摘要:以1989—2016年瑪納斯河流域TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用混合像元分解技術(shù)，計(jì)算瑪納斯河流域草地總覆蓋度和裸沙面積。在此基礎(chǔ)上通過(guò)監(jiān)測(cè)年與基期年的比較，計(jì)算草地覆蓋度相對(duì)基期年的減少率和裸沙面積相對(duì)基期年的增加率兩個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，依據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》(GB19377—2003)，對(duì)計(jì)算出的兩個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行沙化等級(jí)評(píng)定和賦值，將兩種評(píng)定結(jié)果相綜合來(lái)監(jiān)測(cè)草地沙化。結(jié)果表明，瑪納斯河流域近30年來(lái)荒漠草地沙漠化總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。分析表明，瑪納斯河流域草地沙化是人為和自然因素雙重作用的結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞:荒漠草地;沙化;遙感監(jiān)測(cè);瑪納斯河流域

　　新疆是干旱區(qū)，草地退化已成為普遍存在的問(wèn)題之一，嚴(yán)重退化的草地有466.67多萬(wàn)hm2[1]。通過(guò)草地沙化監(jiān)測(cè)可以為區(qū)域水資源合理利用、種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、畜牧業(yè)規(guī)模的確定起到重要指導(dǎo)作用。目前，按照研究方法草地沙化遙感監(jiān)測(cè)可分為5類:①根據(jù)混合像元分解獲取沙化信息，該方法在阿根廷農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙化監(jiān)測(cè)[2]、蘇丹稀疏草原沙漠化監(jiān)測(cè)[3]、中國(guó)寧夏草地沙化動(dòng)態(tài)研究[4]和中國(guó)廣西大化縣石漠化研究中都有應(yīng)用[5]。②基于圖像分類結(jié)果的草地沙化信息提取，該方法主要是在圖像分類的基礎(chǔ)上，分析監(jiān)測(cè)植被覆蓋度、地表覆沙面積和狀態(tài)等信息的變化來(lái)監(jiān)測(cè)沙化[6-10]。

　　③基于植被覆蓋度指標(biāo)的草地沙化信息提取，該類方法提取沙化信息又可分為兩類，一類是直接利用與草地覆蓋度建立回歸關(guān)系，通過(guò)覆蓋度等級(jí)決定沙化等級(jí)[11];另一類是在植被指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用植被指數(shù)構(gòu)建的像元二分模型提取草地覆蓋度，進(jìn)而根據(jù)沙化覆蓋度等級(jí)指標(biāo)確定草地沙化等級(jí)[12]。④基于特征空間的草地沙化信息提取，該方法是通過(guò)構(gòu)造歸一化植被指數(shù)(NDVI)-反照率(Albedo)特征空間模型來(lái)進(jìn)行荒漠化遙感信息提取[13-16]。⑤基于NDVI的草地沙化信息提取，該方法通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列的NDVI變化趨勢(shì)分析，確定草地沙化范圍和程度[17-19]。

　　對(duì)目前已發(fā)表的草地沙化監(jiān)測(cè)技術(shù)方法梳理后得出，對(duì)縣市級(jí)沙化監(jiān)測(cè)，采用混合像元分解監(jiān)測(cè)草地沙化是較為有效的方法。因此，今擬采用混合像元分解技術(shù)，在PPI端元提取的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步手動(dòng)純化端元光譜信息，結(jié)合《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》(GB19377—2003)(以下簡(jiǎn)稱《分級(jí)指標(biāo)》)，利用草地覆蓋度減少率和裸沙面積增加率二者的綜合信息，實(shí)現(xiàn)新疆草地沙化遙感監(jiān)測(cè)方法研究。該指標(biāo)構(gòu)建方法在目前草地沙化遙感監(jiān)測(cè)中鮮有報(bào)道。

　　1數(shù)據(jù)與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　選取新疆瑪納斯縣及周邊兩縣一市(沙灣縣、呼圖壁縣和石河子市)作為草地沙化遙感監(jiān)測(cè)對(duì)象，該區(qū)位于E84°57'～E87°8'，N43°7'～N45°38'之間。研究區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，北部海拔600m以下平原區(qū)，年均氣溫為6℃，年降水量為100mm～200mm，主要集中在春夏兩季[20-21]。

　　1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

　　從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載LandsatTM41989年8月19日、TM51998年8月26日和2009年8月8日、OLI2016年8月16日共計(jì)4幅遙感影像。對(duì)獲得的遙感影像做幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。

　　1.3研究方法及綜合沙化指標(biāo)的構(gòu)建

　　從《分級(jí)指標(biāo)》中選取草地覆蓋度減少率和裸沙面積增加率兩個(gè)分指標(biāo)用于草地沙化遙感監(jiān)測(cè)。對(duì)預(yù)處理后的各期遙感影像分別進(jìn)行MNF變換，借助純凈像元指數(shù)PPI和n維可視化工具，依據(jù)MNF變換后前兩個(gè)分量二維散點(diǎn)圖獲取純植被和裸沙的端元信息，根據(jù)端元相應(yīng)的NDVI數(shù)據(jù)大小，再挑選出前或后30個(gè)端元信息，利用這些點(diǎn)再獲取更高準(zhǔn)確性的純沙和純植被兩種純端元的光譜信息。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)線性光譜解混模型[4]獲取每一像元對(duì)應(yīng)的裸沙和植被的覆蓋度百分比。

　　為使各圖像計(jì)算的沙化指標(biāo)結(jié)果最終具有可比性，研究以各期影像純植被和純沙累計(jì)百分率為0和100時(shí)(6位小數(shù))對(duì)應(yīng)的像元值為基準(zhǔn)值，利用獲取的基準(zhǔn)值對(duì)各期影像光譜解混的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。對(duì)于個(gè)別超出基準(zhǔn)值范圍的像元作最大或最小值賦值，并歸一化處理。在上述處理基礎(chǔ)上，研究以1989年作為基準(zhǔn)年，將1998年、2009年和2016年草地覆蓋度和裸沙面積歸一化結(jié)果分別與基準(zhǔn)年計(jì)算結(jié)果相比較，計(jì)算獲取監(jiān)測(cè)年和基期年植被覆蓋度減少率和裸沙面積增加率[見(jiàn)式(3)(4)]。

　　在此基礎(chǔ)上按照《分級(jí)指標(biāo)》對(duì)研究區(qū)沙化情況初步等級(jí)評(píng)定賦值，并綜合賦值后的信息，按照兩個(gè)分指標(biāo)中輕度、中度或重度的賦值乘積[見(jiàn)式(5)]作為綜合評(píng)定的臨界閾值對(duì)草地沙化作出綜合評(píng)價(jià)。Rv=(FVCb-FVCm)/FVCb×100%(3)Rs=(FSCm-FSCb)/FSCb×100%(4)R=Rvf×Rsf(5)式中:Rv和Rs分別為植被覆蓋度減少率和裸沙面積增加率，式中FVCb和FVCm分別為歸一化后的基期年和監(jiān)測(cè)年草地覆蓋度值。FSCb和FSCm分別為歸一化后的基期年和監(jiān)測(cè)年裸沙面積值。R、Rvf和Rsf分別為沙化等級(jí)綜合賦值、植被覆蓋度減少率和裸沙面積增加率賦值。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1遙感影像的光譜線性解混與歸一化處理結(jié)果

　　利用獲取的植被和裸沙端元光譜信息對(duì)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行光譜線性解混。對(duì)光譜解混后的植被和裸沙豐度圖分別作數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)，獲取各期影像累計(jì)百分率為0和100(6位小數(shù))時(shí)對(duì)應(yīng)的DN值，利用這些DN值分別對(duì)各期圖像作歸一化處理。

　　2.2草地沙化分指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

　　基于植被和裸沙豐度圖歸一化結(jié)果，利用式(3)(4)分別計(jì)算出1998年、2009年和2016年草地覆蓋度和裸沙面積相對(duì)于基準(zhǔn)年1989年的變化率。

　　2.3草地沙化綜合指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

　　將草地覆蓋度相對(duì)基期年減少率的評(píng)價(jià)結(jié)果與裸沙面積占草地地表面積相對(duì)基期年增加率的評(píng)價(jià)結(jié)果相綜合，相較于基準(zhǔn)年(1989年)，研究區(qū)草地沙漠化程度整體表現(xiàn)為前期加重后期減輕。在近30年間，輕度沙化范圍增加較為明顯，局部地區(qū)出現(xiàn)了中度和重度沙化。在監(jiān)測(cè)年份中，2009年是草地沙漠化最重的一年，2016年草地沙化的情況有所減輕，沙化面積和沙化等級(jí)都有所下降。

　　2.4討論

　　草地荒漠程度年際波動(dòng)與可用水資源量密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)下游低洼處瑪納斯鹽湖和達(dá)巴松諾爾鹽湖土壤含水量(NDWI)年際分析，結(jié)果表明，2009年兩湖濕潤(rùn)土壤(NDWI>0.5)的區(qū)域面積最小，此時(shí)監(jiān)測(cè)的上游區(qū)草地沙化情況也最嚴(yán)重，結(jié)合地勢(shì)分析，其中瑪納斯鹽湖濕潤(rùn)土壤面積和監(jiān)測(cè)區(qū)草地沙化程度有更為直接的聯(lián)系。2016年兩湖濕潤(rùn)土壤面積增加，監(jiān)測(cè)的草地沙化情況也有所緩解。因此，下游鹽湖特別是瑪納斯鹽湖濕潤(rùn)土壤面積或下游泉水溢出帶的有無(wú)可作為監(jiān)測(cè)區(qū)草地沙化變動(dòng)方向的指針。

　　通過(guò)3個(gè)監(jiān)測(cè)年份自然降水量分析，2009年降水量最小，為248mm(以石河子氣象站為例)，監(jiān)測(cè)的草地沙化程度也最重，1998年與2016年降水量基本相同，為266mm，監(jiān)測(cè)的沙化程度也較輕。由于沙化存在一定的不可逆性，或植被恢復(fù)需要一定的過(guò)程，導(dǎo)致2016年沙化較1998年更嚴(yán)重。由知網(wǎng)下載的新疆統(tǒng)計(jì)年鑒農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，研究區(qū)1989—2016年耕地播種面積逐年增加，2016年比1989年耕地播種面積增加了1918.5km2。農(nóng)業(yè)種植面積的增加對(duì)水資源的分配產(chǎn)生影響，使得能夠用于生態(tài)環(huán)境的用水比例減少，這在缺水的年份尤為明顯，表現(xiàn)為2009年沙化情況也最為嚴(yán)重。因此，研究區(qū)草地沙化動(dòng)態(tài)是人為和自然雙重作用的結(jié)果。

　　3結(jié)論

　　(1)研究通過(guò)混合像元分解技術(shù)獲取草地沙化監(jiān)測(cè)的兩個(gè)重要指標(biāo)———草地覆蓋度的減少率和裸沙面積的增加率，依據(jù)《分級(jí)指標(biāo)》對(duì)兩個(gè)分指標(biāo)分別進(jìn)行沙化等級(jí)評(píng)定，將兩項(xiàng)評(píng)定結(jié)果相綜合，以此來(lái)監(jiān)測(cè)草地沙化。(2)瑪納斯河流域近30年來(lái)荒漠草地沙漠化總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。其中，2009年沙化最嚴(yán)重，2016年雖有所減輕，但比1989年還是發(fā)生了一定程度的沙化。該監(jiān)測(cè)結(jié)果與人類活動(dòng)及相應(yīng)年份自然狀況變化相吻合。研究所采用的荒漠草地沙化遙感監(jiān)測(cè)方法經(jīng)驗(yàn)證有效、可行。

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　　畜牧師論文投稿刊物：《新疆畜牧業(yè)》(月刊)創(chuàng)刊于1985年，由新疆維吾爾自治區(qū)畜牧科技資料編譯室主辦。本刊為畜牧獸醫(yī)科技刊物。旨在交流畜牧獸醫(yī)的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，推廣最新科技成果，指導(dǎo)畜牧業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展。