河北康保縣土地沙化遙感監測

步 凡，于 航，安 娜

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

康保縣位于河北省西北部，隸屬于張家口市，為華北地區、尤其是京津地區的生態屏障，其土地沙化問題長時間以來得到眾多學者的關注。目前，國內外眾多學者已開展采用不同類型的遙感數據，對不同地區土地沙化現狀和變化趨勢進行分析的研究。但不同學者采用的遙感數據源、定量解譯方法、數據源時相的選取都有所不同，對于研究區的土地沙化現狀和變化的結果具有一定的不確定性。隨著近年來衛星遙感數據傳感器和遙感解譯技術的發展，遙感技術已逐漸成為土地沙化與荒漠化調查監測的一個重要方法，基于衛星遙感影像開展康保縣土地沙化與荒漠化長時間序列的調查監測工作也逐漸成為該地區生態環境監管的主要手段，系統總結近年來的康保縣土地沙化趨勢開展深入分析研究，成為具備現實意義的科學問題[1]。

本研究利用張家口康保縣地區1984-2020年間的Landsat-5(TM)和Landsat-8衛星影像，基于NDVI(歸一化植被指數)，配合人機交互解譯進行校正，對康保縣的植被覆蓋情況和沙化土地進行提取[2]。從沙化土地面積變化的角度分析了康保縣近40年來的變化趨勢，為康保縣的生態保護和土地荒漠化治理提供科學依據和決策支撐。

1 研究區概況

康保縣位于河北省西北部，隸屬于張家口市，全縣面積約3365平方公里，人口約26.96萬(2018年數據)。根據近年來部分學者調查數據顯示，河北省土地沙化現象主要集中于北部的張家口市和承德地區，而康保縣等北部縣區的土地沙化問題在整個河北省范圍內又處于相對突出的位置，但隨著“三北”防護林體系建設、退耕還林、京津風沙源治理等重點工程，康保縣的土地沙化現象有所減緩，沙化的趨勢得到遏制[3]。

2 研究數據

本研究搜集了康保縣1984-2020年期間的Landsat-5數據(1984年5月)、Landsat-8數據(2014年4月、2020年4月)。Landsat-5衛星于1984年3月發射升空，可采集七個波段的光學數據，最高空間分辨率為30米。Landsat-8衛星于于2013年2月發射升空，其在landsat-5衛星數據7個波段的基礎上，增加了空間分辨率為15米的全色波段和空間分辨率為30米的卷云波段[4]。

考慮到康保縣的主要土地利用類型為耕地，為了排除因農作物在不同時間內的長勢不同造成的定量遙感指數的不同，同時為了增強年度間數據的可比性，本研究的遙感影像拍攝時間均為4-5月，為保證年度間對比的標準化，經過處理的遙感影像均采用CGCS2000大地坐標系統[5]。

3 研究方法

3.1 遙感影像的預處理

遙感影像的預處理主要采用ENVI軟件完成，主要針對Landsat-5和Landsat-8數據進行正射糾正、影像裁切與增強等。

本研究以搜集的康保縣2018年土地變更調查影像為參考影像，以SRTM DEM作為高程參考，選取控制點，在待糾正影像選取與參考影像相對較為明顯的同位置點，例如線性地物的交叉口等，坐標系統采用CGCS2000大地坐標系統，對Landsat-5和Landsat-8數據進行正射糾正[6]。對于Landsat-5和Landsat-8數據進行糾正時，選取控制點數量在30個左右，采用二次多項式、雙線性內插的方法。

3.2 植被指數提取

本研究對于康保縣的植被提取工作采用自動化指數提取(歸一化植被指數(NDVI)和人工校正相結合的方法[7]。首先對Landsat-5和Landsat-5影像的光譜特征進行分析，制定提取規則，并在定量提取的基礎上，加以人工改正，提高提取精度。

歸一化植被指數(NDVI)是遙感影像的近紅外(NIR)波段和紅(R)波段的反射率差值與近紅外(NIR)波段和紅(R)波段的反射率和值的歸一化比值指數[8]。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NIR是近紅外波段的反射值，R是紅色波段的反射值。

3.3 人工驗證

在提取完1984、2014、2020年遙感影像中的康保縣植被指數后，再基于遙感影像的光學影像特征，采用人機交互解譯驗證的方法，再扣除居民區、道路等人工特征地物的影響，最終得到研究區的土地沙化分布[9-11]。

3.4 土地沙化分級

依據《沙化土地監測技術規程》(GB/T 24255—2009)中沙化土地程度分級標準，對康保縣土地沙化程度進行分級[12-13]。

(1)輕度沙化土地

植被蓋度≥50%，基本無風沙流活動的沙化土地。

(2)中度沙化土地

30%≤植被蓋度<50%，風沙流活動不明顯的沙化土地。

(3)重度沙化土地

10%≤植被蓋度<30%，風沙流活動明顯或流沙紋理明顯可見的沙化土地。

(4)極重度沙化土地

植被蓋度<10%的沙化土地。

根據上述分級標準，將康保縣的1984年、2014年、2020年定量化計算得出的植被覆蓋指數進行分級分類，分別劃分輕度沙化土地、中度沙化土地、重度沙化土地、極重度沙化土地[14]。

3.5 結果分析

根據1984-2020年康保縣地區遙感影像，結合歸一化植被指數(NDVI)和人工改正的植被覆蓋提取結果，進而分析1984-2020年來的康保縣沙化土地現狀與變化趨勢[15]。

圖1 康保縣土地沙化變化趨勢(1984-2020)Fig.1 Change trend of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

表1 康保縣不同類型沙化土地面積變化趨勢(1984-2020)

從圖2中可看出康保縣近40年來土地沙化情況的總體趨勢，輕度沙化土地面積從1984年的1 063.18 km2持續上漲，直到2020年，增長到1 844.08 km2，上漲幅度達到73%，增加幅度較為明顯；中度沙化土地面積從1984年的980 km2的狀態基本保持穩定，到2020年，中度沙化土地面積基本穩定在945.82 km2；重度沙化土地面積從1984年的959.82 km2持續下降，直到2020年，下降到370.75 km2，下降幅度達到61%，減少幅度較為明顯；極重度沙化土地面積從1984年的201.57 km2持續下降，直到2020年，下降到51.37 km2，下降幅度達到75%，減少幅度比較明顯。

圖2 康保縣各類型土地沙化情況變化趨勢(1984-2020)Fig. 2 Change trend of various types of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

從客觀的數據來觀察，隨著國家對生態環境的保護力度的加大，通過三北防護林的建設、植樹造林等工程的建設，康保縣土地沙化問題有了較為明顯的改善，尤其是康保縣南部地區的改善情況最為明顯。80年代，康保縣南部地區的土地沙化問題較為嚴重，重度沙化和極重度沙化土地分布較多，北部部分區域的沙化問題也比較突出，但經過近40年的生態治理和植樹造林工作，康保縣南部區域的沙化情況基本得到遏制和恢復，重度沙化和極重度沙化土地已基本消失，北部地區的沙化情況也有了很大改善。從2020年的情況來看，康保縣土地沙化情況較為明顯的區域主要集中在北部地區，且分布范圍在逐年減小。

4 結語

通過遙感等技術手段，可以直觀、快速、準確的估算出研究區的土地沙化面積，利用多期次的遙感影像疊加分析，還可以反映出研究區土地沙化面積的變化趨勢，為研究區的土地資源的保護、開發利用和土地沙化的防治提供科學支撐。同時，以研究區土地沙化現狀的監測為樣板，通過長時間序列的遙感監測工作，可以監測其他區域土地資源和土地沙化的現狀和歷史變遷情況。在當前生態文明建設日益重要、生態保護力度日趨加大的背景下，遙感技術為土地沙化等生態環境保護問題的發現和監管提供了客觀的科學手段。