內(nèi)蒙古赤峰及其周邊地區(qū)荒漠化變化趨勢研究
——基于遙感技術(shù)中反照率和歸一化植被指數(shù)特征空間

王家琪， 陳星任

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

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內(nèi)蒙古赤峰及其周邊地區(qū)荒漠化變化趨勢研究
——基于遙感技術(shù)中反照率和歸一化植被指數(shù)特征空間

王家琪， 陳星任

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

通過遙感影像來構(gòu)造反照率(Albedo)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)特征空間是一種提取土地荒漠化信息的有效方法。該研究利用Landsat遙感影像來構(gòu)造赤峰及周邊地區(qū)Albedo-NDVI特征空間，分析當(dāng)?shù)?000和2008年的沙漠化狀況。結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)?shù)刂脖桓采w度有所增加，土壤含水量以及沙漠化程度有所改善，政府政策的引導(dǎo)已見成效。

沙漠化；Albedo；NDVI；特征空間；植被覆蓋度

20世紀(jì)90年代以來，國際社會越來越關(guān)注全球的生態(tài)環(huán)境問題。土地荒漠化是地球陸地表面植被破壞以后出現(xiàn)的，直接威脅人類的生存環(huán)境，影響社會的持續(xù)發(fā)展[1]。沙漠化是其重要內(nèi)容，成為當(dāng)今世界面臨的大的環(huán)境社會經(jīng)濟(jì)問題之一。全球有一百多個(gè)國家和地區(qū)、9億人受到沙漠化危害，70%的旱地和25%的陸地受到沙漠化威脅。我國是世界上受沙漠化影響嚴(yán)重的國家之一，沙漠化面積比重大，根據(jù)2009年第四次全國荒漠化普查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，全國沙化土地面積為173.11萬km2，占國土面積的8.03%，更嚴(yán)重的是，我國土地沙漠化發(fā)展速度呈直線上升的趨勢，20世紀(jì)60～70年代為1 560 km2/a，80年代為2 100 km2/a，90年代為2 460 km2/a。每年沙漠化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)億元，給生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)帶來極大危害。土地沙漠化的防治和監(jiān)測顯得日益重要[2]。

遙感技術(shù)為人們提供了一種全新的沙漠化監(jiān)測手段，遙感圖像分析是遙感圖像處理的高級階段，是對地球表面及其環(huán)境在遙感圖像上的信息進(jìn)行特征提取，利用獲取的特征進(jìn)行分類，從而達(dá)到識別圖像信息所對應(yīng)的實(shí)際地物，提供所需地物信息的目的。近年來，基于NDVI和Albedo的特征空間對土地沙化進(jìn)行定量評價(jià)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[3]提出了沙漠化差值指數(shù)模型，對黃河源區(qū)進(jìn)行了研究，達(dá)到了較好的效果。潘竟虎等[4]對張掖綠洲區(qū)的沙漠化進(jìn)行了定量評價(jià)，精度達(dá)到82%。Albedo-NDVI方法極大地提升了沙漠化動態(tài)監(jiān)測與分析能力[5-8]。筆者通過構(gòu)造Albedo-NDVI特征空間來分析赤峰及其周邊地區(qū)的沙漠化程度，得出其土地荒漠化動態(tài)變化趨勢，為相關(guān)部門的治理提供技術(shù)支持。

1　數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況赤峰市是內(nèi)蒙古自治區(qū)下轄地級市，位于內(nèi)蒙古東南部，地理坐標(biāo)為116°21′07″～120°58′52″E、41°17′10″～45°24′15″N。東西最寬375.0 km，南北最長457.5 km，總面積90 275 km2。東鄰遼沈，南近京津塘，西北靠錫林郭勒大草原，交通四通八達(dá)。赤峰市的土地資源特點(diǎn)是：地處內(nèi)蒙古高平原向松遼平原過渡地帶，北部為大興安嶺南段山地，燕山山系的七老圖山屏于西部，努魯爾虎山呈于東南側(cè)，構(gòu)成了三面環(huán)山的半環(huán)形，地勢西高東低，海拔最高為2 067 m。地貌形態(tài)可分為山地、高平原、熔巖臺地、低山丘陵、沙丘平原，其中山地面積占17.74%,高平原占5.72%,熔巖臺地占3.21%,低山丘陵占19.44%,黃土丘陵占22.90%,河谷平原占8.17%,沙地占23.30%。

1.2數(shù)據(jù)獲取主要通過地理數(shù)據(jù)云下載2000年7月的Landsat-7 ETM+1-5,7波段影像和2008年7月的Landsat-5 TM1-5,7波段影像，數(shù)據(jù)影像覆蓋了赤峰市及其周邊地區(qū)。

1.3研究方法

1.3.1圖像預(yù)處理。圖像的預(yù)處理主要有4個(gè)步驟，包括數(shù)據(jù)定標(biāo)處理、大氣校正、幾何配準(zhǔn)以及研究區(qū)的裁切。首先對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，其次對遙感影像進(jìn)行幾何校正和裁剪，通過幾何校正可以使遙感影像具有精確的地理信息。由于試驗(yàn)使用了經(jīng)過校正的TM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)影像，其范圍很大，因此在進(jìn)行幾何配準(zhǔn)之前，需要對影像進(jìn)行裁切并進(jìn)行大氣校正。對校正前后的影像進(jìn)行裁切，觀察波譜線，觀察校正效果。

1.3.2信息的提取。主要提取影像的NDVI以及Albedo值，NDVI反映了植被的生長狀況?；贚iang[9]建立的數(shù)據(jù)反演模型來估算Albedo，計(jì)算公式為：

Albedo=0.356ρTM1+0.130ρTM3+0.373ρTM4+0.85ρTM5+0.072ρTM7-0.001 8

基于NDVI以及Albedo的研究區(qū)影像提取結(jié)果見圖1。

圖1　基于NDVI和Albedo的研究區(qū)影像提取結(jié)果Fig.1　The image extraction of the study area based on NDVI and Albedo

1.3.3計(jì)算NDVI與Albedo之間的定量關(guān)系。利用ROI工具在影像中均勻找點(diǎn)，構(gòu)建NDVI與Albedo相關(guān)關(guān)系。

2　結(jié)果與分析

2.1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，因此采用 Albedo-NDVI特征空間來分析沙漠化的動態(tài)變化特征。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785個(gè)點(diǎn)，對所有點(diǎn)的Albedo與NDVI信息進(jìn)行回歸分析，分別得到2年的特征空間方程。

2.2特征空間的分析2000年7月研究區(qū)的Albedo-NDVI特征空間見圖2。對所有點(diǎn)的Albedo和NDVI值進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程y=-0.401 29x+0.475 38,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(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。從圖2還可以看出，NDVI主要分布在0.1～0.3的低植被區(qū)，而其Albedo值卻有很大一部分集中在0.4～0.6的高反照率區(qū)，表明2000年該地區(qū)地表植被的覆蓋率很低，土壤含水量很低，地表荒漠化程度嚴(yán)重。

2008年7月研究區(qū)的Albedo-NDVI特征空間見圖3。其回歸方程為y=-0.134 05x+0.428 08?？梢钥闯觯銷DVI的分布范圍較為均勻，由2000年7月主要集中在0.1～0.3的情況轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為均勻的分布，這說明該地區(qū)低植被覆蓋的情況得到了一定的改善。而反照率(Albedo)也有一定程度的降低，從特征空間散點(diǎn)的整體移動趨勢上來看，主要向右下方移動。這表明2000～2008年赤峰及其周邊地區(qū)的環(huán)境狀況得到了一定的改善，土壤含水量與植被生長狀況均得到了一定的提升，土地荒漠化的程度也得到了一定的改善。

圖2　2000年7月研究區(qū)Albedo-NDVI特征空間Fig.2　Albedo-NDVI characteristic space in the study area in July 2000

圖3　2008年7月研究區(qū)Albedo-NDVI特征空間Fig.3　Albedo-NDVI characteristic space in the study area in July 2008

2.3漠化分級根據(jù)Verstrate等[10]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Albedo-NDVI特征空間，可以將不同的沙漠化土地有效區(qū)分開來?？梢杂蒙衬b感監(jiān)測差值指數(shù)模型DDI來表示：DDI=a×NDVI-Albedo。在具體應(yīng)用中，為減少采樣點(diǎn)代表性對沙漠分級指數(shù)I的影響，其常數(shù)a可根據(jù)Albedo-NDVI特征空間方程的斜率來確定。2000和2008年研究區(qū)沙漠化分級結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，紅色所代表的重度沙漠化地帶有所減少，但相比于2000年，2008年的重度沙化地帶幾乎不復(fù)存在。

圖4　2000和2008年研究區(qū)沙漠化DDI分級結(jié)果Fig.4　DDI classification of desertification in the study area in 2000 and 2008

從圖4可以看出，2000～2008年赤峰及其周邊地區(qū)荒漠化程度有所降低。環(huán)境得到改善的原因主要是這段時(shí)期強(qiáng)烈的沙塵暴天氣經(jīng)常襲擾京津唐地區(qū)，使得公眾認(rèn)識到了環(huán)境問題與自己生活息息相關(guān)，而沙塵暴的沙源主要來自于內(nèi)蒙古科爾沁沙地。政府也開始采取一些措施進(jìn)行治理，例如實(shí)施退耕還林、退牧還林等政策，逐漸抑制了當(dāng)?shù)氐耐恋厣衬葐栴}。內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗于2002 年開始實(shí)施一系列的環(huán)境保護(hù)措施：一方面控制人口增長，減輕人口壓力，建立良好的人地關(guān)系，并采用圍欄封育、人工補(bǔ)播、圈養(yǎng)等方法增加畜禽數(shù)量，增加肉、蛋、奶等牧產(chǎn)品的供應(yīng)，改善草地質(zhì)量[11-12]；另一方面實(shí)行“退耕還林還草”政策，并利用草方格、沙障等固沙方法開展沙地治理工作,減少風(fēng)沙流動對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活造成的影響。從上述分析結(jié)果來看，這些保護(hù)工程已初見成效。

3　結(jié)論

該研究運(yùn)用2000和2008年的遙感影像構(gòu)建Albedo-NDVI特征空間模型，對內(nèi)蒙古赤峰及其周邊地區(qū)荒漠化變化趨勢進(jìn)行分析。結(jié)果表明，2000～2008年該地區(qū)荒漠化等環(huán)境問題得到了一定的改善。其植被生長狀況較好，由低植被區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧脖粎^(qū)，改善程度較為明顯，同時(shí)當(dāng)?shù)赝寥篮恳灿幸欢ǖ脑黾?。對于?dāng)?shù)丨h(huán)境問題的改善，政府政策引導(dǎo)起到了很大的作用，退耕還林、退牧還林等工程已經(jīng)初見成效。

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Study on the Variation Trend of Desertification in Chifeng, Inner Mongolia and Its Surrounding Area—Based on the Albedo and the Characteristic Space of the Normalized Difference Vegetation Index

WANG Jia-qi, CHEN Xing-ren

(School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130024)

By using remote sensing images to construct Albedo and the normalized difference vegetation index (NDVI) feature space is an effective method to extract the information of land desertification. Using Landsat remote sensing images to construct Chifeng and the surrounding area Albedo-NDVI feature space, the desertification status in 2000 and 2008 was analyzed. The results showed that with the increase of time, the local vegetation coverage was increased,local soil moisture content and desertification degree was improved, the guidance of government policy has been to see results.

Desertification; Albedo; NDVI; Feature space; Vegetation coverage

中央高校專項(xiàng)科研基金本科生重點(diǎn)培育項(xiàng)目。

王家琪(1995- )，女，河南南陽人，本科生，專業(yè)：地理信息科學(xué)。

2016-08-03

TP 79

A

0517-6611(2016)27-0217-03