荒漠化遙感監(jiān)測與評估的應用研究動態(tài)*

王 海，王連喜，楊祖祥，李 琪

(1. 湖北省氣象服務中心，湖北 武漢 430205； 2. 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學 應用氣象學院，江蘇 南京 210044； 4. 安徽省氣象臺，安徽 合肥 230031)

荒漠化遙感監(jiān)測與評估的應用研究動態(tài)*

王 海1，王連喜2，3，楊祖祥4，李 琪2，3

(1. 湖北省氣象服務中心，湖北 武漢 430205； 2. 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學 應用氣象學院，江蘇 南京 210044； 4. 安徽省氣象臺，安徽 合肥 230031)

對土地荒漠化遙感監(jiān)測的研究進行了綜述和展望，并指出通過加強多種類荒漠化土地分類指標體系的構建、提高監(jiān)測精度、不斷探討新的方法及方法的適用性、明確荒漠化遙感監(jiān)測的宏觀技術路線與流程、深入開展成因與影響因子分析以及充分利用多源與多種數(shù)據(jù)信息等幾個方面可以不斷對土地荒漠化遙感監(jiān)測技術進行完善。一方面可為相關決策部門提供有力的科學依據(jù)，進而提高荒漠化治理、區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復與重建的水平和效果；另一方面，可為荒漠化發(fā)生發(fā)展過程、荒漠化機理研究，沙質荒漠化對相關區(qū)域乃至未來全球氣候變化的影響研究提供依據(jù)，進而為當前全球變化研究做出貢獻。

土地荒漠化；遙感監(jiān)測；荒漠化土地分類指標；荒漠化評估

土地荒漠化是全球性的重大生態(tài)環(huán)境問題，全球已經(jīng)受到及預計會受到荒漠化影響的地區(qū)占全球土地總面積的35%以上，中國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一。廣義的荒漠化是指在人為和自然因素的綜合作用下，使得干旱、半干旱甚至半濕潤地區(qū)自然環(huán)境退化(包括鹽漬化、草場退化、水土流失、土壤沙化、狹義沙漠化、植被荒漠化、歷史時期沙丘前移入侵等以某一環(huán)境因素為標志的具體的自然環(huán)境退化)的總過程。狹義的荒漠化(即：沙漠化)是指在脆弱的生態(tài)系統(tǒng)下，由于人為過度的經(jīng)濟活動破壞其平衡，使原非沙漠地區(qū)出現(xiàn)了類似沙漠景觀的環(huán)境變化過程。因此，具有發(fā)生沙漠化過程的土地都稱之為沙漠化土地，沙漠化土地還包括了沙漠邊緣風力作用下沙丘前移入侵的地方和原來的固定、半固定沙丘由于植被破壞發(fā)生流沙活動的沙丘活化地區(qū)?；哪b感監(jiān)測是一種能夠快速了解區(qū)域荒漠化演化的手段[1]，通過對荒漠化的監(jiān)測，進而掌握荒漠化的現(xiàn)狀、程度及其動態(tài)演變的規(guī)律，是有效預防和治理荒漠化的必要前提。遙感應用于土地荒漠化監(jiān)測的30多年來，在技術上和方法上均取得了極大進步，但監(jiān)測過程卻受到各種不同因素的影響，例如，荒漠化復雜的成因、多樣的表現(xiàn)形式、衛(wèi)星遙感影像的分辨率、圖像處理方法及分析過程等，與此同時，荒漠化還存在著面積大、表現(xiàn)類型復雜等特點，所以利用遙感方法對荒漠化監(jiān)測與評估的科學性和有效性等方面還需要不斷的深入探討。

荒漠化遙感監(jiān)測方法正在從定性向定量、主觀向客觀演變，但仍缺乏公認的、有效地荒漠化遙感監(jiān)測方法與技術路線；缺乏對荒漠化要素的空間定量分析與評價；缺乏明晰的荒漠化發(fā)生、發(fā)展過程和演變機制；此外，荒漠化對全球氣候變化的遙響應研究相對薄弱，而未來氣候變化對荒漠化過程產(chǎn)生的影響是一項十分值得深入開展的研究工作；同時，荒漠化對于區(qū)域氣候產(chǎn)生根本性影響的作用機制研究[2]、荒漠化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響研究、荒漠化土地土壤碳流失及固碳潛力等都是有待進一步研討的重要問題。再者，一些相對基本的問題尚未得到很好地解決，如不同荒漠化程度的地表所產(chǎn)生光譜反射的具體特征有何區(qū)別，這些問題都將影響荒漠化評價中遙感技術應用的深度和廣度[3]。

而荒漠化遙感監(jiān)測與評價目前存在的主要問題包括：荒漠化評價指標體系尚不完善、評價方法尚未成熟、采用不同方法所得到的結果缺乏可比性，以及由此所產(chǎn)生的一系列相關理論與技術問題。因此，根據(jù)荒漠化的成因、條件和地域特點來完善和補充現(xiàn)有的指標體系；選擇合理、規(guī)范、統(tǒng)一的評價方法；并利用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術對荒漠化目標進行解譯、指征荒漠化因子，最終合理劃分荒漠化類型并進行評價等問題已成為荒漠化評價、監(jiān)測和預警過程中面臨的重要問題。正是缺少理論指導和規(guī)范、系統(tǒng)的方法，導致荒漠化評價、監(jiān)測和預警在防治荒漠化的宏觀決策中難以發(fā)揮其應有的作用[3-4]。

在全球信息化浪潮的推進下，遙感技術必將在21世紀迎來跨越式發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要包括：多波段、多光譜、多角度及多極化遙感的綜合應用；多分辨率傳感器并存；RS、GIS和全球定位系統(tǒng)(GPS)相結合的“3S”技術等。隨著相關衛(wèi)星、遙感圖像處理技術和分辨率的提高與遙感技術自身的長足發(fā)展及進步，遙感技術在荒漠化監(jiān)測中所扮演的角色也將愈發(fā)重要。同時，荒漠化遙感監(jiān)測的定量程度、精度、實時性方面也必定會隨之得到極大的提高。進而，通過遙感技術對荒漠化地區(qū)進行監(jiān)測，及時地獲取荒漠化地區(qū)準確、全面的相關信息，開展相關評估分析，得到科學、準確的監(jiān)測結果，為掌握荒漠化的動態(tài)及土地治理提供有力的技術支撐，為荒漠化防治提供決策依據(jù)[4-5]。

1 土地荒漠化遙感監(jiān)測中的主要問題與展望

1.1 加強多種類荒漠化土地分類指標體系的構建

在過去的近40年中，眾多學者先后提出過多種荒漠化指標體系[6-13]，但到目前為止仍未達成共識，形成一套被普遍認可、完整實用的評價指標體系。其中存在的主要問題有：①指標雖多但代表性差。多數(shù)指標體系均包含眾多指標，有些指標間存在相互交叉問題[14]；而且大多是強調不同荒漠化類型間的差異，較少考慮、涉及到不同荒漠化類型之間的共性與特性。②評價沒有層次性。不少學者常把描述荒漠化的成因、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和速度與荒漠化地區(qū)的社會、經(jīng)濟指標等混雜在一起構建評價指標體系，缺乏層次性[15]。③所選指標的尺度合理性較差。很多定量指標只適合小尺度范圍的地面調查，而不適用于大尺度、較大范圍的荒漠化遙感評價。④土地荒漠化分類系統(tǒng)相對復雜，因劃分類型和劃分方法各不相同，難以形成較為統(tǒng)一的劃分標準[16-17]。

曾永年等[2]指出，自1977年聯(lián)合國荒漠化大會以來，通過近40年的不懈努力和實踐，荒漠化遙感監(jiān)測已構建了一套以遙感目視解譯為主的經(jīng)驗性指標體系，但尚未形成一個完全適應于遙感監(jiān)測的指標體系。并且，通過現(xiàn)有的荒漠化理論研究所形成的較為完整的分類評價指標體系，其中相當一部分指標并非物理參數(shù)，這制約了從遙感數(shù)據(jù)中直接提取指標的應用，對分類精度的提高造成了一定程度的影響[18]。

總之，已有研究對荒漠化本質在認識上的模糊性，導致了荒漠化評價指標大多是針對特定區(qū)域或基于經(jīng)驗判斷而制定的，缺乏縝密的科學分析和牢靠的理論基礎[3]，從而難以避免以下問題：①出于對荒漠化概念理解的不同，造成所選指標各不相同，可比性低，很難在地理分異復雜的區(qū)域大范圍應用；②制定評價指標體系時目標不明確，出發(fā)點相異，對后續(xù)工作和結果產(chǎn)生影響[19]；③評價指標過于繁雜、且多為間接指標，各因子的信息量層次不清晰，難以通過遙感技術獲取所需指標、實用性差[20]。

所以，在選擇荒漠化監(jiān)測指標應遵循一定的原則和標準，以獲取反映研究區(qū)域內(nèi)荒漠化現(xiàn)狀及變化的客觀信息為目的。通過對荒漠化遙感監(jiān)測指標更加深入的探討和研究，逐步完善、改進，得到可被廣泛應用的荒漠化遙感監(jiān)測指標和體系，這也是此領域當前需要重點考慮的任務之一[1]。隨著3S技術的迅猛發(fā)展，今后荒漠化評價指標必將基于不同學科視角向集成化、高效與實用等方面發(fā)展[3]。

此外，在解譯標志或判讀指標的選取和建立方面仍需要不斷的補充和完善[21]。目標地物在不同時相、不同波段組合時表現(xiàn)出的特征會有很大差異，所以應考慮對其分別建立解譯標志，或實現(xiàn)任一時間、任一波段組合圖像上的通用解譯標志，這樣才能更好地提高分類精度。隨著發(fā)展，GPS定位精度及遙感圖像分辨率的大幅度提高，所建立的解譯標志將會更符合實際情況，從而使判讀更為精準[22]。

1.2 不斷探討新的方法及方法的適用性

荒漠化評估的遙感信息模型精度主要取決于現(xiàn)有荒漠化評價方法，包括：評價指標是否科學合理、專家給定的權重和等級標準是否客觀以及各指標數(shù)據(jù)的獲取精度[23]。

遙感技術應用于土地荒漠化監(jiān)測經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，通過諸多專家、學者的共同努力，已有許多方法在荒漠化遙感監(jiān)測中得以應用，并取得了較好的效果?？偟膩砜矗壳暗倪b感提取方法各有優(yōu)劣，針對某一特定區(qū)域，沒有最優(yōu)的監(jiān)測方法。其中一些相對好的方法，但也存在沒有將這些方法和相關指標組合在一起進行更深入研究與應用的不足，例如：在利用植被指數(shù)獲取土地荒漠化信息時，植被指數(shù)雖能反映地表的植被覆蓋情況，但隨著研究的深入，如果加入水分、土壤等氣候環(huán)境因子和高程、坡度等地形因子，應該能得到更準確、更全面表達土地荒漠化發(fā)生、發(fā)展動態(tài)狀況的土地荒漠化指數(shù)模型。因此，綜合指標與綜合方法的集成應用，是當今也是未來土地荒漠化監(jiān)測的一個重要研究方向[1]。同時，荒漠化遙感定量評價方法也是極具價值的研究課題[20]。

目前，土地荒漠化遙感信息提取方法存在的主要問題是：在利用計算機自動識別或提取分類信息時，難以解決“同物異譜”和“異物同譜”問題[1]，除計算機自動提取算法本身外，造成此種現(xiàn)象的原因可歸納為自然原因和人為原因。自然原因主要包括地形地貌、土壤及植物含水量、季節(jié)和植物狀況、云量及太陽電磁波的影響等[24]。人為原因則包括分辨率較低、儀器的穩(wěn)定性和靈敏度不高、數(shù)據(jù)源及年限不同等。而利用計算機進行自動分類的方法中，決策樹分層分類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡提取這兩種方法具有良好的發(fā)展前景，未來可以把遙感的地物識別專家系統(tǒng)知識庫引入其中，再結合遙感影像的紋理信息，從而消除或降低“同物異譜”和“異物同譜”的影響，進一步提高土地荒漠化信息提取的精度[1]。張苑平等[25]在分層地表信息提取方法的研究中，充分利用不同土地覆蓋植被類型的波譜特征，發(fā)掘波段間蘊藏的內(nèi)在聯(lián)系，放大其中的敏感信息，達到了提取更準確地表覆蓋信息的目的。與非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類等常規(guī)的分類方法相比，這種方法有效地避免了將各個波段光譜值作為同等重要的參量進行信息提取所產(chǎn)生的“異物同譜”和“同物異譜”現(xiàn)象，從方法上表明可以提高遙感圖像分類精度，同時與較為復雜的混合像元分類方法相比，更為簡單實用。

總之，以下幾方面是方法應用的重點。

(1)國內(nèi)外學者利用多種動態(tài)檢測方法對變化檢測開展過深入研究，這些方法主要有比值估計變化檢測技術、基于獨立主成分變換的動態(tài)變換檢測技術、圖像差值法、主成分分析法、變化矢量分析法、光譜特征變異分析法、波段交叉相關分析法等。例如M.A. Popov等通過動態(tài)非線性模型對撒哈拉沙漠進行荒漠化監(jiān)測[26]，這些主要基于像素對整個圖像或整個研究區(qū)域進行動態(tài)檢測的方法均可以考慮應用在荒漠化土地的變化監(jiān)測中，并在此基礎上，研發(fā)出地塊內(nèi)部分異識別檢測、地塊地類變化識別檢測的相關模型。

(2)為了充分發(fā)掘和增強各類土地退化類型間在光譜特征、空間結構特征、紋理特征、線狀地物特征和邊緣特征等方面的特異性，需要對多源遙感數(shù)據(jù)做進一步的處理，以生成多元遙感特征數(shù)據(jù)。在光譜特征增強方面主要有針對單波段和多波段的各種線性和非線性增強方法。如植被指數(shù)法、K-L變換、主成分變換等；在紋理特征增強方面，有共生矩陣法、馬爾科夫隨機場紋理分析法等；在多源遙感數(shù)據(jù)融合方面，主要有基于主成分變換、基于IHS變換和小波變換的融合分析方法；在融合的層次上有基于像元、特征和目標的融合；在線狀地物和邊緣特征增強方面有各種濾波增強算法，如邊緣銳化濾波、SOBEL邊緣識別濾波、基于高斯尺度空間的多尺度濾波方法、基于小波分析的多尺度邊緣處理等；對于高精度荒漠化土地遙感監(jiān)測而言，需要綜合應用上述方法，加以改進并進行創(chuàng)新。

(3)在荒漠化土地分類方面，應考慮在目前常規(guī)應用方法的基礎上，如最小距離分類法、最大似然判別分類法、動態(tài)聚類法、決策樹分類法、模糊分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡分類法等，進一步對數(shù)據(jù)挖掘技術開展研究，最終實現(xiàn)多尺度荒漠化土地植被波譜與多元特征提取的快速分類方法和模型構建。

(4)一些時間序列分析的方法，如小波分析、傅立葉變換等，這些方法能夠從高時間分辨率遙感影像中提取諸如物候信息的植被特征。另外目前已應用的時間序列檢測方法，如非參數(shù)趨勢檢驗，則能夠更加準確地揭示植被的時空動態(tài)演變過程，這些都將是未來荒漠化監(jiān)測與評價的重要研究手段[17]。

(5)從利用植被指數(shù)進行荒漠化監(jiān)測的相關研究結果來看，運用NDVI-CoV分析干旱區(qū)植被退化狀況的方法較為優(yōu)越[27-29]，主要是該方法充分考慮了植被的年際變異，目前國內(nèi)的荒漠化評價已經(jīng)開始應用[30]，近年來還有學者開始嘗試將NDVI與降水等氣象因子有機地結合起來進行荒漠化評價與分析，也取得了較好效果[31-32]。這些方法對中國的荒漠化評價具有很好的借鑒意義。

此外，應用各種方法與反演的不同參量開展土地荒漠化遙感監(jiān)測時，還應注意所用方法及參數(shù)的適用范圍與局限性等。

(1)土壤含水量的反演方法僅適用于地形較平坦、植被較稀疏的區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)，基于土壤熱慣量的含水量模型則具有一定的抗植被干擾能力，這可能是植被的含水量與其熱慣量高度相關，而植被含水量又與土壤含水量密切關聯(lián)的緣故。然而，土壤的含水量與植物蒸散耗水還與根系吸水有關系，特別是在植被覆蓋度較大時的作用機理更為復雜，需要進行更為深入的研究[23]。

(2)植被是區(qū)域尺度荒漠化評價最有效的指示因子[17]。目前普遍應用的植被指數(shù)是其代表，現(xiàn)已提出了眾多的植被指數(shù)用于土地荒漠化信息的提取，但荒漠化地區(qū)的植被生長狀況一般都比較差，所以在提取時較為困難，同時，目前所用的植被指數(shù)均為植被生長狀況的表達，還沒有一個指數(shù)可以直接反映和表達土地荒漠化的發(fā)生及其發(fā)展程度[1]。此外，植被指數(shù)是基于純像元對植被進行提取的，從先驗知識和理論上都可以顯現(xiàn)出其應用于干旱荒漠區(qū)植被提取中的局限性，吳見[3]的研究表明：NDVI在提取植被目標時，受到土壤背景的干擾很大。

(3)受干旱荒漠區(qū)土壤背景類型復雜多樣、植被分布較為稀疏及遙感影像空間分辨率較低等不利因素的影響，運用遙感技術提取植被覆蓋度有一定困難[33]。若采用光譜混合分析(Spectral Mixture Analysis，SMA)和RGB彩色合成法，可得到一個用少量遙感數(shù)據(jù)進行長時間、大尺度研究的基本框架。未來，這種利用少量數(shù)據(jù)獲取較長時間段植被生長動態(tài)變化信息的方法將會得到更廣泛的推廣和應用[34]。但根據(jù)前人的研究成果，植被實際覆蓋度較小時用光譜混合分析的效果不佳，其檢驗的精度范圍在±4.0%之間[35]。因此，在利用光譜混合分析模型提取荒漠區(qū)植被覆蓋度時，應注意該方法的局限性[33]。

(4)目前已被普遍應用的構建植被特征空間的技術方式在其物理意義、荒漠化遙感分級標準和檢驗等方面仍需深入探討與完善[36]。而植被與自然因素統(tǒng)計類模型也受適用范圍的制約，例如何磊[37]建立的植被生長-自然因素響應模型，通過分析得出在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)不適用、在植被對地下水依賴較大的區(qū)域應用效果亦不理想的結論。在混合像元分解方面，諸多因素都限制著線性光譜分解的精度，如在基本組分的選取上存在主觀誤差、非反射體以及陰影區(qū)域組成的成分復雜、分解的結果誤差相對較大等，都需要進一步研究與探索[36]。

(5)雖然SMA技術比植被指數(shù)法更適合提取干旱區(qū)的植被信息，但當植被覆蓋度低于30%時，多端元光譜混合分析(Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis，MESMA)也僅能較準確地提取土壤類型，而無法具體區(qū)分不同植被的類型[38]；盡管目前仍需發(fā)掘更多適用于干旱區(qū)植被信息提取的技術方法，如可以檢測出極弱信號的匹配濾波技術的應用[39]，但就目前看來，MESMA技術仍是干旱區(qū)植被提取的最佳選擇之一。

1.3 不斷提高監(jiān)測精度

遙感技術應用最核心的問題就是精度，影響精度的因素很多，但主要是數(shù)據(jù)、指標、方法和基準?？梢哉f，監(jiān)測與反演精度始終是遙感技術應用中最重要的方面，為提高反演精度，許多學者都做出了大量卓有成效的工作，但仍是遙感應用領域不斷努力追求的目標。

未來的研究重點毫無疑問應是：提升各種監(jiān)測方法反演結果驗證的準確性與穩(wěn)定性，減小其不確定性；提高反演結果評價方法本身的精度。同時，還應考慮如何利用實測光譜校正影像光譜并結合應用，從源數(shù)據(jù)方面提高反演精度，明確不同尺度遙感數(shù)據(jù)對相關反演參數(shù)產(chǎn)生的影響等[40]。

此外，鑒于荒漠化遙感監(jiān)測的特點，以下幾方面也需認真考慮。

(1)干旱、半干旱區(qū)的荒漠界線相對不穩(wěn)定，所以在這些過渡地區(qū)的植被變化性很強，特別是隨季節(jié)變化較大，如豐水期可能會呈現(xiàn)荒漠化逆轉的假象，而在干旱年份植被的生長狀況則出現(xiàn)衰退，這些氣候條件會誤導人們對荒漠化的真實判斷并影響最終反演精度。因此，探討荒漠化的可逆問題時應多方求證，在一定的時間尺度上，更需要結合當年的實際氣候條件加以分析[41]。

(2)干旱、半干旱區(qū)這種過渡區(qū)域所具有的時空動態(tài)性，如退化草地還將受到周圍環(huán)境、氣候、植被等因素的綜合影響，不同季相的植被覆蓋度存在一定差異。因此，應考慮對草地不同季相的植被狀況進行長期定位監(jiān)測，結合地面實測光譜來分析退化草地覆蓋度的變化，進而研究草地退化狀況，為荒漠化草地的監(jiān)測、評估、管理等提供切實、可靠的基礎數(shù)據(jù)與科學依據(jù)[42]。

(3)目前土地退化遙感評價與監(jiān)測研究中的植被指標大多采用凈初級生產(chǎn)力(NPP)的替代量，如植被覆蓋度、NDVI等，以此來評價凈初級生產(chǎn)力及其變化會產(chǎn)生一定偏差并影響精度。此外，評估中所涉及到的各種參數(shù)與指數(shù)本身的準確性也有待深入研究與提高，這些參數(shù)與指數(shù)在不同區(qū)域應用時的適用性及精度變化還需進一步分析與驗證[14]。

(4)荒漠化的本質是土地退化，而土地退化是相對于初始或曾經(jīng)的狀態(tài)而言，其中涉及到一個基準(benchmark)問題，這是目前土地退化(荒漠化)評價面臨的難題之一，所開展的研究也較少[14]。另外，荒漠化是一種區(qū)域尺度的生態(tài)退化過程，即區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的退化?；哪坝^與荒漠化之間并沒有必然聯(lián)系。因此，在荒漠化監(jiān)測與評估中還需從荒漠化定義方面加以審視與規(guī)范[17]。

(5)由于各種相關因素都會影響到不同尺度草地退化遙感監(jiān)測的精度，給荒漠化監(jiān)測結果帶來不確定性。所以，建立一個以遙感和GIS為平臺、以衛(wèi)星與航空遙感技術、野外監(jiān)測站網(wǎng)的地面觀測系統(tǒng)為基礎的草地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與管理的方法體系，并引入聯(lián)合國的生態(tài)系統(tǒng)評估理念，獲取長期的區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)信息，結合生態(tài)學理論、技術方法和模型，研究探討草地生態(tài)系統(tǒng)的狀況和未來變化趨勢，可達到提高草地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、研究和管理水平的目的[43-44]。

(6)不同荒漠化類型可分布在同一地區(qū)，同一荒漠化類型也可分布在不同區(qū)域。地形、地貌、土壤、植被、氣候等影響要素的不同使其在遙感影像上表現(xiàn)出不同的影像特征，但也可能會產(chǎn)生不同地類卻表現(xiàn)出相同的影像特征，即遙感應用中的“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象，這與地類的波譜特征及其背景的綜合波譜特征有關。此情形下最直接的處理方式就是進行實地調查修正，使其判別精度達到專業(yè)要求[40]。

1.4 明確荒漠化遙感監(jiān)測的方向、技術路線與流程

確定一個研究的大方向在任何領域都是十分重要的，荒漠化遙感監(jiān)測同樣如此?；哪坝^的特點及其監(jiān)測的意義對荒漠化監(jiān)測、評價都具有一定價值，所以荒漠景觀的空間格局與過程成為荒漠化研究的核心問題之一[45]，在今后的研究當中，可考慮從不同尺度著手，選取適用的指標，從格局-過程的角度出發(fā)，結合空間分布與面積信息等，進行綜合評價并注重動態(tài)變化。同時，以下幾個方面則是指導具體研究的重要原則。

(1)對荒漠景觀的研究應更注重斑塊的離散或聚合、景觀形狀的動態(tài)變化等，要選擇可充分反映荒漠化程度在景觀格局方面的指標，但由于荒漠景觀變化會出現(xiàn)聚合-破碎的反復變化，所以景觀格局的指示意義應與面積和空間分布信息結合起來進行分析[46]。

(2)植被因子作為監(jiān)測指標中的重要因子，其定量反演與植被類型密切相關，一種較為可行的方式是在植被分類的基礎上進行反演模型構建，不過反演模型的實用性會受到一定影響[47]，但考慮到荒漠景觀植被類型的具體情況，目前尚不需要在復雜植被類型以及定量反演植被因子時如何處理植被類型方面做深入探究。

(3)針對荒漠化監(jiān)測與評估的目的，應在綜合分析與深入研究的基礎上提出適用的荒漠化范圍確定方法、荒漠化土地類型劃分體系、遙感影像荒漠化信息提取技術、坡耕地荒漠化評價技術、遙感影像的分類與成圖技術等方面的宏觀技術路線，用于指導該領域的具體研究工作，這也是構建荒漠化監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術之一[48]。

(4)綜合性原則和主導性原則是荒漠化評價中必須堅持的重要原則[10，49]，基于地理單元尺度的荒漠化程度定量化評價方法，是以該區(qū)域植被覆蓋度作為荒漠化程度的判定指標，這符合綜合性、主導性原則，并解決了基于像元的評價結果中存在大量噪音的不足，以地理單元與以像元為尺度相比的荒漠化程度定量化評價結果，明顯具有更高的精度，也更加符合實際情況。不過，通過監(jiān)督分類的方法對地理單元進行分類與提取，以及僅利用紋理特征作為荒漠化地理單元提取依據(jù)的普適性還有待進一步的研究證明[18]。

1.5 深入開展成因與影響因子分析

已有學者涉及此方面的研究，并取得了一定的成效，但區(qū)分人類活動和自然因素在荒漠化過程中的相對作用及其驗證仍面臨諸多困難[37]。目前主要采取歷史文獻資料的對比分析，但該方法有局限性，如不能識別人類活動所包含的具體驅動因素，不適用于灌溉區(qū)分析荒漠化等[50]。有研究表明[51]：總體上中國在逐漸變“綠”，荒漠化的狀況在21世紀有所改善，但此改善是由于氣候變化還是人類活動影響的結果，尚需深層次研究與驗證。如青藏高原生態(tài)環(huán)境的好轉可能是受到氣候變暖、冰川和積雪融水補給量短期加大等因素共同影響導致了植被覆蓋度的增加所致；而從長遠來看，這種生態(tài)環(huán)境的好轉可能只是在冰川、積雪、凍土等影響下水資源增加、氣候變化有利于植被生長的短期現(xiàn)象，這也是青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷研究中的重要問題，需要長期的研究和論證[52]。

目前，在土地荒漠化監(jiān)測的定量研究中對于土地生產(chǎn)力變化的驅動因子研究不多，如何定量區(qū)分土地生產(chǎn)力變化的氣候因素和人為因素這兩大驅動力是荒漠化監(jiān)測的重點與難點，這也使得開展區(qū)域土地荒漠化防治工作缺乏科學依據(jù)[14]。利用相關的人文、水文數(shù)據(jù)資料如人口變化、放牧牲畜數(shù)量變化、生態(tài)移民情況、河流各段來水變化及歷年河水徑流量等來開展荒漠化驅動力分析也是豐富成因分析的一個重要方面[37]。

另外，如何在更長的時間尺度上，從自然因素(這里主要為氣象要素)和人文因素(這里的人類活動包括正、負兩方面的影響)的角度入手深入進行荒漠化過程及成因分析、定量評估各影響因素對荒漠化正、逆向演替的貢獻率將是進一步研究的工作[53]。

再者，在植被退化監(jiān)測研究中，植被凈初級生產(chǎn)力與氣候條件的相關分析大多為線性相關，但氣候系統(tǒng)十分復雜，簡單的線性關系不足以表達其復雜性；那么，如何更準確的分析研究區(qū)域的氣候變化特征及描述其對植被造成的影響是需要深入研究的問題。并且，由于各種氣象要素變化對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響不同，且與物種特性、土地類型、土壤養(yǎng)分、水分等方面相關，所以目前有關NPP與氣候因子的關系研究仍存在諸多不確定性，需要繼續(xù)進行長期系統(tǒng)的觀測和實驗積累。而土地退化研究的結果也需要進一步對比分析[14]。

總之，中國乃至全球土地荒漠化的形勢十分嚴重，荒漠化的治理與該類脆弱生態(tài)環(huán)境的重建是一項不容忽視、亟待解決的環(huán)境大工程。要實現(xiàn)這一宏大目標，必須首先通過研究對土地荒漠化過程以及演變趨勢作出科學結論，并多方面探討、分析土地荒漠化的驅動因子，以及土地荒漠化對區(qū)域生物、地球化學循環(huán)、水循環(huán)、能量交換的深刻影響，進而通過遙感技術等科學手段研究分析土地荒漠化對全球氣候變化的響應與影響程度。上述問題的研究與解決無論在理論還是實踐上都具有非常重要的意義。隨著遙感技術的發(fā)展、陸面過程模型的完善和地-氣耦合系統(tǒng)模型的不斷改進，土地荒漠化與區(qū)域及全球環(huán)境的相互作用也將會得到更加深刻的理解與認識[2]。

1.6 充分利用多源與多種數(shù)據(jù)信息

學者們已認識到利用多元與多種數(shù)據(jù)信息能更好地提高土地荒漠化遙感監(jiān)測精度并開展了相關監(jiān)測評價工作，如高光譜遙感圖像的窄波段特點可使其包含更多的特征信息，據(jù)此反演荒漠化區(qū)域的植被狀況更為準確；航空遙感因其飛行高度低、較少受云量影響及靈活性高等優(yōu)點，可作為輔助手段與衛(wèi)星影像相結合應用于荒漠化監(jiān)測[10]；此外，雷達遙感的全天候探測能力能彌補常規(guī)衛(wèi)星遙感影像受天氣條件限制的不足。崔耀平[34]指出：在開展分析時，若能綜合其他數(shù)據(jù)(如長時間序列的NDVI數(shù)據(jù)和相關氣象資料)進行判定[54]，所得研究區(qū)植被情況及其變化結論將更為可信。何磊[32，37]提出在進行荒漠化程度評價時可以考慮加入NPP(凈初級生產(chǎn)力)、Albedo(反照率)和LST(地表溫度)等指標以提高評價效果。韓蘭英[1]的研究指出：開展不同尺度遙感數(shù)據(jù)的綜合研究將是未來發(fā)展的一個可能方向。可以說，充分利用多元與多種數(shù)據(jù)信息已成為提高反演和分類精度的重要方式，并取得了很好地效果。但在實際工作中需注意不同源之間數(shù)據(jù)的配準問題、歸一化問題、尺度轉換問題等，簡述如下。

(1)多源時空數(shù)據(jù)配準技術問題。多元時空數(shù)據(jù)配準技術主要有：①基于區(qū)域的配準，②基于變換域的配準，③基于特征的圖像配準這三大類。此三類配準方法各有優(yōu)劣，如第一類方法不適用于特性和分辨率不同的圖像。第二類方法對同種圖像配準較好，但對異質圖像則可能失效。第三類方法雖然對同質和異質圖像都適用，但對圖像特性的依賴性很大。因此，適合多源時空數(shù)據(jù)的自動配準技術研發(fā)是提高荒漠化土地監(jiān)測精度乃至遙感技術領域的重要發(fā)展方向。

(2)多源多時相遙感數(shù)據(jù)歸一化技術問題。在多源多時相遙感數(shù)據(jù)協(xié)同應用方面，需要進行多源多時相遙感數(shù)據(jù)的歸一化處理[16]。主要方法有基于全景或波譜穩(wěn)定子集的統(tǒng)計參數(shù)法和自動散點控制回歸技術。但統(tǒng)計參數(shù)法不能解決氣候條件差異、物候期差異所帶來的影響。自動散點控制回歸技術對水陸并存區(qū)比較適用，而對其它區(qū)域的適用性還有待于進一步的驗證。就土地荒漠化遙感監(jiān)測應用而言，需要綜合應用并對其進行再創(chuàng)新。

(3)地面觀測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的耦合模型問題。遙感影像反映的是實際地物的光譜反射特征，結合地面實測數(shù)據(jù)反演有關生態(tài)環(huán)境參數(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點[55]。地面觀測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的耦合模型是針對有關生態(tài)環(huán)境信息參數(shù)，借助地面觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)的反演。許多研究結果表明，通過遙感光譜可以提取到生態(tài)環(huán)境的相關參數(shù)，且在區(qū)域尺度上是最有效的方式。應用遙感進行反演的有關生態(tài)環(huán)境參數(shù)有許多，如土壤水分，陸表溫度，葉面積指數(shù)和植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)。我們可以借助于構建的遙感反演模型進行有關生態(tài)環(huán)境信息參數(shù)反演并對反演結果進行精度分析和驗證。

(4)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)與遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的同化研究問題。數(shù)據(jù)同化的理論、概念和方法主要來源于大氣和海洋科學的研究成果，在數(shù)學上則借助了控制論、優(yōu)化方法、估計理論和誤差估計理論等。數(shù)據(jù)同化的目的是解決多源、多分辨率空間數(shù)據(jù)的融合、集成和尺度推繹等一系列問題。其中包括：①如何集成直接觀測(如土壤水分和土壤溫度的直接觀測)和間接觀測(如被動微波儀器觀測得到的亮溫數(shù)據(jù)間接反演土壤水分)；②如何集成觀測數(shù)據(jù)和模型模擬結果(前者在時空上不連續(xù)，而后者具有時空連續(xù)特征)；③如何集成來自于不同觀測系統(tǒng)(常規(guī)觀測和遙感觀測)的數(shù)據(jù)；④高、低分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)融合后相應的評價方法問題[3]；⑤在融合多源數(shù)據(jù)的同時，如何有效的解決數(shù)據(jù)分辨率不一致問題，即升尺度與降尺度問題。

針對遙感數(shù)據(jù)異構、多尺度、動態(tài)、海量等特點，研究基于網(wǎng)格環(huán)境的遙感數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型，研究網(wǎng)格環(huán)境下如何對分散、異構的遙感數(shù)據(jù)資源進行獲取，并實現(xiàn)動態(tài)的更新和整合，研究在網(wǎng)格環(huán)境下定制統(tǒng)一的異構數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，研究網(wǎng)格計算技術，設計、計算優(yōu)化算法，提高數(shù)據(jù)處理速率。構建基于網(wǎng)格環(huán)境的計算服務平臺或智能化荒漠化監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對荒漠化區(qū)域的監(jiān)測、評估、模擬以及未來變化趨勢的預測也是今后荒漠化遙感監(jiān)測研究中的一個重要方面。另外，利用知識發(fā)現(xiàn)技術，在多源時空數(shù)據(jù)協(xié)同應用的土地荒漠化監(jiān)測中也很有必要深入探討。

除以上幾點外，通過歸納總結他人的工作，以下幾方面也應在具體分析工作中加以注意。

(1)目前在土地退化評價研究中多采用兩期或多期瞬時狀態(tài)的數(shù)據(jù)來評價土地退化狀態(tài)，但植被與氣候因子關系密切，在干旱區(qū)降水是主導因子[14]。所以瞬時狀態(tài)特別是隨機選擇年份的植被生長狀況受氣象因素的影響非常大，而據(jù)此得到的有關土地退化結論存在客觀性問題。因此，在評價中至少應對所選擇年份的氣象條件進行宏觀分析，并確認所選遙感資料年份的氣象條件相似或大致相同，如都處于三種(偏多、偏少或正常)狀態(tài)中的同一狀態(tài)。還應考慮所選數(shù)據(jù)的時間(季節(jié)、晴雨天等)能否代表研究區(qū)植被狀況。多年生植被狀況反映的是其多年來的綜合生長情況。所以應盡量避開一些短壽命草本植被的干擾，將側重點放在多年生灌木、草本植被信息的提取與分析，其更能代表荒漠植被的生長狀況。另外，在利用多時段多幅遙感影像數(shù)據(jù)對植被變化進行監(jiān)測時，消除大氣影響和傳感器的差異會使結果更加準確[29]。

(2)從植被和土壤水分角度判斷研究區(qū)的綠洲化和荒漠化過程時，應注意：目前MODIS/NDVI和地表溫度產(chǎn)品在國內(nèi)外均得到了廣泛應用，大多數(shù)的研究所用關鍵數(shù)據(jù)均涉及到MODIS/NDVI產(chǎn)品和地表溫度產(chǎn)品，由于很難對歷史數(shù)據(jù)進行評價，研究中基本上均認可了這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性，這可能會存在一定的誤差[56]。

(3)通過高光譜數(shù)據(jù)反演出的荒漠化區(qū)域植被生物量和覆蓋度是較為可靠的。當研究區(qū)植被類型單一時，采用線性模型仍有較高精度，但模型的應用區(qū)域范圍將受到一定限制，只能采取分塊計算的方式加以解決；但當研究區(qū)灌木和草地同時存在時，多項式模型的精度要明顯高于線性模型。綜合來看，后者的反演效率反而會高一些[23]。

(4)結合荒漠化土地的區(qū)域分布規(guī)律、特征與結構等數(shù)據(jù)，確定適合多尺度荒漠化土地識別的最佳識別單元(尺度)和最佳分類參數(shù)，建立荒漠化土地貯備波譜和特征參數(shù)識別數(shù)據(jù)庫，以減少識別誤差，提高識別精度是在具體工作都應考慮的問題。

2 結束語

土地荒漠化遙感監(jiān)測與評價是荒漠化研究的基礎，一方面可以為荒漠化過程、機理的研究，土地荒漠化對區(qū)域乃至全球氣候變化的影響研究提供依據(jù)。另一方面可為相關決策部門提供科學依據(jù)與技術支撐，提高荒漠化治理水平，提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復與重建的治理效果。因此，荒漠化遙感監(jiān)測及荒漠化對區(qū)域和全球環(huán)境的影響研究是荒漠化研究的重要組成部分，隨著遙感技術、陸面過程和地-氣耦合模型的發(fā)展，荒漠化遙感監(jiān)測的方法和技術路線也將會得到進一步的提升與完善，使我們更加深刻的理解與認識荒漠化對區(qū)域和全球環(huán)境產(chǎn)生的影響[2]。

此外，還應加強荒漠化監(jiān)測的綜合研究?；哪且环N獨特的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象，僅僅依靠對自然環(huán)境因素的監(jiān)測與研究來控制荒漠化、使其逆轉是不可能的，必須對自然因素和人為因素的共同影響進行綜合監(jiān)測與分析。為實現(xiàn)這一目標，可以通過更多的途徑對荒漠化進行監(jiān)測，并建立歷史荒漠化演化數(shù)據(jù)庫。如在重度荒漠化區(qū)域，可采取典型監(jiān)測和重點監(jiān)測相結合的方式，建立更為完善的監(jiān)測指標和監(jiān)測體系，實現(xiàn)快速監(jiān)測并制定有效的防治計劃[10]。

如今世界上對“3S”技術運用的高潮正在興起，隨著計算機技術的不斷完善與提升，“3S”技術在各領域、各學科都將得到更好、更充分的應用。由于荒漠化、土地退化問題涉及自然、人文、社會等多方面因素，以“3S”技術為基礎的綜合集成應用作為主要技術手段，將上述諸多因素與荒漠化、土地退化與沙化研究結合在一起實現(xiàn)中大尺度范圍的荒漠化動態(tài)監(jiān)測，這對土地荒漠化監(jiān)測與評價研究具有重大的現(xiàn)實意義[48]。

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Abstract:The research of remote sensing monitoring of land desertification were summarized and prospected. And pointed out that by strengthening variety of desertification land classification index system construction, improve the monitoring accuracy, and constantly explore new ways and methods of applicability, clear macro technical route and process of remote sensing monitoring of desertification, in-depth analysis to carry out the causes and influence factors, and make full use of multi-source and several aspects, such as a variety of data information can be continuously to improve the land desertification remote sensing monitoring technology. On the one hand can provide scientific basis for the decision-making departments, improve the governance and desertification area ecological environment restoration and reconstruction of the decision-making level and governance effect; On the other hand, can be the researches on the mechanism of the desertification process, sandy desertification influence on regional and global climate change research, and thus contribute to the global change research.

Key words:land desertification; remote sensing monitoring; the desertification land classification index; desertification assessment

The Application of Remote Sensing Monitoring and Evaluation ofDesertification Research Dynamic

WANG Hai1, WANG Lianxi2, 3, YANG Zuxiang4and LI Qi2, 3

(1.HubeiMeteorologicalServiceCenter,Wuhan430205,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAgriculturalMeteorology,Nanjing210044,China; 3.SchoolofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 4.AnhuiProvinceMeteorologicalObservatory,Hefei230031,China)

《災害學》2017年期刊主要評價指標

注：據(jù)《2017年版中國科技期刊引證報告(擴刊版)》(萬方數(shù)據(jù)股份有限公司，2017年9月)。

王海，王連喜，楊祖祥，等. 荒漠化遙感監(jiān)測與評估的應用研究動態(tài)[J]. 災害學，2017，32(4)：153-161. [WANG Hai，WANG Lianxi，YANG Zuxiang,et al. The Application of Remote Sensing Monitoring and Evaluation of Desertification Research Dynamic[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：153-161.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.026.]

P941.73；TP79；X43

A

1000-811X(2017)04-0153-09

2017-04-14

2017-06-01

湖北省氣象局科技發(fā)展基金項目(2016Q12)

王海(1987-)，男，河南鄭州人，碩士，主要從事大氣遙感方面的研究. E-mail:wanghai871016@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.026