中亚地区沙漠化土地遥感监测Word文件下载.docx
- 文档编号:8243500
- 上传时间:2023-05-10
- 格式:DOCX
- 页数:24
- 大小:1.88MB
中亚地区沙漠化土地遥感监测Word文件下载.docx
《中亚地区沙漠化土地遥感监测Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中亚地区沙漠化土地遥感监测Word文件下载.docx(24页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
其中哈萨克斯坦的荒漠化土地达就到了该国国土面积的60%;
而中亚国家中沙漠化最严重的国家当属土库曼斯坦,该国沙漠化土地占比高达80%;
乌兹别克斯坦相对来说荒漠化区域较少,但是沙漠化区域的占比也算是中亚五国中较高的了,仅次于哈萨克斯坦,沙漠化土地近乎是该国国土面积的一半;
中亚五国中荒漠化土地面积最少的就是塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦,两国大部分区域为高山[3-9]。
古今中外,已经有不少研究学者认识到荒漠化研究的重要性,纷纷对其进行了各方面的研究,近年来荒漠化的研究可以说是非常受重视了,无论是各国政府还是学者,都致力于沙漠化的研究与治理。
据联合国资料显示,目前荒漠化已影响到世界1/5的人口和全球1/3的陆地,每年由此造成的直接经济损失达423亿美元[10]。
据调查资料显示,当前沙漠化的扩展速度还是很快,尽管各国已经在积极治理,但是沙漠化还是正在以每年5万~7万km2的速度扩展。
由于中亚的大部分地区为荒漠和半荒漠地区,因而使中亚各国的农牧业生产和人民生活受到了严重影响。
沙漠化会使农业生产条件恶化,粮食产量降低并且极其不稳定。
除此之外,荒漠化对环境的危害也是相当大的,由于沙漠侵蚀,每年会有数千平方公里的土地、林地退化成沙漠,导致越来越多的牧民成为了“生态难民”,不仅如此,沙漠化还会使得土地生产力严重衰退;
造成植被退化后,直接使得沙尘暴的发生频率升高,间接导致流入河流的泥沙增加,自然灾害发生的也更加频繁。
除此之外,荒漠化地区也是贫困人口较为集中的地区,严重影响了当地政治经济的发展。
本文利用ERDAS等遥感软件处理MODIS数据产品MOD13A1,分析了中亚五国2018年全年的NDVI空间分布特征,进而分析中亚地区土地荒漠化的程度。
自1997年联合国荒漠化大会以来,荒漠化的已经是世界范围内有关环境的研究热点,在国际社会以及科学界的共同努力下,相继开展了小到区域大到全球的荒漠化研究。
荒漠化的研究涉及到基础理论、监测与评价方法、治理模式与技术,通过社会各界的努力,荒漠化的研究和治理已经取得显著成效。
尽管如此,荒漠化还是世界环境问题中的一个大问题,有关荒漠化的许多科学与技术等方面的问题,还有待于进一步的深入研究,这就需要当代研究人员付出更大的努力去完善荒漠化的研究机制。
目前从区域到全球范围,沙漠化的形式依旧十分严峻,沙漠化的治理是一场迫在眉睫的环境战役。
想要打赢这场环境战役,我们首先要对沙漠化过程以及演变趋势了解透彻,并且深入沙漠化的驱动因子。
如果能有效解决以上问题,无论从理论还是实践方面来说都是迈向了一个新的阶段。
1.2相关文献综述
当前国内外关于沙漠化的研究方法有很多,尤其以监督分类、非监督分类、时间序列和遥感反演等方法最为常见。
在沙漠化的各种监测技术中,遥感监测技术具有视域广、时效性强、价格低廉等特点。
这是其他监测方法所无法比拟的,节省了大量的人力物力和财力,使研究人员能够将更多的精力投入到更高层次的应用模型开发上。
在此基础上,国内外学者对沙漠化的动态变化及其影响因子等方面展开了一系列研究,以不同程度不同角度加深了人们对沙漠化的认识,并提高了人们对于环境保护的认识。
1.3国内外研究进展
1.3.1沙漠化概念
沙漠化一词是国人按照我们自己的语言习惯根据英文单词desertification汉译过来的。
国外研究学者一般称其为荒漠化。
在法国人A.Aubneville1949年的研究中,第一次提到了荒漠化一次词,他把热带森林是如何一步一步退化成荒漠化土地的过程称为荒漠化[11]。
由于沙漠化对生态环境的影响越来越大,国际社会似乎也意识到了这一点,因此在1992年联合国呼吁召开了“联合国荒漠化大会”(UNConferenceonDesertification),有关“荒漠化”的明确定义就是在这次会议上提出的,给荒漠化定义为:
土地由于遭受到各种削弱和破坏,导致类似荒漠的情况,属于生态系统普遍恶化的现象之一。
随着科学与技术的发展,人们对沙漠化的认识也越来越清晰,因此在1997年的“联合国环境和发展大会”(UNCED)上,又对沙漠化有了一个新的定义:
是由气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化[12]。
1.3.2国外研究进展
早在20世纪初期,国外就已经开始关注沙漠化的研究和防治工作,就目前来说,国外对荒漠化的研究比国内更为广泛。
日益严重的土地退化问题引起了世界的高度关注,由于最开始人们只是对什么事沙漠化做出了明确的定义,并没有给出明确的监测指标以及确切的影响因素,因此很多科学家在1997年的联合国荒漠化大会之后,开始致力于沙漠化监测指标以及影响因素的研究。
经过研究人员的不懈努力,由Berry和Ford两人率先提出了一套较为完善的沙漠化监测指标体系,他们提出该体系是以人类、动物、植物、土壤和气候等影响为依据的,这个体系包括地表反射率、降水、盐渍化、沙尘暴等因素,适用于全球范围,并且是以气候因子为主体,没有考虑人为活动等影响因素[13-14]。
这一指标的提出极大促进了荒漠化在理论和模型研究方面的发展。
在前人研究的基础上,Reining对荒漠化的有关特征做出了进一步的归纳,这次其将自然和人为因素等影响考虑在内,并提出由社会、物理和生物三方面的众多指标组成监测指标体系[15]。
在1980年,Dregne又根据各种土地利用类型确定了包括物理以及生物的、社会的两方面指征的荒漠化指标体系[16]。
随着社会的发展,沙漠化的影响也逐渐显现了出来,世界各国对其的关注也越来越大,以至于在20世纪70年代初期,沙漠化就已经引起了全球性的关注。
1992年召开的“联合国环境与发展大会(UNCED)”,集结了世界各国的首脑,足以证明沙漠化影响的严重程度,也就是在这次会议上,完成了《21世纪议程》,也是在此次会议上沙漠化被列为影响人类社会持续发展的重要问题之一。
而后就是在1994年,根据联合国各国决议以及各政府间的谈判,表决通过了《联合国关于在发生严重干旱和荒漠化的国家特别是在非洲防治荒漠化的公约》。
该公约也表现出世界各国对沙漠化越来越重视,沙漠化的影响也是不言而喻。
1977年“联合国荒漠化大会”(UNConferenceOnDesertification)在肯尼亚内罗毕召开,在这次会议上,正式把沙漠化的评价与监测研究提上议事日程。
沙漠化土地的扩展速度是非常迅速的,如果不加快速度出台以及调整治理政策,沙漠化对生态环境的威胁将会越来越大,社会经济持续发展也会受到影响。
之后,沙漠化已逐渐成为众多学科相互交叉研究的领域,随着遥感技术的出现以及更新发展,沙漠化的研究更加广泛。
当前国际上沙漠化研究的总趋势是:
沙漠化是一个严重的环境甚至社会经济问题,需要从自然、社会和经济等方面进行全方位的综合研究。
1.3.3国内研究现状
沙漠化是我国土地退化的主要形式之一,特别是我国北方地区,自20世纪50年代以来,沙漠化面积不断扩大,对区域社会经济发展和环境安全产生了严重影响。
恶劣的地理条件(稀疏的植被覆盖、沙质土壤和缺水)、不合理的土地利用实践以及人口的增加被认为是引发沙漠化的力量。
因此,沙化评价与监测一直受到研究者、公众和决策者的关注。
据国家林业局第五次沙化土地监测结果显示,截至2014年,全国荒漠化土地总面积261.16万平方公里,占国土总面积的27.20%。
沙漠化对我国生态环境乃至民生的影响的不断扩大,沙漠化的研究更加受到重视。
在我国最先提出荒漠化评价指标的是学者朱震达,其根据沙漠化土地面积增加的百分比、沙漠化区域占某地区总面积的百分比以及沙漠化土地景观的形态等指标,将沙漠化土地依次分为潜在沙漠化土地、正在发展中的沙漠化土地、强烈发展中的土地、严重沙漠化土地四种类型[17]。
之后,陈渭南、吴正、胡孟春和中国科学院黄土高原综合科学考察队也分别提出了与之类似的指标[18]。
此外,由于当时我国的沙漠化研究处于起步阶段,因此各方面都会有一定的局限性,特别是在沙漠化的监测与评价过程中,研究人员还是处于摸索之中,导致研究力量总是集中于沙质沙漠化,也就因此忽略了荒漠化监测与评价的基准问题,最终使得沙漠化的评价指标不够系统全面,不能实现构建荒漠化监测与评价的指标体系初衷。
之后高志海等在2002年运用屏幕解译结合3S技术建立了荒漠化监测技术系统[19]。
尽管我国对沙漠化的研究起步较晚,在研究过程中也遇到过很多阻力,但这些都不足以成为我们前进路上真正的绊脚石,近年来国内学者对沙漠化的研究也慢慢的摸到了门路,不断地从自然、人为以及综合因素等方面分析沙漠化的过程,可喜的是,我国在这些方面的研究也是取得了极大地进步。
随着各种高新科技的出现,沙漠化的研究更是如鱼得水,以飞快的速度向前发展。
1.4技术路线和研究内容
1.4.1研究内容
MODIS数据的获取成本较其他数据低,分辨率能够满足土地沙漠化研究,因此其适宜用于宏观尺度沙漠化监测。
本次毕业设计主要通过建立中亚地区沙漠化程度判别指标体系,之后对不同区域的沙漠化程度进行评价,分析基于MODIS-NDVI数据支持下的中亚不同地区沙漠化程度以及空间分布。
依据本文的研究思路,主要如下章节:
第一章为绪论部分,主要介绍土地沙漠化的研究背景与意义,土地沙漠化的国内外的研究现状、主要研究目标与研究内容以及本文的研究路线等基础部分。
第二章为研究区概况,主要从自然条件状况和社会经济状况两方面进行表述。
其中自然条件方面又分三部分进行说明,首先是介绍研究区的地理位置,其次是介绍研究的地形地貌特征,阐述了中亚地区的研究区概况,地理位置、地形地貌、气候条件等。
第三章数据来源与预处理部分。
第四章阐述沙漠化研究的遥感分类方法,主要是非监督分类和决策树分类。
第五章沙漠化土地的空间分布分析,客观的反映了该研究区植被覆盖度情况。
第六章结论与展望。
对于本文的相关研究进行结论性总结,并且指出本论文研究的不足之处及下一步研究方向的展望。
1.4.2技术路线
在NDVI数据、土地利用类型数据、基础地图等组成的基础数据集的支持下,本文首先利用ERDAS对空间分辨率为500m的NDVI数据进行一系列相关的处理,然后分析中亚地区沙漠化的空间分布特征,其中涉及到非监督分类和决策树两种研究方法,通过对两种方法监测精度的比较,得出决策树的分类精度较高。
以此来分析中亚地区沙漠化的空间分布以及影响因素,最后得到本文研究结果,并提出结论与展望。
2研究区概况
2.1地理位置概况
中亚位于亚欧大陆中部,西起里海,东邻中国,北连俄罗斯,南与伊朗、阿富汗接壤,北纬50°
~85°
,东经35°
~55°
,总面积为401.7万km2。
我国古丝绸之路中的“西域”就是指甘肃敦煌以西到中亚、伊朗和小亚细亚等地的广阔地域,因此中亚地区是古代“丝绸之路”的必经之地。
中亚地区生态环境与我国西部内陆地区极其相似,由于中亚是丝绸之路经济带的必经之处,地理位置极其重要,所以研究中亚地区的土地荒漠化,会促进我国向中亚开放发展的战略实施,推动国际关系友好和平发展。
中亚地区地理位置概况图如图2-1所示。
图2-1中亚地区地理位置概况图
2.2地形地貌
中亚地区主要是以平原、丘陵为主,地势东南高、西北低。
中亚海拔最高的区域是帕米尔和天山地区;
帕米尔高原位于哈萨克斯坦境内,而天山则位于吉尔吉斯斯坦的西部区域;
其最低点位于哈萨克斯坦西部里海附近的卡拉吉耶洼地[20]。
地势不同,不同海拔高度的地理单元分布也不尽相同。
中亚的地形地貌比较完整,荒漠绿洲、草原丘陵、山地、冰川、河流都囊括在内,并且东南部的边缘处多山,沙漠化土地更是广布于整个区域。
2.3气候概况
中亚以温带大陆性气候为主,冬冷夏热,干旱少雨是该地区的典型气候特征,因此降雨量稀少是造成该地区沙漠化广布的主要因素。
另外,中亚属于中纬度大陆的内部区域,太阳辐射强,平均气温高,导致水汽蒸发旺盛。
由于该地区独特的气候特点,使昼夜温度变化剧烈,昼夜温差最高可达20-30℃,在帕米尔高原更有昼夜温差40℃的记录。
所以荒漠、半荒漠、草原占据了该区域的绝大部分面积,由于其独特的地理单元,致使生态系统十分脆弱[21]。
3数据来源及预处理
3.1MODIS数据
MODIS数据波谱范围很宽,有36个波段,波段不连续且全光谱覆盖,传感器每隔1~2天就可以获得从可见光到热红外波段(0.4~14.4微米)的地球海陆空的重复观察数据,探测器轨道为近极地圆形轨道,与太阳同步。
其地面分辨率有250m、500m以及1000m等规格,扫描宽度是2330km,NASA对MODIS采取免费接收数据并无偿使用。
MODIS标准化产品为正弦投影,如图3-1所示,在赤道位置是10°
×
10°
的格网,行列号从左上角(0,0)开始,到右下角(35,17)[22]。
MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品,在1B级数据产品之后,划分2~4级数据产品,MODIS陆地标准产品包括:
植被指数数据、地表反射率数据、叶面积指数和光合有效辐射数据、总净初级生产力数据等[23]。
MODIS在开发经过验证的、全球的、交互式的地球系统模型方面发挥着至关重要的作用。
3.2影像预处理
本文主要研究中亚地区荒漠的分布情况,为了有效估算中亚地区沙漠化的分布面积,需要进行有序的数据处理并且利用有效地研究方法,具体过程包括:
(1)下载2018年中亚地区的MOD13A31数据,数据范围是:
h21v03,h21v04,h22v03,h22v04,h22v05,h23v03,h23v04,h23v05(其中h代表行,v代表列)。
(2)利用MRT工具对获取的HDF-EOS格式的MODIS数据进行处理,实现数据的拼接、投影以及格式转化,如图4-2;
图4-1MRT工具MODISTool
(3)通过ERDAS中的Modeler模块建模以处理异常值,从而获得中亚地区8景NDVI影像数据。
(4)利用中亚地区的边界矢量图通过ERDAS对所得的图像进行裁剪,得到中亚地区NDVI影像。
(5)再一次通过ERDAS建模来对23幅影像去除无效值,得到正确的中亚地区NDVI影像。
(6)利用非监督分类法和决策树法,在上述软件的操作下对中亚地区2018年NDVI的空间分布特征进行分析。
本论文采用的空间分辨率为500m的MOD13A1数据是由https:
//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/下载。
根据NDVI值来反映中亚地区沙漠化的分布。
由于中亚地区MOD13A1数据以分幅的形式跨8个图幅,因此运用MODISReprojectionTool(MRT)软件将MOD13A1数据按原投影镶嵌再转换为适合中亚地区的阿尔伯斯投影(又称双标准纬线等积圆锥投影),输出500m分辨率的tif格式影像。
利用ERDAS9.2通过建模处理影像数据的异常值,以中亚地区矢量图裁剪出研究区植被NDVI影像,并去除无效值以避免其对统计结果可能造成的影响(如下图3-2,图3-3)。
图3-2MRT处理后的影像
图3-3ERDAS裁剪后的中亚地区NDVI数据
3.3土地利用覆盖数据
本文利用的土地利用覆盖数据是https:
利用MODIS-NDVI遥感图像以目视判读方式生成每一期的数据。
原始资料数据精度良好,数据加工过程中经多人校对、多人多次核查,加工后得到的数据集精度良好、质量可靠。
如图3-4,土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。
图3-4土地利用分类系统
4研究方法
4.1非监督分类法
非监督分类是指在没有训练场地作为样本的条件下,根据像元相似度大小进行分类,使用最多的是聚类分析法。
在非监督分类中,目前比较常见也比较成熟的有ISODATA(IterativeSelf-OrganizingDataAnalysisTechnique)、K-Mean和链状方法等,这个方法适合对要分类区域了解不多的情况。
Li等使用非监督分类与人机交互相结合的方法对海南岛西部的荒漠化进行了监测[24]。
本文采用的就是ISODATA算法,在此算法中,原始图像的所有波段都是参与分类运算的,并且分类结果往往是各类像元数大体比例。
非监督分类方法具有以下优点:
研究人员不需要对研究区域有广泛的了解和熟悉;
人为误差的机会减少;
独特的、覆盖量小的像元群也同样能够被识别出来,因此避免了监督分类中因为没有样本选择而将此类像元丢失的情况。
正因为人为干预少,减少了人为误差,所以非监督分类过程的自动化程度较高。
4.2决策树分类法
决策树(DecisionTree)是一种树状结构,它的每一个树节点又叫做叶节点,每个叶节点对应着要分成的类别,也可以说是对应着一个划分,将该节点对应的样本集划分成若干个子集,每个子集对应一个节点[25]。
由于通过这种决策分支分类完成后,其画成图形很像一棵倒立的树的枝干,因此称其为决策树。
决策树在遥感中是一种常用的分类方法。
决策树分类属于监管学习的一种,监管学习通俗来说就是事先给定一堆样本,每个样本都对应一组属性和一个类别,对应的类别是事先确定好的,这样通过学习就可以得到一个分类器,对于新出现的对象可以利用这个分类器给出正确分类。
决策树的建立是从根结点开始的,通过对样本数据进行测试得到的结果,将原数据样本划分成不同的样本子集,这样每个样本子集都会形成一子节点。
把每个样本子集再进行划分,重复第一步的过程,直到达到规定的终止点。
决策树建立以后,其每个叶节点对应着一个分类。
一个决策树包含三种类型的节点:
决策节点:
通常用矩形框来表示;
机会节点:
通常用圆圈来表示;
终结点:
通常用三角形来表示。
决策树是由一个根节点、一系列内部点以及终极节点组成,并且每一个节点只有一个父节点和两个或多个子节点(见图4-2)
图4-2决策树分类器
决策树分类方法的使用非常广泛,其主要优点有:
第一,决策树比较容易理解,对背景知识不是很了解的人也能够灵活运用,数据的特点能够通过决策树直接体现出来;
第二,决策树的建立没有复杂的准备过程,对于大型的数据源也能够在短时间内做出快速反应,并且效果良好;
第三,如果需要对模型进行测评,那么使用静态测试是很容易实现的。
5中亚地区沙漠化的结果与分析
5.1基于非监督分类方法的结果与分析
5.1.1土地沙漠化现状及空间分布
非监督分类对用户要求较低,用户不需要对研究区有所了解,就可以把自己想要的类别区分出来,这也是非监督分类最大的优点。
所以在非监督分类时,要求定义的类别尽可能的多,这样分类精度就更高。
因为在非监督分类时定义的类别数量比需要的类别数量多,所以在非监督分类之后,需进行分类重编码操作,本文首先把研究区域分为100类,定义颜色和名称,之后对非监督分类以后的数据进行分类重编码,对分类重编码后的类别再次定义分类名称和颜色。
上述操作完成以后,得到中亚以及其包括的五个国家2018年全年的土地沙漠化空间分布。
如图5-1~图5-6所示:
图5-1中亚地区土地沙漠化空间分布图5-2乌兹别克斯坦土地沙漠化空间分布
图5-3哈萨克斯坦土地沙漠化空间分布图5-4土库曼斯坦土地沙漠化空间分布
图5-5吉尔吉斯斯坦土地沙漠化空间分布图5-6塔吉克斯坦土地沙漠化空间分布
通过对中
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中亚地区 沙漠化 土地 遥感 监测