李悅暉

武漢大學遙感信息工程學院

基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動態(tài)變化研究
——以北京市延慶區(qū)為例

李悅暉

武漢大學遙感信息工程學院

土地沙漠化是當今世界共同面臨的重要環(huán)境問題之一，北京處于狼山風口和古北口風口的要沖，風沙危害不僅嚴重制約著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，而且嚴重影響首都功能的正常發(fā)揮，危及到首都北京的國際聲望和城市形象。本文基于Albedo-NDVI特征空間法對沙漠地區(qū)進行變化檢測實現(xiàn)荒漠化時空分布與動態(tài)變化的定量監(jiān)測與研究。研究發(fā)現(xiàn)，北京市延慶區(qū)極度荒漠化面積從1999年-2007年呈先減少后增加趨勢；重度荒漠化面積從1999年-2007年呈先增多后減少趨勢；中度荒漠化面積從1999年-2007年呈逐漸減少趨勢；輕度荒漠化面積從1999年-2007年變化不大；無荒漠化面積從1999年-2007年呈減少趨勢?；贏lbe?do-NDVI特征空間法的北京市延慶區(qū)沙漠化動態(tài)變化研究對改善北京及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境意義重大。

NDVI；Albedo；沙漠化；動態(tài)監(jiān)測

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)以及風沙互動為主要標志的土地退化現(xiàn)象[1]。土地沙漠化是當今世界共同面臨的重要環(huán)境問題之一[2]。北京處于狼山風口和古北口風口的要沖，在風口的下風地帶，形成了康莊至南口、潮白河谷和永定河谷三條風廊。風廊控制范圍內(nèi)形成了若干風沙危害區(qū)，其中風沙危害嚴重的地區(qū)有5處，即康莊地區(qū)、南口地區(qū)、永定河沿岸、潮白河沿岸和大沙河沿岸。這些地區(qū)土地瘩薄，植被稀疏，無風一片沙，有風地搬家。風沙危害不僅嚴重制約著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，而且嚴重影響首都功能的正常發(fā)揮，危及到首都北京的國際聲望和城市形象。雖然北京從80年代開始，先后被納入到三北防護林建設工程、京津風沙源治理工程和退耕還林還草工程中來，但是生態(tài)修復工作還存在許多問題，必須加快本區(qū)生態(tài)修復進度，遏制風沙危害，扭轉生態(tài)環(huán)境急劇惡化的被動局面，盡快改善北京及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

沙漠地區(qū)的變化檢測的主要方法有人工目視解譯、監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、決策樹分類等方法，這些方法需要較多人工交互；采用NOAA荒漠化監(jiān)測指標體系通過MSAVI、植被覆蓋度、反照率、地表溫度等指標提取沙漠地區(qū)的研究方法，檢測結果與實際情況差距較大，不適用于延慶區(qū)沙漠變化檢測。通過查閱資料及對比，本文確定了一種自動化變化檢測的分析方法：基于Albedo-NDVI特征空間法。該方法可以對沙漠地區(qū)進行變化檢測，利用植被指數(shù)和地表反照率的組合信息，通過選擇反映荒漠化程度的合理指數(shù)，將不同荒漠化土地有效地加以區(qū)分，從而實現(xiàn)荒漠化時空分布與動態(tài)變化的定量監(jiān)測與研究。

1 研究區(qū)域概況

延慶區(qū)位于北京西北80公里處，是內(nèi)蒙古風沙侵襲北京的主要沙塵源地和風口之一。延慶區(qū)屬大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，盆地年平均溫度8.5℃，多年平均降雨量為0.469m。受河北壩上及內(nèi)蒙古高原氣流影響，風力較大，年平均風速為5.1m/s，≥17m/s的風速出現(xiàn)幾十次，極端最大風速達24m/s，主風方向為西南風向、西風向，沙塵暴最長天數(shù)為3.5天（表1）。

表1 延慶區(qū)自然狀況概況

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選擇Landsat-5 TM影像為源數(shù)據(jù)。6月份北京植物繁茂，植被與土地便于區(qū)分。因此，以1999年、2003年、2007年6月份30m分辨率的無云或少云影像分析北京市延慶區(qū)的沙漠化動態(tài)特征。

2.2 影像預處理

（1）裁剪：為簡化影像處理過程，根據(jù)北京市延慶區(qū)的矢量邊界對原始影像裁剪，對得到的研究區(qū)TM影像用于后續(xù)處理。

（2）輻射定標：為建立遙感傳感器的數(shù)字量化輸出值DN與其所對應視場中輻射亮度值之間的定量關系，利用ENVI軟件依據(jù)Landsat-5的標準公式對裁剪后的影像進行輻射定標，將表現(xiàn)反射率值小于0的統(tǒng)一賦值為0、將表現(xiàn)反射率值大于1的統(tǒng)一賦值為1[3]。

（3）影像配準：為使研究區(qū)TM影像與數(shù)字高程模型（DEM）影像具有相同的地理投影，在地形圖中選擇控制點應用多項式校正模型進行配準[3]。

（4）大氣校正：為消除接收到的光譜反射率受到的大氣干擾獲得真實反射率[3]，可以應用FLAASH模型進行大氣校正。本研究應用已有的大氣模型及氣溶膠類型，利用輻射定標后的輻射亮度值進行大氣校正[4]。

2.3 沙漠化信息動態(tài)分析方法

Albedo一NDVI特征空間中，不同地表覆蓋在該特征空間具有顯著的分異規(guī)律，全裸地、低植被覆蓋地、高植被覆蓋地和水體可以很好地加以區(qū)分。圖1為Albedo-NDVI特征空間的示意圖，實線部分A點代表干旱裸土；B點則代表富水裸土；C點表示高植被覆蓋度低土壤含水量；D點表示高植被蓋度高土壤含水量；A-C邊代表高反照率線，反映干旱狀況；B-D邊為低反照率線，表示地表水分充足。E點表示低地表反照率低植被覆蓋度，B-D邊以下部分表示為水體。

2.3.1 NDVI-Albedo特征空間構建

Albedo-NDVI特征空間能反映實際的地表覆蓋分布狀況。如果在代表荒漠化變化趨勢的垂直方向上劃分Albedo-NDVI特征空間，可以將不同的荒漠化土地有效地區(qū)分開來。而垂線方向在Albedo-NDVI特征空間的位置可以用特征空間中簡單的二元線性多項式加以表達。

2.3.2 植被指數(shù)提取

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是綠色植物的靈敏指示參數(shù)，可用于計算植被覆蓋度[4]。以其為指示因子探究植被生長狀態(tài)被廣泛應用于區(qū)域植被覆蓋度及變化過程研究中[5]。本文利用ENVI中ND?VI Calculation Parameters工具，獲取NDVI或者地表反照率（Albe?do）的最大最小值，利用歸一化公式，在Band Math中進行歸一化計算。歸一化公式：

式中：N為NDVI值，NDVImin為植被指數(shù)最小值，NDVImax為植被指數(shù)最大值；A為地表反照率，Albedomin為地表反照率最小值，Albedomax為地表反照率最大值。

2.3.3 地表反照率（Albedo）反演

根據(jù)利用Liang建立的landsat-TM數(shù)據(jù)的反演模型估算研究區(qū)地表反照率。反演模型：

式中：Albedo為地表反照率。

2.3.4 計算NDVI與Albedo的定量關系

經(jīng)專家學者研究NDVI與Albedo之間存在著一種負相關的線性關系。隨著荒漠化程度的增加，植被指數(shù)（NDVI）逐漸減少，而地表反照率則逐漸增加。不同沙漠化土地類型對應的植被指數(shù)（NDVI）和地表反照率（Albedo）具有顯著的線性負相關性。

在Albedo-NDVI特征空間中，荒漠化過程得到了明顯的反映。為了找到兩者之間的定量關系，需要分別找出NDVI和Albe?do對應的兩組數(shù)據(jù)，利用這兩組數(shù)據(jù)進行回歸擬合出一個關系式（式4）。通過在圖像上隨機選擇ROI點，獲取其NDVI和Albedo值進行線性擬合兩者的定量關系，繪制散點圖，得到線性回歸方程、擬合度、回歸系數(shù)。

2.3.5 荒漠化差值指數(shù)的計算

荒漠化差值指數(shù)表達式為二元線性多項式。表達式：

2.3.6 荒漠化分級信息提取與制圖

自然間斷點分級法是基于統(tǒng)計學的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點，能夠使各級的內(nèi)部方差之和最小，并制圖輸出。提取延慶區(qū)荒漠化變化信息，可將荒漠化分級指數(shù)（DDI）圖像數(shù)據(jù)（圖2）加載到ArcMAP中，通過空間分析工具重分類，基于自然間斷點分級法提取延慶區(qū)荒漠化變化信息（圖3）。

3 結果分析

表2 延慶區(qū)1999、2003、2007年土地荒漠化面積

3.1 沙漠化土地面積變化

北京市延慶區(qū)極度荒漠化面積，2007最多，為363.45km2；2003年最少為26.23km2（表2）。重度荒漠化面積，2003年最多，為530.89km2；1999年最少，為347.53km2。中度荒漠化面積，1999年最多，為419.11km2；2007年最多，為391.15km2。輕度荒漠化面積，2003年最多為562.63km2；2007年最少為481.24km2。無荒漠化面積，1999年最多，為522.67km2；2007年最少，為402.65km2（表2）。

3.2 沙漠化土地空間動態(tài)變化

2003年延慶區(qū)中部荒漠化程度較1999年減輕，東南偏中部邊界上荒漠化程度加重。2007年較2003年荒漠化變化與2003年較1999年相反，東南偏中部邊界上荒漠化程度減輕，中部荒漠化程度加重。2007年較1999年荒漠化程度加重，主要集中在延慶區(qū)中部（圖3）。

4 結果與討論

北京市延慶區(qū)極度荒漠化面積從1999年-2007年呈先減少后增加趨勢；重度荒漠化面積從1999年-2007年呈先增多后減少趨勢；中度荒漠化面積從1999年-2007年呈逐漸減少趨勢；輕度荒漠化面積從1999年-2007年變化不大；無荒漠化面積從1999年-2007年呈減少趨勢。由于2002年冬季至2003年春季北方地區(qū)降水量較常年明顯偏多，北京周邊地區(qū)的主要沙源地一直被積雪覆蓋植被覆蓋度擴大,有效抑制了沙塵天氣的形成，使得2003年延慶區(qū)極度荒漠化面積驟降，這說明植被覆蓋度的擴大能有效改善沙漠化狀態(tài)。北京市延慶區(qū)沙漠化趨勢總體呈下降趨勢。基于Albedo-NDVI特征空間法的北京市延慶區(qū)的沙漠化動態(tài)變化研究對改善北京及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境意義重大。

[1]王濤.我國沙漠化研究的若干問題[J].中國沙漠，2003年，23卷、477-482

[2]張嚴俊.中亞地區(qū)土地沙漠化遙感監(jiān)測-以土庫曼斯坦為例[J].干旱區(qū)地理，2013，724-730

[3]王翠平.利用NDVI-Albedo反演廈門后溪流域地表特征[J].環(huán)境科學與技術，2011年，179-183

[4]朱自娟.庫姆塔格沙漠及周邊地表覆被變化監(jiān)測[J].水土保持通報，2015年，131-135

[5]張雪艷.蒙古高原NDVI的空間格局及空間分異[J].地理研究,2009年，10-19

李悅暉（1996-），女，北京人，武漢大學遙感信息工程學院本科在讀。