巴丹吉林沙漠東南部典型高大沙丘形態(tài)參數(shù)分析

寧文曉, 王振亭

(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院(籌)沙漠與沙漠化研究室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

風(fēng)沙地貌是指由于風(fēng)對地表松散沙物質(zhì)的吹蝕、搬運(yùn)和堆積而形成的地貌，也叫風(fēng)成地貌.沙丘是在風(fēng)力作用下由沙粒堆積而形成的丘狀或壟狀地貌[1]，是一種最為普通的風(fēng)沙地貌.沙丘研究的三項(xiàng)主要內(nèi)容為沙丘的形態(tài)與分布模式描述、沉積物分析、動(dòng)力過程[2].沙丘形態(tài)及分布特征是區(qū)域風(fēng)力、沙源和植物相互作用并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的產(chǎn)物，在判別區(qū)域風(fēng)信狀況、輸沙勢變化以及沙丘動(dòng)力過程方面具有重要意義[3].

沙丘形態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系是風(fēng)沙地貌學(xué)研究的傳統(tǒng)課題之一.Lancaster[4]將自己對Namib沙漠沙丘的野外測量結(jié)果與已有的同類數(shù)據(jù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)沙丘高度和間距之間的關(guān)系會(huì)隨著沙丘類型與位置而改變，并且該關(guān)系能夠反映沙丘的動(dòng)態(tài)變化以及沙丘的移動(dòng)特征.王訓(xùn)明等[5]研究了新月形沙丘形態(tài)參數(shù)與沙源豐度之間的關(guān)系.哈斯[6]測量了騰格里沙漠東南緣的沙丘形態(tài)，利用冪函數(shù)擬合沙丘高度和間距之間的關(guān)系.任孝宗等[7]通過野外測量巴丹吉林和庫姆塔格兩沙漠邊緣地區(qū)新月形沙丘形態(tài)，認(rèn)為高度與寬度之比可以作為描述沙丘的特征參數(shù).沙丘形態(tài)參數(shù)的研究由最初的新月形沙丘逐漸擴(kuò)展到多種形態(tài)的沙丘，沙丘高度—間距的關(guān)系也一度成為沙丘形態(tài)參數(shù)研究的熱點(diǎn)之一.關(guān)于巴丹吉林沙漠沙丘高度—間距的關(guān)系一直備受爭議，學(xué)者們持有不同的觀點(diǎn).白旸[8]通過野外實(shí)測數(shù)據(jù)得出，巴丹吉林沙漠高大沙丘高度H與間距Sp的關(guān)系是H=0.08Sp1.01.Dong et al[9]的測量結(jié)果表明，巴丹吉林高大沙丘的底面積與高度、間距均呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)關(guān)系，沙丘高度和間距之間的關(guān)系為H=395.16-187 800.28/Sp.幾年后，Dong et al[10]給出了另一個(gè)關(guān)系式H=0.12Sp.

近年來，遙感技術(shù)因具有快速獲取大范圍空間內(nèi)數(shù)據(jù)資料的優(yōu)點(diǎn)而在風(fēng)沙地貌領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.例如，曾雅娟[11]分析了塔克爾莫乎爾沙漠拋物線型沙丘，從坡度、坡向、地面曲率、脊線幾方面來描述沙丘的形態(tài)；叢殿閣等[12]研究了騰格里沙漠北部的沙丘形態(tài)，以坡度和起伏度作為依據(jù)，并結(jié)合遙感圖像對沙丘形態(tài)進(jìn)行提取識(shí)別.目前，利用遙感技術(shù)對巴丹吉林沙漠的研究工作主要集中在沙丘的形態(tài)走向和高大沙丘的成因.Walker et al[13]指出陸地衛(wèi)星遙感影像可以清晰地記錄沙丘的形態(tài)走向以及波長變化.Yang et al[14]根據(jù)ETM+遙感影像和SRTM地形數(shù)據(jù)得出沙丘高度對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地形、氣候與風(fēng)沙、湖泊之間的相互作用異常敏感.本研究利用巴丹吉林沙漠東南部高大橫向沙丘區(qū)的Landsat和DEM遙感影像，定量探究沙丘各形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征及彼此之間的相互關(guān)系，以期進(jìn)一步完善該沙漠的沙丘形態(tài)研究.

1 研究區(qū)概況

巴丹吉林沙漠位于弱水沖積扇、古日乃湖以東，拐子湖、紅石山、馬拉蓋山以南，阿拉騰山以西，合黎山、北大山、雅布賴山以北，屬內(nèi)蒙古阿拉善高原的西部.經(jīng)緯度范圍39°04′15″—42°12′23″N，99°23′18″—104°34′02″E.該沙漠東西長約442 km，南北寬約354 km，面積約5.22萬km2，是我國第二大流動(dòng)沙漠[15-16].研究區(qū)屬極端干旱的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫炎熱，春秋兩季極短，降水稀少且多集中在6—8月，降水量和蒸發(fā)量嚴(yán)重失衡，年溫差和日溫差較大，光照強(qiáng)烈，風(fēng)向多為西北風(fēng)[17].研究區(qū)內(nèi)整體地勢東高西低、南高北低，東南部沙丘高大密集，高度多在200～300 m之間，最高可超過450 m，且多復(fù)合型沙丘、金字塔型沙丘以及無明顯疊置沙丘的巨大沙丘，眾多咸水風(fēng)成湖鑲嵌其中.本研究選取東南部的高大橫向沙丘為研究對象(圖1).

圖1 巴丹吉林沙漠地理位置及研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of Badain Jaran Desert and the study area

2 研究方法

本研究主要是通過從遙感影像提取沙丘脊線來量測沙丘的形態(tài)參數(shù)，并對沙丘形態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及彼此之間的依賴關(guān)系進(jìn)行研究.技術(shù)路線如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flow chart of data processing

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)為2016—2017年的12景Landsat 8 OLI多光譜遙感影像和24幅GDEMDEM影像，由中國科學(xué)院“地理空間數(shù)據(jù)云”下載獲得.12景Landsat 8 OLI遙感影像的軌道號(hào)分別為131/31、131/32、131/33、132/31、132/32、132/33、133/31、133/32、133/33、134/31、134/32 和134/33.為減少誤差，影像的成像季節(jié)盡量選擇云量小于2%的7—8月.其中，遙感影像用于沙丘形態(tài)參數(shù)的測量，DEM數(shù)據(jù)用于沙丘高度的計(jì)算.

研究采用的Landsat 8原始數(shù)據(jù)包括了OLI陸地成像儀的9個(gè)波段和TIPS熱紅外傳感器的2個(gè)熱紅外波段.為了更好地突出地表景觀，對6、3、2波段進(jìn)行假彩色合成.12景Landsat 8遙感影像已經(jīng)經(jīng)過幾何校正，還需進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正.輻射定標(biāo)是為消除傳感器自身產(chǎn)生的誤差.ENVI中的通用輻射定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)能自動(dòng)從元數(shù)據(jù)文件中讀取輻射定標(biāo)參數(shù)，從而完成輻射定標(biāo).大氣校正是多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表參數(shù)定量分析的前提，主要是消除或減少大氣分子和氣溶膠的散射和吸收對地物反射率的影響.本研究借助ENVI中的FLAASH模塊，手動(dòng)輸入?yún)?shù)來完成.

幾何精糾正是影像平移和旋轉(zhuǎn)過程的結(jié)合，通過對兩幅影像中的同名點(diǎn)進(jìn)行匹配，使同名地物出現(xiàn)在配準(zhǔn)后影像的相同位置[18]，具體包括地面控制點(diǎn)的采集、選擇多項(xiàng)式糾正模型、重采樣等過程.在選擇控制點(diǎn)時(shí)，遵循均勻分布的原則，盡量選擇可準(zhǔn)確測量、尺度較小、不隨時(shí)間變化的點(diǎn).采用WGS 1984 UTM Zone 48N/47N投影，選擇二次多項(xiàng)式變換模型作為糾正模型，并結(jié)合所選取的控制點(diǎn)，確定模型的有關(guān)參數(shù).采用最近鄰法進(jìn)行重采樣.影像幾何精糾正的效果主要通過目視驗(yàn)證和精度評價(jià)來實(shí)現(xiàn).需要分別在糾正前后的影像上選擇同名地物點(diǎn)，然后統(tǒng)計(jì)兩同名地物點(diǎn)之間的坐標(biāo)殘差.本研究對糾正后的影像進(jìn)行了驗(yàn)證點(diǎn)的選擇和殘差的計(jì)算統(tǒng)計(jì)，水平、豎直方向的殘差值均在30 m以內(nèi)，符合單點(diǎn)定位誤差在一個(gè)像元內(nèi)的精度要求[19].

2.2 沙丘解譯及脊線的提取

參考Al-Masrahy和Mountney[20]的方法，定義沙丘各形態(tài)參數(shù)，如圖3所示.沙丘高度是丘頂與丘間地的高差，可通過海拔來計(jì)算；沙丘脊線是指沙丘迎風(fēng)坡和落沙坡的分界線，可用來衡量沙丘的連續(xù)性[21]，在遙感影像上表現(xiàn)為陰坡亮度低，陽坡亮度高；沙丘間距是指從前一個(gè)沙丘迎風(fēng)坡坡腳到相鄰的后一個(gè)沙丘迎風(fēng)坡坡腳的水平距離，與沙丘的形成時(shí)間、發(fā)育的初始條件以及缺陷行為密切相關(guān)[22]，反映了沙丘背風(fēng)側(cè)氣流重新附著的位置以及內(nèi)邊界層重新開始發(fā)育的位置[17]；沙丘波長是指沙丘底面在垂直于脊線方向上的延伸[20]，其變化特征代表沙丘底基地形的彎曲程度；沿脊線的波高和波長可用來衡量沙丘脊線的彎曲度.其中，較長軸代表著沙丘的主要延伸方向.為了描述單個(gè)沙丘的空間位置，定義其脊線最高點(diǎn)到研究區(qū)左邊界的距離為距沙漠中心的距離[20].

圖3 沙丘形態(tài)參數(shù)示意圖Fig.3 Morphological parameters of the dunes

在ArcMap中疊加遙感影像和數(shù)字高程圖像，運(yùn)用其強(qiáng)大的空間分析功能，分區(qū)域(圖4)進(jìn)行目視解譯和手動(dòng)測量，記錄研究區(qū)沙丘的各種形態(tài)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析各形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性，了解巴丹吉林沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)之間的各種關(guān)系以及沙漠中心和邊緣之間的差異，進(jìn)一步探究形成這種規(guī)律的原因.

圖4 研究區(qū)的區(qū)域劃分及典型斷面Fig.4 Zoning plan of the study area and typical section lines

3 結(jié)果與分析

3.1 斷面特征

以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)向數(shù)據(jù)，確定4條斷面(A-A′、B-B′、C-C′、D-D′)，分析沙丘形態(tài)的空間分布特征.其中，A-A′表示東西向斷面；B-B′表示南北向斷面；C-C′表示與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向近似垂直的沙丘斷面；D-D′則表示與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向近似平行的沙丘斷面(圖5).結(jié)果表明研究區(qū)沙丘的海拔大都介于1 200～1 600 m.A-A′斷面顯示：從沙漠中心至沙漠邊緣，丘間地海拔逐漸升高，沙丘數(shù)量逐漸減少.B-B′斷面顯示：沙丘形態(tài)變化復(fù)雜，無明顯規(guī)律.

C-C′和D-D′斷面顯示：與主風(fēng)向近似垂直的斷面高程變化較為平緩，而與主風(fēng)向平行的斷面高程變化則較為劇烈.顯然，沙丘走向大致為東北—西南.一般認(rèn)為，沙丘走向是風(fēng)況的反映.由古沙丘產(chǎn)狀復(fù)原的古風(fēng)況風(fēng)玫瑰圖表明[8]，末次冰期以前巴丹吉林沙漠以西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，西北風(fēng)次之；末次間冰期以來則以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，西風(fēng)次之.在現(xiàn)代，不管是氣象站觀測數(shù)據(jù)還是野外實(shí)測數(shù)據(jù)均顯示，該沙漠主要盛行西北風(fēng)，且大風(fēng)頻率較高[23-24].但是，巴丹吉林沙漠周圍7個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)表明[25]，在2001—2011年期間，平均風(fēng)速除雅布賴自2006年有所增加外，其它站點(diǎn)基本保持不變；位于巴丹吉林沙漠東南部的雅布賴站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，其次為東南風(fēng)；南部的阿右旗站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，其次為東北風(fēng).由此可見，古代風(fēng)況主導(dǎo)了巴丹吉林沙漠沙丘形態(tài)的整體走向，而現(xiàn)代風(fēng)場造成了沙丘形態(tài)的局地偏移.沙丘自迎風(fēng)坡到背風(fēng)坡的起伏變化引起沙丘形態(tài)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其高度的劇烈變化.對比4條斷面不難發(fā)現(xiàn)，與主導(dǎo)風(fēng)向平行的斷面高程的變化幅度遠(yuǎn)大于其余斷面.說明沿主導(dǎo)風(fēng)向的沙丘地形起伏最大.因此，可大致認(rèn)為，區(qū)域性氣流場特征尤其是主風(fēng)向?qū)е铝税偷ぜ稚衬叽笊城鸬臇|北—西南形態(tài)走向.

圖5 不同斷面的高程變化Fig.5 Elevation changes of different sections

3.2 形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

為了對沙丘形態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，本研究根據(jù)308個(gè)沙丘形態(tài)參數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)，對形態(tài)參數(shù)做樣本的實(shí)際累積概率—分布類型的理論累積概率圖(P-P圖)，以判斷是否服從所考察的分布類型.本研究中考察的分布類型包括卡方、指數(shù)、正態(tài)、半正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、Gamma、Beta、Laplace，Logistic、Pareto、Student-t、Weibull.當(dāng)數(shù)據(jù)服從指定分布時(shí)，樣本的實(shí)際累積概率與分布類型的理論累積概率應(yīng)基本一致，在圖中表現(xiàn)為樣本點(diǎn)和理論直線(對角線)基本重合.樣本點(diǎn)的分布越接近對角線，說明指定分布越優(yōu).根據(jù)P-P圖的假設(shè)結(jié)果，對各形態(tài)參數(shù)建立直方圖，擬合出最優(yōu)的概率密度曲線(圖6).

結(jié)果表明沙丘高度多分布在200～450 m之間，沙丘間距多介于2～4.5 km之間.兩者的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對較大，說明沙丘高度和間距在空間分布上較為離散.沙丘高度和沙丘間距服從正態(tài)分布，成為兩者之間具有較好線性關(guān)系的前提條件.沿脊線的波長主要集中在0.5～3.5 km之間，經(jīng)過對數(shù)變換后呈現(xiàn)正態(tài)分布.沿脊線的波高集中分布在0.1～2 km之間，符合Weibull分布.最大沙丘波長雖近似服從正態(tài)分布，但其均值右側(cè)部分明顯較左側(cè)完整，最小沙丘波長經(jīng)過對數(shù)變換后服從顯著的正態(tài)分布.

圖6 沙丘各形態(tài)參數(shù)的直方圖及概率密度曲線Fig.6 Histrograms and probability density curves for morphological parameters of dunes

3.3 形態(tài)參數(shù)間的依賴關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明(表1)，最小沙丘波長與沙丘間距、沙丘高度和距沙丘中心的距離的相關(guān)性不顯著，其余兩兩之間均在0.05水平上顯著相關(guān).Pearson相關(guān)系數(shù)為正，表明兩變量之間存在正相關(guān)關(guān)系，反之，則是負(fù)相關(guān)關(guān)系，且絕對值越接近1，相關(guān)性越強(qiáng).根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)可以看出：最大沙丘波長與沿脊線的波長、波高之間，距沙丘中心的距離與沙丘高度、間距之間，沙丘間距和高度之間，其相關(guān)性較好，除此以外，其余參數(shù)兩兩之間相關(guān)性均較差.為了進(jìn)一步分析沙漠腹地到邊緣沙丘形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，重點(diǎn)對高度、距離、間距等幾個(gè)顯著相關(guān)且具有一定意義的參數(shù)組合進(jìn)行回歸分析.圖7給出了線性擬合較好的依賴關(guān)系.

表1 沙丘各形態(tài)參數(shù)之間相關(guān)性分析結(jié)果1)Table 1 Correlation analysis between morphological parameters of dunes

1)*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

圖7 沙丘各形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationships between morphological parameters of dunes

從圖7可以看出沙丘高度多介于200～500 m之間.自沙漠中心向沙漠邊緣，沙丘高度由低增高，沙丘間距由小到大，沙丘數(shù)量由多變少.從區(qū)域整體的角度來看，這種規(guī)律與局部地形起伏對氣流的阻滯作用有關(guān)，即橫亙于巴丹吉林沙漠東南緣的雅布賴山與南緣的北大山成為西北風(fēng)與西風(fēng)運(yùn)行的障礙，受主風(fēng)場西北風(fēng)的攜帶，沙物質(zhì)由沙漠西北緣的弱水沖積扇進(jìn)入沙漠東南部，在阻滯作用下，沙物質(zhì)沉積下來，逐漸形成復(fù)合型的高大沙丘，主要表現(xiàn)為風(fēng)積作用[8].但也有學(xué)者認(rèn)為沙物質(zhì)主要是來源于祁連山.朱震達(dá)[26]提出，第四紀(jì)中期以來，由于氣候越來越干旱，冰川不斷退縮，導(dǎo)致水源不斷減少，所以在平原上河流逐漸干涸、縮短，地下水位不斷下降，導(dǎo)致水分條件迅速惡化，受到風(fēng)的強(qiáng)烈吹揚(yáng)，發(fā)源于祁連山的古代河流以及湖泊的巨厚沖積物和湖積物，成為了巴丹吉林和騰格里沙漠沙物質(zhì)的來源.

沙丘的高度—間距關(guān)系可用于刻畫沙丘的形態(tài)特征.海底沙丘的高度與間距之間具有冪函數(shù)關(guān)系[27].Flemming[28]具體指出高度H和間距Sp之間的關(guān)系為：H=0.067 7Sp0.809 8.對于陸地沙丘，同樣存在著冪函數(shù)關(guān)系[29-30]，但其指數(shù)接近于1，即接近于線性關(guān)系.巴丹吉林沙漠高大橫向沙丘的規(guī)則排列符合風(fēng)積地貌演化的“最小作用力”假說[31]，沙丘高度與間距之間具有較好的相關(guān)性.本研究中沙丘高度和間距之間呈現(xiàn)簡單的線性正相關(guān)關(guān)系.無論是地處沙漠中心的區(qū)域4還是由沙漠中心向邊緣過渡的區(qū)域1、2、3，線性擬合結(jié)果均不同.沙丘高度隨著間距的增大而增大表明：越大的沙丘間距可提供的沙物質(zhì)越多，沙丘高度越高.這與Al-Masrahy et al[20]關(guān)于Rub′Al-Khali沙漠的結(jié)論是不一致的.Rub′Al-Khali沙漠由于受到中緯度地區(qū)信風(fēng)的影響，冬季盛行南風(fēng)或者東南風(fēng)，春季和夏季盛行西北風(fēng)，導(dǎo)致中部地區(qū)沙丘較高.沙丘斷面可用于沙丘高度、間距、丘間地高度、寬度的量算與沙丘形態(tài)的描述.根據(jù)沙丘斷面可知：在Rub′Al-Khali沙漠中，沙丘間距變化并不明顯，中部地區(qū)底基地形較高，沙丘高度也略高，沙丘高度和間距之間不存在線性擬合關(guān)系.因此，可以認(rèn)為，沙丘高度—間距的關(guān)系因不同自然地理?xiàng)l件和沙丘類型而有差異.目前，國內(nèi)外并沒有形成統(tǒng)一的看法，普遍認(rèn)為與當(dāng)?shù)仫L(fēng)況，供沙量，地面狀況，植物水分條件，地形起伏以及發(fā)育年齡等一系列因子密切相關(guān).

4 結(jié)論

本文利用經(jīng)幾何校正的Landsat 8遙感影像，對巴丹吉林沙漠東南部典型高大橫向沙丘的形態(tài)參數(shù)及彼此之間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)巴丹吉林沙漠的東南部，高大沙丘密集分布，從沙漠中心到邊緣，丘間地的海拔逐漸升高，沙丘的數(shù)量逐漸減少，整體地勢呈升高趨勢.巴丹吉林沙漠常年盛行西風(fēng)或西北風(fēng)，沙丘呈東北—西南走向，區(qū)域性氣流場是沙丘形態(tài)走向的主要原因.

(2)沙丘間距、高度、沿脊線的波高波長以及沙丘脊線能夠很好地描述沙丘的形態(tài).沙丘高度、間距和最大沙丘波長呈現(xiàn)顯著的正態(tài)分布，沿脊線的波長和最小沙丘波長服從對數(shù)正態(tài)分布，沿脊線的波高符合Weibull分布.沙丘高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，表明沙丘高度在空間上分布較為離散.沙丘間距、沿脊線的波長波高以及最大最小沙丘波長的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，在空間分布上比較集中.

(3)在巴丹吉林沙漠典型高大沙丘區(qū)，沙丘高度與沙丘間距之間呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系.研究結(jié)果顯示，沙丘間距每增加1 m，沙丘高度就會(huì)升高55 m.這種關(guān)系反應(yīng)了沙丘規(guī)則排列是一種符合空氣動(dòng)力學(xué)原理的自組織行為，與當(dāng)?shù)仫L(fēng)場以及豐富的沙物質(zhì)密切相關(guān).此外，對于不同的研究區(qū)，沙丘形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系并不是固定不變的，尤其是在定量方面，還存在不少異議.

致謝：本工作得到了趙烜嵐、馬雪云和李慶的幫助，在此表示感謝.