基于NDVI－Albedo特征空間的沙漠化動態(tài)變化研究
——以準(zhǔn)格爾盆地南緣為例

任艷群，劉海隆，唐立新，姜亮亮，安小艷

（1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2.兵團建設(shè)交通有限公司，新疆 石河子832000）

基于NDVI－Albedo特征空間的沙漠化動態(tài)變化研究
——以準(zhǔn)格爾盆地南緣為例

任艷群1，劉海隆1，唐立新2，姜亮亮1，安小艷1

（1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2.兵團建設(shè)交通有限公司，新疆 石河子832000）

土地沙漠化是干旱區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問題之一，也是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要制約因子。以新疆農(nóng)八師石河子墾區(qū)150團為研究區(qū)域，基于TM遙感影像，計算了歸一化植被指數(shù)（NDVI）、地表反照率（Albedo）等指標(biāo)，通過建立NDVI—Albedo特征空間，對研究區(qū)沙漠化的等級進行劃分。將研究區(qū)的沙化土地分為極重度、重度、中度、輕度沙漠化土地，并通過地面調(diào)查驗證，對其精度進行了評價。對2000，2005和2010年3期數(shù)據(jù)進行分類處理，并對這3期的沙漠化信息進行了分析。結(jié)果表明，利用該方法的分析精度滿足研究要求；研究區(qū)通過10a的發(fā)展變化，其沙漠化狀況得到了有效改善。

遙感；沙漠化；植被覆蓋度；干旱區(qū)

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)以風(fēng)沙活動為主要標(biāo)志的土地退化現(xiàn)象［1］。近年來，中國的沙漠化問題日益突出，與之密切相關(guān)的沙塵暴災(zāi)害給人們生活帶來了重要影響［2］。沙漠化的實時監(jiān)測與定量評價對土地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境保護都具有重要意義。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在土地沙化研究中得到了廣泛的應(yīng)用。植被蓋度是反映沙漠化的重要指標(biāo)之一。國內(nèi)外學(xué)者基于NDVI應(yīng)用線性混合模型、回歸樹及象元二分法等進行了蓋度分析，在植被蓋度的動態(tài)監(jiān)測中取得了較好的效果，該方法為沙漠化的動態(tài)監(jiān)測提供了基礎(chǔ)［3－4］。Tanser等［5］則通過 NDVI建立 MSDI（moring standard deviation index）指數(shù)來研究半干旱區(qū)的土地退化，取得了一定進展。近年來，基于NDVI和Albedo的特征空間對土地沙化進行定量評價得到了大量應(yīng)用。該方法使用簡單，指標(biāo)易于獲取，在沙漠化的分類及分級中，較僅使用遙感光譜信息的分類方法精度更高。曾永年等［6］提出了沙漠化差值指數(shù)模型，對黃河源區(qū)進行了研究，達到了較好的效果。潘竟虎等［7］對張掖綠洲區(qū)的沙漠化進行了定量評價，精度達到82%。以上方法極大提升了沙漠化動態(tài)監(jiān)測與分析能力，但在西北干旱區(qū)應(yīng)用仍然不足。為此，本研究選擇新疆石河子150團為研究區(qū)，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，利用Landsat－TM 數(shù)據(jù)，擬建立基于 NDVI—Albedo特征空間的干旱區(qū)沙漠化分類方法，以期為沙漠化的遙感監(jiān)測與評價提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

新疆石河子150團地處古爾班通古特大沙漠南緣的莫索灣墾區(qū)北端，地理位置在東經(jīng)86°00′—86°42′，北緯44°26′—45°11′。全團總面積468km2，海拔高度332～361m，平均海拔346.0m。東西北三面環(huán)沙，該區(qū)綜合土壤侵蝕模數(shù)為1 800t／（hm2·a），屬典型的風(fēng)蝕區(qū)［8－9］。研究區(qū)屬典型的大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，干燥少雨，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大。年平均氣溫6.6℃，年平均降水量123.2mm，年平均蒸發(fā)量1 979.5mm，年平均日照時數(shù)2 774.1 h。年平均風(fēng)速2.4m／s，最大瞬間風(fēng)速可達30m／s，年平均出現(xiàn)8級以上大風(fēng)4.9次［8］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù) 主要以2010年8月10日、2005年7月31日和2000年8月7日的軌道號為P144－R29的TM1—5，7波段的影像為基本數(shù)據(jù)源。以2010年8月的數(shù)據(jù)進行方法的研究及驗證，無云覆蓋，已經(jīng)經(jīng)過輻射定標(biāo)，幾何校正及大氣校正等圖像預(yù)處理，在ArcGIS 10.0和ENVI 5.0的遙感影像處理技術(shù)的支持下，對TM影像進行多波段融合，疊加研究區(qū)的行政區(qū)劃圖，裁剪出研究區(qū)域的TM影像。

2.1.2 野外調(diào)查數(shù)據(jù) 在研究區(qū)布設(shè)了20個樣點，每個樣點附近設(shè)置5個10m×10m規(guī)格的樣方，針對對每個樣方進行植被覆蓋度的測量，具體方法為：對植被不均勻分布的樣方，少數(shù)采樣點不能代表樣方真實情況，對兩條對角線連續(xù)采樣，用兩條對角線上植被覆蓋度的平均值代表樣方的覆蓋度。連續(xù)植被則采用魚眼相機垂直向下拍攝，利用CAN—EYE軟件對魚眼照片進行分析，從照片中計算綠色象素的比例獲得實測植被覆蓋度。

將測量的結(jié)果按照沙漠化的分級標(biāo)準(zhǔn)［10］進行分類（表1），對樣點沙漠化程度進行分類的結(jié)果詳見表2。

表1 土地沙漠化分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 研究區(qū)野外調(diào)查結(jié)果

2.2 基于NDVI－Albedo特征空間的分類方法

2.2.1 地表反照率（Albedo）的反演 基于輻射傳輸模型進行光譜校正，可根據(jù)輻射通量推出不同波段的權(quán)重，從而計算寬波段的地表反照率［11］。寬波段地表反照率（A）定義為［12］：

式中：λ1，λ2——波長的最小最大值，一般為0.3和4 μm；EU1，EU2，…，EUN，ED1，ED2，…，EDN——對應(yīng)波段的入射輻射值和出射輻射值（W／m2）。

公式（1）可以簡寫為：

式中：Ri——波段i的光譜反射率，Ri＝EUi／EDi（i＝1，2，…，n）；wi——波段i的權(quán)重系數(shù)，wi＝EDi／EDk（i＝1，2，…，n），其中，w1＋w2＋…＋wn＝1。對于TM 影像，i＝1，2，3，4，5，7。

本研究采用TM1—5，7波段組合反演地表反照率：

式中：R1，R2，R3，R4，R5，R7——TM1—7波段的反射率。

植被指數(shù)計算：歸一化植被指數(shù)NDVI可以通過TM影像的紅光波段的反射率（ρRED）和近紅波段的反射率（ρNIR）計算［13］。

對NDVI，Albedo進行歸一化處理：

式中：NDVImax，NDVImin——NDVI的最大值和最小值。

式中：Albedomax，Albedomin——Albedo的最大值和最小值。

2.2.2 NDVI—Albedo特征空間的建立 沙漠化過程在植被指數(shù)和地表反射率的特征空間中有顯著的相關(guān)關(guān)系［6］。因此采用NDVI—Albedo特征空間來分析沙漠化的動態(tài)變化特征。首先建立特征空間［6］：為了得到不同植被狀況下的Albedo與NDVI的定量關(guān)系，利用ENVI中的ROI功能，在研究區(qū)域中選擇分布于不同沙漠化等級的350個點，對所有點的Albedo與NDVI信息進行回歸分析，得到特征方程：y＝0.344 4x＋0.469 0（R2＝0.784 7）。可以看出，隨著植被指數(shù)的逐漸增加，其地表反照率逐漸減小，植被指數(shù)與地表反照率表現(xiàn)出很強的線性負相關(guān)關(guān)系。

2.2.3 沙漠化遙感監(jiān)測差值指數(shù) 根據(jù)Verstraete和Pinty［14］的研究結(jié)論，如果在代表沙漠化變化趨勢的垂直方向上劃分NDVI—Albedo特征空間，可以將不同的沙漠化土地有效區(qū)分開來。可以用沙漠遙感監(jiān)測差值指數(shù)模型DDI來表示：

在具體應(yīng)用中，為減少采樣點代表性對沙漠分級指數(shù)I的影響，其常數(shù)a可根據(jù)NDVI—Albedo特征空間中斜率來確定，即a·k＝－1，其中k為特征方程的斜率，在本研究中k為－0.344 4，計算得a為2.903 6。

3 結(jié)果與分析

3.1 150團沙漠化分類

根據(jù)NDVI—Albedo特征方程確定沙漠化差值指數(shù)：

根據(jù)公式（8）計算得到研究區(qū)的DDI值，利用ArcGIS 10.0的重分類中的自然斷裂法（natural break）將DDI值分為6級，即非沙漠化、輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化和沙地（表3），自然斷裂法是基于統(tǒng)計學(xué)的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點，能夠使各級的內(nèi)部方差之和最小。對研究區(qū)土地進行分區(qū)結(jié)果如附圖9所示。由附圖9可知，在研究區(qū)內(nèi)，輕度沙漠化土地主要分布在耕地周圍，且面積較少；中度沙漠化土地圍繞于輕度沙漠化土地，主要位于150團中部和南部；極重度沙漠化土地分布于耕地的外圍區(qū)域，主要位于150團的西部和西南部，且分布面積較大；沙地分布于150團的最外圍區(qū)域，特別是在北部地區(qū)。其中沙地面積有123.5 km2，占研究區(qū)總面積的27.23%；極重度沙漠化土地面積有84km2，占總面積的18.52%；重度沙漠化土地面積為28.5km2，占研究區(qū)的6.29%；中度沙漠化土地面積為34.2km2，占總面積的7.55%；輕度沙漠化土地面積為53.8km2，占總面積的11.87%；耕地面積最大為129.5km2，占研究區(qū)總面積的28.54%。

表3 不同等級沙漠化土地的遙感監(jiān)測差值指數(shù)DDI值

3.2 150團沙漠化分類精度分析

在分類完成的圖像中，隨機地增加140個點，根據(jù)選取點所在的經(jīng)緯度，在Goole Earth中查看該點的地表情況，并判斷其類型，再結(jié)合野外調(diào)查的100個點，共得到240個分類精度檢驗參照點，與分類結(jié)果對照，利用誤差矩陣進行分類結(jié)果的精度分析（表4）。

從表4可以得出，采用NDVI—Albedo特征空間進行的分類誤差分析結(jié)果表明，其總體精度為0.87，用戶精度為0.87，生產(chǎn)精度為0.87，Kappa系數(shù)則為0.84，誤分主要表現(xiàn)在重度、中度、輕度等的沙化土地信息，地面調(diào)查與遙感數(shù)據(jù)的時間差也是形成誤差的原因之一。

3.3 150團沙漠化動態(tài)變化分析

通過前面的研究表明，基于NDVI—Albedo特征空間方法在沙漠化信息的提取中是可行的，因此再分別對2000年8月7日、2005年7月31日兩期軌道號為P144－R29的 TM1—5，7波段的影像進行了處理，并結(jié)合2010年的分類結(jié)果，分析2000—2010年間研究區(qū)沙漠化的變化。

表4 研究區(qū)遙感影像分類精度誤差矩陣（NDVI－Albedo）

3.3.1 沙漠化空間變化特征 分別對2000和2005年的數(shù)據(jù)進行分類，并與2010年進行對比分析。分析結(jié)果表明，經(jīng)過10a的發(fā)展變化，150團的耕地面積不斷增加，主要向西南方向擴張，而且西南方向的沙地有很大一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)移成了極重度沙漠化，輕度沙漠化土地的發(fā)展則主要向中部集中，重度沙漠化、中度沙漠化土地的變化不大，主要分布在耕地周圍（表5）。

由表5可知，沙地面積逐漸減少，沙漠化程度不斷降低，極重度沙漠化土地面積先減少后增加是因為早期人們沙地改造的技術(shù)等方面不成熟，水資源的利用不足，所以沙漠化程度降低不很顯著，中度、輕度沙漠化土地極耕地的面積增加不大，但是由于后期加大了改造沙漠的力度，研究區(qū)的水資源主要用于耕地的發(fā)展，在沙地種植梭梭等耐旱植物改善沙地土壤，所以沙漠化程度降低顯著，大量的沙地向極重度、重度等沙化程度輕的土地類型過渡，而中度、輕度沙漠化土地及耕地面積增加較顯著。

分別對2000—2005年、2005—2010年研究區(qū)沙漠化變化進行分析。附圖10中土地轉(zhuǎn)移指某類土地向其它類型土地轉(zhuǎn)變，如沙地轉(zhuǎn)移是指沙地向極重度、重度、中度、輕度、耕地的轉(zhuǎn)化。由附圖10統(tǒng)計可得，研究區(qū)土地2000－2005年變化不大，其中沙地向其它類型轉(zhuǎn)換的面積為44.4km2；極重度沙漠化土地的變化面積為15.5km2；重度沙漠化土地變化面積為5.7km2；中度沙漠化土地有5.1km2發(fā)生了變化，變化面積不大；輕度沙漠化有10km2發(fā)生了變化；耕地面積有30km2發(fā)生了變化。由于封沙育林草，使被破壞的荒漠植被自行恢復(fù)。同時積極采用人工種植梭梭，在研究區(qū)，梭梭是絕對的優(yōu)勢灌木，對固沙起到很重要的作用。2005－2010年，特別是西南部的沙漠面積減少了很多。有96km2的沙地轉(zhuǎn)化為極重度、重度、中度、輕度沙漠化和耕地，其中90%轉(zhuǎn)換為極重度沙漠化土地；極重度沙漠化土地中有9.6km2發(fā)生了變化；重度沙漠化土地中發(fā)生變化的面積有5.4km2，占重度沙漠化面積的24%；中度沙漠化土地變化不大，只有6.6km2；輕度沙漠化面積中有13.5km2發(fā)生變化；而耕地的面積則有18.1km2產(chǎn)生了變化。

表5 研究區(qū)2000，2005和2010年不同土地類型面積統(tǒng)計 km2

3.3.2 沙漠化時間變化特征 結(jié)合研究區(qū)沙漠化土地的分布狀況，在研究區(qū)內(nèi)采取了一系列的措施來改善沙漠化狀況。對于研究區(qū)最外圍的沙地及極重度沙漠化區(qū)域，進行人工種植梭梭林、紅柳、楊樹林等，建立防風(fēng)固沙林帶，降低風(fēng)速，阻止流沙移動擴展；在重度和中度沙漠化區(qū)域?qū)嵤﹪鷻诜庥?，?yán)禁樵采、濫牧和濫挖，并種植苜蓿等可以改善土壤的植被，使被破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)；對于最中間的輕度和非沙漠化區(qū)域，也就是農(nóng)田及居住區(qū)，在條田的四周及主干道的兩側(cè)實行林網(wǎng)化建設(shè)，種植楊樹、沙棗等。在這些措施的作用下，2000—2010年150團的土地格局發(fā)生了巨大的變化，隨著沙漠化改造的不斷進行，沙漠化程度則不斷降低，沙地的面積在逐年減少，耕地面積不斷增加。2000—2005年，由于人們對沙漠化土地的改造力度不夠，且水資源的使用率較低，所以沙漠化程度降低不大，沙地面積由239km2只減少到到219.4km2，極重度沙漠化土地由65.1km2降低為36.5km2，重度沙漠化土地變化不大，中度沙漠化土地由31.5km2增加到44.3km2，耕地面積由77.7 km2增加到103.1km2。2005—2010年，沙漠化程度降低，一部分沙地向其它類型土地轉(zhuǎn)化，沙地面積繼續(xù)下降到123.5km2，而極重度、重度、中度、輕度及耕地的面積則逐年增加。極重度沙漠化土地增加到84km2，重度沙漠化土地增加到28.8，中度沙漠化土地增加到53.8km2，耕地面積則由103.1km2增加到130.5km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)2000，2005，2010年土地沙漠化程度分級結(jié)果

4 結(jié)論

（1）地表反照率的反演的計算公式是由TM影像的1—5，7波段進行組合得到的。研究表明，基于NDVI—Albedo特征空間進行沙漠化信息提取，雖然可以較好地識別不同沙漠化程度的土地信息，但是由于所用的指標(biāo)較簡單，對于極重度沙漠化和重度沙漠化、輕度沙漠化和耕地的識別仍然存在一定的誤差。

（2）在研究區(qū)沙漠化的動態(tài)變化分析中，可以看出經(jīng)過10a的發(fā)展變化，150團的沙漠化在空間和時間上的變化都很大。在空間上，耕地不斷向西南部擴張，沙地主要分布在西北部；在時間上，土地格局發(fā)生的較大的變化，耕地面積由2000年的77.7km2發(fā)展到2010年的129.4km2，沙地面積由239km2減少到123.5km2，其它類型土地面積均有不同程度的增加。

（3）沙漠化是一種很復(fù)雜的地理現(xiàn)象，研究區(qū)受資料的限制，考慮到氣候因素、人為因素和其它因素的影響，就使得分類結(jié)果存在一些誤差。特征空間分類法雖然在本研究中取得了較好的效果，但是應(yīng)用于遙感影像分類還處于探索階段，存在很多問題，有待進一步解決。

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A Study on Dynamic Changes of Desertification in South Edge of Junggar Basin Based on NDVI－Albedo Features

REN Yan－qun1，LIU Hai－long1，TANG Li－xin2，JANG Liang－liang1，AN Xiao－yan1
（1.College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang，832000，China；2.Xinjiang Construction Transportation Limited Company，Shihezi，Xinjiang832000，China）

Desertification is not only one of the most serious ecological environment problems but also the limiting factor of the development of agriculture in arid areas.This paper took the area of 150regiment in Shihezi City of Xinjiang Uyghur Autonomous Region as the study area，and used TM images to derived the normalized difference vegetation index（NDVI）and surface Albedo，and to classify desertification grade of study area by establishing NDVI—Albedo feature space.Desertified land in the study area can be divided into very severely desertified，severely desertified，moderately desertified，and mild desertified.The accuracy of the monitoring was tested with the ground investigation，and the result showed that the accuracy meet the requirement of the study.With the same method，we classified desertification area in 2000，2005and 2010，and analyzed the dynamic changes of desertification three periods.The analysis showed that the development of desertification has been effectively controlled after 10years.

remote sensing；desertification；vegetation coverage；arid area

A

1000－288X（2014）02－0267－05

V557＋3，P931.3

10.13961/j.cnki.stbctb.2014.02.055

2013－04－23

2013－05－27

國家重點基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展計劃（973）項目“氣候變化對西北干旱期水循環(huán)影響機理與水資源安全研究”（2010CB951003）；國家科技支撐計劃課題（2012BAH27B03；STSN－05－32）；新疆研究生科技創(chuàng)新項目（XJGRI2013056）

任艷群（1990—），女（漢族），四川省成都市人，碩士研究生，研究方向為水文水資源。E－mail：496551408＠qq.com。

劉海?。?974—），男（漢族），四川省德陽市人，博士，教授，主要從事水文水資源研究。E－mail：liu＿hai＿tiger＠163.com。