內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化時(shí)空變化

李長(zhǎng)偉，邢立新，樊瑞雪，韓婷婷 (吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026)

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內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化時(shí)空變化

李長(zhǎng)偉，邢立新*，樊瑞雪，韓婷婷 (吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026)

[目的]了解內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)土地荒漠化現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì)。[方法]基于Landsat-5TM、Landsat-7ETM+及Landsat-8OLI遙感影像，利用決策樹(shù)分類(lèi)方法，對(duì)必魯臺(tái)地區(qū)地物信息進(jìn)行分層提取，研究1985—2015年該地區(qū)沙漠化發(fā)展動(dòng)態(tài)。[結(jié)果]1985年必魯臺(tái)地區(qū)荒漠化面積1 331.57 km2，其中重度沙漠化面積300.44 km2，占22.56%。2015年該地區(qū)荒漠化面積1 731.50 km2，其中重度沙漠化面積398.09 km2，占22.99%。[結(jié)論]1985—2015年必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化總面積呈增加趨勢(shì)，重度沙漠化面積也在增長(zhǎng)，說(shuō)明研究區(qū)沙漠化呈發(fā)展趨勢(shì)。

沙漠化；決策樹(shù)；遙感監(jiān)測(cè)；必魯臺(tái)

當(dāng)今世界面臨最為嚴(yán)峻的環(huán)境-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)問(wèn)題就是土地荒漠化，了解土地荒漠化現(xiàn)狀及監(jiān)測(cè)其變化趨勢(shì)，是荒漠化防治的重要工作。國(guó)際公約將荒漠化定義為包括氣候變異和人類(lèi)活動(dòng)在內(nèi)的各種因素作用下，干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)干旱區(qū)的土地退化[1]。其中土地沙漠化是荒漠化的一個(gè)典型，遙感技術(shù)以其覆蓋面積廣、獲取信息量大、周期短等優(yōu)勢(shì)，成為沙漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段。李寶林等[2]利用TM數(shù)據(jù)分析了東北平原西部沙地的荒漠化景觀特征，從機(jī)理上認(rèn)識(shí)了區(qū)域的土地荒漠化發(fā)生過(guò)程；姜琦剛等[3]采用遙感技術(shù)，對(duì)20世紀(jì)70年代中期至2001年北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，探索了研究區(qū)的沙質(zhì)荒漠化變化趨勢(shì)；胡光印等[4]結(jié)合遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)1975—2005年黃河源區(qū)沙漠化狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)及成因分析。對(duì)于荒漠化信息提取主要有目視解譯、基于地表定量參數(shù)、非監(jiān)督分類(lèi)、專(zhuān)題指數(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及光譜混合分解等方法[5-8]，荒漠化信息提取方法研究較為成熟，雖各有優(yōu)勢(shì)與不足，卻都取得了較好的成果。筆者基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)方法，對(duì)內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化信息進(jìn)行提取，定量監(jiān)測(cè)研究區(qū)沙漠化動(dòng)態(tài)發(fā)展，旨在為該地區(qū)沙漠化治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴林右旗與翁牛特旗交界，南距赤峰市約300 km。地勢(shì)東高西低，海拔700～1 200 m。屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，年均氣溫4.9 ℃，最冷1月份平均氣溫-13.0 ℃，最熱7月份平均氣溫22.2 ℃。研究區(qū)位于烏丹沙地西北部，基本風(fēng)沙地貌類(lèi)型以流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘為主，新月形沙丘和新月形沙丘鏈主要分布在北部、東部及東南部。沙質(zhì)荒漠化類(lèi)型以中度和重度沙漠化為主，極重度沙漠化主要分布在研究區(qū)東南部。土地沙漠化發(fā)展方式以斑點(diǎn)狀流沙在草地和耕地上擴(kuò)展，在河流兩岸以片流狀和流動(dòng)沙丘蔓延等方式擴(kuò)展。

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理。選用1985年8月28日、1999年8月11日、2006年8月22日、2010年8月1日、2015年8月15日的Landsat-5TM、Landsat-7ETM+及Landsat-8OLI數(shù)據(jù)。為了反演植被覆蓋度，選取植被較為茂盛的夏季影像，分別對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何精校正、大氣校正等處理，以便進(jìn)一步對(duì)沙漠化信息進(jìn)行提取。

1.2.2沙漠化強(qiáng)度分級(jí)。以植被覆蓋度作為分級(jí)指標(biāo)，將沙漠化等級(jí)分為5級(jí)，分別為非沙漠化(植被覆蓋度≥80%)，輕度沙漠化(植被覆蓋度60%～<80%)，中度沙漠化(植被覆蓋度30%～<60%)，重度沙漠化(植被覆蓋度10%～<30%)，極重度沙漠化(植被覆蓋度<10%)。

1.2.3決策樹(shù)分類(lèi)。基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)方法在目前遙感影像分類(lèi)方法中較為成熟，其主要特點(diǎn)是可以利用多源數(shù)據(jù)，基本思想是逐步將每種目標(biāo)作為一個(gè)圖層從原始影像中分離開(kāi)來(lái)，每次分類(lèi)過(guò)程，只針對(duì)一種地物進(jìn)行識(shí)別，從而避免了目標(biāo)物的相互干擾，達(dá)到提高圖像分類(lèi)精度的目的。1.2.4分類(lèi)指標(biāo)。

1.2.4.1 植被覆蓋度。植被覆蓋度是指植被冠層垂直投影面積占基準(zhǔn)地表單位面積的比例或百分?jǐn)?shù)。利用遙感影像光譜信息，計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，利用像元二分法估算植被覆蓋度。

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

式中，NIR為近紅外波段，Red為紅色波段。

準(zhǔn)確獲取研究區(qū)域落地像元和全植被覆蓋像元的植被指數(shù)是像元二分法估算植被覆蓋度關(guān)鍵。

Fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中，F(xiàn)c為像元代表區(qū)域的植被覆蓋度；NDVImin為全裸地像元的植被指數(shù)；NDVImax為全植被覆蓋像元的植被指數(shù)[9]。

1.2.4.2 坡度。利用DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)ENVI軟件可計(jì)算得到坡度數(shù)據(jù)。筆者利用坡度數(shù)據(jù)輔助提取出研究區(qū)山地部分。

1.2.4.3 改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)。改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)是在Mcfeeters提出的歸一化差異水體指數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)參與該指數(shù)運(yùn)算的波段進(jìn)行修改得到的新參數(shù)，具體公式：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中，MIR為中紅外波段，Green為綠色波段[10]。

試驗(yàn)證明，改進(jìn)的MNDWI可以揭示水體細(xì)微特征，更容易區(qū)分陰影和水體，有效抑制背景信息，結(jié)合水的波譜特征，利用歸一化水體指數(shù)和近紅外波段，將水體從遙感影像中提取出來(lái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙漠化土地信息提取結(jié)果基于坡度、近紅外波段、植被覆蓋度、改進(jìn)的MNDWI數(shù)等地表參數(shù)，依據(jù)荒漠化分級(jí)指標(biāo)，建立決策樹(shù)并依次執(zhí)行，得到沙漠化土地信息提取結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 1985—2015年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化土地信息提取結(jié)果

2.2 沙漠化面積變化在ArcGIS 10.2中對(duì)1985～2015年沙漠化面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，輕度沙漠化和中度沙漠化在1985～2010年呈下降趨勢(shì)，2010～2015年呈上升趨勢(shì)。輕度沙漠化面積由1985年的203.97 km2降至2006年的109.33 km2，到2010年為50.25 km2，2015年增長(zhǎng)到111.23 km2。 中度沙漠化土地面積由1985年的827.16 km2降至2010年的423.14 km2，減少近50%，2010—2015年增長(zhǎng)很快，2015年達(dá)到1 222.18 km2。重度沙漠化土地面積1985—2010年持續(xù)上升，1985年面積為188.14 km2，2006年上升至328.60 km2，2010年達(dá)1 219.78 km2，2015年又降至360.02 km2。極重度沙漠化土地呈先降后升再降的趨勢(shì)，從1985年的112.31 km2降至1999年的56.45 km2，2006—2010年持續(xù)上升至127.70 km2，2015年又降至38.08 km2。

2.3 沙漠化土地類(lèi)型轉(zhuǎn)移變化利用ENVI 5.0計(jì)算得到沙漠化土地類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣(表1～3)，從不同轉(zhuǎn)換類(lèi)型的關(guān)系看，沙漠化的逆轉(zhuǎn)和發(fā)展是同時(shí)存在、方向相反的2種過(guò)程，在轉(zhuǎn)移矩陣中對(duì)角線上數(shù)據(jù)是沒(méi)有發(fā)生變化的部分，位于對(duì)角線以上部分為沙漠化逆轉(zhuǎn)面積，對(duì)角線以下的部分為沙漠化發(fā)展面積，如果沙漠化逆轉(zhuǎn)面積大于沙漠化發(fā)展面積，則總體上沙漠化面積減少，植被增多；反之，沙漠化面積擴(kuò)大。1985—1999年沙漠化逆轉(zhuǎn)面積為257.90 km2，占總面積的16.62%；沙漠化發(fā)展面積為288.17 km2，占總面積的18.57%，總體上呈微發(fā)展趨勢(shì)。2006—2010年沙漠化逆轉(zhuǎn)面積為69.89 km2，占總面積的4.50%；沙漠化發(fā)展面積為615.94 km2，占總面積的39.66%，可見(jiàn)，沙漠化明顯擴(kuò)大。2010—2015年沙漠化逆轉(zhuǎn)面積為720.46 km2，占總面積的36.96%；沙漠化發(fā)展面積為46.70 km2，占總面積的2.30%。

2.4 景觀特征變化從圖3可見(jiàn)，1985—2015年景觀變化明顯。1985—1999年，沙漠化面積明顯增加，但極重度沙漠化有所改善。1999—2015年，重度沙漠化情況明顯得到改善，面積急劇減少，植被覆蓋度明顯增加。

圖2 1985—2015年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)各級(jí)沙漠化強(qiáng)度土地面積變化

表1 1985—1999年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移矩陣

表2 2006—2010年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2010—2015年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)沙漠化類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移矩陣

注：a、b、c分別表示1985—2015年同一區(qū)塊的沙漠化變化情況。

3 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，1985—1999年內(nèi)蒙古必魯臺(tái)地區(qū)極重度沙漠化土地面積明顯減少，植被呈現(xiàn)復(fù)蘇狀態(tài)；2006—2010年沙漠化呈發(fā)展趨勢(shì)，重度沙漠化面積明顯增大；2010—2015年沙漠化呈逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)，大部分重度沙漠化區(qū)域有所好轉(zhuǎn)。究其原因，主要有自然因素和人為因素兩類(lèi)：①由于研究區(qū)在赤峰市，在東亞中緯度地區(qū)是極鋒活躍的地帶，春冬兩季是大風(fēng)和沙塵暴天氣的高發(fā)季節(jié)[11]，干旱大風(fēng)的氣候類(lèi)型必然成為沙漠化發(fā)展的條件因素；研究區(qū)西拉木倫河歷史上多次發(fā)生洪水，1985—2011年幾乎每3年發(fā)生1次，使得河流兩岸草場(chǎng)被淹，農(nóng)田損毀，沙漠化得不到控制，進(jìn)而惡化。②隨著改革開(kāi)放，人民生活水平提高，人口的迅速增長(zhǎng)，使得人們對(duì)糧食的需求增加，導(dǎo)致大量土地被開(kāi)墾為耕地，加劇了土地的沙漠化。 目前，政府已然很重視環(huán)境問(wèn)題，研究區(qū)已經(jīng)開(kāi)展林業(yè)工程建設(shè)和荒漠化治理，在查理木倫河下游興建水庫(kù)以控制洪澇災(zāi)害，已取得一定成效。

[1] 中華人民共和國(guó)林業(yè)部防治沙漠化辦公室.聯(lián)合國(guó)關(guān)于在發(fā)生嚴(yán)重干旱和/或沙漠化的國(guó)家特別是在非洲防治沙漠化的公約[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1994.

[2] 李寶林，周成虎．東北平原西部沙地沙質(zhì)荒漠化的遙感監(jiān)測(cè)研究[J]．遙感學(xué)報(bào)，2002，6(2)：117-122．

[3] 姜琦剛，高會(huì)軍.近30年來(lái)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙質(zhì)荒漠化動(dòng)態(tài)變化[J].世界地質(zhì)，2005，24(4)：373-377.

[4] 胡光印，董治寶，逑軍峰，等．黃河源區(qū)1975-2005年沙漠化時(shí)空演變及其成因分析[J]．中國(guó)沙漠，2011，31(5)：1079-1086．

[5] 曾永年，馮兆東，向南平．基于地表定量參數(shù)的沙漠化遙感監(jiān)測(cè)方法[J]．國(guó)土資源遙感，2005，64(2)：40-44．

[6] 徐馳，姜琦剛，李遠(yuǎn)華，等.呼倫貝爾地區(qū)土地荒漠化動(dòng)態(tài)變化[J].世界地質(zhì)，2010，29(1)：160-167.

[7] 杜明義．決策樹(shù)方法在土地荒漠化分類(lèi)中的應(yīng)用研究[J]．測(cè)繪科學(xué)，2006，31(2)：81-82．

[8] 李任時(shí)，邵治濤，張紅紅，等.近30年來(lái)黃河上游荒漠化時(shí)空演變及成因研究[J].世界地質(zhì)，2014，33(2)：494-503.

[9] 呂愛(ài)鋒，周磊，朱文彬.青海省土地荒漠化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2014，29(5)：803-811.

[10] 徐涵秋．利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究[J]．遙感學(xué)報(bào)，2005，9(5)：589-595．

[11] 韓國(guó)榮，曹艷芳，張少文.赤峰地區(qū)4類(lèi)大風(fēng)氣候?yàn)?zāi)害特征分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2013(4)：90-92.

Spatial and Temporal Changes of Desertification Land in Bilutai Area, Mongolia

LI Chang-wei, XING Li-xin*, FAN Rui-xue et al (College of Geo-Exploration Science & Technology, Jilin University, Changchun, Jilin 130026)

[Objective] In order to know the current situation of desertification and monitor its trends in Bilutai area, Mongolia. [Method] We extract multi-layer feature information in Bilutai area used decision tree based on Landsat-5TM, Landsat-7ETM+ and Landsat-8OLI remote sensing data. And then we explore the land desertification variation tendency from 1985 to 2015. [Result] The result showed that there was 1 331.57 km2desertification land area in 1985, where severe desertification area of 300.44 km2, accounting for 22.56% in study area. There was 1 731.50 km2desertification land area in 2015, where severe desertification area of 398.09 km2, accounting for 22.99%. [Conclusion] During 1985-2015, the total area of desertification and severe desertification area increased obviously in Bilutai area. Land desertification presents development trend in study area.

Desertification; Decision tree; Remote sensing monitoring;Bilutai

李長(zhǎng)偉(1992- )，女，吉林安圖人，碩士研究生，研究方向：遙感數(shù)據(jù)處理與技術(shù)應(yīng)用 。*通訊作者，教授，碩士，博士生導(dǎo)師，從事遙感地質(zhì)調(diào)查與遙感技術(shù)應(yīng)用研究。

2016-08-29

S 181.3

A

0517-6611(2016)30-0054-04