內蒙古赤峰及其周邊地區荒漠化變化趨勢研究
——基于遙感技術中反照率和歸一化植被指數特征空間

王家琪， 陳星任

(東北師范大學地理科學學院，吉林長春 130024)

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內蒙古赤峰及其周邊地區荒漠化變化趨勢研究
——基于遙感技術中反照率和歸一化植被指數特征空間

王家琪， 陳星任

(東北師范大學地理科學學院，吉林長春 130024)

通過遙感影像來構造反照率(Albedo)和歸一化植被指數(NDVI)特征空間是一種提取土地荒漠化信息的有效方法。該研究利用Landsat遙感影像來構造赤峰及周邊地區Albedo-NDVI特征空間，分析當地2000和2008年的沙漠化狀況。結果表明，隨著時間的推移，當地植被覆蓋度有所增加，土壤含水量以及沙漠化程度有所改善，政府政策的引導已見成效。

沙漠化；Albedo；NDVI；特征空間；植被覆蓋度

20世紀90年代以來，國際社會越來越關注全球的生態環境問題。土地荒漠化是地球陸地表面植被破壞以后出現的，直接威脅人類的生存環境，影響社會的持續發展[1]。沙漠化是其重要內容，成為當今世界面臨的大的環境社會經濟問題之一。全球有一百多個國家和地區、9億人受到沙漠化危害，70%的旱地和25%的陸地受到沙漠化威脅。我國是世界上受沙漠化影響嚴重的國家之一，沙漠化面積比重大，根據2009年第四次全國荒漠化普查的統計結果，全國沙化土地面積為173.11萬km2，占國土面積的8.03%，更嚴重的是，我國土地沙漠化發展速度呈直線上升的趨勢，20世紀60～70年代為1 560 km2/a，80年代為2 100 km2/a，90年代為2 460 km2/a。每年沙漠化造成的直接經濟損失高達億元，給生態環境和社會經濟帶來極大危害。土地沙漠化的防治和監測顯得日益重要[2]。

遙感技術為人們提供了一種全新的沙漠化監測手段，遙感圖像分析是遙感圖像處理的高級階段，是對地球表面及其環境在遙感圖像上的信息進行特征提取，利用獲取的特征進行分類，從而達到識別圖像信息所對應的實際地物，提供所需地物信息的目的。近年來，基于NDVI和Albedo的特征空間對土地沙化進行定量評價得到了大量應用。該方法使用簡單，指標易于獲取，在沙漠化的分類及分級中，較僅使用遙感光譜信息的分類方法精度更高。曾永年等[3]提出了沙漠化差值指數模型，對黃河源區進行了研究，達到了較好的效果。潘竟虎等[4]對張掖綠洲區的沙漠化進行了定量評價，精度達到82%。Albedo-NDVI方法極大地提升了沙漠化動態監測與分析能力[5-8]。筆者通過構造Albedo-NDVI特征空間來分析赤峰及其周邊地區的沙漠化程度，得出其土地荒漠化動態變化趨勢，為相關部門的治理提供技術支持。

1　數據來源與研究方法

1.1研究區概況赤峰市是內蒙古自治區下轄地級市，位于內蒙古東南部，地理坐標為116°21′07″～120°58′52″E、41°17′10″～45°24′15″N。東西最寬375.0 km，南北最長457.5 km，總面積90 275 km2。東鄰遼沈，南近京津塘，西北靠錫林郭勒大草原，交通四通八達。赤峰市的土地資源特點是：地處內蒙古高平原向松遼平原過渡地帶，北部為大興安嶺南段山地，燕山山系的七老圖山屏于西部，努魯爾虎山呈于東南側，構成了三面環山的半環形，地勢西高東低，海拔最高為2 067 m。地貌形態可分為山地、高平原、熔巖臺地、低山丘陵、沙丘平原，其中山地面積占17.74%,高平原占5.72%,熔巖臺地占3.21%,低山丘陵占19.44%,黃土丘陵占22.90%,河谷平原占8.17%,沙地占23.30%。

1.2數據獲取主要通過地理數據云下載2000年7月的Landsat-7 ETM+1-5,7波段影像和2008年7月的Landsat-5 TM1-5,7波段影像，數據影像覆蓋了赤峰市及其周邊地區。

1.3研究方法

1.3.1圖像預處理。圖像的預處理主要有4個步驟，包括數據定標處理、大氣校正、幾何配準以及研究區的裁切。首先對影像進行輻射定標，其次對遙感影像進行幾何校正和裁剪，通過幾何校正可以使遙感影像具有精確的地理信息。由于試驗使用了經過校正的TM數據作為基準影像，其范圍很大，因此在進行幾何配準之前，需要對影像進行裁切并進行大氣校正。對校正前后的影像進行裁切，觀察波譜線，觀察校正效果。

1.3.2信息的提取。主要提取影像的NDVI以及Albedo值，NDVI反映了植被的生長狀況。基于Liang[9]建立的數據反演模型來估算Albedo，計算公式為：

Albedo=0.356ρTM1+0.130ρTM3+0.373ρTM4+0.85ρTM5+0.072ρTM7-0.001 8

基于NDVI以及Albedo的研究區影像提取結果見圖1。

圖1　基于NDVI和Albedo的研究區影像提取結果Fig.1　The image extraction of the study area based on NDVI and Albedo

1.3.3計算NDVI與Albedo之間的定量關系。利用ROI工具在影像中均勻找點，構建NDVI與Albedo相關關系。

2　結果與分析

2.1特征空間的建立 沙漠化過程在植被指數和地表反射率的特征空間中有顯著的相關關系，因此采用 Albedo-NDVI特征空間來分析沙漠化的動態變化特征。為了得到不同植被狀況下的Albedo與NDVI的定量關系，利用 ENVI中的 ROI功能，在研究區域中選擇分布于不同沙漠化等級的785個點，對所有點的Albedo與NDVI信息進行回歸分析，分別得到2年的特征空間方程。

2.2特征空間的分析2000年7月研究區的Albedo-NDVI特征空間見圖2。對所有點的Albedo和NDVI值進行線性回歸，得到回歸方程y=-0.401 29x+0.475 38,可以看出，隨著植被指數的逐漸增加，其地表反照率逐漸減小，植被指數與地表反照率表現出很強的線性負相關關系。從圖2還可以看出，NDVI主要分布在0.1～0.3的低植被區，而其Albedo值卻有很大一部分集中在0.4～0.6的高反照率區，表明2000年該地區地表植被的覆蓋率很低，土壤含水量很低，地表荒漠化程度嚴重。

2008年7月研究區的Albedo-NDVI特征空間見圖3。其回歸方程為y=-0.134 05x+0.428 08。可以看出，其NDVI的分布范圍較為均勻，由2000年7月主要集中在0.1～0.3的情況轉變為較為均勻的分布，這說明該地區低植被覆蓋的情況得到了一定的改善。而反照率(Albedo)也有一定程度的降低，從特征空間散點的整體移動趨勢上來看，主要向右下方移動。這表明2000～2008年赤峰及其周邊地區的環境狀況得到了一定的改善，土壤含水量與植被生長狀況均得到了一定的提升，土地荒漠化的程度也得到了一定的改善。

圖2　2000年7月研究區Albedo-NDVI特征空間Fig.2　Albedo-NDVI characteristic space in the study area in July 2000

圖3　2008年7月研究區Albedo-NDVI特征空間Fig.3　Albedo-NDVI characteristic space in the study area in July 2008

2.3漠化分級根據Verstrate等[10]的研究結論，如果在代表沙漠化變化趨勢的垂直方向上劃分Albedo-NDVI特征空間，可以將不同的沙漠化土地有效區分開來。可以用沙漠遙感監測差值指數模型DDI來表示：DDI=a×NDVI-Albedo。在具體應用中，為減少采樣點代表性對沙漠分級指數I的影響，其常數a可根據Albedo-NDVI特征空間方程的斜率來確定。2000和2008年研究區沙漠化分級結果見圖4。可以看出，紅色所代表的重度沙漠化地帶有所減少，但相比于2000年，2008年的重度沙化地帶幾乎不復存在。

圖4　2000和2008年研究區沙漠化DDI分級結果Fig.4　DDI classification of desertification in the study area in 2000 and 2008

從圖4可以看出，2000～2008年赤峰及其周邊地區荒漠化程度有所降低。環境得到改善的原因主要是這段時期強烈的沙塵暴天氣經常襲擾京津唐地區，使得公眾認識到了環境問題與自己生活息息相關，而沙塵暴的沙源主要來自于內蒙古科爾沁沙地。政府也開始采取一些措施進行治理，例如實施退耕還林、退牧還林等政策，逐漸抑制了當地的土地沙漠化等問題。內蒙古赤峰市翁牛特旗于2002 年開始實施一系列的環境保護措施：一方面控制人口增長，減輕人口壓力，建立良好的人地關系，并采用圍欄封育、人工補播、圈養等方法增加畜禽數量，增加肉、蛋、奶等牧產品的供應，改善草地質量[11-12]；另一方面實行“退耕還林還草”政策，并利用草方格、沙障等固沙方法開展沙地治理工作,減少風沙流動對當地生產生活造成的影響。從上述分析結果來看，這些保護工程已初見成效。

3　結論

該研究運用2000和2008年的遙感影像構建Albedo-NDVI特征空間模型，對內蒙古赤峰及其周邊地區荒漠化變化趨勢進行分析。結果表明，2000～2008年該地區荒漠化等環境問題得到了一定的改善。其植被生長狀況較好，由低植被區轉變為高植被區，改善程度較為明顯，同時當地土壤含水量也有一定的增加。對于當地環境問題的改善，政府政策引導起到了很大的作用，退耕還林、退牧還林等工程已經初見成效。

[1] 高志海,魏懷東,丁峰.TM 影像VI提取植被信息技術研究[J].干旱區資源與環境,1998,12(3):98-103.

[2] 張楊.翁牛特旗退耕還林工程對經濟社會影響評價研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2009.

[3] 曾永年,向南平,馮兆東,等.Albedo-NDVI特征空間及沙漠化遙感監測指數研究[J].地理科學,2006,26(1):75-81.

[4] 潘竟虎，秦曉娟.基于植被指數-反照率特征空間的沙漠化信息遙感提取：以張掖綠洲及其附近區域為例[J].測繪科學,2010(3)：193-195.

[5] 任艷群，劉海隆，唐立新，等.基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動態變化研究：以準格爾盆地南緣為例[J].水土保持通報,2014,34(2):267-271.

[6] 王豪偉，王翠平，董仁才.利用 NDVI-Albedo 反演廈門后溪流域地表特征[J].環境科學與技術,2011,34(12H):179-183.

[7] 阿布都瓦斯提·吾拉木,秦其明.基于輻射模擬反演ETM+數據寬波段反照率[J]．北京大學學報(自然科學版),2007,43(4):473-483.

[8] 閆妍,朱教君,閆巧玲,等.基于遙感和GIS方法的科爾沁沙地邊界劃定[J].地理科學,2014,34(1):122-128.

[9] LIANG S.Narrowband to broadband conversions of land surface albedo I:Algorithms[J].Remote sensing of environment,2001,76(2):213-238.

[10] VERSTRATE M M,PINTY B.The potential contribution of satellite remote sensing to the understanding of arid lands processes[J].Vegetation,1991,91(1/2):59-72.

[11] 蔣德明,李曉蘭,劉志民.科爾沁沙地生態足跡分析:以內蒙古翁牛特旗為例[J].干旱區研究,2004,21(3):263-268.

[12] 王繼燕,羅格平,嚴坤,等.基于TM影像天山北坡地表反演方法的研究[J].遙感應用,2011,114(2):63-68．

Study on the Variation Trend of Desertification in Chifeng, Inner Mongolia and Its Surrounding Area—Based on the Albedo and the Characteristic Space of the Normalized Difference Vegetation Index

WANG Jia-qi, CHEN Xing-ren

(School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130024)

By using remote sensing images to construct Albedo and the normalized difference vegetation index (NDVI) feature space is an effective method to extract the information of land desertification. Using Landsat remote sensing images to construct Chifeng and the surrounding area Albedo-NDVI feature space, the desertification status in 2000 and 2008 was analyzed. The results showed that with the increase of time, the local vegetation coverage was increased,local soil moisture content and desertification degree was improved, the guidance of government policy has been to see results.

Desertification; Albedo; NDVI; Feature space; Vegetation coverage

中央高校專項科研基金本科生重點培育項目。

王家琪(1995- )，女，河南南陽人，本科生，專業：地理信息科學。

2016-08-03

TP 79

A

0517-6611(2016)27-0217-03