基于landsa遙感影像的中國(guó)北方沙漠化土地現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

中國(guó)是世界上受沙漠化影響最大的國(guó)家之一。沙漠化是指干旱、半干旱和部分半濕潤(rùn)地區(qū)，由于人地關(guān)系不協(xié)調(diào)，沙活動(dòng)主要表現(xiàn)為沙地退化。沙漠化對(duì)環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響受到普遍關(guān)注,20世紀(jì)末中國(guó)沙漠化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年約為1281.41億元。長(zhǎng)期以來(lái),中國(guó)在防治沙漠化方面做出了許多的努力,1994年簽署了《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》(UNCCD),2002年實(shí)施了《防沙治沙法》,并投入巨資開(kāi)展“三北”防護(hù)林工程、“退耕還林(草)”工程、“生態(tài)環(huán)境建設(shè)”工程等,取得了較好的結(jié)果。當(dāng)然,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的宏觀管理,更好地實(shí)施沙漠化防治戰(zhàn)略,還需要掌握沙漠化土地現(xiàn)狀和發(fā)展/逆轉(zhuǎn)過(guò)程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。王濤等通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)以及野外調(diào)查的手段統(tǒng)計(jì)和分析指出,20世紀(jì)50年代末至70年代中期,中國(guó)北方沙漠化土地以年均1560km2的速度發(fā)展;在對(duì)北方250萬(wàn)km2范圍內(nèi)進(jìn)行的遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)果表明,北方沙漠化土地自50年代后期到2000年一直處于加速發(fā)展的態(tài)勢(shì),沙漠化土地年均發(fā)展速率1976年到1988年為2100km2,1988年到2000年之間達(dá)到3600km2,而21世紀(jì)初大約每年以1280km2的速度在減少。雖然過(guò)去的相關(guān)研究給出了中國(guó)沙漠化發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)的數(shù)據(jù),但是由于遙感信息源、監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)范圍的不同,對(duì)不同時(shí)期和不同地區(qū)沙漠化土地發(fā)展趨勢(shì)還是缺乏全局和系統(tǒng)的分析,也會(huì)出現(xiàn)對(duì)制定防治沙漠化的對(duì)策與行動(dòng)計(jì)劃認(rèn)識(shí)的不確定性。因此,為了認(rèn)識(shí)中國(guó)北方沙漠化土地發(fā)展趨勢(shì)和時(shí)空差異并探討其影響因素,為國(guó)家相關(guān)部門(mén)和不同地區(qū)制定沙漠化防治規(guī)劃和決策提供合理依據(jù),就需要在大面積、同步、多時(shí)相信息源的支持下,結(jié)合地面大量調(diào)查數(shù)據(jù),利用同一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沙漠化土地狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行高精度的評(píng)估和監(jiān)測(cè)。本研究以近35a來(lái)中國(guó)北方約565萬(wàn)km2沙漠化可能發(fā)生區(qū)的5期LandsatMSS、TM/ETM遙感數(shù)據(jù)為主要信息源,通過(guò)目視解譯方法提取不同時(shí)期沙漠化土地現(xiàn)狀數(shù)據(jù),在GIS空間分析支持下對(duì)其發(fā)展/逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的量化分析和評(píng)估。1沙漠荒漠化地分類(lèi)和信息提取1.1沙漠化土地類(lèi)型內(nèi)各因子分析沙漠化土地的地表景觀特征主要是地表風(fēng)沙活動(dòng)的出現(xiàn)及其所造成的流沙或風(fēng)蝕劣地,主要表現(xiàn)為流動(dòng)沙丘所占比例上升和植被覆蓋度降低以及土壤粗化等特征。依據(jù)當(dāng)前遙感手段所能提取信息的能力,沙漠化土地地表形態(tài)、植被及自然景觀等特征,結(jié)合已有的研究成果和成熟方法,本研究中仍采用將沙漠化土地按程度分為輕度、中度\,重度和嚴(yán)重4級(jí),按沙漠化發(fā)生成因類(lèi)型分為沙丘活化或流沙入侵、灌叢沙漠化、礫質(zhì)沙漠化、風(fēng)蝕劣地化和旱地農(nóng)田耕作沙漠化5種類(lèi)型。沙漠化信息提取時(shí),主要以在遙感影像上能識(shí)別和提取的信息如流沙面積比例、植被蓋度和土地景觀特征等作為主要指標(biāo),判定土地沙漠化的類(lèi)型和程度。1.2沙漠化成因沙漠化受氣候變化和人為因素等影響,有著正逆過(guò)程的轉(zhuǎn)變,不同時(shí)期、不同區(qū)域尺度的沙漠化成因是有差異的。根據(jù)一定時(shí)段內(nèi)沙漠化土地變化情況,沙漠化土地的發(fā)展方向和程度可分為不同動(dòng)態(tài)類(lèi)型(表1),主要表現(xiàn)為沙漠化發(fā)展和逆轉(zhuǎn)兩種方向,同時(shí)根據(jù)沙漠化土地轉(zhuǎn)變性質(zhì)變化分為新增或者減少和沙漠化程度加重或者減輕動(dòng)態(tài)類(lèi)型。1.3兩種數(shù)據(jù)的比較根據(jù)Landsat遙感數(shù)據(jù)的可獲取性,選用的數(shù)據(jù)源主要是:1975年左右的MSS數(shù)據(jù);1990年、2005年和2010年為主的TM數(shù)據(jù);2000年為主的ETM數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)基本反映出了近35a來(lái)中國(guó)北方地區(qū)的沙漠化土地狀況。首選2000年代的ETM數(shù)據(jù),以1∶10萬(wàn)地形圖為地理參考依據(jù),每景選取40個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行糾正;然后其余年度的數(shù)據(jù)以2000年代的正射影像為參考影像,通過(guò)影像對(duì)影像的方式進(jìn)行糾正。糾正后的影像統(tǒng)一采用Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線(xiàn)等面積投影。1.4leearth影像方法本次沙漠化土地的解譯是以微機(jī)為硬件支持平臺(tái),以4、3和2波段為主,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成后按作業(yè)人員分成不同作業(yè)區(qū),分片人機(jī)交互解譯提取信息。解譯時(shí),同時(shí)結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和GoogleEarth影像,將多重信息進(jìn)行空間配準(zhǔn)比較,依據(jù)已建立的解譯標(biāo)志,按照1∶10萬(wàn)比例尺制圖綜合標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用地學(xué)綜合分析法和相關(guān)分析法判定沙漠化土地的邊界和屬性,生成的沙漠化土地類(lèi)型線(xiàn)劃界經(jīng)查錯(cuò)修改后建立拓?fù)潢P(guān)系。將全區(qū)數(shù)據(jù)拼接生成圖形數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)行疊加生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),最后進(jìn)行各類(lèi)沙漠化土地的面積量算匯總。該方法獲取的沙漠化土地?cái)?shù)據(jù),不僅有圖形庫(kù),還有與之相應(yīng)配準(zhǔn)的圖像庫(kù)和屬性庫(kù)。這樣就可以在同一標(biāo)準(zhǔn),同一體系下做動(dòng)態(tài)分析,避免不同期數(shù)據(jù)庫(kù)間標(biāo)準(zhǔn)和體系不同引起的誤差,使動(dòng)態(tài)分析的精度、可比性和可靠性度大為提高。220沙漠化土地情況中國(guó)北方土地沙漠化主要發(fā)生于包括內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、新疆、青海、西藏、陜西、山西、河北、吉林、遼寧和黑龍江等部分地區(qū)在內(nèi)的北方干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)(圖1),其中賀蘭山以東地區(qū)的沙地基本上是古沙丘活化而成,除烏蘭布和沙漠和庫(kù)布齊沙漠的大面積流動(dòng)沙地外,都認(rèn)為是沙漠化土地。本次監(jiān)測(cè)表明,2010年中國(guó)北方沙漠化土地達(dá)到37.59萬(wàn)km2,其中輕度沙漠化土地12.71萬(wàn)km2,占沙漠化土地面積的33.80%;中度沙漠化土地8.58萬(wàn)km2,占22.84%;重度沙漠化土地8.33萬(wàn)km2,占22.16%;嚴(yán)重沙漠化土地面積7.97萬(wàn)km2,占21.21%。按沙漠化土地成因類(lèi)型分,沙丘活化或流沙入侵形成的沙漠化土地面積有8.97萬(wàn)km2,占沙漠化土地總面積的23.86%;灌叢沙漠化面積有18.49萬(wàn)km2,占總面積的49.18%;礫質(zhì)沙漠化、風(fēng)蝕劣地化的面積有6.70萬(wàn)km2,占總面積的17.81%;旱地農(nóng)田耕作沙漠化面積有3.44萬(wàn)km2,占總面積的9.15%。3前35年土地荒漠化的發(fā)展趨勢(shì)3.11沙漠化土地情況近15a間,土地沙漠化主要發(fā)生在中東部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),尤其是毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地及科爾沁沙地,沙漠化土地比較嚴(yán)重;而沙漠化逆轉(zhuǎn)主要發(fā)生在草原和干旱區(qū)的局部地段(圖2,表2)。總體上新增沙漠化土地36890.99km2,主要以輕度沙漠化土地為主,占新增沙漠化土地的42.21%,其余依次是中度占26.03%,重度占19.62%,嚴(yán)重占12.14%。減少沙漠化土地3052.65km2,與新增沙漠化土地相反,減少的沙漠化土地主要是嚴(yán)重沙漠化土地,占減少總量的53.46%,其余依次是重度占20.07%,輕度占13.64%,中度占12.82%。兩者綜合結(jié)果是:沙漠化土地凈增加33838.32km2,年均凈增加2255.89km2;沙漠化程度加重41662.48km2,減輕8383.20km2,凈加重面積33279.28km2。綜合兩者變化,沙漠化發(fā)展78553.47km2,逆轉(zhuǎn)11435.85km2,沙漠化發(fā)展凈面積67117.62km2,年均凈發(fā)展4474.51km2(表2)。3.21沙漠化土地情況近10a間,土地沙漠化主要發(fā)生在內(nèi)蒙古東部蘇尼特草原和呼倫貝爾草原;而渾善達(dá)克沙地、毛烏素沙地、科爾沁沙地已經(jīng)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)(圖3,表2)。總體上中國(guó)北方新增沙漠化土地41313.91km2,主要以輕度沙漠化土地為主,占新增沙漠化土地的59.33%,其余依次是中度占20.58%,嚴(yán)重占10.14%,重度占9.95%。沙漠化土地減少6899.00km2,與新增沙漠化土地相反,減少的沙漠化土地主要是嚴(yán)重沙漠化土地,占減少總量的48.94%,其余依次是重度占24.60%,中度占15.49%,輕度占10.98%。兩者綜合結(jié)果是:沙漠化土地凈增加34414.91km2,年均凈增加3441.49km2;沙漠化程度加重39744.64km2,減輕20458.94km2,凈加重面積19285.70km2。綜合兩者變化,沙漠化發(fā)展81058.55km2,逆轉(zhuǎn)27357.94km2,沙漠化發(fā)展凈面積53700.61km2,年均凈發(fā)展5370.06km2。3.32沙漠化土地情況近5a間,土地沙漠化主要發(fā)生在沙漠周邊及荒漠草地的局部地段,農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的草地則出現(xiàn)大面積逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)(圖4,表2)?？傮w上,中國(guó)北方新增沙漠化土地457.33km2,主要以重度沙漠化土地為主,占新增沙漠化土地面積的45.74%,其余依次是嚴(yán)重占19.95%,中度占18.32%,輕度占15.99%。減少的沙漠化土地8633.73km2,減少的沙漠化土地主要是輕度沙漠化土地,占減少總量的35.62%,其余依次是中度占24.71%,嚴(yán)重占22.86%,重度占16.80%。兩者綜合結(jié)果是:沙漠化土地凈減少8176.41km2,年均凈減少1635.28km2;沙漠化程度加重3797.15km2,減輕45975.85km2,減輕凈面積42178.70km2。綜合兩者變化,沙漠化發(fā)展4254.48km2,逆轉(zhuǎn)54609.59km2,沙漠化逆轉(zhuǎn)凈面積50355.11km2,年均凈逆轉(zhuǎn)10071.02km2。3.42沙漠化土地情況近5a間,在農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)草地的局部地段發(fā)生土地沙漠化,而沙漠化土地逆轉(zhuǎn)與前5a一樣也大面積出現(xiàn)在農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)草地(圖5,表2)?？傮w上,中國(guó)北方新增沙漠化土地429.75km2,不同程度新增沙漠化土地所占比例分別為輕度占5.98%,中度占15.53%,重度占55.62%,嚴(yán)重占22.88%。減少的沙漠化土地6001.51km2,減少的沙漠化土地主要是輕度沙漠化土地,占減少總量的45.87%,其余依次是中度占22.06%,重度占16.97%,嚴(yán)重占15.10%。兩者綜合結(jié)果是:沙漠化土地凈減少5571.76km2,年均凈減少1114.35km2;沙漠化程度加重7596.87km2,減輕39786.18km2,凈減輕32189.32km2。綜合兩者變化,沙漠化發(fā)展8026.61km2,逆轉(zhuǎn)45787.69km2,沙漠化凈逆轉(zhuǎn)面積37761.08km2,年均凈逆轉(zhuǎn)7552.21km2。4中國(guó)北方土地沙漠化監(jiān)測(cè)的基本態(tài)勢(shì)以往對(duì)沙漠化面積的不同認(rèn)識(shí),主要源于監(jiān)測(cè)方法、范圍及數(shù)據(jù)源的不同。本次利用同一數(shù)據(jù)源,通過(guò)對(duì)比方法建立的中國(guó)北方沙漠化發(fā)生區(qū)沙漠化土地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),不但掌握了沙漠化