基于3S技術的庫布齊沙漠地表形態(tài)參數(shù)與分形特征研究

杜會石等

摘要：在Landsat TM和ASTER GDEM數(shù)據(jù)分析基礎上，結合GPS定位，對庫布齊沙漠風沙地貌類型、形態(tài)特征進行定量分析。結果表明，庫布齊沙漠風沙地貌類型有新月形沙丘及沙丘鏈、灌叢沙丘、格狀沙丘、復合型沙丘、拋物線形沙丘、平沙地等；各類風沙地貌的分布與地形因子具有一定相關性；各類風沙地貌分維值變化不大，表明其處于相對穩(wěn)定的演化過程中。研究為庫布齊沙漠綜合治理提供基礎資料。

關鍵詞：庫布齊沙漠；風沙地貌；形態(tài)參數(shù)；3S技術

中圖分類號：P231.5；P931.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3900-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.017

Analysis of Morphological Parameters and Fractal Feature of

the Hobq Desert Based on 3S Technology

DU Hui-shi1，2，HA Si2，SUN Yu2，LIU Mei-ping2

（1. College of Tourism and Geographical Science， Jilin Normal University， Siping 136000， Jilin， China；

2. College of Resources Science and Technology， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

Abstract： Based on the Landsat TM and ASTER GDEM data analysis and combined with the GPS field research， the distribution range of the Hobq desert and the type， distribution， morphological characteristics of sand physiognomy were quantificationally analyzed. The results showed that， the types of sand-physiognomy included meniscus dune， shrub dune， trellis dune， complex dune， parabolic dune， and flat dune. The distribution and the terrain factors of all kinds of sand physiognomy had a certain correlation. The fractal dimension value changed little， indicating sand physiognomy was in a relatively stable evolution. The research provided basic information to the comprehensive treatment of the Hobq desert.

Key words： the Hobq desert； sand-physiognomy； morphological parameters； 3S technology

全球干旱區(qū)和半干旱區(qū)面積達到4.299×107 km2[1]，其中風成沙覆蓋面積1.973×107 km2，所占比例為45.9 %[2]。中國沙化土地面積173.110萬km2[3]，沙漠面積80.890萬km2[4]。自1977年聯(lián)合國沙漠化大會以來，受全球沙漠化研究的推動，風沙地貌研究得到了較高的重視，國內外與沙丘相關研究也取得了明顯進展[5]。風沙地貌研究是地貌學重要的研究內容，已成為特殊自然地理區(qū)域綜合研究的重要方向之一[6]。定量表達地表形態(tài)及其特征是當前地貌學研究的主要方向之一，3S技術是遙感（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTARP/GPS）的統(tǒng)稱，是現(xiàn)代地學研究的重要手段[7，8]，3S技術的迅猛發(fā)展，為風沙地貌定量化研究提供了強有力的支撐。

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原北部、黃河以南地區(qū)，是中國八大沙漠之一。該區(qū)風沙活動較為強烈，風沙地表過程對氣候變化敏感。1959年中國科學院治沙隊對該區(qū)開展了自然地理和資源的考察工作。20世紀70年代末，中國科學院蘭州沙漠研究所對該區(qū)土地荒漠化進行了研究，編繪了1∶20萬、1∶50萬土地荒漠化圖，并發(fā)表相關論文。朱震達等[9]對庫布齊沙漠基本特征進行了介紹，并與毛烏素沙地進行對比。從20世紀90年代開始，學者在該區(qū)從沙漠歷史地理[10]、沙漠化形成與發(fā)展[11]、沙丘表面過程[12]、植被演化[13]、沉積構造[14]、沙丘形態(tài)變化和移動速率[15]等方面開展了大量研究，但有關風沙地貌地表形態(tài)參數(shù)與分形特征的研究較為薄弱。本研究旨在為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃及沙漠綜合治理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

庫布齊沙漠呈東西向長帶狀分布，其西、北、東3面均由黃河環(huán)繞，地勢南高北低，隸屬內蒙古鄂爾多斯市的杭錦旗、達拉特旗和準格爾旗（107°10′4″-111°25′7″E，39°39′43″-40°48′35″N）。自然地帶以包頭—杭錦旗一線為界，東部處于半干旱干草原地帶，西部屬于干旱半荒漠（荒漠草原）地帶。沙漠東部屬半干旱區(qū)，西部屬干旱區(qū)，降水東多西少。降雨集中在7～8月，且多以暴雨形式降落，多年平均降水量277.66～394.27 mm，蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年均溫6.0～7.5 ℃，全年大風日數(shù)25～35 d，盛行WNW、W、SSE風。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

研究所用的數(shù)據(jù)為2010年Landsat TM多光譜影像和ASTER GDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m。

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

1）圖像預處理。由于研究區(qū)范圍較大，需要多幅圖像拼接生成，故需對影像做如下處理：對各幅多光譜單波段數(shù)據(jù)進行波段合成；參照地形圖、RTK GPS實測典型地物坐標，對各合成波段數(shù)據(jù)進行幾何精校正，要求控制點均勻分布全區(qū)，校正誤差小于1個像元；對各幅數(shù)據(jù)進行直方圖匹配（Histogram matching）處理，以使相鄰兩幅圖像的色調和反差趨于相同；對同期數(shù)據(jù)進行圖像拼接；按研究區(qū)范圍對影像進行裁剪。

2）圖像信息提取。影像解譯標志包括形態(tài)、色調、紋理和分布特征等直接解譯標志（表1），同時根據(jù)具體情況如位置、布局、變化特征等建立表示其他相關要素的間接解譯標志。

為提高解譯精度，參照《中華人民共和國地貌圖集（1∶100萬）》[16]及Google Earth影像，采用人工目視解譯方法提取各類別信息，對尚不明確區(qū)域進行實地調研。在研究區(qū)隨機布設檢驗點，根據(jù)交通可達性，進行實地GPS驗證，比較所分類別與實際地類誤差。經檢驗，分類結果精度在95%以上，滿足研究的需要。

1.2.2 景觀分形研究方法 用r為尺度去分析某種景觀要素斑塊的幾何形態(tài)[17]，則有：

[P（r）]1/D=kr（1-D）/D[A（r）]1/ 2 （1）

式中，D為景觀斑塊結構分維值，P（r）為景觀斑塊周長，A（r）為面積，k為常數(shù)。D值表示某景觀斑塊結構的穩(wěn)定性，其值越大，說明該要素斑塊結構越復雜。因此，可用穩(wěn)定性指數(shù)來衡量：

SK=1.50-D （2）

式中，SK為景觀斑塊結構穩(wěn)定性，D為景觀斑塊結構分維值。

2 結果與分析

2.1 庫布齊沙漠地表形態(tài)特征

地表起伏可使得近地表風沙流發(fā)生改變，造成沙丘形態(tài)的差異。通過分析沙漠地表形態(tài)特征，可以為揭示沙丘形態(tài)變化規(guī)律提供科學依據(jù)。本研究利用ASTER GDEM數(shù)據(jù)，提取庫布齊沙漠地表形態(tài)參數(shù)，分析各沙丘類型、分布與地形因子的關系。

2.1.1 高程分析 庫布齊沙漠沙丘主要發(fā)育在海拔約為1 000～1 500 m的區(qū)域（圖1）。在低河漫灘上，分布灌叢沙丘及零星低矮的新月形沙丘；一級階地上（平均海拔約為1 000～1 110 m），分布拋物線形沙丘、新月形沙丘鏈、格狀沙丘，沙丘高度較低；一級階地向二級階地（平均海拔約1 110～1 160 m）過渡帶以復合型沙丘、格狀沙丘為主，沙丘高大；二級階地上（平均海拔1 160～1 180 m）的沙丘以新月形沙丘及沙丘鏈為主，高度較低；二級階地向三級階地（平均海拔1 180～1 200 m）的過渡區(qū)，沙丘以復合型沙丘、新月形沙丘及沙丘鏈為主，沙丘高大，可達50～60 m；三級階地上，多為緩起伏片狀新月形沙丘及灌叢沙丘。

2.1.2 坡度統(tǒng)計 坡度（Slope）為水平面與局部地表之間夾角的正切值，表示地表在該點的傾斜程度。坡度是最重要的地形因子，直接影響著地表的物質、能量流的再分配，以及植被的種類與分布等。通過AcrGIS Spatial Analyst工具的Slope實現(xiàn)提取（圖2）。

通過疊加分析發(fā)現(xiàn)，各沙丘分布區(qū)域，總體坡度較低。格狀沙丘坡度在0°～6°之間；復合型沙丘坡度在3°～6°之間；拋物線形沙丘坡度在0°～5°之間；新月形沙丘及沙丘鏈坡度在0°～3°之間；灌叢沙丘分布區(qū)的坡度在0°～9°之間。

2.1.3 地表粗糙度 地形學地表粗糙度（Roughness）是指地表單元曲面面積與投影面積之比，反映地表起伏變化與侵蝕程度的指標。通過AcrGIS中Spatial Analyst工具的Raster calculator計算DEM坡度（單位：弧度）余弦值的倒數(shù)即可得到地面粗糙度（圖3）。

地表粗糙度不同，對沙丘形態(tài)發(fā)育有較大影響。通過疊加分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)各主要沙丘類型地表粗糙度值變化范圍在1.00～1.50之間。其中，復合型沙丘地表粗糙度變化范圍較大，其值在1.00～1.44之間，說明沙丘地表形態(tài)復雜；新月形沙丘及沙丘鏈地表粗糙度值在1.00～1.33之間；拋物線形沙丘地表粗糙度值在1.00～1.23之間；格狀沙丘地表粗糙度值在1.00～1.21之間；灌叢沙丘分布區(qū)因受下伏地形的影響，其地表粗糙度值在1.00～1.05之間。

2.2 風沙地貌演化過程的分形研究

庫布齊沙漠各種沙丘地貌類型交錯分布，并結合在一起形成一個復雜的系統(tǒng)，這種特殊的系統(tǒng)具有分形（Fractal）結構特征[17]。

庫布齊沙漠各類型沙丘分維值及穩(wěn)定性指數(shù)（表2）表明，復合型沙丘是最復雜、最不穩(wěn)定的景觀要素。按照斑塊結構的復雜程度排序為：新月形沙丘及沙丘鏈>格狀沙丘>拋物線形沙丘>平沙地>灌叢沙丘地，即灌叢沙丘地的斑塊結構最為簡單；斑塊結構的穩(wěn)定性程度排序與之相反。實際上，大小不同、形態(tài)各異的沙丘聚集在一起形成片狀沙丘鏈，就是一種非常典型的具有自相似性特點的分形。在庫布齊沙漠地區(qū)，各類沙丘的分維值相對變化不大，這表明各沙丘處于相對穩(wěn)定的演化過程中。

3 結論

本研究利用ASTER GDEM和Landsat TM影像，結合實地GPS調研數(shù)據(jù)，對庫布齊沙漠風沙地貌地表形態(tài)參數(shù)與分形特征進行了研究。主要結論如下：

各風沙地貌類型的分布與地表高程、坡度因子、地表粗糙度等密切相關。復合型沙丘是最復雜、最不穩(wěn)定的景觀要素，各類沙丘的分維值相對變化不大，各沙丘處于相對穩(wěn)定的演化過程中。

3S技術為風沙地貌定量研究提供了有力支撐。Landsat系列影像獲取性強，是較好的中等尺度數(shù)據(jù)源，但其只能獲取平面信息，而ASTER GDEM具有三維信息，兩者結合，可相得益彰。

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