步 凡，于 航，安 娜

(中國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，其土地沙化問題長時間以來得到眾多學者的關(guān)注。目前，國內(nèi)外眾多學者已開展采用不同類型的遙感數(shù)據(jù)，對不同地區(qū)土地沙化現(xiàn)狀和變化趨勢進行分析的研究。但不同學者采用的遙感數(shù)據(jù)源、定量解譯方法、數(shù)據(jù)源時相的選取都有所不同，對于研究區(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)測的一個重要方法，基于衛(wèi)星遙感影像開展康?？h土地沙化與荒漠化長時間序列的調(diào)查監(jiān)測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)近年來的康?？h土地沙化趨勢開展深入分析研究，成為具備現(xiàn)實意義的科學問題[1]。

本研究利用張家口康?？h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))，配合人機交互解譯進行校正，對康?？h的植被覆蓋情況和沙化土地進行提取[2]。從沙化土地面積變化的角度分析了康?？h近40年來的變化趨勢，為康?？h的生態(tài)保護和土地荒漠化治理提供科學依據(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(2018年數(shù)據(jù))。根據(jù)近年來部分學者調(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)，而康保縣等北部縣區(qū)的土地沙化問題在整個河北省范圍內(nèi)又處于相對突出的位置，但隨著“三北”防護林體系建設(shè)、退耕還林、京津風沙源治理等重點工程，康?？h的土地沙化現(xiàn)象有所減緩，沙化的趨勢得到遏制[3]。

2 研究數(shù)據(jù)

本研究搜集了康保縣1984-2020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，可采集七個波段的光學數(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?？h的主要土地利用類型為耕地，為了排除因農(nóng)作物在不同時間內(nèi)的長勢不同造成的定量遙感指數(shù)的不同，同時為了增強年度間數(shù)據(jù)的可比性，本研究的遙感影像拍攝時間均為4-5月，為保證年度間對比的標準化，經(jīng)過處理的遙感影像均采用CGCS2000大地坐標系統(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Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進行正射糾正、影像裁切與增強等。

本研究以搜集的康?？h2018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，在待糾正影像選取與參考影像相對較為明顯的同位置點，例如線性地物的交叉口等，坐標系統(tǒng)采用CGCS2000大地坐標系統(tǒng)，對Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進行正射糾正[6]。對于Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)進行糾正時，選取控制點數(shù)量在30個左右，采用二次多項式、雙線性內(nèi)插的方法。

3.2 植被指數(shù)提取

本研究對于康?？h的植被提取工作采用自動化指數(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Landsat-5和Landsat-5影像的光譜特征進行分析，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 人工驗證

在提取完1984、2014、2020年遙感影像中的康保縣植被指數(shù)后，再基于遙感影像的光學影像特征，采用人機交互解譯驗證的方法，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

依據(jù)《沙化土地監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(GB/T 24255—2009)中沙化土地程度分級標準，對康保縣土地沙化程度進行分級[12-13]。

(1)輕度沙化土地

植被蓋度≥50%，基本無風沙流活動的沙化土地。

(2)中度沙化土地

30%≤植被蓋度<50%，風沙流活動不明顯的沙化土地。

(3)重度沙化土地

10%≤植被蓋度<30%，風沙流活動明顯或流沙紋理明顯可見的沙化土地。

(4)極重度沙化土地

植被蓋度<10%的沙化土地。

根據(jù)上述分級標準，將康?？h的1984年、2014年、2020年定量化計算得出的植被覆蓋指數(shù)進行分級分類，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，進而分析1984-2020年來的康保縣沙化土地現(xiàn)狀與變化趨勢[15]。

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

表1 康?？h不同類型沙化土地面積變化趨勢(1984-2020)

從圖2中可看出康?？h近40年來土地沙化情況的總體趨勢，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，增長到1 844.08 km2，上漲幅度達到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，下降幅度達到75%，減少幅度比較明顯。

圖2 康?？h各類型土地沙化情況變化趨勢(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)來觀察，隨著國家對生態(tài)環(huán)境的保護力度的加大，通過三北防護林的建設(shè)、植樹造林等工程的建設(shè)，康?？h土地沙化問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?？h南部地區(qū)的土地沙化問題較為嚴重，重度沙化和極重度沙化土地分布較多，北部部分區(qū)域的沙化問題也比較突出，但經(jīng)過近40年的生態(tài)治理和植樹造林工作，康?？h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年的情況來看，康?？h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

通過遙感等技術(shù)手段，可以直觀、快速、準確的估算出研究區(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，為研究區(qū)的土地資源的保護、開發(fā)利用和土地沙化的防治提供科學支撐。同時，以研究區(qū)土地沙化現(xiàn)狀的監(jiān)測為樣板，通過長時間序列的遙感監(jiān)測工作，可以監(jiān)測其他區(qū)域土地資源和土地沙化的現(xiàn)狀和歷史變遷情況。在當前生態(tài)文明建設(shè)日益重要、生態(tài)保護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)境保護問題的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管提供了客觀的科學手段。