基于3S技术的乌珠穆沁沙地近20 a动态变化特征

黄海广，韩兆恩，党晓宏，李元昊，张胜男，张 帆

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 沙地生物资源保护与培育国家林业局重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010； 3. 内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010011； 4. 内蒙古自治区林业和草原局 综合保障中心，内蒙古 呼和浩特 010010)

土地荒漠化一直都是人们较为关注的环境问题，而造成这一现象的主要因素一是自然因素、二是非自然因素[1]。土地荒漠化现象主要发生在我国西北地区，该区域少雨多旱，风沙严重，湖泊、草场风蚀危害现象频发。根据我国第5次荒漠化监测结果显示，截止到2014年，我国的荒漠化面积就已达到 2.61×108hm2，占世界整体荒漠化面积的 27.20%[2]。这也表明，我国荒漠化发展情况较为严重，所以降低西北地区的荒漠化程度对于我国治理荒漠化有一定的现实意义。在过去的几十年中，我国为此付出了大量的努力，并在一些地区得到了较好的防治效果。

只有积极监测荒漠化的动态变化，才能及时准确全面地掌握荒漠化土地的变化信息，并对土地荒漠化程度进行监测分级。在遥感监测方面，目前根据归一化植被指数(NDVI)计算植被覆盖度并分析荒漠化土地动态是一种成熟的技术方法。NDVI的值分布在-1～1之间，指数越大，表示植被覆盖越好，指数越接近0表示植被覆盖越少，负数则表示水域，所以可以用植被指数侧面反映荒漠化的发展。2010年庞立东等[3]以西乌珠穆沁草原为例把遥感技术应用于景观分类和制图，侯健[4]对乌珠穆沁伏沙地的成因和分布进行了分析，但对整个乌珠穆沁沙地的动态变化没有总体的分析。乌珠穆沁沙地是北京沙尘暴的沙源之一，只有积极治理乌珠穆沁沙地，减少对下游地区的输沙量，才可以根本减少沙尘暴的发生次数。

本研究以遥感影像为基础，对乌珠穆沁沙地近20 a的动态变化过程以及植被覆盖度的变化特征进行分析。通过了解近20 a乌珠穆沁沙地的变化趋势，为乌珠穆沁沙地治理提供基础数据和科学依据。

1 研究区概况

乌珠穆沁沙地位于我国西北地区，主要分布在内蒙古西乌珠穆沁旗，整体地形呈东南向西北倾斜，海拔为800～2 000 m，东部和东南部为大兴安岭，周围多山[5]。该区域有明显的的大陆性季风气候特征，少雨多旱，风沙严重，四季分明。太阳辐射量大，年总辐射 5 563.2 MJ·m-2，年平均气温1 ℃，无霜期106 d，5级以上大风日数多发生在4—5月，以西北风为主，年降水量为350～400 mm，严重影响当地植物生长及农业发展[4-6]。乌珠穆沁区域内河流属乌拉盖水系，均为内陆河，河流均为南北流向，多年平均径流总量为15 980万m3。该区域内土质主要为风沙土、栗钙土、灰色草甸土、黑钙土和盐土[7]。沙地草原是乌珠穆沁沙地的主要植被类型，草本植物多为线叶菊(Filifoliumsibiricum)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、狼针草(Stipabaicalensis)，灌丛的主体是锦鸡儿(Caraganasinica)和沙蒿(Artemisiadesertorum)，部分地区有榆树(Ulmuspumila)疏林分布[3]。

2 数据与方法

2.1 数据来源及计算方法

本研究从美国地质调查局网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)和地理空间数据云(www.gscloud.cn/)下载了Landsat 5的1995年、2000年、2005年、2010年和高分一号的2015年5个年份乌珠穆沁沙地的卫星遥感数据，由于面积较大，每个年份都得到了两景遥感图像(表1)。

表1 遥感影像主要参数Tab.1 Major parameters of remote sensing images

计算植被覆盖度先要计算归一化植被指数(NDVI)[8]，可以通过遥感数据的光谱反射率来监测植被的覆盖度。本研究用植被覆盖度来分析植物对沙地变化的影响，并用NDVI来表示一个地区的植被状况，计算NDVI的公式如下[9]：

(1)

式中：NIR为遥感数据各波段中的近红外波段的反射率；R为遥感数据各波段中的红色波段的反射率；NDVI为归一化植被指数。

可以用如下公式把NDVI的数值转换为植被覆盖度[10]：

(2)

式中：f为植被覆盖度；NDVI为影像的NDVI值；NDVImax和NDVImin为该遥感影像中NDVI的最大值和最小值。

可以用荒漠化指数来表示沙地发展程度的变化[11]：

(3)

式中：ADI为荒漠化指数；S1为轻度沙化土地面积；S2为中度沙化土地面积；S3为重度沙化土地面积；S4为极重度沙化土地面积；S为沙地总面积。

2.2 沙地分类体系

本文根据《沙化土地监测技术规程》(GB/T 24255—2009)，通过参考相关文献资料，对乌珠穆沁沙地进行了科学分类[12](表2)。

表2 沙地分类体系Tab.2 Classification system of sandy land

3 遥感数据处理

遥感信息处理是对得到的遥感影像进行辐射定标和大气校正[13-16]。本文基于ENVI 5.3，利用 Radiometric Calibration工具，对图像的多光谱做辐射定标。使用ENVI软件中的大气校正工具，对1995—2015年的影像进行处理。使用ENVI中Data Manager和Band Math[17-18]工具，根据植被覆盖度分为4类(图1)：大于 60% 的为轻度沙化；30%～60% 的为中度沙化；10%～30% 的为重度沙化；小于 10% 的为极重度沙化。

图1 图像分类结果Fig.1 Result of image classification

把ENVI处理完的遥感数据进行统计分析和计算后，在ArcGIS 10.5 中进行叠置分析，对乌珠穆沁沙地近20 a的图像进行标记[19]，一直为沙地的标记为“稳定”，前期为非沙地而后期变为沙地的区域标记为“扩张”，反之则为“收缩”。得出的数据可以明显地反映出近20 a乌珠穆沁沙地的动态变化，然后根据植被覆盖度，把沙地的沙化程度分为4个类型，得到5个年份乌珠穆沁沙地不同发展程度沙地的动态变化。

4 结果与分析

4.1 沙地面积动态变化特征

1995年乌珠穆沁沙地总面积为 43.43 万hm2，其中中度沙化土地占 78.06%，其余大部分是轻度和重度沙化土地。由图1-1995年可知，研究区的中北部区域植被状况比较好，主要是轻度沙化土地；极重度沙化土地主要分布在研究区的西部以及中部；研究区的西部、东北部区域植被覆盖少，分布着大量中度沙化土地。

2000年乌珠穆沁沙地总面积为 44.18 万hm2，重度沙化土地占沙地总面积的 67.36%，较1995年(6.59%)有了明显的扩张，根据图1-2000年可以看出，研究区东部的植被情况较好，主要是轻度和中度沙化土地；研究区西部和北部的植被覆盖度非常小，分布着大片的重度沙化土地。整体来看，整个研究区零星分布着极重度沙化土地。

2005年乌珠穆沁沙地总面积为 42.78 万hm2(图1-2005年)，其中中度沙化土地的比重最高，为 66.50%，其次为重度沙化土地，为 20.48%，对比2000年的数据，有 21.00 万hm2的重度沙化土地转变。研究区西部和南部的植被覆盖度非常小，说明此区域沙化发展程度较严重，一些地方甚至已经发展为极重度沙化土地，急需进行治理；东部和北部区域的植被情况较好，沙化程度轻。

2010年乌珠穆沁沙地总面积为 40.97 万hm2，比2005年减少了 1.81 万hm2，其中轻度沙化土地是研究区荒漠化土地最多的，占总面积的 52.26%，对比2005年的数据，有 8.66 万hm2的重度沙化土地转变(图1-2010年)。此外，研究区西部的植被覆盖比2005年有较大提高，基本从之前的重度沙化土地转变为中度沙化土地，但是靠近中部的区域依然是重度沙化土地；东部和北部的植被覆盖度没有减少，有稳定增加的趋势，说明在研究区采取的沙地治理措施取得初步成效。

2015年乌珠穆沁沙地总面积为 36.16 万hm2，比2010年减少了 4.81 万hm2，但是极重度沙化土地从2010年至2015年增加了 0.02 万hm2。依据图1-2015年可以看出其空间分布特征是，研究区东部、中部和北部的植被状况良好，沙化发展程度较轻；大部分的重度、极重度沙化土地集中在研究区的中西部，可能是由于城镇的发展造成植被覆盖度的下降进而导致土地退化严重，应及时对当地沙地进行预防和治理。

从表3可以看出，1995年乌珠穆沁沙地面积最大，为 43.43 万hm2；2015年乌珠穆沁沙地面积最小，为 36.16 万hm2。1995年，中度沙化土地面积占 78.06%，重度沙化土地面积占 6.59%；2000年，重度沙化土地面积占 67.36%，重度沙化情况最为严重；2005年，大面积重度沙化土地转变为中度沙化土地，重度沙化土地面积仍占 20.48%；2010年，轻度沙化土地比重最大，占沙地总面积的 52.26%；2010年，重度、极重度沙化土地基本转变为中度沙化土地，京津风沙源治理工程(2000年)和西乌珠穆沁旗实施的围封转移战略(2002年)在沙地逆转过程中起到关键性作用。2010年到2015年期间，中度沙化土地消失，但也有一部分被侵蚀转变为重度甚至是极重度沙化土地，导致2015年研究区沙地沙化程度上升。

表3 乌珠穆沁沙地荒漠化土地面积变化Tab.3 Change of desertification land area in Ujimqin Sandy Land

4.2 沙地空间分布变化特征

对比1995年与2000年的图像，研究区的总体植被覆盖度下降，极重度沙化土地增加 8.39 万hm2，尤其表现在西部和北部地区，轻度沙化土地基本被侵蚀为中度沙化土地。对比2000年与2005年的图像，植被覆盖度明显提高，研究区中部和北部大片的重度和极重度沙化土地转变为中度沙化土地，其中重度沙化土地面积减少 21.00 万hm2，说明针对乌珠穆沁沙地的治理项目取得了初步成果。对比2005年与2010年的图像，在研究区的西南部有大面积荒漠化土地转变为非荒漠化土地，并且2010年研究区西部的植被覆盖度大幅增加，将2005年的重度沙化土地转变为中度甚至轻度沙化土地，重度沙化土地面积减少 8.66 万hm2。对比2010年和2015年的图像，研究区的东部沙化程度较轻，但是在研究区的西部，尤其是西北部区域出现了大块连续的极重度沙化土地，在2010年西部区域的植被覆盖度还是比较高的，到2015年时植被覆盖度较低。

4.3 荒漠化指数变化趋势分析

根据图2可以把乌珠穆沁沙地近20 a的发展分为2个阶段：1995—2000年为荒漠化发展阶段，5 a内荒漠化指数上升了 1.13，平均为 2.49；2000—2015为荒漠化逆转阶段，15 a内荒漠化指数下降了 1.94，平均为 0.97。2000年开始实施京津风沙源治理工程，沙化土地得到有效治理，荒漠化指数出现转折，2000年时乌珠穆沁沙地荒漠化指数最高为 3.05，沙地发展程度最重，2015年时乌珠穆沁沙地荒漠化指数最低为 1.11，沙地发展程度变轻。

图2 乌珠穆沁沙地荒漠化指数Fig.2 Desertification index of Ujimqin Sandy Land

5 讨论与结论

5.1 讨论

以遥感影像数据为依据，使用ENVI软件和ArcGIS软件对研究区沙地面积动态变化以及植被覆盖度变化进行研究。该方法虽然算法简单，但具有空间覆盖范围广、时间序列长、数据容易获取、植物检测灵敏度高等优点，目前已作为一种遥感手段广泛应用于植被监测、土地覆盖调查、荒漠化研究、净第一性植被生产力估算等。在应用研究植被指数计算时，要注意避免运算结果溢出情况，还要考虑到植被指数会因为饱和而放大或缩小其真实值，以及来自大气、土壤各方面的干扰。

研究区2005—2015年的植被覆盖度总体呈上升趋势，表明各项防治工程，尤其是京津风沙源治理工程的实施对植被恢复起到了重要作用。陈宽等[20]在研究中表明2000—2015年内蒙古东部的植被覆盖度有增加趋势。乌珠穆沁沙地多年降水保持稳定，植被覆盖度却在连年增加，说明植被覆盖度变化的原因除了降水因素外，非气候因素也有很大影响。美丽等[21]的研究表明人为因素对于乌珠穆沁地区景观格局的影响大于气候因素的影响，但其研究表明乌珠穆沁地区沙地总面积趋于增加，这与本研究的结论不同，需要继续对乌珠穆沁沙地进行监测研究。本研究把人类活动(过度放牧、治沙工程等)影响植被覆盖继而影响沙地发展进程作为研究乌珠穆沁沙地主要的驱动力因素，得出了人类活动既可以加快沙地发展进程，也可以对沙地的发展起到逆向作用，这与魏伟等[22]的研究结果一致。

自然因素和人类活动共同对沙地的发展产生影响[23]。在较短的时期内，自然因素对沙地变化的影响并不是很大，但从长时间来看，自然因素对沙地的分布格局产生决定性作用，人类活动则在短期内更为直接地影响沙地的动态格局。在土地沙化过程中，自然因素是沙地发生和发展的基础，它在大范围内导致了研究区生态环境的脆弱性，而人类对自然资源的不合理利用更是在自然因素的基础上，直接导致了沙地的形成并且大幅加快了土地沙化发展的进程[23]。不过，人类活动也是可以让沙地发展进程逆转，遏制并治理已被沙化的土地。

5.2 结论

(1) 基于遥感影像的归一化植被指数算法简单，具有空间覆盖范围广、时间序列长、数据容易获取等优点，可用于荒漠化研究。通过对植被指数的研究，遥感应用会有更好的发展和前景。

(2) 乌珠穆沁沙地总面积由1995年的 43.43 万hm2降至2015年的 36.16 万hm2，重度沙化土地面积由1995年的 2.86 万hm2上升至2000年的 29.76 万hm2，后下降到2015年的 0.02 万hm2，沙地的荒漠化指数由1995年的 1.92 上升到2000年的 3.05，2015年又下降到 1.11。

(3) 近20 a研究区的植被覆盖度经历了下降后又上升的过程，说明各项治理工程取得了初步成效。由于人类活动是乌珠穆沁沙地退化的主要影响因素，所以要积极保护该地区的植被，采取以生物措施为主、以工程措施为辅的方法进行沙地治理，同时制定相应的生态保护政策。