荒漠化總面積的83%，表明宏觀數(shù)據(jù)顯示的荒漠化面積減少并不代表內(nèi)部荒漠化趨勢的真正好轉(zhuǎn)。從2011年耕地面積的轉(zhuǎn)入量來看，耕地主要由低、中植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)換而來，說明由于該區(qū)人口增長帶來的耕地面積擴(kuò)大，主要是借助毀林開荒方式。與此同時，精河縣牲畜數(shù)量近40a來也呈現(xiàn)較明顯增長，由1970年16萬頭增長至2011年的近40萬頭，由于有限草場的過度放牧帶來的草地退化，加之人口增長導(dǎo)致的土地需求，可最終部分解釋研究區(qū)內(nèi)部實(shí)際的土地荒漠化情形，即仍然以惡化為第1位，達(dá)1.58×105hm2。

實(shí)際上，管理與政策也是引起生態(tài)環(huán)境變化的原因之一。當(dāng)?shù)卣膊扇×硕喾N措施，積極應(yīng)對荒漠化現(xiàn)狀，如在林業(yè)建設(shè)工作中，對于生態(tài)脆弱的地方，專門設(shè)立保護(hù)區(qū)（甘家湖梭梭林保護(hù)區(qū)、艾比湖保護(hù)區(qū)）、禁牧區(qū)、禁伐區(qū)，2000年以來共封育林地3 250 hm2，造林（喬灌）3 709hm2，退耕還林8 633hm2，“三北”防護(hù)林建設(shè)1 727hm2，這對于研究區(qū)1.21×105hm2荒漠化面積的逆轉(zhuǎn)起到舉足輕重的作用。

5 結(jié)論

（1）在遙感數(shù)據(jù)支撐下利用地表在Albedo—NDVI空間的形態(tài)特征，提取荒漠化差值指數(shù)（DDI），并以此為依據(jù)獲取干旱區(qū)荒漠化的時空動態(tài)變化具有一定的可行性，可用于土地覆蓋分類變化以及荒漠化監(jiān)測分析研究。

（2）1990—2011年，精河流域土地荒漠化類型轉(zhuǎn)化以惡化為主。2011年研究區(qū)居第一位的是重度荒漠化，面積達(dá)3.66×105hm2，其次為中度荒漠化，面積達(dá)3.24×105hm2，表明精河流域的荒漠化治理工作任重而道遠(yuǎn)。

（3）近40a來，年蒸發(fā)量和年均溫的波動上升，是導(dǎo)致研究區(qū)荒漠化面積增加的主要顯在自然因素，而大于3m／s有風(fēng)日數(shù)的階段性上升，則存在潛在風(fēng)蝕荒漠化風(fēng)險(xiǎn)。

（4）盡管氣候變化因素導(dǎo)致呈現(xiàn)出荒漠化發(fā)展的態(tài)勢，但其所產(chǎn)生的負(fù)作用，近些年來正被政府的各類生態(tài)保護(hù)政策機(jī)制及荒漠化防治等有利于荒漠化逆轉(zhuǎn)的人為因素所部分抵消。而人口壓力、不合理放牧、土地利用開發(fā)管理不到位和水資源低效利用等社會人文因素，在一定程度上仍在阻礙著精河流域的荒漠化防治進(jìn)程，將成為未來荒漠化防治過程中需要克服的重點(diǎn)。

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