周鵬

（四川省第一測(cè)繪工程院，四川 成都 610100）

1 概述

沙漠化作為干旱、半干旱地區(qū)土地退化的主要類(lèi)型，已成為全球變化背景下的熱點(diǎn)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[1]。傳統(tǒng)的沙漠化監(jiān)測(cè)方法主要基于野外實(shí)測(cè)點(diǎn)，雖然精度較高，但其成本高且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在大尺度區(qū)域上開(kāi)展沙漠化監(jiān)測(cè)[4]。近年來(lái)，衛(wèi)星遙感已成為獲取沙漠化信息的重要手段[2]。許多學(xué)者基于Landsat TM、MODIS 和CBERS 等影像應(yīng)用計(jì)算機(jī)分類(lèi)法獲取沙漠化信息，但該方法的局限性在于分類(lèi)精度難以提高且受主觀影響較大[8-10]。近期研究表明，特征空間模型可以較好地反映地表覆蓋狀況以及沙漠化過(guò)程，并且已被廣泛應(yīng)用于定量獲取沙漠化信息[3-4]。曾永年等分析了沙漠化與地表參量之間的關(guān)系，提出了Albedo-NDVI 特征空間模型[5]。Ma 等使用統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法確定了不同程度沙漠化區(qū)域中地表反照率與NDVI 之間的定量關(guān)系[6]。 Wei 等基于三個(gè)典型地表參量，即NDVI（歸一化植被指數(shù)）、TGSI（表土粒徑指數(shù)）和Albedo（地表反照率）等，分析了不同特征空間模型對(duì)于蒙古高原沙漠化信息提取的適用性[7]。Wu 等提出了基于Albedo- MSAVI 特征空間的半干旱草原沙漠化監(jiān)測(cè)指數(shù)，取得了較好的效果[8]。Guo 等發(fā)現(xiàn)基于Albedo-MSAVI 的特征空間模型與其他特征空間模型相比，在奈曼旗沙漠化信息監(jiān)測(cè)中具有更好的適用性[9]。然而，上述監(jiān)測(cè)模型多數(shù)只考慮了線性關(guān)系，忽略了不同特征參量間相互作用的非線性特征。

本文基于Landsat 8 OLI 反演的Albedo 和MSAVI 參量，構(gòu)建基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)線的特征空間監(jiān)測(cè)模型，進(jìn)而分析和探討了不同類(lèi)型的Albedo-MSAVI 特征空間監(jiān)測(cè)模型在沙漠化監(jiān)測(cè)中的適用性，最終得出奈曼旗最適合的沙漠化監(jiān)測(cè)模型。

2 研究原理和方法

2.1 研究區(qū)概況

奈曼旗（42° 14′ 40″ -43° 32′ 20″ N，120° 19′ 40″-121° 35′ 40″ E）位于科爾沁沙地，是中國(guó)典型的半干旱- 半濕潤(rùn)地區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)地帶。該地區(qū)冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年平均氣溫為6.0 ℃-6.5 ℃，平均降水量為366 mm。南部為低山和丘陵，中部和北部多為風(fēng)蝕沙灘和沖積平原。過(guò)去幾十年中，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同作用下，奈曼旗的沙漠化程度日趨嚴(yán)重。

2.2 特征空間原理

修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）可以較好地反映干旱半干旱地區(qū)稀疏地表植被的空間分布狀況[10]。隨著沙漠化不斷加劇，地表植被覆蓋率降低，MSAVI 值相應(yīng)減小。因此，可將MSAVI 作為沙漠化過(guò)程監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。地表反照率（Albedo）作為表征植被下墊面輻射特征的重要參量，其數(shù)值會(huì)受土壤水分、植被覆蓋、積雪覆蓋等地表?xiàng)l件的變化而變化。隨著沙漠化程度的加劇，地表水分減少，地表粗糙度下降，地表反照率會(huì)相應(yīng)增加。如圖1 所示，A、B、C、D 四點(diǎn)代表四種極端狀態(tài)，四點(diǎn)所圍成的封閉區(qū)域包含了除云、水體以外的各類(lèi)地物，并呈現(xiàn)出一定的空間分異規(guī)律。Albedo 與MSAVI 呈顯著的線性負(fù)相關(guān)性，以MSAVI 為橫坐標(biāo)，Albedo 為縱坐標(biāo)，構(gòu)建Albedo-MSAVI 特征空間。上邊界A-C 邊代表高反照率線，反映干旱狀況，是給定植被覆蓋度條件下完全干旱土地對(duì)應(yīng)的最高反照率的上限[6]，而下邊界B-D 邊代表低反照率線，反映地表水分充足的狀況。

圖1 Albedo-MSAVI 特征空間原理

2.3 特征空間參量反演

地表反照率在調(diào)節(jié)地面輻射能量平衡方面起著重要作用，可用于確定下墊面吸收輻射能量的多少[9]。隨著地表反照率的增加，土地沙漠化程度加劇。植被覆蓋度則是評(píng)價(jià)沙漠化土地中植被恢復(fù)狀況的重要參數(shù)[10]。然而，受土壤背景的影響，NDVI在植被稀疏的地區(qū)無(wú)法準(zhǔn)確、有效地表示植被覆蓋狀況。因此，本研究引入了MSAVI，以減少或消除土壤背景和植被冠層的影響。

通過(guò)從Landsat8 OLI（2017-8-29，軌道號(hào)為121/30）獲得的藍(lán)色（Bblue），紅色（Bred），近紅外（Bnir）和短波紅外波段（Bswir1和Bswir2）的反射率數(shù)據(jù)，計(jì)算了MSAVI 和Albedo 兩個(gè)特征參量[7]。

地表反照率（Albedo）公式如下：

3 特征空間及模型構(gòu)建

3.1 構(gòu)建特征空間

本研究基于Albedo 和MSAVI 構(gòu)造了沙漠化監(jiān)測(cè)特征空間。不同程度的沙漠化在Albedo-MSAVI 特征空間中存在顯著的空間分布分異規(guī)律。隨著MSAVI 指數(shù)的減小，地表反照率（Albedo）增加，沙漠化程度加劇。根據(jù)Albedo-MSAVI 特征空間中任意點(diǎn)到點(diǎn)(1,0)的距離，本研究選取了五個(gè)不同區(qū)域分布的點(diǎn)群，并對(duì)照和分析每個(gè)點(diǎn)群的實(shí)際空間分布及其沙漠化狀況，以研究不同程度的沙漠化與點(diǎn)群之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，可將沙漠化程度劃分為五類(lèi)，即非沙漠區(qū)、輕度沙漠區(qū)、中度沙漠區(qū)、重度沙漠區(qū)、極重度沙漠區(qū)。利用相似的方法，本研究基于Albedo-MSAVI 特征空間中任意點(diǎn)到土壤線的距離大小選擇了五個(gè)不同區(qū)域分布的點(diǎn)群。Albedo-MSAVI 特征空間的5 個(gè)不同的點(diǎn)群能夠較好地反映奈曼旗不同程度的沙漠化。

3.2 沙漠化監(jiān)測(cè)模型

如圖2 所示，Albedo 和MSAVI 之間存在顯著的非線性關(guān)系，這與特征空間中沙漠化過(guò)程的演變軌跡表現(xiàn)出極大的相似性。特征空間中任意點(diǎn)M到點(diǎn)O(1,0)的距離越大，其對(duì)應(yīng)的沙漠化程度就越高。從而距離L1可以用來(lái)區(qū)分不同的沙漠化程度，因此基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)指數(shù)模型（DMI1）構(gòu)建如下：

圖2 Albedo-MSAVI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型的構(gòu)建

如圖3 所示，從Albedo-MSAVI 特征空間中取任意點(diǎn)P 到直線L 的距離可用于指示不同程度的沙漠化。點(diǎn)P 到線L 距離的越大，其對(duì)應(yīng)的沙漠化程度就越嚴(yán)重。根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)指數(shù)模型（DMI2）構(gòu)建如下：

圖3 Albedo-MSAVI 點(diǎn)對(duì)線模型的構(gòu)建

式中，α 和β 分別為特征空間中土壤線L 回歸方程的參數(shù)。Albedo-MSAVI 特征空間的土壤線L 的擬合方程為：y=-0.4631x+0.3795 R2=0.9691，公式（4）和（5）中α 和β 的值分別為-0.4631 和0.3795。Albedo 與MSAVI 之間呈顯著負(fù)相關(guān)，R2為0.97。

4 結(jié)果與分析

本研究基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)線兩種模式的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型計(jì)算了奈曼旗的沙漠化指數(shù)。為了更好地分析不同程度沙漠化的空間分布以及探討兩類(lèi)模型在不同沙漠化程度監(jiān)測(cè)的適用性，基于圖像直方圖的分布情況以及沙漠化的空間聚類(lèi)特征，本研究利用SuperMapiDesktop 軟件的重分類(lèi)方法，將兩類(lèi)特征空間監(jiān)測(cè)模型中的沙漠化指數(shù)劃分為五類(lèi)，從而獲得不同沙漠化程度的空間分布。進(jìn)而利用Google Earth 影像和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從具有不同景觀類(lèi)型的區(qū)域中選擇了245 個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，以對(duì)比和分析兩類(lèi)特征空間監(jiān)測(cè)指數(shù)模型的適用性（表1）。

表1 沙漠化分類(lèi)誤差矩陣（以Albedo-MSAVI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型為例）

基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型的總體精度為88.9%。但該模型在不同沙漠化程度中的監(jiān)測(cè)精度存在一定差異：輕度沙漠化的監(jiān)測(cè)精度最高（93.5%），其次是非沙漠化（89.6%）和中度沙漠化（89.2%）。對(duì)于極重度沙漠化（88.9%）和重度沙漠化（87.5%），因?yàn)檫x取的野外觀測(cè)點(diǎn)較少，從而影響了其監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)估精度[10]。

由于充分考慮了特征參量間作用的非線性特征及土壤線，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型的總體精度為93.8%，高于總體精度為88.9%的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型。

此外，基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型無(wú)法有效區(qū)分具有相同的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離但屬于不同沙漠化程度的點(diǎn)群。在不同程度的沙漠化監(jiān)測(cè)方面，輕度沙漠化表現(xiàn)出最好的反演精度，而重度沙漠化表現(xiàn)出最差的反演精度（表2）。

表2 Albedo-MSAVI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型對(duì)不同沙漠化程度的監(jiān)測(cè)精度

基于上述分析，由Albedo-MSAVI 推導(dǎo)出的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)線的特征空間監(jiān)測(cè)模型均表現(xiàn)出較好的適用性，可用于奈曼旗的沙漠化監(jiān)測(cè)。其原因在于地表反照率能夠適當(dāng)?shù)姆从惩恋厣衬倪^(guò)程，沙漠化程度隨著Albedo 的增加而加劇[6]。此外，由于引入了土壤線，MSAVI 能夠極大地減少或消除土壤背景和植被冠層的影響[8]。同時(shí)，因?yàn)槌浞挚紤]了Albedo 與MSAVI參量間作用的非線性特征，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型要比基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型的反演精度高。因此，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型在奈曼旗沙漠化監(jiān)測(cè)中具有最高的適用性（表3）。

表3 Albedo-MSAVI 點(diǎn)對(duì)線模型對(duì)不同沙漠化程度的監(jiān)測(cè)精度

5 結(jié)論

在充分考慮特征參量Albedo 與MSAVI 之間耦合作用的非線性特征及土壤背景影響的前提下，本研究提出了基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型，并對(duì)比和分析了上述兩類(lèi)特征空間模型在不同程度沙漠化監(jiān)測(cè)中的適用性?？傮w上，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型的反演精度（93.8%）高于基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型（88.9%）。兩類(lèi)模型在不同程度沙漠化區(qū)域中的監(jiān)測(cè)精度也存在一定的差異：其中，在非沙漠化區(qū)和輕度沙漠化區(qū)域兩者均表現(xiàn)出較好的反演精度；而在重度和極重度沙漠化區(qū)域，基于點(diǎn)對(duì)線的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型相比基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Albedo-MSAVI 監(jiān)測(cè)模型具有更好的適用性。