基于NDVI-Albedo特征空间的沙漠化动态变化研究——以北京市延庆区为例

李悦晖

武汉大学遥感信息工程学院

基于NDVI-Albedo特征空间的沙漠化动态变化研究
——以北京市延庆区为例

李悦晖

武汉大学遥感信息工程学院

土地沙漠化是当今世界共同面临的重要环境问题之一，北京处于狼山风口和古北口风口的要冲，风沙危害不仅严重制约着当地经济的发展，而且严重影响首都功能的正常发挥，危及到首都北京的国际声望和城市形象。本文基于Albedo-NDVI特征空间法对沙漠地区进行变化检测实现荒漠化时空分布与动态变化的定量监测与研究。研究发现，北京市延庆区极度荒漠化面积从1999年-2007年呈先减少后增加趋势；重度荒漠化面积从1999年-2007年呈先增多后减少趋势；中度荒漠化面积从1999年-2007年呈逐渐减少趋势；轻度荒漠化面积从1999年-2007年变化不大；无荒漠化面积从1999年-2007年呈减少趋势。基于Albe⁃do-NDVI特征空间法的北京市延庆区沙漠化动态变化研究对改善北京及其周边地区的生态环境意义重大。

NDVI；Albedo；沙漠化；动态监测

沙漠化是干旱、半干旱及部分半湿润地区以及风沙互动为主要标志的土地退化现象[1]。土地沙漠化是当今世界共同面临的重要环境问题之一[2]。北京处于狼山风口和古北口风口的要冲，在风口的下风地带，形成了康庄至南口、潮白河谷和永定河谷三条风廊。风廊控制范围内形成了若干风沙危害区，其中风沙危害严重的地区有5处，即康庄地区、南口地区、永定河沿岸、潮白河沿岸和大沙河沿岸。这些地区土地瘩薄，植被稀疏，无风一片沙，有风地搬家。风沙危害不仅严重制约着当地经济的发展，而且严重影响首都功能的正常发挥，危及到首都北京的国际声望和城市形象。虽然北京从80年代开始，先后被纳入到三北防护林建设工程、京津风沙源治理工程和退耕还林还草工程中来，但是生态修复工作还存在许多问题，必须加快本区生态修复进度，遏制风沙危害，扭转生态环境急剧恶化的被动局面，尽快改善北京及其周边地区的生态环境。

沙漠地区的变化检测的主要方法有人工目视解译、监督分类、非监督分类、决策树分类等方法，这些方法需要较多人工交互；采用NOAA荒漠化监测指标体系通过MSAVI、植被覆盖度、反照率、地表温度等指标提取沙漠地区的研究方法，检测结果与实际情况差距较大，不适用于延庆区沙漠变化检测。通过查阅资料及对比，本文确定了一种自动化变化检测的分析方法：基于Albedo-NDVI特征空间法。该方法可以对沙漠地区进行变化检测，利用植被指数和地表反照率的组合信息，通过选择反映荒漠化程度的合理指数，将不同荒漠化土地有效地加以区分，从而实现荒漠化时空分布与动态变化的定量监测与研究。

1 研究区域概况

延庆区位于北京西北80公里处，是内蒙古风沙侵袭北京的主要沙尘源地和风口之一。延庆区属大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，盆地年平均温度8.5℃，多年平均降雨量为0.469m。受河北坝上及内蒙古高原气流影响，风力较大，年平均风速为5.1m/s，≥17m/s的风速出现几十次，极端最大风速达24m/s，主风方向为西南风向、西风向，沙尘暴最长天数为3.5天（表1）。

表1 延庆区自然状况概况

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文选择Landsat-5 TM影像为源数据。6月份北京植物繁茂，植被与土地便于区分。因此，以1999年、2003年、2007年6月份30m分辨率的无云或少云影像分析北京市延庆区的沙漠化动态特征。

2.2 影像预处理

（1）裁剪：为简化影像处理过程，根据北京市延庆区的矢量边界对原始影像裁剪，对得到的研究区TM影像用于后续处理。

（2）辐射定标：为建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应视场中辐射亮度值之间的定量关系，利用ENVI软件依据Landsat-5的标准公式对裁剪后的影像进行辐射定标，将表现反射率值小于0的统一赋值为0、将表现反射率值大于1的统一赋值为1[3]。

（3）影像配准：为使研究区TM影像与数字高程模型（DEM）影像具有相同的地理投影，在地形图中选择控制点应用多项式校正模型进行配准[3]。

（4）大气校正：为消除接收到的光谱反射率受到的大气干扰获得真实反射率[3]，可以应用FLAASH模型进行大气校正。本研究应用已有的大气模型及气溶胶类型，利用辐射定标后的辐射亮度值进行大气校正[4]。

2.3 沙漠化信息动态分析方法

Albedo一NDVI特征空间中，不同地表覆盖在该特征空间具有显著的分异规律，全裸地、低植被覆盖地、高植被覆盖地和水体可以很好地加以区分。图1为Albedo-NDVI特征空间的示意图，实线部分A点代表干旱裸土；B点则代表富水裸土；C点表示高植被覆盖度低土壤含水量；D点表示高植被盖度高土壤含水量；A-C边代表高反照率线，反映干旱状况；B-D边为低反照率线，表示地表水分充足。E点表示低地表反照率低植被覆盖度，B-D边以下部分表示为水体。

2.3.1 NDVI-Albedo特征空间构建

Albedo-NDVI特征空间能反映实际的地表覆盖分布状况。如果在代表荒漠化变化趋势的垂直方向上划分Albedo-NDVI特征空间，可以将不同的荒漠化土地有效地区分开来。而垂线方向在Albedo-NDVI特征空间的位置可以用特征空间中简单的二元线性多项式加以表达。

2.3.2 植被指数提取

归一化植被指数（NDVI）是绿色植物的灵敏指示参数，可用于计算植被覆盖度[4]。以其为指示因子探究植被生长状态被广泛应用于区域植被覆盖度及变化过程研究中[5]。本文利用ENVI中ND⁃VI Calculation Parameters工具，获取NDVI或者地表反照率（Albe⁃do）的最大最小值，利用归一化公式，在Band Math中进行归一化计算。归一化公式：

式中：N为NDVI值，NDVImin为植被指数最小值，NDVImax为植被指数最大值；A为地表反照率，Albedomin为地表反照率最小值，Albedomax为地表反照率最大值。

2.3.3 地表反照率（Albedo）反演

根据利用Liang建立的landsat-TM数据的反演模型估算研究区地表反照率。反演模型：

式中：Albedo为地表反照率。

2.3.4 计算NDVI与Albedo的定量关系

经专家学者研究NDVI与Albedo之间存在着一种负相关的线性关系。随着荒漠化程度的增加，植被指数（NDVI）逐渐减少，而地表反照率则逐渐增加。不同沙漠化土地类型对应的植被指数（NDVI）和地表反照率（Albedo）具有显著的线性负相关性。

在Albedo-NDVI特征空间中，荒漠化过程得到了明显的反映。为了找到两者之间的定量关系，需要分别找出NDVI和Albe⁃do对应的两组数据，利用这两组数据进行回归拟合出一个关系式（式4）。通过在图像上随机选择ROI点，获取其NDVI和Albedo值进行线性拟合两者的定量关系，绘制散点图，得到线性回归方程、拟合度、回归系数。

2.3.5 荒漠化差值指数的计算

荒漠化差值指数表达式为二元线性多项式。表达式：

2.3.6 荒漠化分级信息提取与制图

自然间断点分级法是基于统计学的Jenk最优化法得出的分界点，能够使各级的内部方差之和最小，并制图输出。提取延庆区荒漠化变化信息，可将荒漠化分级指数（DDI）图像数据（图2）加载到ArcMAP中，通过空间分析工具重分类，基于自然间断点分级法提取延庆区荒漠化变化信息（图3）。

3 结果分析

表2 延庆区1999、2003、2007年土地荒漠化面积

3.1 沙漠化土地面积变化

北京市延庆区极度荒漠化面积，2007最多，为363.45km2；2003年最少为26.23km2（表2）。重度荒漠化面积，2003年最多，为530.89km2；1999年最少，为347.53km2。中度荒漠化面积，1999年最多，为419.11km2；2007年最多，为391.15km2。轻度荒漠化面积，2003年最多为562.63km2；2007年最少为481.24km2。无荒漠化面积，1999年最多，为522.67km2；2007年最少，为402.65km2（表2）。

3.2 沙漠化土地空间动态变化

2003年延庆区中部荒漠化程度较1999年减轻，东南偏中部边界上荒漠化程度加重。2007年较2003年荒漠化变化与2003年较1999年相反，东南偏中部边界上荒漠化程度减轻，中部荒漠化程度加重。2007年较1999年荒漠化程度加重，主要集中在延庆区中部（图3）。

4 结果与讨论

北京市延庆区极度荒漠化面积从1999年-2007年呈先减少后增加趋势；重度荒漠化面积从1999年-2007年呈先增多后减少趋势；中度荒漠化面积从1999年-2007年呈逐渐减少趋势；轻度荒漠化面积从1999年-2007年变化不大；无荒漠化面积从1999年-2007年呈减少趋势。由于2002年冬季至2003年春季北方地区降水量较常年明显偏多，北京周边地区的主要沙源地一直被积雪覆盖植被覆盖度扩大,有效抑制了沙尘天气的形成，使得2003年延庆区极度荒漠化面积骤降，这说明植被覆盖度的扩大能有效改善沙漠化状态。北京市延庆区沙漠化趋势总体呈下降趋势。基于Albedo-NDVI特征空间法的北京市延庆区的沙漠化动态变化研究对改善北京及其周边地区的生态环境意义重大。

[1]王涛.我国沙漠化研究的若干问题[J].中国沙漠，2003年，23卷、477-482

[2]张严俊.中亚地区土地沙漠化遥感监测-以土库曼斯坦为例[J].干旱区地理，2013，724-730

[3]王翠平.利用NDVI-Albedo反演厦门后溪流域地表特征[J].环境科学与技术，2011年，179-183

[4]朱自娟.库姆塔格沙漠及周边地表覆被变化监测[J].水土保持通报，2015年，131-135

[5]张雪艳.蒙古高原NDVI的空间格局及空间分异[J].地理研究,2009年，10-19

李悦晖（1996-），女，北京人，武汉大学遥感信息工程学院本科在读。