步 凡，于 航，安 娜

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

康?？h位于河北省西北部，隸屬于張家口市，為華北地區(qū)、尤其是京津地區(qū)的生態(tài)屏障，其土地沙化問(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)得到眾多學(xué)者的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已開(kāi)展采用不同類(lèi)型的遙感數(shù)據(jù)，對(duì)不同地區(qū)土地沙化現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析的研究。但不同學(xué)者采用的遙感數(shù)據(jù)源、定量解譯方法、數(shù)據(jù)源時(shí)相的選取都有所不同，對(duì)于研究區(qū)的土地沙化現(xiàn)狀和變化的結(jié)果具有一定的不確定性。隨著近年來(lái)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳感器和遙感解譯技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)已逐漸成為土地沙化與荒漠化調(diào)查監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方法，基于衛(wèi)星遙感影像開(kāi)展康?？h土地沙化與荒漠化長(zhǎng)時(shí)間序列的調(diào)查監(jiān)測(cè)工作也逐漸成為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的主要手段，系統(tǒng)總結(jié)近年來(lái)的康保縣土地沙化趨勢(shì)開(kāi)展深入分析研究，成為具備現(xiàn)實(shí)意義的科學(xué)問(wèn)題[1]。

本研究利用張家口康保縣地區(qū)1984-2020年間的Landsat-5(TM)和Landsat-8衛(wèi)星影像，基于NDVI(歸一化植被指數(shù))，配合人機(jī)交互解譯進(jìn)行校正，對(duì)康?？h的植被覆蓋情況和沙化土地進(jìn)行提取[2]。從沙化土地面積變化的角度分析了康?？h近40年來(lái)的變化趨勢(shì)，為康保縣的生態(tài)保護(hù)和土地荒漠化治理提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

1 研究區(qū)概況

康?？h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(wàn)(2018年數(shù)據(jù))。根據(jù)近年來(lái)部分學(xué)者調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，河北省土地沙化現(xiàn)象主要集中于北部的張家口市和承德地區(qū)，而康?？h等北部縣區(qū)的土地沙化問(wèn)題在整個(gè)河北省范圍內(nèi)又處于相對(duì)突出的位置，但隨著“三北”防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林、京津風(fēng)沙源治理等重點(diǎn)工程，康保縣的土地沙化現(xiàn)象有所減緩，沙化的趨勢(shì)得到遏制[3]。

2 研究數(shù)據(jù)

本研究搜集了康?？h1984-2020年期間的Landsat-5數(shù)據(jù)(1984年5月)、Landsat-8數(shù)據(jù)(2014年4月、2020年4月)。Landsat-5衛(wèi)星于1984年3月發(fā)射升空，可采集七個(gè)波段的光學(xué)數(shù)據(jù)，最高空間分辨率為30米。Landsat-8衛(wèi)星于于2013年2月發(fā)射升空，其在landsat-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)7個(gè)波段的基礎(chǔ)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(lèi)型為耕地，為了排除因農(nóng)作物在不同時(shí)間內(nèi)的長(zhǎng)勢(shì)不同造成的定量遙感指數(shù)的不同，同時(shí)為了增強(qiáng)年度間數(shù)據(jù)的可比性，本研究的遙感影像拍攝時(shí)間均為4-5月，為保證年度間對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過(guò)處理的遙感影像均采用CGCS2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)[5]。

3 研究方法

3.1 遙感影像的預(yù)處理

遙感影像的預(yù)處理主要采用ENVI軟件完成，主要針對(duì)Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正、影像裁切與增強(qiáng)等。

本研究以搜集的康保縣2018年土地變更調(diào)查影像為參考影像，以SRTM DEM作為高程參考，選取控制點(diǎn)，在待糾正影像選取與參考影像相對(duì)較為明顯的同位置點(diǎn)，例如線(xiàn)性地物的交叉口等，坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正[6]。對(duì)于Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正時(shí)，選取控制點(diǎn)數(shù)量在30個(gè)左右，采用二次多項(xiàng)式、雙線(xiàn)性?xún)?nèi)插的方法。

3.2 植被指數(shù)提取

本研究對(duì)于康?？h的植被提取工作采用自動(dòng)化指數(shù)提取(歸一化植被指數(shù)(NDVI)和人工校正相結(jié)合的方法[7]。首先對(duì)Landsat-5和Landsat-5影像的光譜特征進(jìn)行分析，制定提取規(guī)則，并在定量提取的基礎(chǔ)上，加以人工改正，提高提取精度。

歸一化植被指數(shù)(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(shù)[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(yàn)證

在提取完1984、2014、2020年遙感影像中的康?？h植被指數(shù)后，再基于遙感影像的光學(xué)影像特征，采用人機(jī)交互解譯驗(yàn)證的方法，再扣除居民區(qū)、道路等人工特征地物的影響，最終得到研究區(qū)的土地沙化分布[9-11]。

3.4 土地沙化分級(jí)

依據(jù)《沙化土地監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(GB/T 24255—2009)中沙化土地程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)康?？h土地沙化程度進(jìn)行分級(jí)[12-13]。

(1)輕度沙化土地

植被蓋度≥50%，基本無(wú)風(fēng)沙流活動(dòng)的沙化土地。

(2)中度沙化土地

30%≤植被蓋度<50%，風(fēng)沙流活動(dòng)不明顯的沙化土地。

(3)重度沙化土地

10%≤植被蓋度<30%，風(fēng)沙流活動(dòng)明顯或流沙紋理明顯可見(jiàn)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(jù)上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將康?？h的1984年、2014年、2020年定量化計(jì)算得出的植被覆蓋指數(shù)進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)，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(jié)果分析

根據(jù)1984-2020年康?？h地區(qū)遙感影像，結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)和人工改正的植被覆蓋提取結(jié)果，進(jìn)而分析1984-2020年來(lái)的康保縣沙化土地現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)[15]。

圖1 康?？h土地沙化變化趨勢(shì)(1984-2020)Fig.1 Change trend of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

表1 康?？h不同類(lèi)型沙化土地面積變化趨勢(shì)(1984-2020)

從圖2中可看出康保縣近40年來(lái)土地沙化情況的總體趨勢(shì)，輕度沙化土地面積從1984年的1 063.18 km2持續(xù)上漲，直到2020年，增長(zhǎng)到1 844.08 km2，上漲幅度達(dá)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(tài)基本保持穩(wěn)定，到2020年，中度沙化土地面積基本穩(wěn)定在945.82 km2；重度沙化土地面積從1984年的959.82 km2持續(xù)下降，直到2020年，下降到370.75 km2，下降幅度達(dá)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(xù)下降，直到2020年，下降到51.37 km2，下降幅度達(dá)到75%，減少幅度比較明顯。

圖2 康?？h各類(lèi)型土地沙化情況變化趨勢(shì)(1984-2020)Fig. 2 Change trend of various types of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

從客觀的數(shù)據(jù)來(lái)觀察，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度的加大，通過(guò)三北防護(hù)林的建設(shè)、植樹(shù)造林等工程的建設(shè)，康?？h土地沙化問(wèn)題有了較為明顯的改善，尤其是康?？h南部地區(qū)的改善情況最為明顯。80年代，康保縣南部地區(qū)的土地沙化問(wèn)題較為嚴(yán)重，重度沙化和極重度沙化土地分布較多，北部部分區(qū)域的沙化問(wèn)題也比較突出，但經(jīng)過(guò)近40年的生態(tài)治理和植樹(shù)造林工作，康保縣南部區(qū)域的沙化情況基本得到遏制和恢復(fù)，重度沙化和極重度沙化土地已基本消失，北部地區(qū)的沙化情況也有了很大改善。從2020年的情況來(lái)看，康保縣土地沙化情況較為明顯的區(qū)域主要集中在北部地區(qū)，且分布范圍在逐年減小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)遙感等技術(shù)手段，可以直觀、快速、準(zhǔn)確的估算出研究區(qū)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(qū)土地沙化面積的變化趨勢(shì)，為研究區(qū)的土地資源的保護(hù)、開(kāi)發(fā)利用和土地沙化的防治提供科學(xué)支撐。同時(shí)，以研究區(qū)土地沙化現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)為樣板，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感監(jiān)測(cè)工作，可以監(jiān)測(cè)其他區(qū)域土地資源和土地沙化的現(xiàn)狀和歷史變遷情況。在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)日益重要、生態(tài)保護(hù)力度日趨加大的背景下，遙感技術(shù)為土地沙化等生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管提供了客觀的科學(xué)手段。