官雨薇

（電子科技大學 四川成都 611731）

基于MODIS數(shù)據(jù)的沙漠化發(fā)展趨勢分析

官雨薇

（電子科技大學 四川成都 611731）

沙漠化問題的日益加劇，對生態(tài)環(huán)境、人類生活、社會經(jīng)濟等方面造成嚴重影響，對于沙漠化程度的監(jiān)測以及沙漠化變化趨勢的分析成為關(guān)注的熱點。文章基于MODIS的歸一化植被指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品和反照率（Albedo）產(chǎn)品，構(gòu)建表征沙漠化程度的沙漠化指數(shù)（DDI），并根據(jù)全國2000～2015年沙漠化指數(shù)值的變化趨勢，分析近年來沙漠化的趨勢變化。結(jié)果表明，近年來的沙漠化趨勢有所好轉(zhuǎn)，也從側(cè)面反映出相關(guān)的防護措施已初見成效。

沙漠化指數(shù)（DDI）；時間序列趨勢分析；沙漠化變化監(jiān)測

引言

根據(jù)國家林業(yè)局公布的材料，到2009年為止，我國18個?。ㄊ?、自治區(qū)）的508個縣（旗、區(qū)）已經(jīng)受到沙漠化的影響，受影響面積約262.37萬km2，是全國總面積的27.33%。沙漠化使得土地喪失生產(chǎn)力，導致產(chǎn)量下降，阻礙社會經(jīng)濟發(fā)展，還對交通、建筑、通信等方面造成嚴重危害，導致我國約541億人民幣的直接經(jīng)濟損失。

日趨嚴重的沙漠化問題已對人類生活、生產(chǎn)等方面造成嚴重影響，沙漠化的防治工作成為全球共同關(guān)注的焦點。沙漠化監(jiān)測作為沙漠化預防及治理的重點工作，需要確定沙漠化的區(qū)域、面積以及發(fā)展速度等問題。

1 國內(nèi)沙漠化監(jiān)測現(xiàn)狀

沙漠化現(xiàn)象在遙感影像上表現(xiàn)為裸露地表信息的增強和植被信息的減弱，可以采用地表反照率、地表溫度、地表濕度、植被覆蓋度等指標因子表征。

沙漠化監(jiān)測的內(nèi)容是由監(jiān)測結(jié)果的用途決定的，因此，沙漠化監(jiān)測內(nèi)容是涵蓋土壤、植被、水文、地質(zhì)地貌、氣候氣象、社會經(jīng)濟于一體的。現(xiàn)有的沙漠化監(jiān)測方法包括基于地面站點的人工監(jiān)測，以及基于遙感技術(shù)的空中或者衛(wèi)星監(jiān)測[1-3]。

基于地面站點的人工監(jiān)測，主要包括以下方法：要素評價法主要用于定性分析沙漠化發(fā)生的位置；Thornthwaite法則運用于植被-氣候關(guān)系和氣候生產(chǎn)力研究中；地面抽樣法是利用成熟抽樣技術(shù)進行調(diào)查，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計分析推算沙漠化土地面積及動態(tài)。地面監(jiān)測的特點是：在大量的人力和物力支持下，耗費時間過多，并且監(jiān)測速度緩慢，受人為影響大。

遙感技術(shù)主要為區(qū)域性或者大范圍的環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測提供支持。沙漠化的遙感監(jiān)測是基于多時相遙感影像數(shù)據(jù)，對沙漠化特征、范圍等因素進行統(tǒng)計分析的方法，監(jiān)測對象包括大氣、地面覆蓋、海洋及近地表狀況等。遙感監(jiān)測的特點：能有效識別沙漠化類型及特征，并且能獲取偏遠山區(qū)的沙漠化信息；衛(wèi)星重返周期短，成像快，便于長時間序列的動態(tài)監(jiān)測。

自20世紀90年代以來，對于沙漠化的監(jiān)測，既為沙漠化預防及治理的各項方針政策制訂提供了基礎(chǔ)資料，又為預防及治理效果的鑒定提供數(shù)據(jù)，并且對沙漠化防治可能產(chǎn)生的負面影響進行及時預測[4-6]。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

由于MODIS相對于其他陸地衛(wèi)星的傳感器，具有高空間分辨率，高時間分辨率，以及高光譜分辨率的特點，使得MODIS數(shù)據(jù)廣泛應用于長時間序列的對地信息監(jiān)測（植被、溫度等）及趨勢分析、突然性災害監(jiān)測等方面。

MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品是基于MODIS二級產(chǎn)品的反射率數(shù)據(jù)（MOD09系列），經(jīng)云掩膜、重氣溶膠校正等預處理的反射率計算得到的，用于表現(xiàn)植被狀況的時空綜合特征。植被指數(shù)產(chǎn)品在Terra星和Aqua星的數(shù)據(jù)是分不同時間段進行計算。因此，本文考慮到數(shù)據(jù)的易獲取性與時間連續(xù)性，使用1km的MODIS月合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3中的NDVI指數(shù)產(chǎn)品。

MODIS的Albedo產(chǎn)品是基于核驅(qū)動模型的地表二向反照率遙感反演算法，且MODIS的反照率產(chǎn)品是結(jié)合了Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的兩個MODIS傳感器數(shù)據(jù)。因此，本文采用MCD43A3產(chǎn)品，時空分辨率是16天/1km，8天更新。

2.2 方法模型及流程

根據(jù)Albedo與NDVI之間存在額負相關(guān)關(guān)系，曾永年在2006年提出沙漠化差值指數(shù)方法模型[7]，構(gòu)建沙漠化差值指數(shù)（DDI），并根據(jù)DDI值得到全球沙漠化分級產(chǎn)品，以此分析全球沙漠化的狀況及變化趨勢。由于這一方法具有數(shù)據(jù)易獲取、數(shù)據(jù)的時空連續(xù)性良好的特點，解決了大部分沙漠化指標體系的數(shù)據(jù)難獲取的問題，是適用于大范圍沙漠化監(jiān)測的方法。

基于Albedo-NDVI二維空間的DDI表達式如下：

其中，

DDI——沙漠化差值指數(shù)；

k——Albedo和NDVI特征空間擬合直線斜率（a）的倒數(shù)。

實驗數(shù)據(jù)的具體處理流程如圖1所示。由于全國數(shù)據(jù)量過大，在文中構(gòu)建沙漠化指數(shù)（DDI）時，是通過選取隨機樣點的方式。根據(jù)樣點的Albedo-NDVI二維空間中斜率k(-0.6737)，計算得到k倒數(shù)α為1.4895，DDI表達式如下：根據(jù)沙漠化指數(shù)分級圖，我國總體分布特征呈現(xiàn)東部高、西部低，從東南向西北逐級遞減即東北、華南、華中、西南地區(qū)DDI值高，而西北地區(qū)DDI值低。15年的年度DDI均值在0.89～1.0附近，總體均值為0.92。年度DDI的最大值出現(xiàn)在長白山地區(qū)、大小興安嶺、以及海南島、臺灣，以及四川盆地、秦嶺、巫山等區(qū)域。

3 分析及結(jié)論

沙漠化趨勢分析主要是針對已有的沙漠化數(shù)據(jù)，對一個時間段內(nèi)沙漠化變化情況進行統(tǒng)計分析。對于沙漠化的變化趨勢分析，采用針對每個像元的時間序列擬合法，即以一個像元的15年間的DDI值作為擬合數(shù)據(jù)，通過線性擬合的方法得到DDI的變化趨勢線。對于一個區(qū)域的趨勢分析，常用的方法是以均值體現(xiàn)其平均狀況。因此針對全國區(qū)域的沙漠化趨勢分析，主要通過區(qū)域的DDI均值變化趨勢體現(xiàn)，如圖1所示。

東北：東三省的DDI均值整體高于1.2，15年總體均值在1.25左右，遠高于全國年度DDI均值水平0.9～1.0。15年間東三省整體DDI值處于緩慢上升趨勢，0.003/年左右。2009年的DDI值下降，主要是由于當年東三省大范圍的高溫及大旱。

圖1 流程圖

華北：由于內(nèi)蒙古的面積約為全國總面積的12.3%，影響了中國整體的DDI均值變化曲線的走向，且近10年內(nèi)蒙古地區(qū)受干旱和人口影響較大，導致DDI值較低。山西省在2000～2014年沙漠化程度逐年降低，植被覆蓋度增加快，主要原因是山西位于“三北”防護林建設(shè)工程的中，近年來的開展退耕還林（草）力度加大，且重點建設(shè)防風治沙防護林帶等。

圖2 全國沙漠化指數(shù)均值變化折線圖

華東：由于華東地區(qū)雨水豐沛，溫度適宜，植被生長條件良好，因此這一地區(qū)的DDI值高。2002年的異常波動可能是由于氣候、以及2002年前的Albedo數(shù)據(jù)是僅僅由Terra數(shù)據(jù)合成造成的。位于珠江三角洲的上海市，由于早期的城市擴張，導致年度DDI均值波動幅度大，且植被覆蓋度低于華東地區(qū)的其他省份，但是2009年后，上海市的年度DDI均值保持平穩(wěn)狀態(tài)。福建、江西、浙江、安徽四省的年度DDI均值有緩慢上升趨勢，且年度DDI均值都在1.2以上。

西北：陜西省、寧夏回族自治區(qū)的年度DDI均值有明顯的上升趨勢，這與三北防護林建設(shè)的退耕還林、退耕還草等治理工程有很大關(guān)系，說明沙漠化治理工程已取得明顯效果。

西南：西南片區(qū)的山地較多，云南、貴州、重慶、四川的年度DDI均值則主要在1.1～1.4之間，四省市的年度DDI都高于全國的DDI均值，近15年呈平穩(wěn)上升變化趨勢。

華中華南：由于靠近熱帶地區(qū)，常年雨水豐富、日照條件充足，主要植被類型是常綠闊葉林等，植被覆蓋度高。華中華南大部分區(qū)域的年度DDI均值遠高于全國DDI均值，但是各省的年度DDI均值波動幅度較大。河南、廣西、海南、湖南、湖北的DDI均值都有較大的漲幅。

近15年間，我國大多數(shù)省市自治區(qū)的年度DDI均值增長幅度明顯，增長速率為0.01～0.02/年。山西、陜西、寧夏、海南等地區(qū)年度DDI均值具有明顯的上升趨勢。我國年度DDI均值降幅明顯的區(qū)域主要位于秦嶺以北的陜西中部、山西南部，大興安嶺邊緣的東北平原北部，以及天山山脈附近的準格爾盆地與塔里木盆地的邊緣區(qū)域等。

[1]殷賀.基于時間序列植被特征的內(nèi)蒙古沙漠化評價.地理學報[J],2011(05):p.653-661.

[2]段英杰.基于MODIS的西藏沙漠化動態(tài)監(jiān)測研究.廣西大學學報(自然科學版)[J],2012(02):p.312-316.

[3]高永.荒漠化監(jiān)測[M].北京：氣象出版社，2013

[4]邊振.基于遙感技術(shù)的荒漠化監(jiān)測方法研究[D].2011,北京林業(yè)大學.

[5]任艷群.基于NDVI-Albedo特征空間的沙漠化動態(tài)變化研究——以準格爾盆地南緣為例.水土保持通報[J],2014(02):p.267-271+325.

[6]何磊.利用MOD13Q1產(chǎn)品監(jiān)測肯尼亞2001—2010年荒漠化動態(tài).中國沙漠[J],2013(01):p.46-52.

[7]曾永年，向南平等.Albedo-NDVI特征空間及沙漠化遙感監(jiān)測指數(shù)研究.地理科學[J],2006(01):p.75-81