基于MODIS數(shù)據(jù)的沙漠化發(fā)展趨勢(shì)分析

官雨薇

（電子科技大學(xué) 四川成都 611731）

基于MODIS數(shù)據(jù)的沙漠化發(fā)展趨勢(shì)分析

官雨薇

（電子科技大學(xué) 四川成都 611731）

沙漠化問(wèn)題的日益加劇，對(duì)生態(tài)環(huán)境、人類生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面造成嚴(yán)重影響，對(duì)于沙漠化程度的監(jiān)測(cè)以及沙漠化變化趨勢(shì)的分析成為關(guān)注的熱點(diǎn)。文章基于MODIS的歸一化植被指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品和反照率（Albedo）產(chǎn)品，構(gòu)建表征沙漠化程度的沙漠化指數(shù)（DDI），并根據(jù)全國(guó)2000～2015年沙漠化指數(shù)值的變化趨勢(shì)，分析近年來(lái)沙漠化的趨勢(shì)變化。結(jié)果表明，近年來(lái)的沙漠化趨勢(shì)有所好轉(zhuǎn)，也從側(cè)面反映出相關(guān)的防護(hù)措施已初見(jiàn)成效。

沙漠化指數(shù)（DDI）；時(shí)間序列趨勢(shì)分析；沙漠化變化監(jiān)測(cè)

引言

根據(jù)國(guó)家林業(yè)局公布的材料，到2009年為止，我國(guó)18個(gè)省（市、自治區(qū)）的508個(gè)縣（旗、區(qū)）已經(jīng)受到沙漠化的影響，受影響面積約262.37萬(wàn)km2，是全國(guó)總面積的27.33%。沙漠化使得土地喪失生產(chǎn)力，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還對(duì)交通、建筑、通信等方面造成嚴(yán)重危害，導(dǎo)致我國(guó)約541億人民幣的直接經(jīng)濟(jì)損失。

日趨嚴(yán)重的沙漠化問(wèn)題已對(duì)人類生活、生產(chǎn)等方面造成嚴(yán)重影響，沙漠化的防治工作成為全球共同關(guān)注的焦點(diǎn)。沙漠化監(jiān)測(cè)作為沙漠化預(yù)防及治理的重點(diǎn)工作，需要確定沙漠化的區(qū)域、面積以及發(fā)展速度等問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)沙漠化監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

沙漠化現(xiàn)象在遙感影像上表現(xiàn)為裸露地表信息的增強(qiáng)和植被信息的減弱，可以采用地表反照率、地表溫度、地表濕度、植被覆蓋度等指標(biāo)因子表征。

沙漠化監(jiān)測(cè)的內(nèi)容是由監(jiān)測(cè)結(jié)果的用途決定的，因此，沙漠化監(jiān)測(cè)內(nèi)容是涵蓋土壤、植被、水文、地質(zhì)地貌、氣候氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)于一體的?，F(xiàn)有的沙漠化監(jiān)測(cè)方法包括基于地面站點(diǎn)的人工監(jiān)測(cè)，以及基于遙感技術(shù)的空中或者衛(wèi)星監(jiān)測(cè)[1-3]。

基于地面站點(diǎn)的人工監(jiān)測(cè)，主要包括以下方法：要素評(píng)價(jià)法主要用于定性分析沙漠化發(fā)生的位置；Thornthwaite法則運(yùn)用于植被-氣候關(guān)系和氣候生產(chǎn)力研究中；地面抽樣法是利用成熟抽樣技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析推算沙漠化土地面積及動(dòng)態(tài)。地面監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)是：在大量的人力和物力支持下，耗費(fèi)時(shí)間過(guò)多，并且監(jiān)測(cè)速度緩慢，受人為影響大。

遙感技術(shù)主要為區(qū)域性或者大范圍的環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測(cè)提供支持。沙漠化的遙感監(jiān)測(cè)是基于多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)沙漠化特征、范圍等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，監(jiān)測(cè)對(duì)象包括大氣、地面覆蓋、海洋及近地表狀況等。遙感監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)：能有效識(shí)別沙漠化類型及特征，并且能獲取偏遠(yuǎn)山區(qū)的沙漠化信息；衛(wèi)星重返周期短，成像快，便于長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，對(duì)于沙漠化的監(jiān)測(cè)，既為沙漠化預(yù)防及治理的各項(xiàng)方針政策制訂提供了基礎(chǔ)資料，又為預(yù)防及治理效果的鑒定提供數(shù)據(jù)，并且對(duì)沙漠化防治可能產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)[4-6]。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

由于MODIS相對(duì)于其他陸地衛(wèi)星的傳感器，具有高空間分辨率，高時(shí)間分辨率，以及高光譜分辨率的特點(diǎn)，使得MODIS數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間序列的對(duì)地信息監(jiān)測(cè)（植被、溫度等）及趨勢(shì)分析、突然性災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面。

MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品是基于MODIS二級(jí)產(chǎn)品的反射率數(shù)據(jù)（MOD09系列），經(jīng)云掩膜、重氣溶膠校正等預(yù)處理的反射率計(jì)算得到的，用于表現(xiàn)植被狀況的時(shí)空綜合特征。植被指數(shù)產(chǎn)品在Terra星和Aqua星的數(shù)據(jù)是分不同時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。因此，本文考慮到數(shù)據(jù)的易獲取性與時(shí)間連續(xù)性，使用1km的MODIS月合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3中的NDVI指數(shù)產(chǎn)品。

MODIS的Albedo產(chǎn)品是基于核驅(qū)動(dòng)模型的地表二向反照率遙感反演算法，且MODIS的反照率產(chǎn)品是結(jié)合了Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的兩個(gè)MODIS傳感器數(shù)據(jù)。因此，本文采用MCD43A3產(chǎn)品，時(shí)空分辨率是16天/1km，8天更新。

2.2 方法模型及流程

根據(jù)Albedo與NDVI之間存在額負(fù)相關(guān)關(guān)系，曾永年在2006年提出沙漠化差值指數(shù)方法模型[7]，構(gòu)建沙漠化差值指數(shù)（DDI），并根據(jù)DDI值得到全球沙漠化分級(jí)產(chǎn)品，以此分析全球沙漠化的狀況及變化趨勢(shì)。由于這一方法具有數(shù)據(jù)易獲取、數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性良好的特點(diǎn)，解決了大部分沙漠化指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)難獲取的問(wèn)題，是適用于大范圍沙漠化監(jiān)測(cè)的方法。

基于Albedo-NDVI二維空間的DDI表達(dá)式如下：

其中，

DDI——沙漠化差值指數(shù)；

k——Albedo和NDVI特征空間擬合直線斜率（a）的倒數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體處理流程如圖1所示。由于全國(guó)數(shù)據(jù)量過(guò)大，在文中構(gòu)建沙漠化指數(shù)（DDI）時(shí)，是通過(guò)選取隨機(jī)樣點(diǎn)的方式。根據(jù)樣點(diǎn)的Albedo-NDVI二維空間中斜率k(-0.6737)，計(jì)算得到k倒數(shù)α為1.4895，DDI表達(dá)式如下：根據(jù)沙漠化指數(shù)分級(jí)圖，我國(guó)總體分布特征呈現(xiàn)東部高、西部低，從東南向西北逐級(jí)遞減即東北、華南、華中、西南地區(qū)DDI值高，而西北地區(qū)DDI值低。15年的年度DDI均值在0.89～1.0附近，總體均值為0.92。年度DDI的最大值出現(xiàn)在長(zhǎng)白山地區(qū)、大小興安嶺、以及海南島、臺(tái)灣，以及四川盆地、秦嶺、巫山等區(qū)域。

3 分析及結(jié)論

沙漠化趨勢(shì)分析主要是針對(duì)已有的沙漠化數(shù)據(jù)，對(duì)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)沙漠化變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于沙漠化的變化趨勢(shì)分析，采用針對(duì)每個(gè)像元的時(shí)間序列擬合法，即以一個(gè)像元的15年間的DDI值作為擬合數(shù)據(jù)，通過(guò)線性擬合的方法得到DDI的變化趨勢(shì)線。對(duì)于一個(gè)區(qū)域的趨勢(shì)分析，常用的方法是以均值體現(xiàn)其平均狀況。因此針對(duì)全國(guó)區(qū)域的沙漠化趨勢(shì)分析，主要通過(guò)區(qū)域的DDI均值變化趨勢(shì)體現(xiàn)，如圖1所示。

東北：東三省的DDI均值整體高于1.2，15年總體均值在1.25左右，遠(yuǎn)高于全國(guó)年度DDI均值水平0.9～1.0。15年間東三省整體DDI值處于緩慢上升趨勢(shì)，0.003/年左右。2009年的DDI值下降，主要是由于當(dāng)年?yáng)|三省大范圍的高溫及大旱。

圖1 流程圖

華北：由于內(nèi)蒙古的面積約為全國(guó)總面積的12.3%，影響了中國(guó)整體的DDI均值變化曲線的走向，且近10年內(nèi)蒙古地區(qū)受干旱和人口影響較大，導(dǎo)致DDI值較低。山西省在2000～2014年沙漠化程度逐年降低，植被覆蓋度增加快，主要原因是山西位于“三北”防護(hù)林建設(shè)工程的中，近年來(lái)的開(kāi)展退耕還林（草）力度加大，且重點(diǎn)建設(shè)防風(fēng)治沙防護(hù)林帶等。

圖2 全國(guó)沙漠化指數(shù)均值變化折線圖

華東：由于華東地區(qū)雨水豐沛，溫度適宜，植被生長(zhǎng)條件良好，因此這一地區(qū)的DDI值高。2002年的異常波動(dòng)可能是由于氣候、以及2002年前的Albedo數(shù)據(jù)是僅僅由Terra數(shù)據(jù)合成造成的。位于珠江三角洲的上海市，由于早期的城市擴(kuò)張，導(dǎo)致年度DDI均值波動(dòng)幅度大，且植被覆蓋度低于華東地區(qū)的其他省份，但是2009年后，上海市的年度DDI均值保持平穩(wěn)狀態(tài)。福建、江西、浙江、安徽四省的年度DDI均值有緩慢上升趨勢(shì)，且年度DDI均值都在1.2以上。

西北：陜西省、寧夏回族自治區(qū)的年度DDI均值有明顯的上升趨勢(shì)，這與三北防護(hù)林建設(shè)的退耕還林、退耕還草等治理工程有很大關(guān)系，說(shuō)明沙漠化治理工程已取得明顯效果。

西南：西南片區(qū)的山地較多，云南、貴州、重慶、四川的年度DDI均值則主要在1.1～1.4之間，四省市的年度DDI都高于全國(guó)的DDI均值，近15年呈平穩(wěn)上升變化趨勢(shì)。

華中華南：由于靠近熱帶地區(qū)，常年雨水豐富、日照條件充足，主要植被類型是常綠闊葉林等，植被覆蓋度高。華中華南大部分區(qū)域的年度DDI均值遠(yuǎn)高于全國(guó)DDI均值，但是各省的年度DDI均值波動(dòng)幅度較大。河南、廣西、海南、湖南、湖北的DDI均值都有較大的漲幅。

近15年間，我國(guó)大多數(shù)省市自治區(qū)的年度DDI均值增長(zhǎng)幅度明顯，增長(zhǎng)速率為0.01～0.02/年。山西、陜西、寧夏、海南等地區(qū)年度DDI均值具有明顯的上升趨勢(shì)。我國(guó)年度DDI均值降幅明顯的區(qū)域主要位于秦嶺以北的陜西中部、山西南部，大興安嶺邊緣的東北平原北部，以及天山山脈附近的準(zhǔn)格爾盆地與塔里木盆地的邊緣區(qū)域等。

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[4]邊振.基于遙感技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)方法研究[D].2011,北京林業(yè)大學(xué).

[5]任艷群.基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動(dòng)態(tài)變化研究——以準(zhǔn)格爾盆地南緣為例.水土保持通報(bào)[J],2014(02):p.267-271+325.

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