环青海湖区沙漠化土地景观格局自相关分析

裸土地 13
以亮白色为主色调，呈零星 斑 块 分布
沙地 14
以浅红色、白色斑点为主色调，典 型的呈现出鱼鳞状波纹
联合开发，日本的地球遥感数据模拟中心（ ERSDAC） 和 NASA 的地面队列分布式动态文档中心（ LPDAAC） 提 供下载〕； 同时，以青海湖区的植被类型图、土地利用 图、1∶ 50 000 的地形图作为辅助资料。 2． 2 遥感信息的处理 2． 2． 1 土地利用 /覆被信息的提取 根据研究区野 外实地考察，结合相关资料及前人研究，建立本区土 地利用 / 覆 被 类 型 的 划 分 标 准 及 Band 5，Band 4， Band 3 波段组合下的影像特征〔14〕（ 表 1） 。
图 1 研究区位置示意图 Fig． 1 Geographical location of the study area
* 收稿日期： 2009 － 12 － 26； 修订日期： 2010 － 06 － 18 基金项目： 国家自然基金项目（ 40961015） ； 科技部国家科技支撑计划（ 2007BAC30B02 － 02） ； 青海省科技厅项目（ 2008 － z － 613） 作者简介： 马燕飞（ 1983 － ） ，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为环境遥感与地理信息系统． E － mail： mayanfei8866@ 126． com 通讯作者： 沙占江． E － mail： sazhanjiang@ sina． com
6期
马燕飞等： 环青海湖区沙漠化土地景观格局自相关分析
955
区和青藏高原季风区的交汇地带，常年盛行西北风， 风大且多，蒸发量较大。主要河流有： 布哈河、沙柳 河、倒淌河、哈尔盖河、甘子河、黑马河等。湖区是青 海省境内人类活动相对集中的地区之一，主要分布在 环湖的狭长地带以及湖周交通相对发达的湖盆地带。
956
干旱区研究
27 卷
通过对分类结果分析发现，耕地、裸土地、温性 草原、石砾地与其他地物混淆程度比较严重外，其他 类型的分类结果比较理想。考虑到该区垂直分带特 性较明显，因此结合高程信息、纹理信息、植被专题 图以及 1∶ 50 000 地形图，对分类结果进行人机交互 式修正，得到最后的分类结果（ 图 3） 。
（ 1． 青海师范大学生命与地理科学学院 青藏高原资源环境研究中心，青海 西宁 810008； 2． 中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083）
摘 要： 以环青海湖区 1． 49 × 104 km2 为研究区，选取轨道号为 132 /34，133 /34，133 /35，134 /34 的 1987 年和 2006 年 2 个时期的 Landsat － 5 TM 影像，并以全球数字高程模型（ GDEM） 为数据源，结合 1∶ 50 000 地形图、植被类型图 等数据，获取了该区 14 种土地利用 / 覆盖类型，遥感解译的总体分类精度为 81． 81% 和 79． 37% ，Kappa 系数为 0． 80 和 0． 78。再根据青海湖区各地风沙活动的强度，参考已有的划分标准，得到环湖区沙漠化土地景观结果； 以不同时 期各沙漠化土地景观的归一化植被指数（ NDVI） 均值和坡向均值、高程均值等为区域观测值，计算了各种沙漠化土 地景观类型之间空间自相关性 Moran 指数和 NDVI 均值与坡度、坡向、高程均值、出现频率最高的高程值之间的多 变量自相关指数，分析了在 20 年间的动态变化特征。最后，基于各沙漠化土地景观的空间集聚分布特点及其生态 意义，得出研究区景观结构稳定性分级图，提出了相应的生态保护措施。 关键词： 空间自相关； NDVI； 沙漠化； 景观格局； 风沙活动； 青海湖 中图分类号： P931． 3 文献标识码： A
基于像元的分类是严格按照数学规则进行的， 分类后往往会产生一些只有几个像元甚至 1 ～ 2 个 像元的小图斑，这不论从专题制图的角度，还是从实 际应用 角 度 看，都 有 必 要 对 这 些 小 图 斑 进 行 剔 除〔15〕。常用的分类后处理方法有聚类（ Clump） 、漏 除（ Sieve） 等。在 ENVI 中，对土地利用 / 覆被类型专 题图进行聚类—漏除—聚类处理。由于每种类型的 斑块大小、形状差异性较大，在后处理时采用了不同 的聚类窗口和漏除窗口，如河流采用 3 × 3 窗口、对 裸岩、高寒沼泽、水体、沙地等采用 7 × 7 窗口，得到 研究区土地利用 /覆被信息。
河流
58． 82 73． 17
河流
64． 52 90． 91
湖泊
72． 73 61． 54
湖泊
80． 65 83． 33
高寒沼泽 92． 06 92． 06 高寒沼泽 84． 29 96． 72
湖滨沼泽 85． 71 94． 74 滨湖沼泽 93． 10 93． 10
基岩
85． 42 97． 62
基岩
土地沙漠化是指在干旱半干旱及亚湿润干旱 区，由于气候变化与人类活动等因素的作用所产生 的一种以风沙活动为主要标志的土地退化过程〔1〕。 近些年，国内外学者对区域沙漠化程度及其演变等 方面做了大量研究工作〔2 － 11〕。景观的空间研究是 分析景观格 局，了 解 景 观 过 程，把 握 景 观 动 态 的 基 础〔12〕。景观格局分析是从整体的、全局的角度来描 述景观要素特性的空间分析〔13〕，空间自相关是指一 些变量在同一个分布区内观测数据之间潜在的相互 依赖性。空间自相关统计量是用于度量地理数据的 一个基本性质： 某位置上的数据与其他位置上的数 据间的相互依赖程度，即空间依赖。地理数据由于 受空间相互作用和空间扩散的影响，彼此之间不是 相互独立的，而是相关的。本文在前人研究的基础 上，运用 RS 和 GIS 技术，结合遥感图像解译，以沙 漠化土地景观类型的归一化植被指数（ NDVI） 和坡 度、坡向、海拔等分区统计均值，计算了沙漠化土地 景观之间的空间自相关统计量，分析了环青海湖区 沙漠化景观的空间结构特点，旨在揭示该区沙漠化 土地景观类型的空间聚集特征、变化趋势，以期为该 区的环境保护提供参考依据。
2 数据来源与处理
2． 1 数据来源 选取轨道号为 132 /34，133 /34，133 /35 和 134 /
34 的 1987 年和 2006 年 2 个时期的 Landsat － 5 TM 影像； 高程数据为全球数字高程模型〔GDEM，日本的 经济工商业部门（ METI） 与美国航空航天局（ NASA）
表 3 环青海湖区沙漠化土地景观分级分类系统 Tab． 3 Classification system of the sandy landscapes in the peripheral regions of the Qinghai Lake
87． 50 96． 55
山地灌丛 74． 07 97． 56 山地灌丛 78． 26 100． 00
河谷灌丛 95． 45 89． 36 河谷灌丛 70． 59 85． 71
高寒草甸 92． 73 80． 95 高寒草甸 85． 00 75． 56
温性草原 88． 73 53． 39 温性草原 88． 24 46． 88
采用图 2 的技术路线，以 TM 影像为主要数据 源，通过 NDVI、纹理分析、波段比值法、最大似然法、 光谱角度制图（ SAM） 等方法，对研究区土地利用 / 覆被类型进行分层分类信息提取。
图 2 遥感信息提取方法技术流程 Fig． 2 Technological flowchart of RS information extraction
57． 97 95． 24
裸土地 72． 73 96． 97 裸土地 77． 78 100． 00
石砾地 61． 54 88． 89 石砾地 80． 43 84． 09
沙地
95． 74 83． 33
沙地
93． 02 88． 89
河谷沼泽 74． 36 100． 00 河谷沼泽 74． 36 97． 86
表 1 研究区土地利用 /覆被类型的遥感图像解译标志 Tab． 1 RS image interpretation of land use / cover types in the study area
一级 分类
二级 分类
编码
影像 特征
影像特征描述
耕地 耕地 1
以绿色、灰绿色为主，几何形状规 则，边界清晰
表 2 解译结果精度评价 Tab． 2 Accuracy assessment of interpretation results
1987 年
2006 年
土地利用 制图精 用户精 土地利用 制图精 用户精 /覆被类型 度 /% 度 /% /覆被类型 度 /% 度 /%
耕地
64． 29 81． 82Βιβλιοθήκη Baidu
耕地
从表 1 可以看出，总体分类精度为 81． 81% 和 79． 37% ，Kappa 系数为 0． 80 和 0． 78。但部分类型 的分类精度相对较低，尤其是河流的制图精度和温 性草原的用户精度。虽然，对分类结果进行人工修 改时加入了植被类型专题图和高程等辅助信息，但 对“同物异 谱、异 物 同 谱、近 谱 ”的 现 象 仍 无 法 很 好 区分，再加上影像空间分辨率的限制，混合像元大量 存在，造成类型的错分和漏分现象，从而降低了总体 分类精度。 2． 2． 3 环青海湖区沙漠化土地景观分级分类系统
1 研究区概况
研究区位于 36°17'59． 598″ ～ 37°29'59． 064″N， 99°8'43． 896″ ～ 101°11'13． 686″E（ 图 1） 。研究区全 年日照时数大部分在 3 000 h 以上，光照资源较为丰 富； 湖区东部和南部气温稍高，西部和北部气温稍 低，平均最高气温 6． 7 ～ 8． 7 ℃ ，平均最低气温 － 6． 7 ～ 4． 9 ℃ 。降水稀少但相对集中，主要集中在 5 ～ 9 月，年平均降水量为 300 ～ 400 mm； 湖区是东部季风
蓝黑色为主色调
（ 河滩） 石砾地
8
以蓝 色、灰 蓝 色 为 主 色 调，沿 湖 边、河谷呈长带状分布
沼泽
高寒 沼泽
9
多呈灰绿色，分布于高海拔 的 河 谷、阴坡或山地峁垣
滨湖 沼泽
10
以暗绿色、墨绿色为主色调，分布 在湖泊周围或河流入湖口
河谷 沼泽
11
形态自然弯曲，呈条带状
裸地 基岩 12
以紫、粉红色为主色调，影像较粗 糙，多带状、片状分布
总体精度为： 81． 81% （ 603 /737） 总体精度为： 79． 37% （ 427 /538）
Kappa 系数为： 0． 80
Kappa 系数为： 0． 78
2． 2． 2 分类精度评价 采用随机选取检验区法，在 ENVI 中，对 2 期解译结果分别选取 737 个和 538 个 地面真实样本进行精度评价，得出制图精度、用户精 度、总体精度和 Kappa 系数（ 表 2） 。
将该区域内土地利用 / 覆盖的 14 种类型，按其在 一定时段内发生沙漠化的可能性分为沙漠化土地和 非沙漠化土地两大类。其中，耕地、温性草原、河谷 沼泽、湖滨沼泽、河谷灌丛、河流、石砾地、裸土地、沙 地归为沙漠 化 土 地，湖 泊、基 岩、高 寒 沼 泽、山 地 灌 丛、高寒草甸归为非沙漠化土地。沙漠化土地类型 的等级划分各不相同，分类系统有一定的差别。本 文根据青海湖环湖区域各地风沙活动的强度不同， 并参考已有的划分标准〔16〕，确定出环湖区沙漠化土 地 景观分级分类系统（ 表3 ） ，再利用GIS软件里的
林地
山地 灌丛
2
以深绿色为主，影像纹理细 腻 清 晰
河谷 3 灌丛
暗绿色为主，多沿河流走向分布
草地
高寒 草甸
4
以绿、淡绿色为主色调，影像质地 较细腻，颜色较均匀
温性 5 草原
水域
河流 水面
6
湖泊 7 水面
以红 色、浅 红 色、浅 蓝 色 为 主 色 调，影像质地较粗糙，颜色不均匀
以深蓝色为主，也有蓝色与 浅 蓝 色，纹理特征为不同宽度的 弯 曲 带状
第 27 卷 第 6 期 2010 年 11 月
干旱区研究 ARID ZONE RESEARCH
文章编号： 1001 － 4675（ 2010） 06 － 0954 － 08
Vol． 27 No． 6 Nov． 2010
*
环青海湖区沙漠化土地景观格局自相关分析
马燕飞1， 沙占江1， 牛志宁2， 郭丽红1， 张婷婷1， 张慧超1