河北康保县土地沙化遥感监测

步 凡，于 航，安 娜

(中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

康保县位于河北省西北部，隶属于张家口市，为华北地区、尤其是京津地区的生态屏障，其土地沙化问题长时间以来得到众多学者的关注。目前，国内外众多学者已开展采用不同类型的遥感数据，对不同地区土地沙化现状和变化趋势进行分析的研究。但不同学者采用的遥感数据源、定量解译方法、数据源时相的选取都有所不同，对于研究区的土地沙化现状和变化的结果具有一定的不确定性。随着近年来卫星遥感数据传感器和遥感解译技术的发展，遥感技术已逐渐成为土地沙化与荒漠化调查监测的一个重要方法，基于卫星遥感影像开展康保县土地沙化与荒漠化长时间序列的调查监测工作也逐渐成为该地区生态环境监管的主要手段，系统总结近年来的康保县土地沙化趋势开展深入分析研究，成为具备现实意义的科学问题[1]。

本研究利用张家口康保县地区1984-2020年间的Landsat-5(TM)和Landsat-8卫星影像，基于NDVI(归一化植被指数)，配合人机交互解译进行校正，对康保县的植被覆盖情况和沙化土地进行提取[2]。从沙化土地面积变化的角度分析了康保县近40年来的变化趋势，为康保县的生态保护和土地荒漠化治理提供科学依据和决策支撑。

1 研究区概况

康保县位于河北省西北部，隶属于张家口市，全县面积约3365平方公里，人口约26.96万(2018年数据)。根据近年来部分学者调查数据显示，河北省土地沙化现象主要集中于北部的张家口市和承德地区，而康保县等北部县区的土地沙化问题在整个河北省范围内又处于相对突出的位置，但随着“三北”防护林体系建设、退耕还林、京津风沙源治理等重点工程，康保县的土地沙化现象有所减缓，沙化的趋势得到遏制[3]。

2 研究数据

本研究搜集了康保县1984-2020年期间的Landsat-5数据(1984年5月)、Landsat-8数据(2014年4月、2020年4月)。Landsat-5卫星于1984年3月发射升空，可采集七个波段的光学数据，最高空间分辨率为30米。Landsat-8卫星于于2013年2月发射升空，其在landsat-5卫星数据7个波段的基础上，增加了空间分辨率为15米的全色波段和空间分辨率为30米的卷云波段[4]。

考虑到康保县的主要土地利用类型为耕地，为了排除因农作物在不同时间内的长势不同造成的定量遥感指数的不同，同时为了增强年度间数据的可比性，本研究的遥感影像拍摄时间均为4-5月，为保证年度间对比的标准化，经过处理的遥感影像均采用CGCS2000大地坐标系统[5]。

3 研究方法

3.1 遥感影像的预处理

遥感影像的预处理主要采用ENVI软件完成，主要针对Landsat-5和Landsat-8数据进行正射纠正、影像裁切与增强等。

本研究以搜集的康保县2018年土地变更调查影像为参考影像，以SRTM DEM作为高程参考，选取控制点，在待纠正影像选取与参考影像相对较为明显的同位置点，例如线性地物的交叉口等，坐标系统采用CGCS2000大地坐标系统，对Landsat-5和Landsat-8数据进行正射纠正[6]。对于Landsat-5和Landsat-8数据进行纠正时，选取控制点数量在30个左右，采用二次多项式、双线性内插的方法。

3.2 植被指数提取

本研究对于康保县的植被提取工作采用自动化指数提取(归一化植被指数(NDVI)和人工校正相结合的方法[7]。首先对Landsat-5和Landsat-5影像的光谱特征进行分析，制定提取规则，并在定量提取的基础上，加以人工改正，提高提取精度。

归一化植被指数(NDVI)是遥感影像的近红外(NIR)波段和红(R)波段的反射率差值与近红外(NIR)波段和红(R)波段的反射率和值的归一化比值指数[8]。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NIR是近红外波段的反射值，R是红色波段的反射值。

3.3 人工验证

在提取完1984、2014、2020年遥感影像中的康保县植被指数后，再基于遥感影像的光学影像特征，采用人机交互解译验证的方法，再扣除居民区、道路等人工特征地物的影响，最终得到研究区的土地沙化分布[9-11]。

3.4 土地沙化分级

依据《沙化土地监测技术规程》(GB/T 24255—2009)中沙化土地程度分级标准，对康保县土地沙化程度进行分级[12-13]。

(1)轻度沙化土地

植被盖度≥50%，基本无风沙流活动的沙化土地。

(2)中度沙化土地

30%≤植被盖度<50%，风沙流活动不明显的沙化土地。

(3)重度沙化土地

10%≤植被盖度<30%，风沙流活动明显或流沙纹理明显可见的沙化土地。

(4)极重度沙化土地

植被盖度<10%的沙化土地。

根据上述分级标准，将康保县的1984年、2014年、2020年定量化计算得出的植被覆盖指数进行分级分类，分别划分轻度沙化土地、中度沙化土地、重度沙化土地、极重度沙化土地[14]。

3.5 结果分析

根据1984-2020年康保县地区遥感影像，结合归一化植被指数(NDVI)和人工改正的植被覆盖提取结果，进而分析1984-2020年来的康保县沙化土地现状与变化趋势[15]。

图1 康保县土地沙化变化趋势(1984-2020)Fig.1 Change trend of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

表1 康保县不同类型沙化土地面积变化趋势(1984-2020)

从图2中可看出康保县近40年来土地沙化情况的总体趋势，轻度沙化土地面积从1984年的1 063.18 km2持续上涨，直到2020年，增长到1 844.08 km2，上涨幅度达到73%，增加幅度较为明显；中度沙化土地面积从1984年的980 km2的状态基本保持稳定，到2020年，中度沙化土地面积基本稳定在945.82 km2；重度沙化土地面积从1984年的959.82 km2持续下降，直到2020年，下降到370.75 km2，下降幅度达到61%，减少幅度较为明显；极重度沙化土地面积从1984年的201.57 km2持续下降，直到2020年，下降到51.37 km2，下降幅度达到75%，减少幅度比较明显。

图2 康保县各类型土地沙化情况变化趋势(1984-2020)Fig. 2 Change trend of various types of land desertification in Kangbao County (1984-2020)

从客观的数据来观察，随着国家对生态环境的保护力度的加大，通过三北防护林的建设、植树造林等工程的建设，康保县土地沙化问题有了较为明显的改善，尤其是康保县南部地区的改善情况最为明显。80年代，康保县南部地区的土地沙化问题较为严重，重度沙化和极重度沙化土地分布较多，北部部分区域的沙化问题也比较突出，但经过近40年的生态治理和植树造林工作，康保县南部区域的沙化情况基本得到遏制和恢复，重度沙化和极重度沙化土地已基本消失，北部地区的沙化情况也有了很大改善。从2020年的情况来看，康保县土地沙化情况较为明显的区域主要集中在北部地区，且分布范围在逐年减小。

4 结语

通过遥感等技术手段，可以直观、快速、准确的估算出研究区的土地沙化面积，利用多期次的遥感影像叠加分析，还可以反映出研究区土地沙化面积的变化趋势，为研究区的土地资源的保护、开发利用和土地沙化的防治提供科学支撑。同时，以研究区土地沙化现状的监测为样板，通过长时间序列的遥感监测工作，可以监测其他区域土地资源和土地沙化的现状和历史变迁情况。在当前生态文明建设日益重要、生态保护力度日趋加大的背景下，遥感技术为土地沙化等生态环境保护问题的发现和监管提供了客观的科学手段。