基于modis數(shù)據(jù)的科爾沁沙地荒漠土地面積劃分

基于modis數(shù)據(jù)的科爾沁沙地荒漠土地面積劃分

0土地荒荒地動(dòng)態(tài)變化測(cè)量數(shù)據(jù)處理沙漠是指由各種因素引起的干旱、半干旱和干旱地區(qū)的土壤侵蝕?；哪鞘澜绮毮康膰?yán)重生態(tài)問題之一,它直接影響到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì),掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,對(duì)荒漠化程度進(jìn)行評(píng)估分級(jí)是荒漠化研究的重要內(nèi)容,只有這樣才能準(zhǔn)確、及時(shí)全面掌握荒漠化土地的消長(zhǎng)變化信息,為防治、預(yù)測(cè)、管理及決策服務(wù)?？茽柷呱车匚挥趦?nèi)蒙古沙漠帶的東段,是我國(guó)北方典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū),歷史上曾是湖泊眾多、林草繁茂的森林草原景觀,是傳統(tǒng)的宜牧地區(qū)。進(jìn)入20世紀(jì)以來,受干旱多風(fēng)等氣候因素和“三濫”等人為活動(dòng)的影響,生態(tài)環(huán)境發(fā)生了急劇變化,土地荒漠化態(tài)勢(shì)日益嚴(yán)重,已成為制約內(nèi)蒙古東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要生態(tài)問題。已經(jīng)對(duì)我國(guó)東北和華北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)安全以及社會(huì)穩(wěn)定等構(gòu)成威脅,對(duì)我國(guó)東北商品糧生產(chǎn)基地造成嚴(yán)重危害,直接引發(fā)東北1億人口的食物安全問題,也增加了東北和華北地區(qū)沙塵暴發(fā)生的頻率與規(guī)模。因此,結(jié)合科爾沁沙地的實(shí)際情況,監(jiān)測(cè)該區(qū)荒漠化的發(fā)展趨勢(shì),掌握其動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律并對(duì)土地荒漠化程度進(jìn)行評(píng)估分級(jí),及時(shí)全面地掌握荒漠化土地的消長(zhǎng)變化信息,對(duì)于該區(qū)土地荒漠化的防治具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。MODIS傳感器共有36個(gè)光譜通道,分布在0.4~14μm的電磁波譜范圍內(nèi),空間分辨率分別為250m、500m和1000m,掃描寬度為2330km。在對(duì)地觀測(cè)過程中,每秒可同時(shí)獲得6.1Mbit的來自大氣、海洋和陸地表面信息,每日或每?jī)扇湛色@取一次全球觀測(cè)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星影像相比,MODIS具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式(HDF)高效、信息豐富、數(shù)據(jù)獲取快和覆蓋范圍廣等特點(diǎn),有利于捕捉地面動(dòng)態(tài)變化信息。因而可以利用其數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率和光譜分辨率的特點(diǎn),大范圍、高時(shí)間精度地跟蹤監(jiān)測(cè)荒漠化的發(fā)展。1研究區(qū)域與氣候特征本次研究以東北平原與內(nèi)蒙古高原的過渡地帶——科爾沁沙地為研究區(qū)域,該沙地東起吉林省雙遼縣,西至內(nèi)蒙古翁牛特旗巴林橋,南北界于燕山北部黃土丘陵和大興安嶺東麓丘陵之間,是我國(guó)東北地區(qū)西部東西長(zhǎng)達(dá)400km的一條大沙帶?？偯娣e約5.17萬km2,行政區(qū)域包括內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的17個(gè)旗(縣)以及吉林省西部和遼寧省西北部地區(qū),核心區(qū)包括科爾沁右翼中旗、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗和巴林右旗的南部、翁牛特旗東北部、敖漢旗北部、奈曼旗中部、庫(kù)倫旗北部、科爾沁左翼后旗大部、科爾沁左翼中旗北部、開魯縣和彰武縣北部及康平縣西北部等。本文的研究范圍為其中的13個(gè)旗縣,如圖1所示?？茽柷呱车氐靥帨貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)。氣候特征是冬季寒冷漫長(zhǎng),降雪量少;春季干旱,多大風(fēng);夏季短促炎熱,雨量集中;秋季氣溫下降快,霜凍來臨早。年平均氣溫5.8~6.4℃,年降水量為340~450mm,其中70%~75%集中于夏季,年蒸發(fā)量1500~2500mm,干燥系數(shù)1.0~1.8。年平均風(fēng)速為3.5~4.5m/s,春季平均風(fēng)速可達(dá)5.0~6.0m/s;起沙風(fēng)(風(fēng)速≥5m/s)每年出現(xiàn)日數(shù)約80d,風(fēng)沙天氣(≥8級(jí)大風(fēng))集中分布在冬春季。該區(qū)土壤的下伏物質(zhì)為第四紀(jì)河湖相沙質(zhì)沉積,由于具有脆弱的基質(zhì)環(huán)境,生態(tài)十分脆弱,加之易出現(xiàn)持久的干旱和風(fēng)沙災(zāi)害,疊加過度人類活動(dòng)干擾,使生態(tài)失調(diào),環(huán)境退化,昔日波狀起伏的疏林沙質(zhì)草原逐漸退化為風(fēng)沙活動(dòng)頻繁、地表呈現(xiàn)流動(dòng)沙丘與半固定沙丘交錯(cuò)分布的景觀,出現(xiàn)土地荒漠化現(xiàn)象,使該區(qū)成為我國(guó)荒漠化的典型區(qū)域。2數(shù)據(jù)來源及研究方法MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品是在已有AVHRR植被指數(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的,以適用于全球范圍,并增強(qiáng)對(duì)植被的敏感度,減少外部因素(如大氣、觀測(cè)視角和太陽角、云等)的影響,可用于監(jiān)測(cè)地球上光合作用植物的活動(dòng),以便進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)和生物氣候?qū)W及生物物理學(xué)的解釋。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于陸表分類信息提取、農(nóng)作物分布及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物產(chǎn)量估算、農(nóng)田災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警、區(qū)域環(huán)境評(píng)價(jià)以及各種生物參數(shù)的提取。本文研究所用的遙感數(shù)據(jù)是美國(guó)地球資源觀測(cè)系統(tǒng)(EarthObservationSystem,EROS)數(shù)據(jù)中心提供的16日合成的空間分辨率為250m的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13Q1),時(shí)間為2000年與2007年。該產(chǎn)品包含NDVI、EVI、紅光、近紅外、中紅外、藍(lán)光等波段反射率以及其他輔助信息。同時(shí)收集了研究區(qū)1∶100萬縣界行政區(qū)劃圖、TM影像、1∶100萬植被圖等圖件作為輔助分析資料。采用USGSEROS數(shù)據(jù)中心開發(fā)的MRT幾何糾正軟件,對(duì)科爾沁沙地涉及的2景影像進(jìn)行幾何糾正、鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換,投影為Albers正軸等面積雙標(biāo)準(zhǔn)緯線圓錐投影。應(yīng)用邊界文件剪切出科爾沁沙地2000年與2007年的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品,并提取其中的NDVI影像序列作為本文的研究對(duì)象。3原則和方法3.1ndvi方法監(jiān)測(cè)植物生態(tài)參數(shù)將兩個(gè)或多個(gè)光譜通道進(jìn)行組合,可以得到不同種類的植被指數(shù),它們?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉酥脖谎莼男畔?。到目前為?植被指數(shù)已經(jīng)發(fā)展出40余種,其中標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)(NDVI)應(yīng)用最為廣泛,它能有效地監(jiān)測(cè)植被狀況,并進(jìn)行植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等生態(tài)參數(shù)的估算。NDVI還能部分地補(bǔ)償照明條件、地面坡度以及衛(wèi)星觀測(cè)方向變化所引起的影響[17,18,19,20,21,22],其計(jì)算公式為NDVI=NIR?RNIR+R(1)ΝDVΙ=ΝΙR-RΝΙR+R(1)式中,NIR、R分別代表紅外波段、紅光波段的反射率。NDVI值域?yàn)閇-1,+1],一般植株越高、群體越大、葉面積系數(shù)越大的植被,其NDVI值較大。3.2侵性區(qū)域途徑植被覆蓋度是指植被冠層的垂直投影面積與土地總面積之比,是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)。有關(guān)荒漠化的研究表明,一個(gè)地區(qū)荒漠化的輕重程度與植被蓋度有直接的關(guān)系,在植被覆蓋高、生長(zhǎng)狀況好的區(qū)域,荒漠化不明顯,反之則較嚴(yán)重。遙感反演植被覆蓋度的方法有回歸模型法、植被指數(shù)法及像元分解模型法等,其中植被指數(shù)法更具有普遍意義,模型經(jīng)驗(yàn)證后可以推廣到大范圍區(qū)域,形成通用的植被覆蓋度計(jì)算方法?；跉w一化植被指數(shù)法計(jì)算植被覆蓋度的公式為VC=NDVI?NDVIminNDVImax?NDVImin(2)VC=ΝDVΙ-ΝDVΙminΝDVΙmax-ΝDVΙmin(2)式中,NDVI為所求像元的植被指數(shù);NDVImin和NDVImax分別為研究區(qū)域內(nèi)NDVI最小和最大值。3.3研究區(qū)植被覆蓋度分級(jí)植被蓋度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在許多文獻(xiàn)中都提到過,其關(guān)于植被蓋度分級(jí)的閾值也不完全相同,參考這些文獻(xiàn)中所提到的閾值,同時(shí)結(jié)合研究區(qū)特有的生態(tài)特征,把研究區(qū)植被覆蓋度劃分為4個(gè)等級(jí),各級(jí)指標(biāo)及地理景觀特征表現(xiàn)見表1。4監(jiān)控結(jié)果和分析4.1科爾參數(shù)分級(jí)與ndvi分級(jí)的關(guān)系年NDVImax反映了當(dāng)年地表植被生長(zhǎng)最好時(shí)的狀況,為保證荒漠化遙感信息的可比性,我們選取2000年與2007年每年生長(zhǎng)季(4~9月)的NDVI影像序列,逐像元比較每年生長(zhǎng)季的12張影像,得到NDVImax影像。結(jié)合高分辨率的TM影像以及研究區(qū)的土地荒漠化圖,反復(fù)比較2000與2007年生長(zhǎng)季NDVI影像,得出NDVImin=0.15,NDVImax=0.91,并規(guī)定水體(NDVI<0.01)和植被覆蓋度>80%的區(qū)域?yàn)榉腔哪貐^(qū)。根據(jù)式(2)計(jì)算得出植被指數(shù)蓋度分級(jí)與NDVI分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。根據(jù)NDVI的分級(jí)閾值,經(jīng)過密度分割生成科爾沁沙地2000與2007年的荒漠化分級(jí)圖(圖2)。從圖2可以看出,2007年荒漠化程度比2000年的輕。嚴(yán)重荒漠化地區(qū)主要以老哈河兩側(cè)的翁牛特旗、奈曼旗及科爾沁左翼后旗為主,已經(jīng)連續(xù)分布,且向東西方向逐漸減弱;科爾沁左翼中旗嚴(yán)重、重度荒漠化土地面積較少,輕度荒漠化土地面積較大;西遼河中段北岸以中、輕度為主,重度荒漠化土地面積很少。不同等級(jí)荒漠化土地面積所占比例如表3所示。由表3可知,科爾沁沙地荒漠化程度總體上呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。4.2維護(hù)土地的利益近年來,面對(duì)荒漠化土地的蔓延和環(huán)境的惡化,科爾沁地區(qū)的干部和群眾承受著巨大的經(jīng)濟(jì)損失,深感荒漠化問題已上升到影響生存、阻礙發(fā)展的程度。國(guó)家和內(nèi)蒙古自治區(qū)政府部門也對(duì)防治荒漠化給予了高度的重視,從中央到地方各部門、以至到農(nóng)牧戶本身都加大了財(cái)力、物力和人力的投入。合理地調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度,壓縮粗放管理的耕地面積而集約經(jīng)營(yíng)水土條件較好的耕地;退耕種草種樹,實(shí)行大面積草場(chǎng)封育,抑制過度放牧。這些積極的人為活動(dòng),不僅減緩了荒漠化土地的蔓延速度,而且使相當(dāng)面積的荒漠化土地得到了治理,荒漠化已呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì),整個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境在改善,環(huán)境容量在提高。監(jiān)測(cè)期內(nèi)重度和中度荒漠化土地面積減少趨勢(shì)較明顯,嚴(yán)重荒漠化的面積變化不大,而輕度荒漠化和非荒漠化面積的比重都增加,主要原因在于當(dāng)?shù)卣腿嗣駥⒇?cái)力和物力大多集中于重度、中度和輕度荒漠化土地中,并有了明顯的結(jié)果。對(duì)嚴(yán)重荒漠化土地而言,由于整治難度較大,且利用價(jià)值不高,基本處于自然恢復(fù)狀態(tài)之中,逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)不是很明顯。5森林植被生長(zhǎng)變化的應(yīng)用本文以MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源,利用NDVI與植被蓋度的高相關(guān)性,以NDVI為荒漠化評(píng)價(jià)的定量依據(jù),評(píng)價(jià)科爾沁沙地荒漠化狀況及動(dòng)態(tài)變化。得出以下結(jié)論:(1)MODISNDVI對(duì)植被的生長(zhǎng)變化具有較高的敏感度,可以被有效地應(yīng)用于荒漠化的評(píng)估和監(jiān)測(cè)。(2)對(duì)比研究2000年與2007年不同等級(jí)荒漠化面積所占比例發(fā)現(xiàn),科爾沁沙地荒漠化程