沙化土地遥感监测机理和方法研究

摘要

中国是世界上受风沙危害最严重的国家之一。尽管目前沙化状况总体比上世纪90年代有了明显改善，沙化整体扩展的趋势得到初步遏制，但局部地区仍在扩展，土地沙化的总体形势仍然很严峻，进一步采取有力措施，切实做好防沙治沙工作是一项长期的、艰巨的任务。 从1994年起已经先后开展了三次全国性的沙化土地监测工作，基本掌握了沙化土地类型、程度、面积、分布及消长状况，分析了动态变化原因，为防沙治沙宏观决策提供了可靠的依据。在全国沙化土地监测中遥感技术已经发挥了积极有效的作用，基于遥感技术的信息量大、观测范围广、精度高、速度快以及实时性和动态性等特点，进一步探索沙化土地遥感监测的技术、理论和方法，强化沙化土地监测成果的分析和评价，将更加有利于沙化土地监测的顺利实施。 本文在系统分析国内外对沙化土地遥感监测研究现状和发展方向的基础上，以代表干旱半干旱地区的风沙危害典型区内蒙古自治区磴口县为主，涉及到甘肃省民勤县和青海省共和县，探求沙化土地光谱特征变异规律，建立沙化土地现状信息提取和变化检测的技术体系，通过动态变化、景观格局和粒度效应分析揭示沙化发展的过程和规律。通过本文研究加深了对沙化土地遥感信息机理的认识，解决了沙化土地监测范围广和耗工耗时的问题，提高了信息获取的时效性，加强了对沙化发展过程分析的能力，为沙化土地治理决策提供了有力的技术支撑。研究主要取得了以下几方面的成果： (1)沙化土地光谱特征分析。采用ASD (Analytical Spectral Devices) FieldSpec ProFR光谱仪，对沙化过程主要指示因子以及不同地表覆盖类型和不同程度沙化土地进行野外光谱测定，建立地物光谱特征与土地沙化间的数量关系，找出地物光谱特性的变异规律，从光谱角度为遥感中沙化土地类型划分和定量分析提供基础。提出了沙化土地光谱测量针对两种地物类型，即单一地物类型级，如不同植被类型和不同土壤类型等，以及复合地物类型级，如不同植被覆盖度沙地和不同盐渍化程度盐碱地等，分别采取相应的采样方法。光谱特征分析表明，沙化土地光谱数据表现出随植被覆盖度、植被类型、土壤、地类等的变化规律。沙化土地光谱特征受植被和土壤影响，随着植被覆盖度增大，沙化土地整体反射率降低，受植被和土壤水分的影响，中红外波段1300～2500nm的反射率逐渐低于近红外波段750～1300nm的反射率，不同植被覆盖度沙地之间的反射率差别增大。 (2)沙化土地现状信息提取。对沙化土地采取分步提取的方法，即先提取沙化土地，再对沙化土地进行类型划分。采用Landsat ETM+多季相综合影像，避免高估和低估沙化土地。在影像分析和地类光谱特征分析的基础上，采用分层分离的方法使知识在不同层次以不同形式介入，简化各种土地类型之间的关系，并且使分类过程中的各种层次关系一目了然，有效地实现沙化土地和其它土地类型的分离。沙化土地类型划分采用最基本依据，即植被覆盖度，具体以全国沙漠化普查地类划分中的植被覆盖度为标准。依据沙化土地植被覆盖度，通过建立NDVI和植被覆盖度之间的相关关系，用NDVI阈值来确定沙化土地等级是沙化土地程度评价的有效方法。 (3)沙化土地变化检测。为了快速识别沙化土地的发展或逆转，对10年的土地覆盖变化应用两期Landsat ETM+/TM影像，采用主成分分析和监督分类相结合的方法，综合两者的优势进行沙化土地变化检测，用主成分分析方法产生变化范围，用监督分类方法提供具体的变化类型信息，及时准确地识别沙化土地的发展或逆转，为采取相应治理措施提供科学依据。该方法也有利于沙化土地分布图更新，在现有基期影像分类图的基础上，只需对识别的变化部分进行分类，避免了大量的地面调查和验证工作，减少了工作量，提高了工作效率。主成分分析中采用多时相多波段数据合成法，即将两个时相影像合成为12个波段影像，对新合成影像做主成分变换，通过对主成分分量影像的分析，选取反映变化效果最好的主分量，采用阈值法分离出变化和未变化部分。监督分类对变化部分进行分类的过程中划分了变化类型，并去除了伪变化信息。 (4)沙化土地动态和景观格局变化分析。基于两期30米分辨率的景观类型分布图，通过马尔科夫转移矩阵模型和景观指数对沙化土地动态和景观格局进行分析，揭示沙化发展的过程和规律。马尔科夫模型表明了不同程度沙化土地之间以及沙化土地与其他景观要素之间的转化状况，表明整体沙化土地面积减少了，但流动沙地面积增加了，磴口县防沙治沙仍然面临着严峻的挑战，要重视防沙治沙综合治理，避免形成新的沙化土地。在斑块类型水平和景观水平上选取斑块数、平均斑块面积、最大斑块指数、面积加权平均斑块形状指数、面积加权平均斑块分维数、Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数进行计算，表明固定沙地和农田趋于破碎化，景观异质性增加；半固定沙地、流动沙地、水体、盐碱地破碎化程度和景观异质性降低；在景观水平，景观整体破碎度降低，异质性减弱，景观格局向非均匀化方向发展，斑块形状趋于简单化。 (5)沙化土地景观粒度效应。通过优势规则和独立聚合的尺度转换方法进行重采样，获得30～300米粒度范围的景观类型分布图，分析景观指数和空间自相关系数Moran’s Ⅰ系数随粒度的变化，反映粒度效应对景观格局分析的影响，以利于根据研究目的选择最佳尺度，对不同尺度的研究成果进行相互转换和比较，深入理解景观格局和过程的变化规律。研究区内平均斑块面积较小、分布比较分散的水体和盐碱地分别在粒度为240米和210 米时被合并入周围较大面积的景观类型，水体和盐碱地景观类型消失。景观指数随粒度变化的效应表明，随着粒度增大，各种景观类型的斑块数、面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数呈幂函数下降，平均斑块面积单调增加：最大斑块指数整体上增加但有起伏。Moran's Ⅰ系数随粒度变化的分析表明，粒度在30～180米之间，景观斑块聚集分布；210～300米之间，景观斑块分散分布。

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文摘

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论文说明：图表目录

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第一章 引言

1.1荒漠化、沙漠化和沙化概念

1.2国内外沙化土地遥感监测研究现状

1.2.1沙化土地光谱特征分析

1.2.2沙化土地信息提取

1.2.3沙化土地评价和分类制图

1.2.4沙化土地动态变化研究

1.3研究评述

第二章 研究目的意义和研究内容

2.1中国沙化土地现状

2.2研究目的意义

2.2.1研究目的

2.2.2研究意义

2.3主要研究内容

2.4研究技术路线

2.5项目来源与经费支持

第三章 研究区概况和数据获取

3.1研究区概况

3.1.1内蒙古自治区磴口县基本情况

3.1.2甘肃省民勤县和青海省共和县简介

3.2数据获取和预处理

3.2.1影像资料及预处理

3.2.2光谱测量和数据处理

3.2.3样地调查

第四章 沙化土地光谱特征分析

4.1沙化土地光谱库

4.2不同地表覆盖类型的光谱特征

4.2.1不同方法测量沙地的光谱特征

4.2.2不同植被覆盖度沙化土地的光谱特征

4.2.3不同土壤类型的光谱特征

4.2.4不同植物的光谱特征

4.2.5不同荒漠化土地的光谱特征

4.2.6主要地类的光谱特征

4.3小结

第五章 沙化土地信息提取研究

5.1研究方法

5.1.1沙化土地提取思路

5.1.2影像目视解译分析

5.1.3沙化土地提取方法选取

5.1.4沙化土地程度划分依据

5.1.5植被覆盖度确定方法

5.2结果与分析

5.2.1影像光谱统计特征

5.2.2沙化土地提取分层分类法

5.2.3植被覆盖度和NDVI相关关系

5.2.4沙化土地分布图

5.2.5精度验证

5.3小结

第六章 沙化土地变化检测研究

6.1材料和方法

6.1.1研究时段和影像数据

6.1.2主成分分析和监督分类的混合变化检测法

6.1.3影像的主成分变换和分析

6.1.4变化阈值确定

6.1.5变化部分监督分类

6.1.6分类后处理

6.1.7沙化土地分布图更新

6.2结果与分析

6.2.1识别变化的主成分分量影像

6.2.2变化信息提取

6.2.3沙化土地变化分布图

6.2.4精度验证

6.3 小结

第七章 沙化土地景观格局变化和粒度效应分析

7.1沙化土地动态和景观格局变化

7.1.1景观类型划分

7.1.2转移矩阵计算

7.1.3景观指数选取

7.1.4 10年间沙化土地的动态变化

7.1.5 10年间沙化土地的景观格局变化

7.1.6小结

7.2沙化土地景观粒度效应分析

7.2.1不同粒度的尺度转换

7.2.2空间自相关Moran's I系数计算

7.2.3不同粒度的景观类型分布图

7.2.4景观指数的粒度效应

7.2.5空间自相关特点

7.2.6小结

第八章 结论与讨论

8.1结论和创新点

8.2讨论和展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢