基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動態變化研究
——以北京市延慶區為例

李悅暉

武漢大學遙感信息工程學院

基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動態變化研究
——以北京市延慶區為例

李悅暉

武漢大學遙感信息工程學院

土地沙漠化是當今世界共同面臨的重要環境問題之一，北京處于狼山風口和古北口風口的要沖，風沙危害不僅嚴重制約著當地經濟的發展，而且嚴重影響首都功能的正常發揮，危及到首都北京的國際聲望和城市形象。本文基于Albedo-NDVI特征空間法對沙漠地區進行變化檢測實現荒漠化時空分布與動態變化的定量監測與研究。研究發現，北京市延慶區極度荒漠化面積從1999年-2007年呈先減少后增加趨勢；重度荒漠化面積從1999年-2007年呈先增多后減少趨勢；中度荒漠化面積從1999年-2007年呈逐漸減少趨勢；輕度荒漠化面積從1999年-2007年變化不大；無荒漠化面積從1999年-2007年呈減少趨勢。基于Albe?do-NDVI特征空間法的北京市延慶區沙漠化動態變化研究對改善北京及其周邊地區的生態環境意義重大。

NDVI；Albedo；沙漠化；動態監測

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤地區以及風沙互動為主要標志的土地退化現象[1]。土地沙漠化是當今世界共同面臨的重要環境問題之一[2]。北京處于狼山風口和古北口風口的要沖，在風口的下風地帶，形成了康莊至南口、潮白河谷和永定河谷三條風廊。風廊控制范圍內形成了若干風沙危害區，其中風沙危害嚴重的地區有5處，即康莊地區、南口地區、永定河沿岸、潮白河沿岸和大沙河沿岸。這些地區土地瘩薄，植被稀疏，無風一片沙，有風地搬家。風沙危害不僅嚴重制約著當地經濟的發展，而且嚴重影響首都功能的正常發揮，危及到首都北京的國際聲望和城市形象。雖然北京從80年代開始，先后被納入到三北防護林建設工程、京津風沙源治理工程和退耕還林還草工程中來，但是生態修復工作還存在許多問題，必須加快本區生態修復進度，遏制風沙危害，扭轉生態環境急劇惡化的被動局面，盡快改善北京及其周邊地區的生態環境。

沙漠地區的變化檢測的主要方法有人工目視解譯、監督分類、非監督分類、決策樹分類等方法，這些方法需要較多人工交互；采用NOAA荒漠化監測指標體系通過MSAVI、植被覆蓋度、反照率、地表溫度等指標提取沙漠地區的研究方法，檢測結果與實際情況差距較大，不適用于延慶區沙漠變化檢測。通過查閱資料及對比，本文確定了一種自動化變化檢測的分析方法：基于Albedo-NDVI特征空間法。該方法可以對沙漠地區進行變化檢測，利用植被指數和地表反照率的組合信息，通過選擇反映荒漠化程度的合理指數，將不同荒漠化土地有效地加以區分，從而實現荒漠化時空分布與動態變化的定量監測與研究。

1 研究區域概況

延慶區位于北京西北80公里處，是內蒙古風沙侵襲北京的主要沙塵源地和風口之一。延慶區屬大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，盆地年平均溫度8.5℃，多年平均降雨量為0.469m。受河北壩上及內蒙古高原氣流影響，風力較大，年平均風速為5.1m/s，≥17m/s的風速出現幾十次，極端最大風速達24m/s，主風方向為西南風向、西風向，沙塵暴最長天數為3.5天（表1）。

表1 延慶區自然狀況概況

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文選擇Landsat-5 TM影像為源數據。6月份北京植物繁茂，植被與土地便于區分。因此，以1999年、2003年、2007年6月份30m分辨率的無云或少云影像分析北京市延慶區的沙漠化動態特征。

2.2 影像預處理

（1）裁剪：為簡化影像處理過程，根據北京市延慶區的矢量邊界對原始影像裁剪，對得到的研究區TM影像用于后續處理。

（2）輻射定標：為建立遙感傳感器的數字量化輸出值DN與其所對應視場中輻射亮度值之間的定量關系，利用ENVI軟件依據Landsat-5的標準公式對裁剪后的影像進行輻射定標，將表現反射率值小于0的統一賦值為0、將表現反射率值大于1的統一賦值為1[3]。

（3）影像配準：為使研究區TM影像與數字高程模型（DEM）影像具有相同的地理投影，在地形圖中選擇控制點應用多項式校正模型進行配準[3]。

（4）大氣校正：為消除接收到的光譜反射率受到的大氣干擾獲得真實反射率[3]，可以應用FLAASH模型進行大氣校正。本研究應用已有的大氣模型及氣溶膠類型，利用輻射定標后的輻射亮度值進行大氣校正[4]。

2.3 沙漠化信息動態分析方法

Albedo一NDVI特征空間中，不同地表覆蓋在該特征空間具有顯著的分異規律，全裸地、低植被覆蓋地、高植被覆蓋地和水體可以很好地加以區分。圖1為Albedo-NDVI特征空間的示意圖，實線部分A點代表干旱裸土；B點則代表富水裸土；C點表示高植被覆蓋度低土壤含水量；D點表示高植被蓋度高土壤含水量；A-C邊代表高反照率線，反映干旱狀況；B-D邊為低反照率線，表示地表水分充足。E點表示低地表反照率低植被覆蓋度，B-D邊以下部分表示為水體。

2.3.1 NDVI-Albedo特征空間構建

Albedo-NDVI特征空間能反映實際的地表覆蓋分布狀況。如果在代表荒漠化變化趨勢的垂直方向上劃分Albedo-NDVI特征空間，可以將不同的荒漠化土地有效地區分開來。而垂線方向在Albedo-NDVI特征空間的位置可以用特征空間中簡單的二元線性多項式加以表達。

2.3.2 植被指數提取

歸一化植被指數（NDVI）是綠色植物的靈敏指示參數，可用于計算植被覆蓋度[4]。以其為指示因子探究植被生長狀態被廣泛應用于區域植被覆蓋度及變化過程研究中[5]。本文利用ENVI中ND?VI Calculation Parameters工具，獲取NDVI或者地表反照率（Albe?do）的最大最小值，利用歸一化公式，在Band Math中進行歸一化計算。歸一化公式：

式中：N為NDVI值，NDVImin為植被指數最小值，NDVImax為植被指數最大值；A為地表反照率，Albedomin為地表反照率最小值，Albedomax為地表反照率最大值。

2.3.3 地表反照率（Albedo）反演

根據利用Liang建立的landsat-TM數據的反演模型估算研究區地表反照率。反演模型：

式中：Albedo為地表反照率。

2.3.4 計算NDVI與Albedo的定量關系

經專家學者研究NDVI與Albedo之間存在著一種負相關的線性關系。隨著荒漠化程度的增加，植被指數（NDVI）逐漸減少，而地表反照率則逐漸增加。不同沙漠化土地類型對應的植被指數（NDVI）和地表反照率（Albedo）具有顯著的線性負相關性。

在Albedo-NDVI特征空間中，荒漠化過程得到了明顯的反映。為了找到兩者之間的定量關系，需要分別找出NDVI和Albe?do對應的兩組數據，利用這兩組數據進行回歸擬合出一個關系式（式4）。通過在圖像上隨機選擇ROI點，獲取其NDVI和Albedo值進行線性擬合兩者的定量關系，繪制散點圖，得到線性回歸方程、擬合度、回歸系數。

2.3.5 荒漠化差值指數的計算

荒漠化差值指數表達式為二元線性多項式。表達式：

2.3.6 荒漠化分級信息提取與制圖

自然間斷點分級法是基于統計學的Jenk最優化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小，并制圖輸出。提取延慶區荒漠化變化信息，可將荒漠化分級指數（DDI）圖像數據（圖2）加載到ArcMAP中，通過空間分析工具重分類，基于自然間斷點分級法提取延慶區荒漠化變化信息（圖3）。

3 結果分析

表2 延慶區1999、2003、2007年土地荒漠化面積

3.1 沙漠化土地面積變化

北京市延慶區極度荒漠化面積，2007最多，為363.45km2；2003年最少為26.23km2（表2）。重度荒漠化面積，2003年最多，為530.89km2；1999年最少，為347.53km2。中度荒漠化面積，1999年最多，為419.11km2；2007年最多，為391.15km2。輕度荒漠化面積，2003年最多為562.63km2；2007年最少為481.24km2。無荒漠化面積，1999年最多，為522.67km2；2007年最少，為402.65km2（表2）。

3.2 沙漠化土地空間動態變化

2003年延慶區中部荒漠化程度較1999年減輕，東南偏中部邊界上荒漠化程度加重。2007年較2003年荒漠化變化與2003年較1999年相反，東南偏中部邊界上荒漠化程度減輕，中部荒漠化程度加重。2007年較1999年荒漠化程度加重，主要集中在延慶區中部（圖3）。

4 結果與討論

北京市延慶區極度荒漠化面積從1999年-2007年呈先減少后增加趨勢；重度荒漠化面積從1999年-2007年呈先增多后減少趨勢；中度荒漠化面積從1999年-2007年呈逐漸減少趨勢；輕度荒漠化面積從1999年-2007年變化不大；無荒漠化面積從1999年-2007年呈減少趨勢。由于2002年冬季至2003年春季北方地區降水量較常年明顯偏多，北京周邊地區的主要沙源地一直被積雪覆蓋植被覆蓋度擴大,有效抑制了沙塵天氣的形成，使得2003年延慶區極度荒漠化面積驟降，這說明植被覆蓋度的擴大能有效改善沙漠化狀態。北京市延慶區沙漠化趨勢總體呈下降趨勢。基于Albedo-NDVI特征空間法的北京市延慶區的沙漠化動態變化研究對改善北京及其周邊地區的生態環境意義重大。

[1]王濤.我國沙漠化研究的若干問題[J].中國沙漠，2003年，23卷、477-482

[2]張嚴俊.中亞地區土地沙漠化遙感監測-以土庫曼斯坦為例[J].干旱區地理，2013，724-730

[3]王翠平.利用NDVI-Albedo反演廈門后溪流域地表特征[J].環境科學與技術，2011年，179-183

[4]朱自娟.庫姆塔格沙漠及周邊地表覆被變化監測[J].水土保持通報，2015年，131-135

[5]張雪艷.蒙古高原NDVI的空間格局及空間分異[J].地理研究,2009年，10-19

李悅暉（1996-），女，北京人，武漢大學遙感信息工程學院本科在讀。