基于3S技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究

1、基于技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究3S高志海, 魏懷東, 丁峰(甘肅省治沙研究所, 甘肅 武威733000)摘要: 武威市地處典型溫帶荒漠氣候區(qū), 綠洲邊緣地帶的土地沙化、河流下游土地鹽漬化和中低山草場(chǎng)的植被退化是荒漠化的主要表現(xiàn)形式。 武威市荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建, 應(yīng)以“3S”技術(shù)的 綜合與集成應(yīng)用為主要技術(shù)手段, 構(gòu)建以矢量數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的荒漠化空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng), 用于滿足中大尺度荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要為原則。 該技術(shù)系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)的獲取和輸入、遙感 影像處理和分類成圖、空間數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出等 4 個(gè)子系統(tǒng)。研究提出了荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)建立中適合當(dāng)?shù)鼗哪攸c(diǎn)的荒漠化潛在發(fā)

2、生范圍確定、荒漠化土地類型劃分體系、遙感影像荒漠化信息提取、基于 D EM的坡耕地荒漠化評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。關(guān)鍵詞: 荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng); 遙感;G IS; GP S文章編號(hào): 100420323 (2002) 0620330207中圖分類號(hào): T P 79文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Atem , G IS ) 和 全 球 定 位 系 統(tǒng) ( G lo b a l Po sit io n Sy s2tem , GP S) 技術(shù), 在時(shí)空上為實(shí)現(xiàn)中尺度以上范圍荒 漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 提供了必要的技術(shù)保證。遙感是應(yīng)用航天、航空等技術(shù), 在遠(yuǎn)離目標(biāo)的情 況下采集從目標(biāo)發(fā)射或輻射的電磁波信息, 通過(guò)對(duì) 遙感觀測(cè)到

3、的電磁波特性的分析, 可以反演與之發(fā)生相互作用的介質(zhì)的性質(zhì), 從而識(shí)別目標(biāo)和周?chē)h(huán)境條件; G IS 是指在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下, 對(duì)具有空 間內(nèi)涵的地理信息的動(dòng)態(tài)描述, 通過(guò)時(shí)空構(gòu)模, 分析地理系統(tǒng)的發(fā)展變化過(guò)程, 從而為咨詢、規(guī)劃和決策提供服務(wù); GP S 是應(yīng)用衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線電實(shí)時(shí)確定地 表 某 個(gè) 點(diǎn)、線 或 面 的 三 維 坐 標(biāo) 的 定 位 系 統(tǒng)。 隨 著“3S”技術(shù)的日臻成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)展,“3S” 技術(shù)在荒漠化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也逐步得到了應(yīng)用3 13, 但應(yīng)用技術(shù)研究的深度還不夠, 技術(shù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還有 待完善。 本項(xiàng)研究以地處荒漠區(qū)的甘肅省武威市為例, 結(jié)合當(dāng)?shù)鼗哪攸c(diǎn), 對(duì)基于

4、 3S 技術(shù)的荒漠化 監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的組成、構(gòu)建技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1引言荒漠化是當(dāng)今全球關(guān)注的一個(gè)重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題, 它嚴(yán)重威脅人類的生存, 阻礙資源、環(huán) 境和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)利用與發(fā)展。按照聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約, 荒漠化是指包括氣候變異等自然因 素和人類活動(dòng)在內(nèi)的種種因素造成的干旱、半干旱和干旱亞濕潤(rùn)地區(qū) ( 濕潤(rùn)指數(shù)在 0. 05 0. 65 之間)的土地退化。按荒漠化發(fā)生的營(yíng)力類型, 荒漠化可分 為風(fēng)蝕、水蝕、鹽漬、凍融等類型?；哪苯訉?dǎo)致土地的生物和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力與復(fù)雜性下降乃至喪失1, 2。 荒漠化歸根結(jié)底是一種過(guò)程, 而特定時(shí)空范圍內(nèi)形成的各類荒漠化土地則是這一過(guò)程的結(jié)果

5、。 對(duì) 荒漠化過(guò)程及其結(jié)果進(jìn)行適時(shí)的監(jiān)測(cè), 及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)生荒漠化的土地進(jìn)行評(píng)價(jià), 了解荒漠化動(dòng)態(tài)變 化, 掌握其發(fā)生的機(jī)理, 為防治荒漠化提供決策依據(jù), 是荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的主要目的。 荒漠化監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法是針對(duì)研究區(qū)進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)的荒漠化類型和程度等的調(diào)查、記錄分析。這種 方法對(duì)小尺度對(duì)象的監(jiān)測(cè)是可行的, 但要實(shí)現(xiàn)中大尺度 ( 縣及縣以上單位) 范圍的監(jiān)測(cè), 需要大量的野外調(diào)查獲取地面信息, 因此傳統(tǒng)方法有很大的局限 性。 而新興的“3S ”技術(shù), 即遙感 (R em o te Sen sin g,R S )、地 理 信 息 系 統(tǒng) ( Geo g rap h ic In fo rm a

6、t io n Sy s222. 1研究區(qū)概況與荒漠化特點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)自然概況武威市地處河西走廊東段的石羊河流域, 10149 10416E , 3629 3927N 之間; 海拔 1 0204 874 m , 行政上轄涼州、古浪、民勤和天祝四縣區(qū)。收稿日期: 2002210218; 修訂日期: 2002211219作者簡(jiǎn)介: 高志海 ( 1963- ) , 男, 研究員, 主要從事荒漠化監(jiān)測(cè)與防治等方面的研究工作。第 6 期高志海等: 基于 3S 技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究331總面積約 3. 32104 km 2。 該區(qū)地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大地理單元的交匯過(guò)渡地帶, 除天?？h大部

7、分為祁連山高海拔區(qū)外, 全區(qū)大部分 屬溫帶干旱荒漠氣候區(qū), 具有典型的大陸性荒漠氣候特點(diǎn): 日照充足 (年日照時(shí)數(shù) 2 200 3 030 h )、降 水稀少 (年降水量 60 610. 3 mm )、蒸發(fā)量大 ( 年平均潛在水面蒸發(fā) 1 400 3 040 mm )。地貌基本可分 為 3 大單元, 即南部祁連山區(qū)、中部平原綠洲區(qū)和北部荒漠區(qū)。 民勤綠洲是石羊河向荒漠縱深延伸而形 成的典型隱域性綠洲單元。全區(qū)大部被騰格里、巴丹吉林兩大沙漠和大片的戈壁所覆蓋, 是全省乃至全 國(guó) 荒漠化危害 ( 主要是風(fēng)沙危害) 最嚴(yán)重的地區(qū)之 一。以土地沙化、鹽漬化和草原退化為特征的現(xiàn)代荒 漠化過(guò)程和荒漠化土地

8、的擴(kuò)展, 在荒漠地區(qū)也極具 代表性。因天?？h地處祁連山中高山地區(qū), 未包括在荒漠化發(fā)生的氣候范圍內(nèi), 所以本研究的項(xiàng)目區(qū)未 包括該縣。2. 2 研究區(qū)荒漠化特點(diǎn)武威市的荒漠化主要有以下 3 種表現(xiàn)形式:(1) 沿北部騰格里和巴旦吉林兩沙漠邊緣的土 地風(fēng)蝕荒漠化。 土地沙化和沙漠入侵危害農(nóng)田為最 主要的表現(xiàn)形式, 這是項(xiàng)目區(qū)荒漠化的最主要表現(xiàn) 形式, 也是全區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要威脅。依沙 漠分布相對(duì)于主風(fēng)向的位置, 民勤綠洲所受危害最 大。(2) 石羊河下游尾閭, 主要指民勤北部綠洲 ( 湖 區(qū)) 因灌溉用水減少導(dǎo)致農(nóng)田棄耕和不合理的灌溉 制度而引起的土壤次生鹽漬化非常嚴(yán)重。(3) 涼州區(qū)和

9、古浪縣南部祁連山中低山區(qū)的草 場(chǎng)和旱耕地退化及流沙入侵也是武威市荒漠化的重要表現(xiàn)形式之一。空 間分析能力。A R CV IEW 是較好的數(shù) 據(jù) 管 理 軟件, 它 與 A R C IN FO的 數(shù) 據(jù) 通 用, 主 要 功 能 是 顯示、圖件輸出、查詢和空間分析。(3) 監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的建立主要用于滿足中大尺 度荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要。監(jiān)測(cè)的尺度對(duì)象為縣及其以上行政單位, 即中大尺度范圍。 這一尺度范圍決定, 本研究采用 TM 和 E TM 等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為技術(shù)系統(tǒng)建立的主要數(shù) 據(jù)源, 輔以M SS 數(shù)據(jù)、重點(diǎn)區(qū)航空照片、地形圖、各 類專題圖、實(shí)地調(diào)查資料、GP S 定位數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng) 濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)資

10、料等其他來(lái)源數(shù)據(jù)。 TM 和 E TM 影像既能覆蓋相對(duì)較大的面積, 又能提供較滿意的地面分辨率 (15 30 m ) , 可滿足中大尺度下縣及縣以 上 行 政 區(qū) 域 荒 漠 化 監(jiān) 測(cè) 的 需 要, 出 圖 比 例 尺 約 為110 25 萬(wàn)。44. 1荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成與功能系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)備構(gòu)成支持荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)建立與運(yùn)行的硬件設(shè)備是以 SU N工作站和高性能微機(jī)為核心, 配以多種外部設(shè)備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 外部設(shè)備包括用于數(shù)據(jù)獲 取、輸 入 和 存 儲(chǔ) 的 GP S 接 收 機(jī)、掃 描 儀、數(shù) 字 化 儀、磁帶機(jī)和 CD ROM ( 含 CD - R ) 等, 用于結(jié)果輸出的

11、繪圖儀和打印機(jī)等, 以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等。支持荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行的軟件中, 遙感 影像處理軟件選擇 ERDA S IM A G IN E , 地理信息系統(tǒng)軟件選用工作站和 PC 版 A R C IN FO 及桌面地理信息系統(tǒng)軟件A R CV IEW 。另外還有用于 GP S 數(shù) 據(jù) 差 分 的 P F IN D ER 軟 件, 以 及 多 種 網(wǎng) 絡(luò) 管 理、編程、文字處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等。4. 2系統(tǒng)的構(gòu)成與功能按組成系統(tǒng)各部分的功能, 荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系 統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)的獲取和輸入、遙感影像處理和分類 成圖、空間分析和數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出等 4個(gè)子系統(tǒng)。 各子系統(tǒng)功能的發(fā)揮都不同

12、程度地依賴支持 3S 系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的各種軟硬件設(shè)備。其工 作流程如圖 1 所示。4. 2. 1數(shù)據(jù)的獲取和輸入子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)的主要功能是獲取和數(shù)字化項(xiàng)目區(qū)荒漠化監(jiān)測(cè)所需要的各種觀測(cè)資料及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?；哪O(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源及其功能如下: (1) 航天和航空影像資料: 用于中大尺度荒漠化 監(jiān) 測(cè) 的 TM 、E TM 、M SS 和 SPO T 等 格 式 的 數(shù)3 荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)建立的原則荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的研建應(yīng)遵循以下三原 則:(1) 以“3S”技術(shù)在荒漠化監(jiān)測(cè)中的綜合與集成 應(yīng)用為主要技術(shù)手段。( 2) 以 A R C IN FO 軟件為基本 G IS 支持平臺(tái),構(gòu)建

13、以矢量數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的荒漠化空間數(shù)據(jù) 處理與管理系統(tǒng)。A R C IN FO 是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最普遍、功 能強(qiáng)大的 G IS 支持平臺(tái), 在適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)支持下, 它能順利實(shí)現(xiàn)柵格圖像與矢量圖形的交互顯示和柵格與矢量的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換, 也具有強(qiáng)大的 332 遙感技術(shù)與應(yīng)用第 17 卷?yè)?jù), ERDA S IM A G IN E 軟件都能直接讀取; 研究區(qū)各時(shí)期的航片資料, 不管是膠片還是相片, 均可通過(guò) 掃描輸入計(jì)算機(jī), 并能保持較高的分辨率。這些數(shù)據(jù)資料是研究區(qū)荒漠化監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源。 考慮到描述各類荒漠化土地植被年生長(zhǎng)狀態(tài)和生產(chǎn)力評(píng)價(jià)的需要, 影像的成像季相選擇在項(xiàng)目區(qū) 植被生物

14、量較大的 6 9 月份, 這也有利于荒漠化土地分類。( 2) 現(xiàn)有的研究區(qū)土地利用、土壤、植被、氣候、 地形、水文、行政、交通、人口以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的專題圖件: 這些專題圖件都可通過(guò)數(shù)字化或掃描輸入計(jì)算機(jī)。A R C IN FO 提供的輸入驅(qū)動(dòng)模塊,圖形的輸入和編輯都很方便, 還具有建立獨(dú)特的圖 形要素拓?fù)潢P(guān)系的功能。4. 2. 2遙感影像處理和成圖子系統(tǒng)遙感影像處理包括影像校正、增強(qiáng)處理和分類三方面的內(nèi)容。 ERDA S IM G IN E 軟件提供了從多 方面實(shí)現(xiàn)上述目的的強(qiáng)大功能。影像的校正包括幾何校正和輻射校正兩方面。原始遙感影像雖然一般都做了系統(tǒng)校正, 也有自己 的坐標(biāo)系統(tǒng),

15、但要準(zhǔn)確成圖, 必須進(jìn)行幾何精校正,并建立我國(guó)大比例尺地圖常用的 Gau ss- K rg 坐 標(biāo)系統(tǒng)。 是否需要做輻射校正, 取決于成圖的目的,例 如, 用植被指數(shù) (V I) 監(jiān)測(cè)植被的動(dòng)態(tài)變化, 就必 須做輻射校正。遙感影像荒漠化特征信息的提取與影像分類,技術(shù)上較復(fù)雜, 后面將做詳細(xì)敘述。4. 2. 3空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)( 3)GP S 野外觀測(cè)數(shù)據(jù): GP S 野外觀測(cè)數(shù)據(jù)包該 子 系 統(tǒng) 的 主 體 以 A R C IN FO為 支 持 平 臺(tái)、括重點(diǎn)區(qū)測(cè)量和定位兩類數(shù)據(jù), 前者主要反映荒漠化重點(diǎn)區(qū)的細(xì)部狀況, 后者用于研究區(qū)遙感影像的 幾何糾正和影像分類結(jié)果正確性的檢查、核對(duì)。(4)

16、 其他統(tǒng)計(jì)或?qū)傩詳?shù)據(jù): 包括研究區(qū)社會(huì)經(jīng) 濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料和野外調(diào)查數(shù)據(jù), 主要用于說(shuō)明圖形的斑塊屬性和分析預(yù)測(cè)模型的建立。A R C IN FO 提供 的二元數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu), 使屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的管理有機(jī)結(jié)合, 圖形斑塊屬性的輸入和管理都較方便?；?G IS 的荒漠化空間數(shù)據(jù)管理與決策系統(tǒng), 它也是荒漠化評(píng)價(jià)與分析的主要支持系統(tǒng)。 具有明確地理坐標(biāo)系統(tǒng)、反映特定時(shí)空尺度下荒漠化狀況的圖形數(shù)據(jù), 不僅具有明確的地理特征 含義, 而且圖形上所有可辨特征也都具有準(zhǔn)確的空間屬性, 這也是 G IS 空間數(shù)據(jù)管理與一般圖形和圖 像數(shù)據(jù)管理的根本區(qū)別。 除上面提到的輸入 ( 含更新) 功能外, G IS 在

17、數(shù)據(jù)管理方面的主要功能還包括第 6 期高志海等: 基于 3S 技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究333存儲(chǔ)、查詢、顯示和空間分析等。 具有空間分析功能是 G IS 最突出的特點(diǎn), 在荒漠化監(jiān)測(cè)中, 主要體現(xiàn) 于以下幾個(gè)方面:(1) 形態(tài)分析: 計(jì)算荒漠化土地斑塊的面積、周 長(zhǎng)、長(zhǎng)度等;(2) 地形分析: 基于地形圖, 建立數(shù)字地形模型(D TM ) 或數(shù)字高程模型 (D EM ) , 獲取坡度和坡向 數(shù)據(jù), 用于分析水蝕荒漠化;(3) 疊置分析: 基于邏輯表達(dá)式的圖形復(fù)合, 形 成新信息, 用于分析荒漠化的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化;(4) 鄰域分析: 通過(guò)荒漠化發(fā)生的緩沖區(qū)分析 等獲得新信息;(5) 應(yīng)用模型分

18、析: 如荒漠化預(yù)測(cè)、預(yù)警模型的 構(gòu)建等。4. 2. 4結(jié)果輸出子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)包括荒漠化監(jiān)測(cè)制圖、地圖和表格的輸出等。A R C IN FO 的 A R C ED IT 模塊提供了強(qiáng)大 圖形編輯功能, A R C PL O T 模塊提供了強(qiáng)大的地圖制作功能, 可制作輸出規(guī)范的地圖。A R C IN FO 獨(dú) 特的二元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理模式, 提供與多種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件兼容的獨(dú)立屬性數(shù)據(jù)管理文件, 可方便地統(tǒng)計(jì)和輸出圖表數(shù)據(jù)。原區(qū)和地勢(shì)較平坦的沙漠戈壁區(qū), 又包括海拔高、地形起伏大的祁連山區(qū)。 按上述聯(lián)合國(guó)荒漠化發(fā)生氣 候類型區(qū)劃分指標(biāo), 項(xiàng)目區(qū)武威市北部和中部地區(qū)都處于荒漠化發(fā)生范圍之內(nèi), 而南部祁連山區(qū)

19、情況 卻較復(fù)雜。 慈龍駿和吳波的中國(guó)荒漠化氣候類型劃分指標(biāo), 因在山區(qū)缺少氣象站, 沒(méi)有進(jìn)行海拔校正, 祁連山區(qū)內(nèi)的分界線明顯不符合實(shí)際, 引起很多爭(zhēng) 議。 通過(guò)分析該區(qū)氣候和荒漠化的特點(diǎn)以及植被分布規(guī)律, 我們認(rèn)為中山以下 (海拔3 000 m 以下) 都應(yīng) 劃入荒漠化區(qū)。因衛(wèi)片原因, 加之天?？h大部分都處于祁連山中高山區(qū), 荒漠化并不典型, 本課題的項(xiàng)目區(qū)未涵蓋該縣。 民勤縣大部屬干旱地區(qū)范圍, 涼州、 古浪二縣區(qū)的祁連山中低山及以下地區(qū)多屬半干旱地區(qū)。中山以下荒漠化區(qū)幾乎覆蓋整個(gè)三縣區(qū)面積。表 1荒漠化氣候類型劃分指標(biāo)氣候類型濕潤(rùn)指數(shù) (M I)極端干旱區(qū)干旱區(qū) 半干旱區(qū)亞濕潤(rùn)干旱區(qū) 亞

20、濕潤(rùn)和濕潤(rùn)區(qū) 0. 655. 2 荒漠化土地類型劃分體系荒漠化土地類型的劃分是荒漠化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),它是根據(jù)荒漠化土地面上信息的相似性而進(jìn)行的類 群歸并。組成荒漠化土地類型的最基本單元是斑塊,同一土地類型的斑塊應(yīng)具較一致的生物、物理特征,不同土地類型的斑塊鑲嵌分布組成占據(jù)一定地理空 間的地理單元。 對(duì)一定時(shí)空范圍內(nèi)各類荒漠化土地斑塊消長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是大、中尺度荒漠化監(jiān)測(cè)的主要工作, 因此, 斑塊也應(yīng)成為區(qū)域荒漠化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ) 單元。 另外, 以斑塊為基礎(chǔ)的土地利用土地覆蓋變化和景觀生態(tài)格局變化分析, 也是研究荒漠化動(dòng)力 學(xué)成因的重要方法?；哪恋仡愋偷膭澐旨炔煌谝话愕耐恋仡?型分類, 也不同于土地

21、利用分類, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者做的工 作還很少。丁國(guó)棟提出采用多層次復(fù)合命名法, 在此基礎(chǔ)上劃分出 14 個(gè)荒漠化土地類型14。 結(jié)合干旱地區(qū)荒漠化發(fā)生、發(fā)展的特點(diǎn)和表現(xiàn)形式, 在考慮荒 漠化發(fā)生的營(yíng)力類型、地表形態(tài)和土地利用方式變 化等的基礎(chǔ)上, 我們初步提出了一個(gè)適合干旱地區(qū)特點(diǎn)的荒漠化土地多級(jí)分類系統(tǒng) ( 表 2) , 第一級(jí)的劃分主要以荒漠化的營(yíng)力類型為依據(jù), 第二級(jí)以土 地利用方式和地表發(fā)展方向?yàn)橐罁?jù), 第三級(jí)的劃分5項(xiàng)目區(qū)荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵技術(shù)荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的建立是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 它不但涉及“3S”技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的一系列技術(shù)問(wèn)題, 又涉及與荒漠化監(jiān)測(cè)相關(guān)的荒漠化分類、評(píng)

22、 價(jià)方法等, 而在荒漠化發(fā)生的不同自然地帶, 這些技 術(shù)和方法的應(yīng)用又有區(qū)別, 因此, 這些技術(shù)或方法目前在我國(guó)乃至全世界多數(shù)國(guó)家還沒(méi)有形成規(guī)范。 下面對(duì)項(xiàng)目區(qū)武威市荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)建立中的關(guān) 鍵技術(shù)進(jìn)行一些探討。5. 1 項(xiàng)目區(qū)荒漠化發(fā)生范圍確定聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約指出, 荒漠化是指包括 氣候變異和人類活動(dòng)在內(nèi)的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)干旱地區(qū)的土地退化, 上述氣候類型區(qū)的劃分采用 T ho rn thw a ite 濕潤(rùn)指數(shù)來(lái)確定 ( 表1) , 規(guī)定荒漠化的發(fā)生范圍為濕潤(rùn)指數(shù)大于 0. 05 和 小于 0. 65 的地區(qū), 即干旱區(qū)、半干旱區(qū)和亞濕潤(rùn)干 旱區(qū), 大于 0. 6

23、5 和小于 0. 05 的區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)極區(qū), 不 屬于荒漠化的發(fā)生范圍。 這一劃分方法已被廣泛接 受。武威市的地形復(fù)雜, 即包括河西走廊的綠洲平 334 遙感技術(shù)與應(yīng)用第 17 卷主要以地表形態(tài)和某些量化因子為依據(jù)。 這一分類系統(tǒng)的制定主要考慮為中、大尺度的荒漠化土地類 型劃分服務(wù), 大多數(shù)地類可以通過(guò) TM 等遙感影像的解譯判定, 少部分需要做實(shí)地調(diào)查和影像的量化分析獲得。 另外, 為方便影像解譯, 也列出了非荒漠化土地的類型。5. 3遙感影像荒漠化特征信息的提取技術(shù)荒漠化特征信息分散于原始影像全部原始波段 中 并與其它非荒漠化信息交錯(cuò)共存, 不僅單波段很表 2 荒漠化土地類型分類系統(tǒng)一級(jí)地類

24、二級(jí)地類三級(jí)地類地類的主要特征沙質(zhì)荒漠化土地流動(dòng)沙 ( 丘) 地半固定沙 ( 丘) 地 固定沙 ( 丘) 地戈壁 輕度退化耕地 中度退化耕地重度退化耕地植被蓋度 10% 的沙地。植被蓋度 10% 30% 的沙地。植被蓋度 30% 50% 的沙地, 包括沙化疏林地。 地表以碎礫石為主、植被蓋度 10% 。坡度 25, 侵蝕嚴(yán)重, 侵蝕溝廣泛發(fā)育。分布在綠洲內(nèi), 季節(jié)性洪水沖積而成, 地表以卵石為主。土壤 0 30 cm 層含鹽量 1. 0% 1. 5% 。 土壤 0 30 cm 層含鹽量 0. 5% 1. 0% 。土壤 0 30 cm 層含鹽量 0. 1% 0. 5% 。土壤 0 30 cm 層

25、含鹽量 1. 5% 2. 0% 。 土壤 0 30 cm 層含鹽量 1. 0% 1. 5% 。 土壤 0 30 cm 層含鹽量 0. 5% 1. 0% 。 蓋度與可食產(chǎn)量下降 23。 蓋度與可食產(chǎn)量下降 12。 蓋度與可食產(chǎn)量下降 13。 荒漠區(qū)低山丘陵地區(qū)。 未退化或鹽漬化的灌耕地。 主要指原始針葉林和次生闊葉林。 山區(qū)灌木蓋度 30% 以上的灌叢地。 主要指片林, 不包括防護(hù)林帶。風(fēng)蝕荒漠化土地礫質(zhì)荒漠化土地退化坡耕地水蝕荒漠化土地干河床地鹽漬化耕地重度鹽漬化土地中度鹽漬化土地 輕度鹽漬化土地重度鹽漬化地 中度鹽漬化地 輕度鹽漬化地重度退化草地 中度退化草地 輕度退化草地低山退化草地 灌耕

26、地 山區(qū)喬木林山區(qū)密灌叢地 綠洲區(qū)喬木林 未退化中高山草地湖泊、水庫(kù) 城鎮(zhèn)、居民點(diǎn) 河道其它鹽漬荒漠化土地其它鹽漬化土地中山退化草地植被退化型荒漠化土地耕地林地非荒漠化土地草地水域 其它主要指永久性水域。包括河道與河漫灘。交通、開(kāi)礦用地等。(1) 荒漠化信息分類提取法12, 13: 該方法把荒漠化信息分為植被和質(zhì)地兩類基本信息, 分別提取。植被信息的提取采用土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù) (SA V I) ; 地 表質(zhì)地信息采用比值圖象法提取, TM 5TM 2 能較好地反映地表水分與鹽分的變化, 而 TM 3TM 1 能 很好地反映地表物質(zhì)的變化, 特別是流沙的信息。這三個(gè)波段的合成有利于反映荒漠化綜合信

27、息。( 2) 纓帽轉(zhuǎn)換法 ( K T ) : K T 轉(zhuǎn)換處理的效果明 顯好于植被指數(shù) (V I)、主成分分析 ( PCA ) 等方法,處理后產(chǎn)生的分別代表亮度、綠度和濕度的三個(gè)獨(dú)特波段15, 不但能敏感地反映沙質(zhì)土地植被蓋度的 變化, 而且也對(duì)判讀各種裸露或半裸露土地的質(zhì)地、水分和鹽漬化程度的變化較敏感。另外, 荒漠化是一個(gè)連續(xù)漸變的過(guò)程, TM 影像 數(shù)值變化的空間頻率太高, 不利于判定某些漸變因難全面、準(zhǔn)確地反映荒漠化特征, 而且由于原始波段間存在較高的相關(guān)性, 簡(jiǎn)單的波段組合也不太利于 識(shí)別復(fù)雜的土地荒漠化特征信息。 影像增強(qiáng)處理的目的是通過(guò)一定的方法增強(qiáng)影像的荒漠化信息, 同時(shí)壓制其

28、它信息, 并把有效信息盡可能地壓縮到較 少的波段中, 從而有利于荒漠化特征的解譯。風(fēng)蝕、水蝕 (坡耕地退化)、鹽漬化、植被退化 (中 低山草場(chǎng)退化) 等荒漠化類型的地表特征, 反映到圖 像上, 除紋理、地貌特征等線狀和形態(tài)信息外 ( 可用TM 4TM 5TM 3 合成解譯) , 面上特征可基本概括 為植被、地表質(zhì)地和水分狀況三類基本信息, 這三類信息的提取構(gòu)成圖像處理的基本目標(biāo)。上述信息的提取有多種方法 , 下面針對(duì) TM 影 像介紹我們基于干旱地區(qū)特點(diǎn)探索出的兩種有效方法。第 6 期高志海等: 基于 3S 技術(shù)的荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究335子如植被蓋度等的變化趨勢(shì), 圖像的斑塊也太碎, 不便

29、于劃分等級(jí)和準(zhǔn)確勾繪, 因此, 在處理過(guò)程前, 首 先需要對(duì)影像進(jìn)行空間處理, 降低影像的空間頻率, 使圖像相鄰像元的灰度值平滑變化, 最常用的方法 是低通濾波處理。5. 4 基于遙感與 G IS 的坡耕地退化 (水蝕荒漠化)評(píng)價(jià)技術(shù)旱耕地的坡度特征導(dǎo)致的水蝕是旱作坡耕地退 化的主要原因, 而坡度本身也是坡耕地荒漠化評(píng)價(jià) 的重要指征。在 G IS 中, 利用 D EM 可以提取原生或次生地 形 模 型16 19, 以 此 來(lái) 定 量 描 述 地 形 的 空 間 變 化 特還不太成熟, 判讀的精度較低, 不適于遙感影像的大范圍復(fù)雜成圖。目前, 最普遍采用的方法是數(shù)字影像 屏幕直接勾繪法10。工

30、作 站 或 W IN DOW SN T 版 A R C IN FO 強(qiáng) 大的圖像顯示以及生成和編輯矢量地圖功能, 能很好地實(shí)現(xiàn)荒漠化特征的分類與成圖。A R C IN FO 的 A R C ED IT 模塊提供了強(qiáng)大圖 形編輯功能。首先修邊并改正錯(cuò)誤, 然后以解譯出的土地類型為基礎(chǔ), 給每一個(gè)斑塊編碼, 最后建立拓?fù)?關(guān)系, 初步形成研究區(qū)域荒漠化土地類型圖。 借助A R C IN FO 的 A R C PL O T 模 塊 編 輯 并 輸 出 地 圖,比例尺控制在 110 萬(wàn) 125 萬(wàn)范圍為宜。 可以 以縣為單位出圖, 也可以全市為單位出圖, 先與道 路、水系圖疊加, 再加注圖例、圖題、圖

31、注等成圖要 素, 最后打印輸出。征。D EM是代表陸地景觀中海拔高度空間分布的一種有序的數(shù)據(jù)集合, 它由不連續(xù)的采樣點(diǎn)高程或由景觀中特定單元的平均高程組成, 記錄了精確的空間三維信息。D EM是以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行6結(jié)語(yǔ)計(jì)算分析的, 基于柵格數(shù)字高程模型提取特征地貌技 術(shù) 是 遙 感 信 息 進(jìn) 入 地 學(xué) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 之一18。 依據(jù) D EM 模型, 根據(jù)一定的算法, 可容易地 獲得對(duì)象區(qū)域的坡度信息。(1) 武威市地處典型溫帶荒漠氣候區(qū), 綠洲邊緣地帶的土地沙化、河流下游土地鹽漬化和中低山 草場(chǎng)的植被退化是荒漠化的主要表現(xiàn)形式。(2) 武威市荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建

32、應(yīng)遵循以下原則: 以“3S”技術(shù)的綜合與集成應(yīng)用為主要技 術(shù)手段, 構(gòu)建以矢量數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的荒漠化空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng), 以滿足中大尺度荒漠化動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)的需要為原則。通過(guò) D EM提取坡度信息的具體方法是: 數(shù)字化地形圖, 建立地形等高線數(shù)字化矢量線圖; 建立空間拓?fù)潢P(guān)系和矢量線圖的地圖投影坐標(biāo)系統(tǒng);對(duì)各矢量線圖進(jìn)行邊緣匹配處理及接邊; 將矢 量 線圖轉(zhuǎn)換成不規(guī)則三角網(wǎng) (T IN ) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 并進(jìn)行空間 插 值; 將 T IN 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 轉(zhuǎn) 換 成 格 網(wǎng) 結(jié) 構(gòu)(L A T T IC E ) ; 對(duì)格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣, 生成柵格D EM 。坡度計(jì)算, 形成坡度圖。然后, 結(jié)

33、合遙感信 息提取獲得的侵蝕數(shù)據(jù)和其他來(lái)源數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)域的荒漠化狀況。( 3)基于 3S 技術(shù)的武威市荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)的獲取和輸入、遙感影像處理和分類成圖、空間數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出等 4 個(gè)子系 統(tǒng)。 這些子系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立, 也相互聯(lián)系, 共同組成 一個(gè)完整的工作大系統(tǒng), 各子系統(tǒng)功能的發(fā)揮都不同程度地依賴支持 3S 系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的各種軟 硬件設(shè)備。(4) 研究提出了適合研究區(qū)荒漠化特點(diǎn)的荒漠 化范圍確定方法、荒漠化土地類型劃分體系、遙感影 像荒漠化信息提取技術(shù)、坡耕地荒漠化評(píng)價(jià)技術(shù)、遙感影像的分類與成圖技術(shù)等, 這是建立項(xiàng)目區(qū)荒漠 化監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。從理論上講

34、, 柵格 D EM底圖比例尺愈大, 柵格單元愈小, 所獲得的地形特征愈接近真實(shí)情況。但是柵格單元過(guò)小, 對(duì)于大范圍的工作, 則受計(jì)算速度及 計(jì)算機(jī)存貯能力的制約。根據(jù)梁天剛16(1998) 研究 的結(jié)果, 對(duì)面積為幾十個(gè)平方公里左右的區(qū)域 (一個(gè)村或一個(gè)鄉(xiāng)) , 選用 11 萬(wàn)的地形圖建立 D EM , 柵 格單元分辨率取 10 m 10 m 或 20 m 20 m 較為適宜; 對(duì)一個(gè)縣 (一般面積大于幾千個(gè)平方公里) , 選用 110 萬(wàn)或 150 萬(wàn)地形圖建立 D EM , 柵格單元 分辨率取 250 m 250 m 或 1 km 1 km 較適宜。5. 5 遙感影像的分類與成圖技術(shù)影像分

35、類的方法主要有非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類 和屏幕解譯勾繪分類 3 種方法, 前兩種方法由于受 影像本身異物同譜和同譜異物現(xiàn)象的影響, 技術(shù)上參考文獻(xiàn):1 慈龍駿. 我國(guó)荒漠化發(fā)生機(jī)理與防治對(duì)策J . 第四紀(jì)研究,1998, ( 2) : 97 107.2 陸詩(shī)雷. 土地荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其技術(shù)路線探討J . 干旱區(qū) 資源與環(huán)境, 1998, 12 ( 3) : 7 13.3 于學(xué)政, 周彥儒. 遙感技術(shù)在沙漠化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用A . 中國(guó) 土地沙質(zhì)荒漠化C . 北京: 科學(xué)出版社, 1994. 336 遙感技術(shù)與應(yīng)用第 17 卷4 劉興文, 姜小光. 不同時(shí)相遙感圖像光機(jī)復(fù)合處理提取土地荒漠化信息研究J

36、. 干旱區(qū)地理, 1996, 19 ( 3) : 1 7.5 馬立鵬, 韓光慶, 李源. TM 影像在河西地區(qū)荒漠化土地調(diào)查 中的應(yīng)用J . 中國(guó)沙漠, 1996, 16 ( 4) : 401 406.6 T uck e r C J , B h a sk a r J. C ho udh u ry, Sa te llite R em o te Sen s2ing o f D ro ugh t Co nd it io n sJ . R em o te Sen s, E nv iro n , 1987,23: 243 251.7 P e te r so n G W , Co uno r s D F

37、, M ille r D A , et a l. A irc raf t andSa te llite R em o te Sen sing o f D e se r t So il and L and scap e sJ . R em o te Sen s E nv iro n , 1987, 32: 253 271.8 王周龍譯. 使用陸地衛(wèi)星 TM 資料圖像變換探測(cè)和識(shí)別各種 沙漠地形特征J . 世界沙漠研究, 1994, ( 4) : 49 53.9 高尚武, 王葆芳, 朱靈益, 等. 中國(guó)沙質(zhì)荒漠化土地監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系J . 林業(yè)科學(xué), 1998, 34 ( 4) : 1 10.10

38、 張玉貴, B ee rnae r t F R , 劉華. TM 影像的計(jì)算機(jī)屏幕解譯與 荒漠化監(jiān)測(cè)J . 林業(yè)科學(xué)研究, 1998, 11 ( 6) : 599 606.11 黃敬峰, 蔣亨顯, 王人潮. 干旱區(qū)土地利用遙感監(jiān)測(cè)研究J .干旱區(qū)研究, 1999, 16 ( 2) : 54 60.12 高志海, 魏懷東, 丁峰. TM 影像 V I 提取植被信息技術(shù)研究J . 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 1998, 12 ( 3) : 98 104.13 高志海, 魏懷東, 丁峰. TM 影像荒漠化土地特征信息的提取J . 中國(guó)沙漠, 1998, 18 ( 增刊 1) : 42 45.14 丁國(guó)棟.

39、荒漠化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究D . 北京林業(yè)大學(xué)博士 學(xué)位論文, 1998.15 C r ist E P , Kau th R J. T h e T a sse led C ap D e2M y st if ied, P ho 2to g ramm e t r ic E ng inee r ing J . R em o te Sen sing,( 1) : 81 86.1986, 5216 梁天剛. G IS 在半干旱區(qū)集水農(nóng)業(yè)水資源評(píng)估中的應(yīng)用研究D . 蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文, 1998.17 丁峰, 高志海, 魏懷東 1D EM 在旱耕地荒漠化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用J . 水土保持學(xué)報(bào), 2000, 1

40、4 ( 3) : 31 35.28 閭國(guó)年, 錢(qián)亞?wèn)|, 陳鐘明 1 基于柵格數(shù)字模型提取特征地貌技 術(shù)研究J . 地理學(xué)報(bào). 1998, 53 ( 6) : 562 568.19 傅伯杰, 汪西林 1D EM 在研究黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕類型和過(guò)程中的應(yīng)用J . 水土保持學(xué)報(bào), 1994, 8 ( 3) : 17 21.Study on D e ser t if ica t ion M on itor in g Sy stem Ba sed on Rem o teSen s in g, G IS an d GPSGA O Zh i2h a i, W E I H u a i2do n g , D IN G F en g(G a n su D e