基于DEM和ETM的騰格里沙漠北緣沙丘形態(tài)特征提取

叢殿閣，龐紅麗，方 苗，陳孝勁，劉 超，田 穎

（1.中國地質(zhì)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院，甘肅 蘭州 730000；4.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；5.北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500；6.河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，河北 廊坊 065000）

基于DEM和ETM的騰格里沙漠北緣沙丘形態(tài)特征提取

叢殿閣1，2，龐紅麗3，方 苗4，陳孝勁2，劉 超5，田 穎6

（1.中國地質(zhì)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院，甘肅 蘭州 730000；4.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；5.北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500；6.河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，河北 廊坊 065000）

本文以騰格里沙漠北緣為研究區(qū)，探索沙丘地貌形態(tài)提取方法的可行性研究。首先，利用分辨率30m的DEM數(shù)據(jù)派生出坡度和起伏度兩個地形因子。依據(jù)坡度（3°）和起伏度（15m）的提取指標(biāo)，按照形態(tài)特征初步判定沙地和沙丘地貌的邊界線。其次，結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)分析法，通過斑塊指數(shù)值的大小初步確定復(fù)合流動沙丘的類型。最后，利用ETM影像的色調(diào)、紋理、結(jié)構(gòu)等特征，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識和野外實(shí)地觀測，建立騰格里沙漠北緣沙丘地貌特征的遙感影像特征圖譜，依據(jù)特征圖譜進(jìn)一步確定沙丘的類型。本次研究結(jié)果表明：DEM和ETM相結(jié)合的方法基本上實(shí)現(xiàn)了騰格里沙漠北緣的沙丘地貌形態(tài)的提取。提取出的沙丘形態(tài)主要有：新月形沙丘和沙丘鏈、線性沙丘，縱向沙壟、新月形沙壟、復(fù)合型沙丘及沙丘鏈、金字塔形沙丘及沙丘鏈。

騰格里沙漠北緣；DEM；ETM；沙丘形態(tài)

風(fēng)沙地貌是指由于風(fēng)對地表松散沙物質(zhì)的吹蝕、搬運(yùn)和堆積而形成的地貌，是陸地地貌的重要組成部分［1］。風(fēng)沙地貌的研究包括風(fēng)沙地貌的形態(tài)特征、物質(zhì)來源，形成過程，其中沙丘的形態(tài)和組合特征是研究風(fēng)沙地貌的重要基礎(chǔ)［2］。沙丘形態(tài)是區(qū)域風(fēng)力、沙源和植物相互作用并達(dá)到動態(tài)平衡的產(chǎn)物。沙丘形態(tài)特征及沙丘分布變化的研究在判別區(qū)域風(fēng)信狀況、輸沙勢變化以及風(fēng)成沙丘的動力過程方面具有重要意義［3］。

傳統(tǒng)的風(fēng)沙地貌形態(tài)研究多以定性研究為主。19世紀(jì)末，遙感技術(shù)在地貌學(xué)研究的廣泛應(yīng)用為風(fēng)沙地貌形態(tài)的定量化研究提供了技術(shù)支撐，是現(xiàn)代風(fēng)沙地貌研究的重要手段之一。目前對于中小尺度風(fēng)沙地貌三維形態(tài)數(shù)據(jù)的獲取多集中于地面測量。主要的觀測手段有 GPS［4］、全站儀［5］和三維激光掃描儀［6］。主要是在GIS的基礎(chǔ)上，利用差分實(shí)測數(shù)據(jù)，通過空間插值生成沙丘DEM，提取相應(yīng)的地形因子和形態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙地貌三維形態(tài)特征的定量化研究。哈斯等人［7－9］利用該方法對拋物線形沙丘形態(tài)特征進(jìn)行了定量化研究，并結(jié)合高分辨率遙感影像提取風(fēng)沙地貌二維形態(tài)特征和植被覆蓋信息。范冬冬等［10］利用RTK技術(shù)對塔克拉瑪干沙漠橫向沙丘形態(tài)特征進(jìn)行了空間分析。劉小超等［11］利用GIS－RTK技術(shù)探討了制作高精度的沙丘DEM方法。針對大尺度的沙丘地貌分析比較困難，研究較少。劉海江等［12］利用遙感影像建立了我國風(fēng)沙地貌數(shù)據(jù)庫，并詳細(xì)分析了我國北方主要風(fēng)沙區(qū)的風(fēng)沙地貌類型及分布特征。柴慧霞等［13］利用SRTM－DEM和TM技術(shù)開展了流動沙丘的提取工作，主要是初步實(shí)現(xiàn)了復(fù)合型鏈壟狀沙丘、復(fù)合型沙壟、穹狀沙丘和蜂窩狀沙丘的智能化提取?？梢?，國內(nèi)對于提取大尺度的沙丘地貌的技術(shù)還沒有成熟理論，一般采用人工解譯方法提取沙丘形態(tài)，雖然準(zhǔn)確但是耗費(fèi)時間。DEM廣泛的應(yīng)用于黃土、河谷、冰川等地貌類型中，根據(jù)坡度、坡向的變化提取地貌特征線進(jìn)行空間形態(tài)分析。因此本文在總結(jié)和汲取國內(nèi)外沙丘形態(tài)提取及地表形態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用高空間分辨率ETM遙感影像和30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，選擇坡度和起伏度為提取指標(biāo)。并結(jié)合遙感影像的信息，提取并構(gòu)建沙丘形態(tài)特征的色調(diào)、紋理和結(jié)構(gòu)圖譜，探討大尺度范圍內(nèi)沙丘形態(tài)特征的提取方法，分析騰格里沙漠北緣沙丘形態(tài)特征，以期能為騰格里沙漠的沙丘移動、沙丘形態(tài)、風(fēng)沙地貌監(jiān)測提供可靠數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

騰格里沙漠位于內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)東北部，總面積3.67萬km2，是我國的第五大沙漠。沙漠東至賀蘭山，南部與祁連山山前洪積扇前緣相接，西北與巴丹吉林沙漠以雅布賴山為界相隔，總的地勢是西部高東部低。騰格里沙漠位于塔里木板塊和華北板塊的交接部位，以恩格爾烏蘇蛇綠混雜巖帶為界，北側(cè)為塔里木板塊東北緣之北山構(gòu)造帶，南側(cè)為華北板塊西北緣之阿拉善地塊［14］。沙漠地處中國內(nèi)陸，屬于典型的大陸性干旱氣候，氣溫變化快，年降雨分布不均主要集中在7～10月份 ，騰格里沙漠在地質(zhì)構(gòu)造上是一個大的斷陷盆地，盆地上覆大量的細(xì)沙和黏土狀第四系沖洪積，湖積和風(fēng)積物。沙漠內(nèi)部流動、固定、半固定沙丘、山地殘丘、干涸湖盆、平緩沙地及丘間低地相互交錯，地貌類型復(fù)雜多樣并呈復(fù)合分布［1］。

由于騰格里沙漠范圍比較大，以整個區(qū)域作為研究區(qū)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理效率低，因此只能按照沙丘類型多樣化的原則選擇其中一部分典型區(qū)域。我們將野外測量的沙丘地理坐標(biāo)點(diǎn)投影在底圖上，研究區(qū)的范圍如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究所用到的數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)（30m）、2010年ETM遙感影像圖和1∶25萬內(nèi)蒙古基礎(chǔ)地形圖，主要用來提取相應(yīng)的地形因子來計算研究區(qū)的坡度和起伏度，高程和沙脊線等形態(tài)信息。具體的提取流程見圖2。

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程

3 騰格里沙漠北緣沙丘類型提取

3.1 坡度提取

坡度指地表單元的陡緩程度，是水平面與局部地表之間夾角的正切值。地面任一點(diǎn)的坡度表示該點(diǎn)傾斜面與水平面的傾斜程度的量值，數(shù)值上是這兩個面之間的夾角。坡度是地表形態(tài)最重要的基本示量，坡度大小直接影響地表物質(zhì)流動與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模和強(qiáng)度，被廣泛用于流域單元、景觀單元和形態(tài)測量等方面的研究［15］。按照我國數(shù)字地貌分類，3°是劃分平原和山地的坡度分界線。因此在模糊坡度分級的基礎(chǔ)上，選取3°作為次級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行小級差坡度分類，將小于3°地貌劃為沙地，大于3°的地貌劃為沙丘。坡度劃分結(jié)果如圖4所示。

3.2 起伏度提取

地形起伏度指所研究區(qū)內(nèi)相對高程最高點(diǎn)與最小點(diǎn)的差值。在地貌學(xué)中，起伏度可以作為定量描述區(qū)域地貌形態(tài)宏觀性指標(biāo)之一，直接反映地形起伏特征，在一定程度上也間接反映地貌的發(fā)育階段，比如年輕的溝谷多有較大的起伏度，而年老溝谷的經(jīng)受了夷平作用的地形起伏度較?。?6］。在ArcGis的空間分析模塊中起伏度就是在設(shè)定的窗口范圍內(nèi)，獲得最大高程值和最小高程值，然后求差。研究區(qū)內(nèi)的起伏度范圍在0～100m之間，實(shí)驗(yàn)區(qū)起伏度變化見圖5。通過多次試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)以15°為閾值對起伏度進(jìn)行劃分能夠較好的區(qū)分沙丘和沙地，劃分的結(jié)果見圖6。

3.3 計算圖斑指數(shù)

從上述圖形中發(fā)現(xiàn)，坡度和起伏度可以有效的提取有效的形態(tài)參數(shù)，反映地勢變化，界定地貌單元，基本能完整的體現(xiàn)出實(shí)際的地貌形態(tài)類型，對提取沙丘地貌形態(tài)具有重要的意義，因此本次研究以坡度和起伏度作為劃分沙丘和沙地的主要因子。具體的提取流程是：在ArcGis的中將坡度大于3°的圖層和起伏度大于1 5 m的兩個圖層合并。并且在Arc Map中選擇Eliminate工具用來過濾一些面積小或者破碎的圖斑。最后使用小級差分類的方法進(jìn)一步劃分圖層3～7°，7～15°和＞15°三個類別，這時就可以清晰的提取出起伏較大的沙丘分布圖（圖7）。

圖2 提取流程圖

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)坡度

圖4 按照3°為閾值對坡度重新提取

圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)起伏度變化圖

圖6 按照15°為閾值對起伏度度重新提取

沙丘類型往往根據(jù)不同的形態(tài)特征而命名。沙壟是沙漠中常見的沙丘類型，分為縱向沙壟和橫向沙壟，在單一風(fēng)向的控制下沙丘兩側(cè)的形態(tài)是對稱發(fā)育的，沒有明顯的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡；新月形沙丘是沙漠邊緣最為發(fā)育的一種沙丘類型，因?yàn)樾螒B(tài)像一輪新月而命名。受雙風(fēng)向的影響，發(fā)育一個較緩的迎風(fēng)坡和陡峭的背風(fēng)坡。多個新月形沙丘相連形成大型的新月形沙丘鏈。部分新月形沙丘鏈可進(jìn)一步發(fā)育成線性沙丘，線性沙丘在形態(tài)上表現(xiàn)為長條狀。由于沙丘的形態(tài)不同，因此利用沙丘圖斑的斑塊形狀指數(shù)可以作為分辨沙丘類型的指標(biāo)。斑塊形狀指數(shù)用 Gi表示，其計算公式見式（1）［17］。

式中：Gi代表斑塊i的形狀指數(shù)；Li表示斑塊i的周長；Ai表示斑塊i的面積。

當(dāng)斑塊指數(shù)Gi傾向1的時候，暗示沙丘的形狀是類似圓形的；如果指數(shù)Gi大于1的時候，說明圖斑形狀為長條狀的。隨著斑塊指數(shù)的進(jìn)一步增大，圖斑的形狀也越不規(guī)則，沙丘形態(tài)越接近于鏈狀。部分圖斑解譯結(jié)果見表1。

圖7 圖斑過濾后的沙丘地貌分布圖

3.4 ETM影像目視解譯

圖斑解譯沙丘的方法能初步區(qū)分圓形沙丘和長條狀的沙丘。一般圓形沙丘根據(jù)數(shù)值區(qū)間提取出梁窩狀沙丘和金字塔形沙丘。長條狀沙丘根據(jù)數(shù)值區(qū)間提取出復(fù)合型沙丘和新月形沙丘鏈。但是風(fēng)沙地貌并不是簡單的單一形態(tài)，與河流、黃土等地貌單元相比，具有一定的流動性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。為了提取更為準(zhǔn)確，可靠地沙丘地貌形態(tài)，我們還需要做詳細(xì)的的目視解譯工作，在新月形沙丘鏈中劃出線性沙丘，沙壟中劃出新月形沙壟。沙丘形態(tài)遙感解譯結(jié)果見表2。

目視解譯是指通過直觀察遙感影像的標(biāo)志庫如色調(diào)、形狀、紋理等，或者借助輔助儀器在遙感影像圖上獲取特定信息的過程［13］。在目視解譯的過程中，根據(jù)完整性原則重點(diǎn)挑選一些面積較大的地貌單位進(jìn)行提取，對于一些面積較小，且分布零散的圖斑可以忽略。當(dāng)多個零散圖斑聚集在一塊，且面積較大的時候，可以適當(dāng)放在一起。其次結(jié)合google影像圖，在勾勒沙丘邊界的過程中要盡量的使用圓滑的曲線，確保圖斑的真實(shí)性和完整性。如果多個不同類型的沙丘圖斑同時出現(xiàn)，要根據(jù)圖斑的大小和形態(tài)，根據(jù)主導(dǎo)型的原則確定沙丘類型。

表1 部分圖斑解譯結(jié)果

通過圖斑指數(shù)計算，輔以目視解譯和野外實(shí)地觀察等方法，我們最終提取出研究區(qū)主要的沙丘類型。主要的沙丘類型有：新月形沙壟、新月形沙丘及沙丘鏈、沙壟、復(fù)合型沙丘及沙丘鏈、線性沙丘和金字塔形沙丘及沙丘鏈（圖8）。

沙丘的提取結(jié)果表明：在騰格里沙漠的北緣，沙丘的類型與分布格局具有一定的規(guī)律性。新月形沙丘和沙丘鏈面積較小，分布在沙漠的邊緣地帶。線性沙丘的分布呈條狀帶分布，同新月形沙丘及沙丘鏈相連分布在研究區(qū)的東南部和西南部。沙壟零星分布研究區(qū)的西部，四周夾雜著小型的新月形沙丘，在研究區(qū)的西北部一些沙壟與新月形沙壟混雜分布在一起。沙丘內(nèi)部見到的是大型的金字塔沙丘和復(fù)合形沙丘，中間可見平行排列沙壟及沙丘鏈。在研究區(qū)的東北分布著少量的梁窩狀沙丘，主要是因?yàn)榱焊C狀沙丘是一種固定、半固定的沙丘形態(tài)，可見沙漠沙丘的分布與風(fēng)向，植被密切相關(guān)。

圖8 騰格里沙漠北緣沙丘分布圖

表2 沙丘形態(tài)遙感解譯表

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

利用DEM可以準(zhǔn)確提取小范圍內(nèi)沙丘的基本特征和各種形態(tài)參數(shù)值，但是對于大范圍內(nèi)的沙丘形態(tài)特征提取還存在一些問題，也就是說，本文所提出的方法在具體應(yīng)用時會因?yàn)檠芯砍叨鹊牟煌尸F(xiàn)不同的研究效果。首先，在沙丘地貌類型邊界線提取方面，利用本文我們所提出的方法能較準(zhǔn)確的區(qū)分條形圖斑和圓形圖斑等形狀相對簡單的沙丘類型。但是對于圖斑形狀比較復(fù)雜的情況下，比如文中所提到的梁窩狀沙丘和金字塔形沙丘的時候，圖斑指數(shù)法所提取的結(jié)果不甚理想，還得借助高分辨率遙感影像進(jìn)行目視解譯。因此，下一步研究中，還應(yīng)繼續(xù)探討新的數(shù)學(xué)形態(tài)分析方法，實(shí)現(xiàn)各種沙丘形態(tài)的自動提取。其次，目前我們只是將沙丘地貌根據(jù)沙丘的形態(tài)劃分成幾大典型沙丘類型，沒有區(qū)分固定沙丘、流動沙丘和半固定性沙丘，而沙丘的流動性是進(jìn)行沙漠研究的重要指標(biāo)之一，這是本次研究的一個不足之處。因此在后期的研究中應(yīng)該根據(jù)遙感影像提取研究區(qū)的植被覆蓋度，按照覆蓋程度標(biāo)準(zhǔn)劃分沙丘的流動性，更準(zhǔn)確的提取沙丘地貌。

4.2 結(jié)論

文中通過遙感和DEM的方法提取騰格里沙漠北緣主要的沙丘類型，對于大尺度沙丘地貌形態(tài)的自動提取具有一定的指導(dǎo)意義。通過研究和上述討論，得到以下結(jié)論：①利用30m分辨率的DEM生成的坡度和起伏度，通過閾值劃分，一定程度上能自動提取出沙地和沙丘的邊界線；②結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)法，根據(jù)圖斑指數(shù)值的大小提取出長條形沙丘和圓形沙丘；③利用高分辨率的ETM影像、結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)地考察，建立騰格里沙漠北緣典型沙丘地貌形態(tài)的遙感特征圖譜，確定各種沙丘地貌類型的邊界，對有爭議的沙丘形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的目視解譯和驗(yàn)證。

風(fēng)沙地貌形態(tài)的研究有利于沙漠的動態(tài)監(jiān)測，對研究我國西部荒漠化環(huán)境有著特殊意義。前人對于風(fēng)沙地貌的研究主要針對局部地貌進(jìn)行單個沙丘地貌形態(tài)的實(shí)地測量；或者依靠遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀的變化分析。但是定位、動態(tài)地獲得大尺度范圍內(nèi)的風(fēng)沙地貌數(shù)據(jù)，定量化研究沙丘移動規(guī)律，必須建立起以DEM和遙感為基礎(chǔ)的風(fēng)沙邊界提取技術(shù)，因此，本次研究是有益的嘗試，其方法對風(fēng)沙地貌研究具有重要意義。

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Dunes distribution study on north of Tengery desert based on remote sensing and DEM

CONG Dian－ge1，2，PANG Hong－li3，F(xiàn)ANG－Miao4，CHEN Xiao－jin2，LIU－Chao5，TIAN－Ying6
（1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Institute of Mineral resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.Research School of Arid Environment and Climate Change，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；4.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institude，China Academy of Science，Lanzhou 730000，China；5.Beijing Geological Engineering Design and Research Institute，Beijing 101500，China；6.Regional Geology and Mineral Resources Survey of Hebei Province，Langfang 065000，China）

In this paper，we take the north of the Tengery desert as the research area，with the foundation data of basic geomorphological map and ETM images，based on DEM of the landscape research methods extracting and analysising the dune types in the north of the Tengery desert.Firstly we use the GIS spatial analysis function to quantitative analysis the slope，curvature，fluctuation degree of study area.and obtain the 3d map，slope profile，slope orientation diagram，fluctuation degree profile and curvature chart，Specially the slope profile and fluctuation degree profile relatively accurate and intuitive display landform changes.Secondly we division landform into sand dunes and sand by the boundary of grade 3°and 15 meters.Finally we through the map spot method and remote sensing image，combining the expert knowledge，interpretive different sand dune remote sensing spectrum in north of the Tengery desert.We find that the main dune types in north of Tengery desert are barchan and dune chain，grated dune and grated chain ，pyramid dune and dune chain，linear dune，sand ridge，crescent sand ridge，complex sand dune and dune chain.The area of Barchan and dune chain is larger and mainly distributed in the edge of Tengger desert edge.grated dune and grated chain distributed in the north of desert，the area is not large.Linear dunes are widespread distribute in the east of desert.Compound sand dune and dune chain and pyramid dune and dune chain are mainly distributed in the internal of desert.

north of Tengger desert；DEM；ETM；dune morphology

P931.3

A

1004－4051（2014）S2－0153－07

2014－08－22

叢殿閣（1986－），男，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，博士，研究方向?yàn)閲临Y源信息與礦產(chǎn)資源評價。E－mail：congdiange＠163.com。