基于DEM和ETM的騰格里沙漠北緣沙丘形態特征提取

叢殿閣，龐紅麗，方 苗，陳孝勁，劉 超，田 穎

（1.中國地質大學 （北京）地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.蘭州大學西部環境與氣候變化研究院，甘肅 蘭州 730000；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；5.北京市地質工程設計研究院，北京 101500；6.河北省區域地質礦產調查研究所，河北 廊坊 065000）

基于DEM和ETM的騰格里沙漠北緣沙丘形態特征提取

叢殿閣1，2，龐紅麗3，方 苗4，陳孝勁2，劉 超5，田 穎6

（1.中國地質大學 （北京）地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.蘭州大學西部環境與氣候變化研究院，甘肅 蘭州 730000；4.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；5.北京市地質工程設計研究院，北京 101500；6.河北省區域地質礦產調查研究所，河北 廊坊 065000）

本文以騰格里沙漠北緣為研究區，探索沙丘地貌形態提取方法的可行性研究。首先，利用分辨率30m的DEM數據派生出坡度和起伏度兩個地形因子。依據坡度（3°）和起伏度（15m）的提取指標，按照形態特征初步判定沙地和沙丘地貌的邊界線。其次，結合數學形態分析法，通過斑塊指數值的大小初步確定復合流動沙丘的類型。最后，利用ETM影像的色調、紋理、結構等特征，并結合專家經驗知識和野外實地觀測，建立騰格里沙漠北緣沙丘地貌特征的遙感影像特征圖譜，依據特征圖譜進一步確定沙丘的類型。本次研究結果表明：DEM和ETM相結合的方法基本上實現了騰格里沙漠北緣的沙丘地貌形態的提取。提取出的沙丘形態主要有：新月形沙丘和沙丘鏈、線性沙丘，縱向沙壟、新月形沙壟、復合型沙丘及沙丘鏈、金字塔形沙丘及沙丘鏈。

騰格里沙漠北緣；DEM；ETM；沙丘形態

風沙地貌是指由于風對地表松散沙物質的吹蝕、搬運和堆積而形成的地貌，是陸地地貌的重要組成部分［1］。風沙地貌的研究包括風沙地貌的形態特征、物質來源，形成過程，其中沙丘的形態和組合特征是研究風沙地貌的重要基礎［2］。沙丘形態是區域風力、沙源和植物相互作用并達到動態平衡的產物。沙丘形態特征及沙丘分布變化的研究在判別區域風信狀況、輸沙勢變化以及風成沙丘的動力過程方面具有重要意義［3］。

傳統的風沙地貌形態研究多以定性研究為主。19世紀末，遙感技術在地貌學研究的廣泛應用為風沙地貌形態的定量化研究提供了技術支撐，是現代風沙地貌研究的重要手段之一。目前對于中小尺度風沙地貌三維形態數據的獲取多集中于地面測量。主要的觀測手段有 GPS［4］、全站儀［5］和三維激光掃描儀［6］。主要是在GIS的基礎上，利用差分實測數據，通過空間插值生成沙丘DEM，提取相應的地形因子和形態參數，實現風沙地貌三維形態特征的定量化研究。哈斯等人［7－9］利用該方法對拋物線形沙丘形態特征進行了定量化研究，并結合高分辨率遙感影像提取風沙地貌二維形態特征和植被覆蓋信息。范冬冬等［10］利用RTK技術對塔克拉瑪干沙漠橫向沙丘形態特征進行了空間分析。劉小超等［11］利用GIS－RTK技術探討了制作高精度的沙丘DEM方法。針對大尺度的沙丘地貌分析比較困難，研究較少。劉海江等［12］利用遙感影像建立了我國風沙地貌數據庫，并詳細分析了我國北方主要風沙區的風沙地貌類型及分布特征。柴慧霞等［13］利用SRTM－DEM和TM技術開展了流動沙丘的提取工作，主要是初步實現了復合型鏈壟狀沙丘、復合型沙壟、穹狀沙丘和蜂窩狀沙丘的智能化提取?？梢姡瑖鴥葘τ谔崛〈蟪叨鹊纳城鸬孛驳募夹g還沒有成熟理論，一般采用人工解譯方法提取沙丘形態，雖然準確但是耗費時間。DEM廣泛的應用于黃土、河谷、冰川等地貌類型中，根據坡度、坡向的變化提取地貌特征線進行空間形態分析。因此本文在總結和汲取國內外沙丘形態提取及地表形態指標的基礎上，采用高空間分辨率ETM遙感影像和30m分辨率的DEM數據為主要數據源，選擇坡度和起伏度為提取指標。并結合遙感影像的信息，提取并構建沙丘形態特征的色調、紋理和結構圖譜，探討大尺度范圍內沙丘形態特征的提取方法，分析騰格里沙漠北緣沙丘形態特征，以期能為騰格里沙漠的沙丘移動、沙丘形態、風沙地貌監測提供可靠數據。

1 研究區概況

騰格里沙漠位于內蒙古阿拉善地區東北部，總面積3.67萬km2，是我國的第五大沙漠。沙漠東至賀蘭山，南部與祁連山山前洪積扇前緣相接，西北與巴丹吉林沙漠以雅布賴山為界相隔，總的地勢是西部高東部低。騰格里沙漠位于塔里木板塊和華北板塊的交接部位，以恩格爾烏蘇蛇綠混雜巖帶為界，北側為塔里木板塊東北緣之北山構造帶，南側為華北板塊西北緣之阿拉善地塊［14］。沙漠地處中國內陸，屬于典型的大陸性干旱氣候，氣溫變化快，年降雨分布不均主要集中在7～10月份 ，騰格里沙漠在地質構造上是一個大的斷陷盆地，盆地上覆大量的細沙和黏土狀第四系沖洪積，湖積和風積物。沙漠內部流動、固定、半固定沙丘、山地殘丘、干涸湖盆、平緩沙地及丘間低地相互交錯，地貌類型復雜多樣并呈復合分布［1］。

由于騰格里沙漠范圍比較大，以整個區域作為研究區會導致數據處理效率低，因此只能按照沙丘類型多樣化的原則選擇其中一部分典型區域。我們將野外測量的沙丘地理坐標點投影在底圖上，研究區的范圍如圖1所示。

2 數據與方法

本次研究所用到的數據包括DEM數據（30m）、2010年ETM遙感影像圖和1∶25萬內蒙古基礎地形圖，主要用來提取相應的地形因子來計算研究區的坡度和起伏度，高程和沙脊線等形態信息。具體的提取流程見圖2。

圖1 研究區數字高程

3 騰格里沙漠北緣沙丘類型提取

3.1 坡度提取

坡度指地表單元的陡緩程度，是水平面與局部地表之間夾角的正切值。地面任一點的坡度表示該點傾斜面與水平面的傾斜程度的量值，數值上是這兩個面之間的夾角。坡度是地表形態最重要的基本示量，坡度大小直接影響地表物質流動與能量轉換的規模和強度，被廣泛用于流域單元、景觀單元和形態測量等方面的研究［15］。按照我國數字地貌分類，3°是劃分平原和山地的坡度分界線。因此在模糊坡度分級的基礎上，選取3°作為次級標準進行小級差坡度分類，將小于3°地貌劃為沙地，大于3°的地貌劃為沙丘。坡度劃分結果如圖4所示。

3.2 起伏度提取

地形起伏度指所研究區內相對高程最高點與最小點的差值。在地貌學中，起伏度可以作為定量描述區域地貌形態宏觀性指標之一，直接反映地形起伏特征，在一定程度上也間接反映地貌的發育階段，比如年輕的溝谷多有較大的起伏度，而年老溝谷的經受了夷平作用的地形起伏度較小［16］。在ArcGis的空間分析模塊中起伏度就是在設定的窗口范圍內，獲得最大高程值和最小高程值，然后求差。研究區內的起伏度范圍在0～100m之間，實驗區起伏度變化見圖5。通過多次試驗比較，發現以15°為閾值對起伏度進行劃分能夠較好的區分沙丘和沙地，劃分的結果見圖6。

3.3 計算圖斑指數

從上述圖形中發現，坡度和起伏度可以有效的提取有效的形態參數，反映地勢變化，界定地貌單元，基本能完整的體現出實際的地貌形態類型，對提取沙丘地貌形態具有重要的意義，因此本次研究以坡度和起伏度作為劃分沙丘和沙地的主要因子。具體的提取流程是：在ArcGis的中將坡度大于3°的圖層和起伏度大于1 5 m的兩個圖層合并。并且在Arc Map中選擇Eliminate工具用來過濾一些面積小或者破碎的圖斑。最后使用小級差分類的方法進一步劃分圖層3～7°，7～15°和＞15°三個類別，這時就可以清晰的提取出起伏較大的沙丘分布圖（圖7）。

圖2 提取流程圖

圖3 實驗區坡度

圖4 按照3°為閾值對坡度重新提取

圖5 實驗區起伏度變化圖

圖6 按照15°為閾值對起伏度度重新提取

沙丘類型往往根據不同的形態特征而命名。沙壟是沙漠中常見的沙丘類型，分為縱向沙壟和橫向沙壟，在單一風向的控制下沙丘兩側的形態是對稱發育的，沒有明顯的迎風坡和背風坡；新月形沙丘是沙漠邊緣最為發育的一種沙丘類型，因為形態像一輪新月而命名。受雙風向的影響，發育一個較緩的迎風坡和陡峭的背風坡。多個新月形沙丘相連形成大型的新月形沙丘鏈。部分新月形沙丘鏈可進一步發育成線性沙丘，線性沙丘在形態上表現為長條狀。由于沙丘的形態不同，因此利用沙丘圖斑的斑塊形狀指數可以作為分辨沙丘類型的指標。斑塊形狀指數用 Gi表示，其計算公式見式（1）［17］。

式中：Gi代表斑塊i的形狀指數；Li表示斑塊i的周長；Ai表示斑塊i的面積。

當斑塊指數Gi傾向1的時候，暗示沙丘的形狀是類似圓形的；如果指數Gi大于1的時候，說明圖斑形狀為長條狀的。隨著斑塊指數的進一步增大，圖斑的形狀也越不規則，沙丘形態越接近于鏈狀。部分圖斑解譯結果見表1。

圖7 圖斑過濾后的沙丘地貌分布圖

3.4 ETM影像目視解譯

圖斑解譯沙丘的方法能初步區分圓形沙丘和長條狀的沙丘。一般圓形沙丘根據數值區間提取出梁窩狀沙丘和金字塔形沙丘。長條狀沙丘根據數值區間提取出復合型沙丘和新月形沙丘鏈。但是風沙地貌并不是簡單的單一形態，與河流、黃土等地貌單元相比，具有一定的流動性和復雜的結構特征。為了提取更為準確，可靠地沙丘地貌形態，我們還需要做詳細的的目視解譯工作，在新月形沙丘鏈中劃出線性沙丘，沙壟中劃出新月形沙壟。沙丘形態遙感解譯結果見表2。

目視解譯是指通過直觀察遙感影像的標志庫如色調、形狀、紋理等，或者借助輔助儀器在遙感影像圖上獲取特定信息的過程［13］。在目視解譯的過程中，根據完整性原則重點挑選一些面積較大的地貌單位進行提取，對于一些面積較小，且分布零散的圖斑可以忽略。當多個零散圖斑聚集在一塊，且面積較大的時候，可以適當放在一起。其次結合google影像圖，在勾勒沙丘邊界的過程中要盡量的使用圓滑的曲線，確保圖斑的真實性和完整性。如果多個不同類型的沙丘圖斑同時出現，要根據圖斑的大小和形態，根據主導型的原則確定沙丘類型。

表1 部分圖斑解譯結果

通過圖斑指數計算，輔以目視解譯和野外實地觀察等方法，我們最終提取出研究區主要的沙丘類型。主要的沙丘類型有：新月形沙壟、新月形沙丘及沙丘鏈、沙壟、復合型沙丘及沙丘鏈、線性沙丘和金字塔形沙丘及沙丘鏈（圖8）。

沙丘的提取結果表明：在騰格里沙漠的北緣，沙丘的類型與分布格局具有一定的規律性。新月形沙丘和沙丘鏈面積較小，分布在沙漠的邊緣地帶。線性沙丘的分布呈條狀帶分布，同新月形沙丘及沙丘鏈相連分布在研究區的東南部和西南部。沙壟零星分布研究區的西部，四周夾雜著小型的新月形沙丘，在研究區的西北部一些沙壟與新月形沙壟混雜分布在一起。沙丘內部見到的是大型的金字塔沙丘和復合形沙丘，中間可見平行排列沙壟及沙丘鏈。在研究區的東北分布著少量的梁窩狀沙丘，主要是因為梁窩狀沙丘是一種固定、半固定的沙丘形態，可見沙漠沙丘的分布與風向，植被密切相關。

圖8 騰格里沙漠北緣沙丘分布圖

表2 沙丘形態遙感解譯表

4 結論與討論

4.1 討論

利用DEM可以準確提取小范圍內沙丘的基本特征和各種形態參數值，但是對于大范圍內的沙丘形態特征提取還存在一些問題，也就是說，本文所提出的方法在具體應用時會因為研究尺度的不同而呈現不同的研究效果。首先，在沙丘地貌類型邊界線提取方面，利用本文我們所提出的方法能較準確的區分條形圖斑和圓形圖斑等形狀相對簡單的沙丘類型。但是對于圖斑形狀比較復雜的情況下，比如文中所提到的梁窩狀沙丘和金字塔形沙丘的時候，圖斑指數法所提取的結果不甚理想，還得借助高分辨率遙感影像進行目視解譯。因此，下一步研究中，還應繼續探討新的數學形態分析方法，實現各種沙丘形態的自動提取。其次，目前我們只是將沙丘地貌根據沙丘的形態劃分成幾大典型沙丘類型，沒有區分固定沙丘、流動沙丘和半固定性沙丘，而沙丘的流動性是進行沙漠研究的重要指標之一，這是本次研究的一個不足之處。因此在后期的研究中應該根據遙感影像提取研究區的植被覆蓋度，按照覆蓋程度標準劃分沙丘的流動性，更準確的提取沙丘地貌。

4.2 結論

文中通過遙感和DEM的方法提取騰格里沙漠北緣主要的沙丘類型，對于大尺度沙丘地貌形態的自動提取具有一定的指導意義。通過研究和上述討論，得到以下結論：①利用30m分辨率的DEM生成的坡度和起伏度，通過閾值劃分，一定程度上能自動提取出沙地和沙丘的邊界線；②結合數學形態法，根據圖斑指數值的大小提取出長條形沙丘和圓形沙丘；③利用高分辨率的ETM影像、結合專家經驗和實地考察，建立騰格里沙漠北緣典型沙丘地貌形態的遙感特征圖譜，確定各種沙丘地貌類型的邊界，對有爭議的沙丘形態進行進一步的目視解譯和驗證。

風沙地貌形態的研究有利于沙漠的動態監測，對研究我國西部荒漠化環境有著特殊意義。前人對于風沙地貌的研究主要針對局部地貌進行單個沙丘地貌形態的實地測量；或者依靠遙感數據進行宏觀的變化分析。但是定位、動態地獲得大尺度范圍內的風沙地貌數據，定量化研究沙丘移動規律，必須建立起以DEM和遙感為基礎的風沙邊界提取技術，因此，本次研究是有益的嘗試，其方法對風沙地貌研究具有重要意義。

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Dunes distribution study on north of Tengery desert based on remote sensing and DEM

CONG Dian－ge1，2，PANG Hong－li3，FANG－Miao4，CHEN Xiao－jin2，LIU－Chao5，TIAN－Ying6
（1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Institute of Mineral resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.Research School of Arid Environment and Climate Change，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；4.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institude，China Academy of Science，Lanzhou 730000，China；5.Beijing Geological Engineering Design and Research Institute，Beijing 101500，China；6.Regional Geology and Mineral Resources Survey of Hebei Province，Langfang 065000，China）

In this paper，we take the north of the Tengery desert as the research area，with the foundation data of basic geomorphological map and ETM images，based on DEM of the landscape research methods extracting and analysising the dune types in the north of the Tengery desert.Firstly we use the GIS spatial analysis function to quantitative analysis the slope，curvature，fluctuation degree of study area.and obtain the 3d map，slope profile，slope orientation diagram，fluctuation degree profile and curvature chart，Specially the slope profile and fluctuation degree profile relatively accurate and intuitive display landform changes.Secondly we division landform into sand dunes and sand by the boundary of grade 3°and 15 meters.Finally we through the map spot method and remote sensing image，combining the expert knowledge，interpretive different sand dune remote sensing spectrum in north of the Tengery desert.We find that the main dune types in north of Tengery desert are barchan and dune chain，grated dune and grated chain ，pyramid dune and dune chain，linear dune，sand ridge，crescent sand ridge，complex sand dune and dune chain.The area of Barchan and dune chain is larger and mainly distributed in the edge of Tengger desert edge.grated dune and grated chain distributed in the north of desert，the area is not large.Linear dunes are widespread distribute in the east of desert.Compound sand dune and dune chain and pyramid dune and dune chain are mainly distributed in the internal of desert.

north of Tengger desert；DEM；ETM；dune morphology

P931.3

A

1004－4051（2014）S2－0153－07

2014－08－22

叢殿閣（1986－），男，中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，博士，研究方向為國土資源信息與礦產資源評價。E－mail：congdiange＠163.com。